使用时间分辨编码的分光装置和分光方法与流程

1.本发明构思涉及分光装置和分光方法，更具体地，涉及使用时间分辨编码分析生物分子的分光装置和分光方法。


背景技术：

2.近来，对个性化医疗行业的需求不断增加，以通过适当的治疗及早诊断疾病并提高存活率。特别是，越来越需要能够在分子水平(诸如脱氧核糖核酸(dna)或核糖核酸(rna))上准确测量和分析疾病的分子诊断技术，。
3.作为分子诊断技术，存在pcr(聚合酶链反应)诊断法和拉曼分光法。pcr诊断法是通过聚合酶链反应复制和扩增核酸的所需部分，并且测量从附着到扩增的核酸的荧光标记物发出的信号的方法。拉曼分光法是一种测量和分析根据由光激发样本中的核酸分子的振动生成的散射光的方法。


技术实现要素：

4.[技术问题]
[0005]
本发明构思要解决的问题在于提供一种使用时间分辨编码分析生物分子的分光装置和分光方法。
[0006]
[技术解决方案]
[0007]
根据本发明构思的实施方式的分光装置包括：激光照射设备，其接收包括比特位序列的正交码，每个比特位具有第一值或第二值；生成在与比特位序列中的具有第一值的比特位相对应的比特位部分中具有脉冲的控制信号，脉冲的宽度短于上述比特位部分的宽度；使用控制信号中包括的脉冲作为触发来生成具有短于上述比特位部分的脉冲宽度的脉冲激光束；以及将包括所生成的脉冲激光束的入射光束照射到样本；以及检测器，其接收从被入射光束照射的样本生成的检测信号和正交码；基于正交码生成具有与入射光束的波形相同的波形的正交码信号；以及基于所生成的正交码信号和检测信号中包括的拉曼信号之间的相关性对拉曼信号进行解调。
[0008]
在示例性实施方式中，控制信号具有第一电压或大于第一电压的第二电压，在与比特位序列中的具有第一值的比特位相对应的比特位部分中在具有第二电压之后具有第一电压，并且在与比特位序列中的具有第二值的比特位相对应的另一比特位部分中保持第一电压。
[0009]
在示例性实施方式中，激光照射设备还使用控制信号中包括的脉冲的上升沿作为触发来生成脉冲激光束。
[0010]
在示例性实施方式中，激光照射设备还使用控制信号中包括的脉冲的下降沿作为触发来生成脉冲激光束。
[0011]
在示例性实施方式中，激光照射设备包括：主振荡器，其接收正交码，并且输出包括脉冲激光束的时间分辨光束；以及功率放大器，其接收时间分辨光束并且放大时间分辨
光束以将入射光束照射到样本。
[0012]
在示例性实施方式中，主振荡器包括：控制信号生成器，其接收正交码并且基于接收到的正交码输出控制信号；控制器，其接收控制信号并且基于控制信号输出用于生成脉冲激光束的触发信号；以及光源，其接收触发信号，包括用于确定脉冲激光束的脉冲宽度的时间分辨宽度信息，并且基于接收到的触发信号和时间分辨宽度信息输出时间分辨光束。
[0013]
在示例性实施方式中，功率放大器包括隔离器，该隔离器接收时间分辨光束并且阻挡反射回光源的光。
[0014]
在示例性实施方式中，功率放大器包括：第一泵浦激光器，其输出用于对增益介质进行光泵浦的第一泵浦激光束；以及耦合器，其将时间分辨光束和第一泵浦激光束耦合。
[0015]
在示例性实施方式中，功率放大器还包括第二泵浦激光器，其输出用于对增益介质进行光泵浦的第二泵浦激光束，并且耦合器还被将时间分辨光束、第一泵浦激光束和第二泵浦激光束耦合。
[0016]
在示例性实施方式中，功率放大器包括滤波器，该滤波器使与时间分辨光束的波长相对应的激光束通过并且阻挡噪声。
[0017]
在示例性实施方式中，功率放大器包括：第一放大级，其接收时间分辨光束，并且放大接收到的时间分辨光束以输出第一放大时间分辨光束；第二放大级，其接收第一放大时间分辨光束，并且输出其中第一放大时间分辨光束被进一步放大的第二放大时间分辨光束；以及第三放大级，其接收第二放大时间分辨光束，并且将其中第二放大时间分辨光束被进一步放大的入射光束照射到样本。
[0018]
根据本发明构思的实施方式的分光方法包括：生成包括比特位序列的正交码，每个比特位具有第一值或第二值；生成在与比特位序列中的具有第一值的比特位相对应的比特位部分中具有脉冲的控制信号，脉冲的宽度短于上述比特位部分的宽度；使用控制信号中包括的脉冲作为触发，生成具有短于比特位部分的脉冲宽度的脉冲激光束，并且将包括所生成的脉冲激光束的入射光束照射到样本；接收从被入射光束照射的样本输出的检测信号；基于正交码生成具有与入射光束的波形相同的波形的正交码信号，并且基于正交码信号和检测信号中包括的拉曼信号之间的相关性，通过计算自相关系数来对拉曼信号进行解调。
[0019]
在示例性实施方式中，检测信号包括：拉曼信号，其具有第一强度并且在第一时间被接收；以及噪声信号，其具有大于第一强度的第二强度并且在比第一时间晚的第二时间被接收。
[0020]
在示例性实施方式中，拉曼信号的解调还包括基于正交码信号和噪声信号之间的相关性去除噪声信号，并且经解调的拉曼信号的强度大于去除的噪声信号的强度。
[0021]
在示例性实施方式中，检测信号包括具有第一寿命的拉曼信号和具有比第一寿命长的第二寿命的噪声信号，并且脉冲激光束的脉冲宽度长于第一寿命且短于第二寿命。
[0022]
[有益效果]
[0023]
根据本发明构思的实施方式，提供了通过去除噪声信号来提高生物分子的信噪比的分光装置和分光方法。
[0024]
此外，提供了减少分子诊断所需的测量时间并且提高分子诊断的准确性、分辨率和清晰度的分光装置和分光方法。
附图说明
[0025]
