專利名稱：含有強散射增益介質(zhì)以提供類似激光器作用的光源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般說來涉及電磁輻射能光源，尤其涉及高單色性的(窄譜線寬度)光源。
背景技術(shù)：
在名稱為“通過具有負共振吸收的散射介質(zhì)產(chǎn)生光”的出版物中，參見蘇聯(lián)物理JETP，Vol.26，No.4，1968.4，PPS.835-839，V.S.Letokhov對由具有負共振吸收或增益的散射介質(zhì)產(chǎn)生光提出了理論分析。該分析要求光子的平均自由行程(Λs)必須小于激活散射區(qū)域的全部尺寸(R)，參見其公式1。在對產(chǎn)生閾條件的討論中，所提供的例子是對半徑為2×10-4cm的球形分布的紅寶石粒子的光激勵(λ＝7×10-5cm)，所得到的激活散射區(qū)臨界半徑表明約為4mm。Letokhov還對分布在具有負吸收的氣體介質(zhì)(例如受放電激勵的He-Ne或者He-Xe混合氣體)中的散射粒子提供了理論分析。散射粒子被認為完成的是非共振反饋，而氣體激活介質(zhì)完成的是共振放大。對于該氣體介質(zhì)來說，其臨界作用半徑被認為約1.8cm。發(fā)射光譜的連續(xù)變窄是所預(yù)見的。
在這方面可參見發(fā)表在ZnETF等離子體5，No.8,1967,4,15(PPS.262-265)上的較早的Letokhov的理論性文章，題目為“具有負吸收的散射粒子系綜的受激發(fā)射”，其中介質(zhì)的尺寸給定為R≥Λs≥λ，如前所述，此處R為介質(zhì)的尺寸；Λs為由散射造成的光子的平均自由行程；λ為光子的波長。
也可參見Ambartsumyan R.V，Basov N.G，Kryukov P.G以及Letokhov V.S.發(fā)表在《量子電子學(xué)進展》(Sanders J.H.和Stevens K.W編輯)109-185(Pergamon出版社，牛津，1970)上面的文章，其中在152-153頁理論性說明的事例，是當由散射造成的光子的自由行程Λs-1/Qs No，云狀物(cloud)占有區(qū)的平均尺寸R，以及發(fā)射波長λ滿足以下關(guān)系時，R＞Λs＞λ而且其中散射粒子間的平均距離要比波長大很多。
在Letokhov的方法中顯見的一個問題是，介質(zhì)的全部尺寸必須比散射長度大很多。例如要求介質(zhì)的每個尺寸為厘米數(shù)量級。這些尺寸方面的要求，將會妨礙該介質(zhì)用在許多有價值的高空間分辨率應(yīng)用。
例如，一種按照Letokhov技術(shù)不能夠?qū)崿F(xiàn)的特別有價值的應(yīng)用是形成包括有增益介質(zhì)的薄層、涂層或者基質(zhì)。另一個例子是其半徑與散射長度相差不大或小于它的球或者圓柱體。
進一步的問題是，要求在氣體介質(zhì)而尤其是在受到放電激勵的氣體介質(zhì)中提供散射粒子。這在實際上可能是難以實現(xiàn)的，且對大多數(shù)應(yīng)用可能是做不到的。
本發(fā)明還可參見題目為“在呈現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的光散射介質(zhì)中受激非相干輻射的產(chǎn)生”的文章，參見蘇《量子電子學(xué)雜志》12(5)，1982，5，PPS.588-594，其中I.A.Izmailov等人提出，由散射得到的反饋，在彌散的反應(yīng)介質(zhì)中可被用來實現(xiàn)激光作用。這種化學(xué)泵浦激光的可能性，是在對于氧化性氣氛中多相燃燒一滴燃料的計算結(jié)果的基礎(chǔ)上預(yù)計出來的。No和O3，Ba和S2Cl2以及Ba和N2O之間的反應(yīng)，被具體計算出來。