图1是示出根据本发明构思的实施方式的分光装置的示图。
[0026]
图2是示出根据本发明构思的实施方式的pcr分子诊断方法的流程图。
[0027]
图3是示出根据本发明构思的实施方式的拉曼分光方法的流程图。
[0028]
图4a是示例性地描述从样本生成的拉曼散射信号的示图。
[0029]
图4b是示出根据图4a中的拉曼散射信号的生成的样本分子的能级图的曲线图。
[0030]
图5是示出根据本发明构思的实施方式的使用扩频码的拉曼分光装置的框图。
[0031]
图6是示出由图5的激光照射设备生成的信号的曲线图。
[0032]
图7是示出由图5的检测器处理的信号的曲线图。
[0033]
图8是示例性地描述根据本发明构思的实施方式的使用时间分辨编码的拉曼分光装置的框图。
[0034]
图9是示例性地描述图8的主振荡器的框图。
[0035]
图10是示例性地描述图8的功率放大器的框图。
[0036]
图11a是示例性地描述图10的第一放大级的框图。
[0037]
图11b是示例性地描述图10的第三放大级的框图。
[0038]
图12是示出由图8的激光照射设备生成的信号的曲线图。
[0039]
图13是示出由图8的检测器处理的信号的曲线图。
[0040]
图14是示出根据由图8的检测器处理的信号的调制频率的相关系数的曲线图。
[0041]
图15是示出根据本发明构思的实施方式的用于恢复拉曼信号的分光方法的流程图。
[0042]
[最优实施方式]
[0043]
图15是表示用于实施本发明构思的最优实施方式的示图。
具体实施方式
[0044]
在下文中，将清楚且详细地描述本发明构思的实施方式，使得本领域技术人员可以容易地实施本发明构思。
[0045]
图1是示出根据本发明构思的实施方式的分光装置的示图。参照图1，分光装置100可以包括激光照射设备110和检测器120。分光装置100可以是分析样本sp的装置。在这种情况下，样本sp可以是待分析的生物样本分子。例如，样本sp可以是包括诸如dna和rna的核酸的粪便。
[0046]
激光照射设备110可以将入射光束ib照射到样本sp。入射光束ib可以是由激光照射设备110生成的激光束。检测信号ds可以从被入射光束ib照射的样本sp输出。检测信号ds可以是包括样本sp的分子信息的信号。例如，检测信号ds可以是从被入射光束ib照射的样本sp发射或散射的光。
[0047]
检测器120可以接收从样本sp生成的检测信号ds。检测器120可以基于接收到的检测信号ds来分析样本sp。例如，检测器120可以检测包括病毒信息的信号，该病毒包含在粪便样本中且引起疾病。
[0048]
如上所述，根据本发明构思的实施方式，通过将入射光束照射到样本sp，并且通过接收和分析从样本sp生成的检测信号ds，可以提供分析样本sp的分光装置100。
[0049]
图2是示出根据本发明构思的实施方式的pcr分子诊断方法的流程图。为便于说明，将参考图1的分光装置100描述根据图2的流程图的pcr分子诊断方法。参照图1和图2，作为示例示出了使用聚合酶链反应的pcr分子诊断方法。
[0050]
在步骤s110中，可以执行关于样本sp的预处理。例如，步骤s110可以是针对样本sp执行离心、dna结合、洗涤、洗脱和质粒dna纯化的步骤。
[0051]
在步骤s111中，分光装置可以使用pcr来扩增目标分子的dna。例如，可以对经过预处理的样本sp进行pcr扩增。pcr扩增可以是基于聚合酶链反应复制和扩增核酸的所需部分的处理。例如，步骤s111可以是执行dna变性、引物退火和dna延伸的步骤。在示例性实施方式中，在执行步骤s111之后，还可以执行将荧光标记物附着到进行pcr扩增的样本sp的步骤。
[0052]
在步骤s120中，激光照射设备110可以将入射光束ib照射到进行pcr扩增的样本sp。检测信号ds可以从被入射光束ib照射的样本sp生成。在这种情况下，检测信号ds可以包括从附着到样本sp的荧光标记物发出的荧光信号。
[0053]
在步骤s130中，检测器120可以测量从样本sp发出的荧光信号。检测器120可基于测量的荧光信号分析样本sp。在示例性实施方式中，通过重复执行预处理步骤s110，可以测量噪声降低且强度增加的荧光信号。
[0054]
图3是示出根据本发明构思的实施方式的拉曼分光方法的流程图。为了便于说明，将参考图1的分光装置100描述根据图3的流程图的拉曼分光方法。参照图1和图3，作为示例示出了拉曼分光方法。
[0055]
在步骤s210中，可以对样本sp执行非破坏性预处理。与图2的预处理步骤s110和pcr扩增步骤s111相反，在步骤s210中，可以省略破坏细胞壁和扩增核酸的处理。在示例性实施方式中，可以省略步骤s210。因此，可以提供一种缩短诊断所需时间的分光方法。
[0056]
在步骤s220中，激光照射设备110可以将入射光束ib照射到样本sp。检测信号ds可以从被入射光束ib照射的样本sp生成。在这种情况下，检测信号ds可以包括拉曼信号和噪声信号。例如，噪声信号可以包括荧光噪声信号。
[0057]
在步骤s230中，检测器120可以测量从样本sp散射的拉曼信号。检测器120可以基于测量的拉曼信号分析样本sp。在这种情况下，拉曼信号可以是具有比图2的步骤s130中测量的荧光信号更窄的带宽、更短的寿命和更弱的强度的信号。在示例性实施方式中，当检测器120使用具有窄带宽的信号来分析样本sp时，对样本sp的测量分辨率可以是高的。
[0058]
如上所述，根据本发明构思的实施方式，可以通过基于具有比荧光信号窄的带宽的拉曼信号分析样本来提供具有提高的测量分辨率的拉曼分光方法。此外，通过省略扩增核酸的处理(例如，图2中的s111)，可以提供缩短诊断所需时间的拉曼分光方法。
[0059]
图4a是示例性地描述从样本生成的拉曼散射信号的示图。参照图4a，作为示例示出了从被入射光束ib照射的样本sp生成的散射信号s1至s3。入射光束ib可以是具有入射频率v0的激光束。入射光束ib的能量可以是“hv
0”。在这种情况下，“h”可以是玻尔兹曼常数。被入射光束ib照射的样本sp的振动能量可以增加、保持或减少。
[0060]
在示例性实施方式中，第一散射信号s1可以从被入射光束ib照射的样本sp生成。第一散射信号s1可以是斯托克斯散射(stokes scattering)信号。在这种情况下，被入射光束ib照射之后的样本sp的能量可以大于被入射光束ib照射之前的样本sp的能量。第一散射
信号s1的能量h(v
0-vv)可以小于入射光束ib的能量hv0。
[0061]
在示例性实施方式中，第二散射信号s2可以从被入射光束ib照射的样本sp生成。第二散射信号s2可以是瑞利散射(rayleigh scattering)信号。在这种情况下，被入射光束ib照射之后的样本sp的能量可以与被入射光束ib照射之前的样本sp的能量相同。第二散射信号s2的能量hv0可以与入射光束ib的能量hv0相同。
[0062]
在示例性实施方式中，第三散射信号s3可以从被入射光束ib照射的样本sp生成。第三散射信号s3可以是反斯托克斯散射(anti-stokes scattering)信号。在这种情况下，在被入射光束ib照射之后的样本sp的能量可能小于在被入射光束ib照射之前的样本sp(例如，样本分子)的能量。第三散射信号s3的能量h(v0 vv)可以大于入射光束ib的能量hv0。
[0063]
如上所述，根据本发明构思的实施方式，从被入射光束ib照射的样本分子生成的拉曼散射信号可以包括作为斯托克斯散射信号的第一散射信号s1、作为瑞利散射信号的第二散射信号s2和作为反斯托克斯散射信号的第三散射信号s3。
[0064]
图4b是示出根据由图4a中的入射光束引起的样本分子的振动能量而生成拉曼散射信号的过程的曲线图。参照图4b，作为示例示出了根据样本分子的振动能量生成散射信号s1至s3中的每一个的过程。
[0065]
此外，示出了根据由入射光束引起的样本分子的能量变化而生成第一共振拉曼散射信号rrs1的过程。第一共振拉曼散射信号rrs1可以是基于共振拉曼效应生成的斯托克斯散射信号。共振拉曼效应可以是当照射具有共振能量er的入射光束时显著增加拉曼散射信号的强度的效应。共振能量er可以表示特定材料的电子可能具有的能量之间的间隔。例如，共振能量er可以是样本的带隙。
[0066]
参照根据由入射光束引起的样本的振动能量生成第一散射信号s1的过程，被入射光束照射之前的样本可以具有基态水平es0的能量。分光装置可以将具有能量“hv
0”的入射光束照射到样本。被入射光束激发的样本可以具有第一虚拟态水平evt1的能量。可以在被激发的样本中生成具有能量“h(v
0-vv)”的第一散射信号s1。其中生成第一散射信号s1的样本可以具有振动态水平evb的能量。也就是说，被入射光束照射的样本的能量可以增加“hv
v”。
[0067]
参照根据由入射光束引起的样本的振动能量生成第二散射信号s2的过程，被入射光束照射之前的样本可以具有基态水平es0的能量。分光装置可以将具有能量“hv
0”的入射光束照射到样本。被入射光束激发的样本可以具有第一虚拟态水平evt1的能量。可以从激发的样本生成具有“hv
0”能量的第二散射信号s2。其中生成第二散射信号s2的样本可具有基态水平es0的能量。也就是说，被入射光束照射之后的样本的能量可以与被入射光束照射之前的样本的能量相同。
[0068]
在示例性实施方式中，第二散射信号s2可能是不适于反映样本特性的信号。更详细地，第二散射信号s2可以具有与入射光束相同的能量。第二散射信号s2可能无法反映由样本的分子振动引起的能量变化。也就是说，第二散射信号s2可能是不反映样本特性的信号。
[0069]
参照根据由入射光束引起的样本的振动能量生成第三散射信号s3的过程，被入射光束照射之前的样本可以具有振动态水平evb的能量。分光装置可以将具有能量“hv
0”的入射光束照射到样本。被入射光束激发的样本可以具有第二虚拟态水平evt2的能量。可以从
被激发的样本生成具有能量“h(v0 vv)”的第三散射信号s3。其中生成第三散射信号s3的样本可以具有基态水平es0的能量。也就是说，被入射光束照射的样本的能量可以降低“hv
v”。
[0070]
参照根据由入射光束引起的振动能量生成第一共振拉曼散射信号rrs1的过程，被入射光束照射之前的样本可以具有基态水平es0的能量。分光装置可以将具有与共振能量er相等的能量“hv
r”的入射光束照射到样本。被入射光束激发的样本可以具有第一能态水平es1的能量。可以从被激发的样本生成具有能量“h(v
r-vv)”的第一共振拉曼散射信号rrs1。其中生成第一共振拉曼散射信号rrs1的样本可以具有振动态水平evb的能量。也就是说，被入射光束照射的样本的能量可以增加“hv
v”。
[0071]
在示例性实施方式中，可以通过将具有共振能量er的入射光束照射到样本来提供用于测量具有比典型的拉曼散射信号更强的强度的共振拉曼散射信号的分光装置。例如，基于具有共振能量er的入射光束获得的第一共振拉曼散射信号rrs1的能量h(v