建立在此方法上的激光器中，假如在實際場合完全能夠?qū)崿F(xiàn)，則會出現(xiàn)局限于很窄范圍內(nèi)的專業(yè)化應(yīng)用。
本發(fā)明還引用下列三份美國專利，其所全部公開和要求保護的發(fā)明，都是由本專利申請所公開發(fā)明的發(fā)明人作出的，這三份專利是1992年10月20日公布的名稱為“二次諧波的發(fā)生和由塊狀的鍺硅酸鹽和鋁硅酸鹽玻璃構(gòu)成的自倍頻激光材料”的美國專利No.5,157,674；1993年8月3日公布的美國專利No.5,233,621，乃是前述專利的分割；以及1993年10月12日公布的名稱為“光學(xué)編碼相位匹配的二次諧波發(fā)生器以及使用半導(dǎo)體微晶粒摻雜玻璃的自倍頻激光材料”的美國專利No.5,253,258。
發(fā)明概述上述以及其它一些問題，通過根據(jù)本發(fā)明第一方面的增益介質(zhì)可以克服，它是一個多相系統(tǒng)，其中第一相為電磁輻射的發(fā)射和放大相；第二相為電磁輻射的散射相；而第三相為透明的基質(zhì)相。例如，發(fā)射相可以由染料分子構(gòu)成，散射相可以由Al2O3粒子構(gòu)成，而基質(zhì)相可以由溶劑例如甲醇構(gòu)成。在本發(fā)明的某些實施例中，發(fā)射相和散射相可以是同一相，如當使用半導(dǎo)體粒子時。由增益介質(zhì)構(gòu)成的基體的最小尺寸，可以小于與散射相關(guān)聯(lián)的散射長度。
在本發(fā)明的進一步實施例中，基質(zhì)相具有增益，例如聚合物PPV以及為散射目的添加的粒子。
在本發(fā)明的一個具體實施例中，類似激光器的活性，是在激光激勵的含有染料(例如若丹明)和高折射率對比的毫微粒子(例如TiO2或Al2O3)的甲醇溶液中產(chǎn)生的。此增益介質(zhì)顯示出高效激光光源的許多性質(zhì)，并且具有接近無閾值(thresholdless)輸入-輸出特性。類似激光器的活性被定為擁有一種條件，其中非常有限的激勵引起發(fā)射的輸出線寬變窄。
有重要意義地是，現(xiàn)有技術(shù)中在尺寸方面的固有障礙被克服了。它表明，類似激光器的活性，是當增益介質(zhì)所具有的尺寸稍大于、等于或者甚至小于光子在該介質(zhì)中的散射長度時出現(xiàn)的。這同上述Letokhov等人預(yù)告的尺寸方面的要求形成尖銳對比。
在本發(fā)明的實施例中，接近無閾值的類似激光器特性，是在含有膠體TiO2或Al2O3毫微粒子的強散射的光學(xué)泵浦的染料—甲醇溶液中得到的。來自光學(xué)泵浦的高增益膠體介質(zhì)的發(fā)射，表明在其對臨界泵浦脈沖能量的線性輸入—輸出特性方面呈現(xiàn)出斜率變化。這種斜率變化，是以使用某些染料在高泵浦能量下出現(xiàn)的二色性譜線為特征，伴隨以輸出譜線寬度的顯著變窄。用80微微秒的脈沖在532nm波長下激勵膠體介質(zhì)，發(fā)現(xiàn)引起比光學(xué)檢測系統(tǒng)的300微微秒時間分辨率短的發(fā)射，因而證實類似激光特性的存在，而且不僅是熒光特性。
附圖簡介本發(fā)明的上述各個方面，在對本發(fā)明的以下詳細描述中更加明白，并被更全面地描述，可被用來連同附圖一起閱讀，其中

圖1用圖解法說明三種不同的發(fā)射光譜，它們是使用由激發(fā)源激勵的純?nèi)玖系玫降那€“a”，使用在閾值激勵以下的染料與散射粒子組合得到的曲線“b”，以及使用在閾值激勵以上的染料與散射粒子組合得到的曲線“c”。