r-vv)可以大于基于具有与共振能量er无关的能量“hv
0”的入射光束获得的第一散射信号s1的能量h(v
0-vv)。
[0072]
如上所述，根据本发明构思的实施方式，可以提供一种分光装置，其反映样本的特性并且基于第三散射信号s3或第一散射信号s1分析样本的特性。此外，通过将具有共振能量er的入射光束照射到样本，可以提供用于测量具有比第一散射信号s1更强的强度的第一共振拉曼散射信号rrs1的分光装置。
[0073]
图5是示出根据本发明构思的实施方式的分光装置的框图。参照图5，分光装置200可以包括激光照射设备210、检测器220和码生成器230。分光装置200可以是分析从样本sp生成的第一检测信号ds1中包括的拉曼信号的分光装置。
[0074]
码生成器230可以生成正交码oc。正交码oc可以是与其他码具有数学正交性的码。正交码oc可以包括对应于数字序列的多个比特位。码生成器230可以将生成的正交码oc输出到激光照射设备210和检测器220。
[0075]
在示例性实施方式中，激光照射设备210和检测器220可以基于从码生成器230输出的正交码oc进行同步。更详细地，正交码oc可以允许激光照射设备210调制连续波信号cw。正交码oc可以允许检测器220解调第一检测信号ds1。
[0076]
激光照射设备210可以包括连续波激光器211和调制器212。连续波激光器211可以生成连续波信号cw。连续波信号cw可以是具有均匀强度的激光束。调制器212可以从连续波激光器211接收连续波信号cw。调制器212可以从码生成器230接收正交码oc。调制器212可以向样本sp照射通过将连续波信号cw调制成正交码oc模式而获得的第一入射光束ib1。
[0077]
检测器220可以包括传感器221、码信号处理器222、解调器223和处理器224。传感器221可以从样本sp接收第一检测信号ds1。传感器221可感测接收到的第一检测信号ds1。传感器221可以将感测到的第一检测信号ds1输出至解调器223。也就是说，传感器221可以是感测从样本sp输出的第一检测信号ds1，并且将感测到的第一检测信号ds1转换为可以被解调器223处理的电信号且随后传送电信号的模块。
[0078]
码信号处理器222可以从码生成器230接收正交码oc。码信号处理器222可以基于接收到的正交码oc输出第一正交码信号ocs1。第一正交码信号ocs1可以是具有与第一入射光束ib1相同的波形的电信号。例如，与正交码oc的特定比特位对应的第一正交码信号ocs1的时间可以与第一入射光束ib1的时间相同。
[0079]
解调器223可以从传感器221接收第一检测信号ds1。解调器223可以从码信号处理器222接收第一正交码信号ocs1。解调器223可以输出第一解调检测信号dds1。
[0080]
第一解调检测信号dds1可以是通过基于第一检测信号ds1和第一正交码信号ocs1之间的相关性计算自相关系数来对第一检测信号ds1进行解调而获得的信号。也就是说，解调器223可以是基于第一正交码信号ocs1恢复第一检测信号ds1的模块。
[0081]
处理器224可以从解调器223接收第一解调检测信号dds1。处理器224可以基于第一解调检测信号dds1中包括的拉曼信号，通过与出现在拉曼光谱中的拉曼信号的峰值相对应的拉曼频率的组合来分析样本sp的分子信息。
[0082]
在示例性实施方式中，由于根据正交码的类似delta函数的自相关性质的降噪效果，基于正交码oc获得的第一解调检测信号dds1的信噪比可以是大于未经码调制和解调的检测信号的信噪比以及基于任意码(例如，自相关性质差的通用码)解调的检测信号的信噪比。信噪比可以是指拉曼信号的强度除以噪声信号的强度。在这种情况下，任意码可以是指不与其他码具有数学正交性的码。
[0083]
如上所述，根据本发明构思的实施方式，可以提供一种分光装置，其将通过基于正交码oc调制连续波信号cw而获得的第一入射光束ib1照射到样本sp，并且对从样本sp输出的第一检测信号ds1进行解调以分析样本sp。
[0084]
图6是示出由图5的激光照射设备生成的信号的曲线图。参照图5和图6，作为示例示出了正交码oc中包括的比特位序列、连续波信号cw的波形和第一入射光束ib1的波形。调制器212可以将通过基于正交码oc调制连续波信号cw而获得的第一入射光束ib1输出到样本sp。
[0085]
正交码oc可以是包括比特位序列的码。该比特位序列可以是与其他码的比特位具有数学正交性的码。每个比特位的值可以是“1”或“0”。例如，正交码oc中包括的比特位序列的值可以是“10011100”。
[0086]
在示例性实施方式中，第一入射光束ib1可以在与正交码oc中包括的比特位之中的具有值“1”的比特位相对应的部分中照射到样本。第一入射光束ib1可以不在与正交码oc中包括的比特位之中的具有值“0”的比特位相对应的部分中照射到样本。
[0087]
在示例性实施方式中，调制器212可以调制连续波信号cw，使得与正交码oc中包括的比特位中的每一个相对应的部分的长度变为第一时间t1。
[0088]
图7是示出由图5的检测器处理的信号的曲线图。参照图5和图7，示出了第一检测信号ds1中包括的第一拉曼信号rs1和第一噪声信号ns1。另外，示出了第一解调检测信号dds1中包括的第一解调拉曼信号drs1和第一去除噪声信号dns1。
[0089]
在示例性实施方式中，解调器223可以接收包括第一拉曼信号rs1和第一噪声信号ns1的第一检测信号ds1。解调器223可以从码信号处理器222接收第一正交码信号ocs1。在这种情况下，第一正交码信号ocs1的波形可以与图6的第一入射光束ib1的波形相同。也就是说，第一正交码信号ocs1可以是与第一入射光束ib1同步的信号。
[0090]
第一拉曼信号rs1可以具有比第一噪声信号ns1低的强度。第一拉曼信号rs1可以具有比第一噪声信号ns1短的寿命。第一拉曼信号rs1可以是在时间上优先于第一噪声信号ns1被测量的信号。例如，第一噪声信号ns1可以是荧光噪声信号。
[0091]
在示例性实施方式中，解调器223可以通过基于第一正交码信号ocs1和第一拉曼
信号rs1之间的相关性恢复第一拉曼信号rs1来获得第一解调拉曼信号drs1。解调器223可以通过基于第一正交码信号ocs1和第一噪声信号ns1之间的相关性抵消第一噪声信号ns1来获得第一去除噪声信号dns1。
[0092]
在这种情况下，通过自相关系数处理的第一解调拉曼信号drs1和通过互相关系数处理的第一去除噪声信号dns1的信噪比可以大于第一拉曼信号rs1和第一噪声信号ns1的信噪比。
[0093]
处理器224可以基于第一解调检测信号dds1中包括的第一解调拉曼信号drs1的强度、中心频率、带宽来分析样本sp的分子信息。在这种情况下，由于第一解调拉曼信号drs1的强度大于第一去除噪声信号dns1的强度，因此处理器224可以获得具有较高准确度和分辨率的分子信息。
[0094]
如上所述，根据本发明构思的实施方式，通过基于与第一正交码信号ocs1的相关性恢复第一拉曼信号rs1并且去除第一噪声信号ns1，可以提供提高第一解调拉曼信号drs1的信噪比的包括解调器223的检测器220。
[0095]
图8是示例性地描述根据本发明构思的实施方式的分光装置的框图。参照图8，分光装置300可以包括激光照射设备310、检测器320和码生成器330。由于传感器321、解调器323、处理器324和码生成器330的操作与图5的传感器221、解调器223、处理器224和码生成器230的操作相似，因此将省略其详细描述。
[0096]
激光照射设备310可以包括主振荡器311和功率放大器313。激光照射设备310可以是具有主振荡器功率放大器(mopa；master oscillator power amplifier)结构的激光设备，该结构包括振荡脉冲的主振荡器和放大脉冲的功率放大器。
[0097]
主振荡器311可以从码生成器330接收正交码oc。主振荡器311可以基于接收到的正交码oc输出时间分辨光束trb。在这种情况下，时间分辨光束trb可以是包括正交码oc的比特位信息并且与比特位相对应的宽度窄于图5的第一入射光束ib1的激光束。也就是说，第二入射光束ib2可以具有比图5的第一入射光束ib1高的调制频率。
[0098]
功率放大器313可以从主振荡器311接收时间分辨光束trb。功率放大器313可以将通过放大时间分辨光束trb获得的第二入射光束ib2照射到样本sp。也就是说，功率放大器313可以是放大时间分辨光束trb的强度的模块。
[0099]
码信号处理器322可以从码生成器330接收正交码oc。码信号处理器322可以基于接收到的正交码oc输出第二正交码信号ocs2。第二正交码信号ocs2可以是具有与第二入射光束ib2相同的波形的电信号。也就是说，第二正交码信号ocs2可以是具有比图5的第一正交码信号ocs1高的调制频率的信号。
[0100]
如上所述，根据本发明构思的实施方式，可以提供分光装置300，其通过使用主振荡器311生成具有高调制频率的时间分辨光束trb，将调制频率高于图5的第一入射光束ib1的第二入射光束ib2照射到样本sp，并且使用调制频率高于图5的第一正交码信号ocs1的第二正交码信号ocs2执行解调。
[0101]
图9是示例性地描述图8的主振荡器的框图。参照图9，主振荡器311可以包括控制信号生成器311-1、控制器311-2和光源311-3。
[0102]
控制信号生成器311-1可以从码生成器330接收正交码oc。控制信号生成器311-1可以基于接收到的正交码oc输出控制信号cs。控制信号cs可以是具有任意占空比的脉冲信
号。
[0103]
例如，在与正交码oc中包括的比特位之中的具有值“1”的比特位相对应的部分中，控制信号cs可以具有脉冲。在与正交码oc中包括的比特位之中的具有值“0”的比特位相对应的部分中，控制信号cs可以保持不变的值。
[0104]
控制器311-2可以从控制信号生成器311-1接收控制信号cs。控制器311-2可以基于接收到的控制信号cs输出触发信号tg。触发信号tg可以是允许光源311-3响应于控制信号cs中包括的脉冲而输出脉冲激光束的信号。也就是说，触发信号tg可以是基于控制信号cs的电压波动来控制脉冲激光束的生成时间的信号。在这种情况下，脉冲激光束可以是时间分辨光束trb中包括的激光束。
[0105]
在示例性实施方式中，控制器311-2可以检测控制信号cs的上升沿。控制器311-2可以允许光源311-3在出现上升沿时输出脉冲激光束。
[0106]
在示例性实施方式中，控制器311-2可以检测控制信号cs的下降沿。控制器311-2可以允许光源311-3在出现下降沿时输出脉冲激光束。
[0107]