圖2表示波長積分發(fā)射作為泵浦脈沖能量函數(shù)的曲線圖，對于圖1中純?nèi)玖先芤旱那€“a”為空心的圓圈，對于圖1中TiO2毫微粒子膠體(2.8×1010/cm3)的染料溶液的曲線“b”為封閉的圓圈。
圖3表示對于四種不同的TiO2毫微粒子密度的峰值發(fā)射作為泵浦脈沖能量函數(shù)。具體說來，毫微粒子密度為1.4×109/cm3，7.2×109/cm3，2.8×1010/cm3以及8.6×1011/cm3，分別用實心圓、菱形、正方形和三角形表示。插圖表示對于毫微粒子密度為2.8×1010/cm3的對數(shù)標度數(shù)據(jù)。
圖4a-4c表示對于三種不同的TiO2毫微粒子密度下發(fā)射線寬作為泵浦脈沖能量函數(shù)。更確切地說，圖4a-4c分別對應(yīng)于密度5.7×109/cm3(實心圓)，2.8×1010/cm3以及1.4×1011/cm3。圖4a中的空心圓圈，表示圖1中曲線“a”的純?nèi)玖先芤旱陌l(fā)射線寬作為泵浦脈沖能量的函數(shù)。
圖5為曲線圖，其所繪制的是對由香豆素440和散射粒子組成的增益介質(zhì)其強度與波長的關(guān)系曲線。
圖6a-6c表示圖1中曲線“a”的染料溶液(圖6a)以及圖1中曲線“b”的TiO2/染料溶液對一個80微微秒的長脈沖序列的響應(yīng)曲線，其中圖6a表示最高脈沖能量下純?nèi)玖系捻憫?yīng)，而圖6b及6c則分別表示在低泵浦能量(1.2×10-2毫焦耳/脈沖)和高泵泵浦能量(1.2×10-1毫焦耳/脈沖)之下，TiO2毫微粒子(2.8×1010/cm3)膠體染料溶液的響應(yīng)。
圖7為包括一個可提供類似激光器特性的簡化機構(gòu)圖，由此產(chǎn)生出圖1-6中表示的數(shù)據(jù)。
圖8a為臨界橫向孔徑尺寸作為染料濃度函數(shù)的曲線圖；圖8b為對于具有3.5×10-3克分子濃度的染料的增益介質(zhì)，其峰值強度與孔徑大小(微米)的關(guān)系曲線；圖8c為對于具有3.5×10-3克分子濃度的染料的增益介質(zhì)，其發(fā)射線寬(毫微米)與孔徑大小(微米)的關(guān)系曲線；圖8d繪出的是對于薄的(0.5mm厚)單片固體增益介質(zhì)樣品，其發(fā)射強度與波長的關(guān)系曲線。
圖9a及9b中每一個表示本發(fā)明的一種實施例，其中的增益介質(zhì)被應(yīng)用來形成顯示裝置的許多象素，該象素在使用時由激光器對其進行掃描。
圖10a表示本發(fā)明的一種實施例，其中的增益介質(zhì)被應(yīng)用來在透明基片的表面上形成許多區(qū)域，以便響應(yīng)于輸入波長同時提供許多不同的輸出波長。
圖10b表示多層結(jié)構(gòu)的許多含有增益介質(zhì)的基片。
圖11表示本發(fā)明的一種實施例，其中的增益介質(zhì)被封裝在小球內(nèi)。
圖12a和12b中每一個表示本發(fā)明的一種實施例，其中的增益介質(zhì)被應(yīng)用來形成許多區(qū)域，其中每一區(qū)域響應(yīng)輸入波長發(fā)出不同的輸出波長。
圖13a-13f中每一個表示本發(fā)明的一種實施例，其中的增益介質(zhì)包含在一部分光纖或者導(dǎo)管中，以便在固定區(qū)域提供所需要的波長。
圖14說明本發(fā)明的一種實施例，表示一種帶有熒光屏的系統(tǒng)，該熒光屏有選擇地涂敷增益介質(zhì)，而且激光掃描器被用來有選擇地使該介質(zhì)發(fā)出所需要的確定的波長。
圖15a和15b中每一個表示本發(fā)明的一種實施例，其中許多物體中的每一個都包括一由該增益介質(zhì)構(gòu)成的涂層，用于照射該物體的激光器，以及用來檢測該涂層發(fā)出的波長的檢測器。