光源311-3可以从控制器311-2接收触发信号tg。光源311-3可以具有时间分辨宽度信息trw。光源311-3可以向功率放大器313输出包括基于触发信号tg和时间分辨宽度信息trw生成的脉冲激光束的时间分辨光束trb。
[0108]
在这种情况下，时间分辨宽度信息trw可以是指示时间分辨光束trb中包括的脉冲激光束的脉冲宽度的信息。时间分辨光束trb可以包括根据触发信号tg生成的脉冲激光束。可以基于时间分辨宽度信息trw来确定每个所生成的脉冲激光束的脉冲宽度。
[0109]
在示例性实施方式中，光源311-3可以是输出具有短脉冲宽度的脉冲激光束的模块。例如，光源311-3可以包括分布式反馈(dfb；distributed feedback)激光二极管。
[0110]
在示例性实施方式中，通过基于正交码oc控制光源311-3输出脉冲激光束的定时，可以提供在没有单独的调制器的情况下输出与高频调制相同的脉冲激光束的光源311-3。在这种情况下，从光源311-3输出的时间分辨光束trb可以包括正交码oc的比特位信息。
[0111]
在示例性实施方式中，从光源311-3输出的时间分辨光束trb中包括的脉冲激光束可以具有窄脉冲宽度和强的强度。例如，脉冲激光束的脉冲宽度可以是1[ns]。输出时间分辨光束trb的主振荡器311的峰值功率输出可以是1[w]。
[0112]
图10是示例性地描述图8的功率放大器的框图。参照图10，功率放大器313可以包括第一放大级313-1、第二放大级313-2和第三放大级313-3。也就是说，功率放大器313可以是包括多个放大器级的放大器。图10中的功率放大器313被示出为包括“3”个放大级，但是本发明构思的范围不限于此，并且功率放大器313中包括的放大级的数量可以增加或减少。
[0113]
第一放大级313-1可以从主振荡器311接收时间分辨光束trb。第一放大级313-1可以输出通过放大接收到的时间分辨光束trb而获得的第一放大时间分辨光束atrb1。例如，第一放大级313-1的输出功率可以是约0.1至1[mw]。
[0114]
第一放大级313-1可以具有核心泵浦结构。在示例性实施方式中，第一放大级313-1可以具有包层泵浦结构而非核心泵浦结构。
[0115]
第二放大级313-2可以从第一放大级313-1接收第一放大时间分辨光束atrb1。第二放大级313-2可以输出通过进一步放大第一放大时间分辨光束atrb1而获得的第二放大时间分辨光束atrb2。例如，第二放大级313-2的输出功率可以是约100至200[mw]。第二放大
级313-2可以具有包层泵浦结构。
[0116]
第三放大级313-3可以从第二放大级313-2接收第二放大时间分辨光束atrb2。第三放大级313-3可以将通过进一步放大第二放大时间分辨光束atrb2而获得的第二入射光束ib2输出到样本sp。例如，第三放大级313-3的输出功率可以是约1至3[w]。第三放大级313-3可以具有包层泵浦结构。
[0117]
图11a是示例性地描述图10的第一放大级的框图。参照图11a，第一放大级313-1可以包括第一隔离器313-1a、第一泵浦激光器313-1b、第一耦合器313-1c、第一光纤313-1d和第一滤波器313-1e。
[0118]
第一隔离器313-1a可以是光隔离器，其通过阻挡反射回光源的光来增加时间分辨光束trb的输出。第一泵浦激光器313-1b可以是输出用于对增益介质进行光泵浦的泵浦激光束的光源。第一耦合器313-1c可以是耦合时间分辨光束trb和泵浦激光束的设备。第一光纤313-1d可以是掺杂有稀土的光纤。第一滤波器313-1e可以是使与时间分辨光束trb的波长对应的激光束通过并且阻挡另外的波长的噪声的滤波器。
[0119]
根据本发明构思的实施方式，可以提供第一放大级313-1，其基于从第一泵浦激光器313-1b输出的泵浦激光束来放大时间分辨光束trb以输出第一放大时间分辨光束atrb1。第一放大时间分辨光束atrb1可以是强度高于时间分辨光束trb的激光束。
[0120]
在示例性实施方式中，第二放大级313-2可以具有与第一放大级313-1相似的结构。例如，第二放大级313-2可以包括第二隔离器、第二泵浦激光器、第二耦合器、第二光纤和第二滤波器。在这种情况下，第二耦合器可以将第一放大时间分辨光束atrb1和泵浦激光束耦合，使得从第二泵浦激光器输出的泵浦激光被发射到光纤的包层。
[0121]
在示例性实施方式中，第二放大级313-2还可以基于从第二泵浦激光器输出的泵浦激光束来放大第一放大时间分辨光束atrb1以输出第二放大时间分辨光束atrb2。第二放大时间分辨光束atrb2可以是强度高于第一放大时间分辨光束atrb1的激光束。
[0122]
图11b是示例性地描述图10的第三放大级的框图。参照图11b、，第三放大级313-3可以包括第三隔离器313-3a、第三泵浦激光器313-3b、第三耦合器313-3c、第三光纤313-3d、第三滤波器313-3e、端盖313-3f和第四泵浦激光器313-3g。由于第三放大级313-3的一些组件313-3a至313-3e与图11a的第一放大级313-1的一些组件313-1a至313-1e相似，因此将省略其详细描述。
[0123]
第四泵浦激光器313-3g可以是输出用于对增益介质进行光泵浦的泵浦激光束的光源。第三耦合器313-3c可以是将第二放大时间分辨光束atrb2、从第三泵浦激光器313-3b输出的泵浦激光束和从第四泵浦激光器313-3g输出的泵浦激光束耦合的设备。也就是说，第三放大级313-3可以包括多个泵浦激光器313-3b和313-3g。因此，第三放大级313-3可以具有高放大增益。
[0124]
端盖313-3f可以是发射从第三滤波器313-3e输出的激光束的设备。从端盖313-3f输出的第二入射光束ib2可以照射到样本sp。
[0125]
根据本发明构思的实施方式，基于从第三泵浦激光器313-3b输出的泵浦激光束和从第四泵浦激光器313-3g输出的泵浦激光束，可以输出通过进一步放大第二放大时间分辨光束atrb2而获得的第二入射光束ib2。第二入射光束ib2可以是强度高于第二放大时间分辨光束atrb2的激光束。
[0126]
图12是示出由图8的激光照射设备生成的信号的曲线图。参照图12，示出了正交码oc中包括的比特位序列、控制信号cs的波形、时间分辨光束trb的波形和第二入射光束ib2的波形。
[0127]
此外，为了清楚地描述第二入射光束ib2的特性，还示出了由图5的激光照射设备生成的第一入射光束ib1的波形。由于正交码oc和第一入射光束ib1的特性与图6中描述的正交码oc和第一入射光束ib1的特性相似，因此将省略其详细描述。
[0128]
控制信号cs可以是基于正交码生成的归零信号。控制信号cs可以是电信号。图9的控制信号生成器311-1可以包括关于与正交码中包括的特定比特位相对应的部分的宽度和占空比“d”的信息。例如，在控制信号cs中，与正交码中包括的特定比特位相对应的部分的宽度可以是第一时间t1。控制信号cs的占空比d可以是“0.5”。
[0129]
在示例性实施方式中，控制信号cs可以在与正交码oc中包括的比特位之中的具有值“1”的比特位相对应的部分中具有脉冲。例如，控制信号cs可以在与具有值“1”的比特位相对应的部分中具有持续0.5t1[ns]的第二电压v2，并且然后可以具有持续0.5t1[ns]的第一电压v1。第二电压v2可以大于第一电压v1。也就是说，控制信号cs可以是在具有持续特定时间的第二电压v2之后具有第一电压v1的归零信号。
[0130]
在示例性实施方式中，控制信号cs可以在与正交码oc中包括的比特位之中的具有值“0”的比特位相对应的部分中保持不变的值。例如，控制信号cs可以在与具有值“0”的比特位相对应的部分中保持第一电压v1。
[0131]
在示例性实施方式中，控制信号cs可以是具有基于正交码oc中包括的比特位的值而变化的电压的信号。更详细地，控制信号cs可以在与正交码oc的比特位序列之中的具有值“0”的比特位相对应的部分中保持第一电压v1。控制信号cs可以在与正交码oc的比特位序列之中的具有值“1”的比特位相对应的部分中，在具有高于第一电压v1的第二电压v2之后具有第一电压v1。
[0132]
时间分辨光束trb可以包括由图8的主振荡器311基于控制信号cs生成的脉冲激光束。主振荡器的光源可具有时间分辨宽度信息。例如，时间分辨光束trb可以包括响应于控制信号cs中包括的脉冲的上升沿而生成的脉冲激光束。脉冲的宽度可以基于时间分辨宽度信息而被确定为第二时间t2。
[0133]
也就是说，时间分辨光束trb可以在与正交码oc中包括的比特位之中的具有值“1”的比特位相对应的部分中包括脉冲激光束。时间分辨光束trb可以在与正交码oc中包括的比特位之中的具有值“0”的比特位相对应的部分中不包括脉冲激光束。
[0134]
第二入射光束ib2可以是通过放大时间分辨光束trb而获得的激光束。例如，时间分辨光束trb可以具有第一强度x1。第二入射光束ib2可以具有第二强度x2。第二强度x2可以大于第一强度x1。也就是说，第二入射光束ib2可以是具有与时间分辨光束trb相同的脉冲宽度并且具有比时间分辨光束trb高的强度的激光束。
[0135]
在示例性实施方式中，第二入射光束ib2可以是具有比第一入射光束ib1窄的脉冲宽度的激光束。更详细地，输出时间分辨光束trb的光源可以输出包括脉冲激光束的激光束，该脉冲激光束具有比输出第一入射光束ib1的调制器高的频率。因此，作为第二入射光束ib2的每比特位的脉冲宽度的第二时间t2可以小于作为第一入射光束ib1的每比特位的脉冲宽度的第一时间t1。
[0136]
图13是示出由图8的检测器处理的信号的曲线图。参照图8和图13，示出了第二检测信号ds2中包括的第二拉曼信号rs2和第二噪声信号ns2。另外，示出了第二解调检测信号dds2中包括的第二解调拉曼信号drs2和第二去除噪声信号dns2。
[0137]
另外，为了清楚地描述第二解调拉曼信号drs2和第二去除噪声信号dns2的特性，还示出了图7的第一解调拉曼信号drs1和第一去除噪声信号dns1。由于第二拉曼信号rs2和第二噪声信号ns2的特性与图7的第一拉曼信号rs1和第一噪声信号ns1的特性相似，因此将省略其详细描述。
[0138]
在示例性实施方式中，解调器323可以通过基于第二正交码信号ocs2和第二拉曼信号rs2之间的相关性计算自相关关系来恢复第二拉曼信号rs2，并且可以获得第二解调拉曼信号drs2。解调器323可以通过基于第二正交码信号ocs2与第二噪声信号ns2之间的相关性减少第二噪声信号ns2来获得第二去除噪声信号dns2。
[0139]
在示例性实施方式中，随着照射到样本sp的激光束的频率和用于解调的信号的频率增加，可以获得具有高强度的拉曼信号。例如，作为第二正交码信号ocs2的脉冲宽度的第二时间t2可以小于作为图7的第一正交码信号ocs1的脉冲宽度的第一时间t1。第二解调拉曼信号drs2可以是强度高于第一解调拉曼信号drs1的信号。
[0140]
在示例性实施方式中，随着照射到样本sp的激光束的频率和用于解调的信号的频率增加，可以获得具有低强度的噪声信号。例如，作为第二正交码信号ocs2的脉冲宽度的第二时间t2可以小于作为图7的第一正交码信号ocs1的脉冲宽度的第一时间t1。第二去除噪声信号dns2可以是强度低于第一去除噪声信号dns1的信号。
[0141]
在示例性实施方式中，作为第二正交码信号ocs2的脉冲宽度的第二时间t2可以长于第二拉曼信号rs2的寿命并且短于第二噪声信号ns2的寿命。
[0142]
如上所述，根据本发明构思的实施方式，通过将包括具有高调制频率的脉冲激光束的第二入射光束ib2照射到样本sp，并且通过使用具有高调制频率的第二正交码信号ocs2对第二拉曼信号rs2和第二检测信号ds2进行解调，可以提供具有改进的第二解调拉曼信号drs2和第二去除噪声信号dns2的信噪比的分光装置300。
[0143]
图14是示出根据由图8的检测器处理的信号的调制频率的相关系数的曲线图。参照图14，示例性地示出了根据调制频率由解调器恢复的拉曼信号和荧光噪声信号的相关系数。
[0144]
例如，横轴上的调制频率可以表示图5的连续波信号cw被调制器212调制的频率或者从图9的光源311-3输出的时间分辨光束trb的脉冲宽度的倒数。纵轴上的相关系数可以表示与图7的第一拉曼信号rs1和第一噪声信号ns1中的每一个相关联的与第一正交码信号ocs1的相关系数或者与图13的第二拉曼信号rs2和第二噪声信号ns2中的每一个相关联的与第二正交码信号ocs2的相关系数。相关系数可以是指通过将变量之间的协方差除以各标准偏差而获得的值。
[0145]
在示例性实施方式中，随着分光装置的调制频率增加，可以提高由解调器恢复的拉曼信号和荧光噪声信号的信噪比。基于具有提高的信噪比的拉曼信号进行分析的样本的分子信息可以具有高准确度和分辨率。
[0146]
例如，调制频率为1000[mhz]的拉曼信号的相关系数可以大于调制频率为250[mhz]的拉曼信号的相关系数。调制频率为1000[mhz]的荧光噪声信号的相关系数可以小于
调制频率为250[mhz]的荧光噪声信号的相关系数。也就是说，调制频率为1000[mhz]的拉曼信号和荧光噪声信号的信噪比可以大于调制频率为250[mhz]的拉曼信号和荧光噪声信号的信噪比。
[0147]
图15是示出根据本发明构思的实施方式的用于恢复拉曼信号的分光方法的流程图。参照图15，作为示例示出了根据拉曼分光方法分析样本的分光方法。分光方法中使用的分光装置可以包括激光照射设备和检测器。
[0148]
在步骤s310中，可以生成正交码。正交码可以是包括在数学上与其他码正交的比特位序列的码。正交码可以使激光照射设备和检测器同步。
[0149]
在步骤s320中，可基于正交码生成控制信号。控制信号可以具有与正交码中包括的比特位相对应的部分。可以基于相应部分中的比特位的值获得脉冲。在示例性实施方式中，在与具有值“1”的比特位相对应的部分中，控制信号可以具有脉冲波形。在与具有值“0”的比特位对应的部分中，控制信号可以保持不变的值。
[0150]
在步骤s330中，可以输出基于控制信号生成的时间分辨激光束。在示例性实施方式中，时间分辨激光束可以包括使用控制信号中包括的脉冲的上升沿作为触发而生成的脉冲激光束。在示例性实施方式中，时间分辨激光束可以包括使用控制信号中包括的脉冲的下降沿作为触发而生成的脉冲激光束。时间分辨激光束的脉冲宽度可以基于输出时间分辨激光束的光源中包括的时间分辨宽度信息来确定。
[0151]
在步骤s340中，可以将通过放大时间分辨激光束而获得的入射光束照射到样本。在示例性实施方式中，时间分辨激光束可以包括具有窄脉冲宽度和高强度的脉冲激光束。可以通过功率放大器放大时间分辨激光束。可以将放大的时间分辨激光束照射到样本。
[0152]
在步骤s350中，可以从样本接收检测信号。检测信号可以是从被入射光束照射的样本生成的信号。检测信号可以包括拉曼信号和噪声信号。拉曼信号可以包括样本的分子信息。拉曼信号可以具有比噪声信号低的强度。可以在时间上优先于噪声信号测量拉曼信号。
[0153]
在步骤s360中，可以基于与正交码的相关性来解调拉曼信号。更详细地，可以基于正交码生成与入射光束同步的正交码信号。正交码信号可以是与入射光束具有相同波形的电信号。
[0154]
在示例性实施方式中，基于正交码信号和检测信号之间的相关性，可以恢复拉曼信号并且可以去除噪声信号。在这种情况下，随着拉曼信号强度的增加和噪声信号强度的降低，可以显著提高经解调的拉曼信号的信噪比。
[0155]
如上所述，根据本发明构思的实施方式，可以提供一种分光方法，该方法使用基于正交码生成的控制信号的脉冲作为触发来照射包括高调制频率的脉冲激光束的入射光束。此外，可以提供一种基于与具有与入射光束相同的波形的正交码信号的相关性来对拉曼信号进行解调的分光方法。
[0156]
上述内容是用于实现本发明构思的具体实施方式。本发明构思不仅可以包括上述实施方式，还可以包括能够简单或容易地改变设计的实施方式。此外，本发明构思还可以包括容易改变以使用实施方式来实现的技术。因此，本发明构思的范围不限于所描述的实施方式，而是应由权利要求的等同物以及所附权利要求来限定。
[0157]
[工业实用性]
[0158]
本发明构思涉及分光装置和分光方法。更详细地，本发明构思可用在使用时间分辨编码分析生物信号的分光装置和分光方法中。