圖16表示本發(fā)明的一種實施例，其中該增益介質(zhì)被應(yīng)用來在物體表面上形成一種標記，具體說來是一種條形碼。
圖17表示本發(fā)明的一種實施例，其中該增益介質(zhì)作為涂層(固態(tài)或者半固態(tài))被施加在能夠在其內(nèi)部傳輸該涂層發(fā)出的一或多種波長的物體上。
圖18表示本發(fā)明的一種實施例，其中該增益介質(zhì)被應(yīng)用來將第一種波長上轉(zhuǎn)換為第二種較短的波長。
圖19表示本發(fā)明的一種實施例，其中該增益介質(zhì)作為涂層被應(yīng)用在眼鏡的鏡片上，以提供對眼的激光防護。
圖20a-20c表示該增益介質(zhì)在非線性喇曼散射實施例中的應(yīng)用。
圖21表示包含該增益介質(zhì)的粒子由于輸入泵浦光束施加的力而被加速。
圖22為聚合物基的電驅(qū)動發(fā)光器件的截面圖(未按照比例)，本發(fā)明有利于該器件的發(fā)射增寬和頻移。
圖23為本發(fā)明的激光二極管實施例截面圖(未按照比例)，其中該增益介質(zhì)作為涂層被施加在激光二極管的發(fā)射面上，以在不同于該激光二極管的基本發(fā)射波長的波長上提供類似激光的發(fā)射。
圖24a為表示本發(fā)明一種實施例的正視圖(未按比例)，圖24b為其頂視圖(未按比例)，其中本發(fā)明的增益介質(zhì)被應(yīng)用在泵浦第二種增益介質(zhì)(例如染料溶液或者激光棒)，以便將泵浦波長調(diào)諧在第二種增益介質(zhì)上。
發(fā)明詳述為了詳細描述本發(fā)明的一些新的實施例，首先對一些能夠清楚地說明本發(fā)明增益介質(zhì)實施例許多新性能的實驗結(jié)果作出描述。
實驗描述實驗是在帶有變化量的或是TiO2(金紅石)，或是Al2O3(α-相)毫微粒子的甲醇中含有1×10-3到2.5×10-3克分子濃度的若丹明640染料的溶液上完成的。TiO2粒子具有250nm的平均直徑，Al2O3粒子的直徑或是280nm，或是33nm。TiO2的粒子被涂敷一層Al2O3以防止絮凝。
以該粒度和密度為基礎(chǔ)，曾經(jīng)確定，這些膠體的長度為1cm時沉積時間分別為14.2小時、6.6小時和882小時。這些時間顯著地要比約為30分鐘到1小時的實驗時間長。
此外，曾經(jīng)確定適用于將染料分子吸收到毫微粒子上的總的表面面積。具體說來，曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)TiO2粒子具有13.4米2/克的表面面積適用于接納染料分子。此值表明，在粒子密度ρ～1010/cm3的情況下，約有1％的2.5×10-3克分子濃度染料溶液的染料分子可被接納在毫微粒子表面上。這一上限，實際上限制了其表面效果在觀察該膠體溶液類似激光性能方面起顯著作用的可能性。
毫微粒子的光散射性能是在米氏散射范圍內(nèi)。曾經(jīng)使用全米氏溶液計算出在大約617nm的峰值染料發(fā)射波長下的散射橫截面，并且發(fā)現(xiàn)非常小，以致不能呈現(xiàn)任何形態(tài)上的反響。這被認為主要是由于小尺寸的參數(shù)x＝ka，其中k為甲醇中的發(fā)射波矢量，a為粒子半徑。利用對于TiO2、Al2O3和甲醇的折射率值為2.62、1.77和1.33，對于TiO2和兩種尺寸的Al2O3粒子分別確定其散射橫截面值為1.86×10-9cm2、1.13×10-9cm2和1.0×10-13cm2。
如圖7中表示的那樣，在感興趣的波長下為透明的盒10，盛裝有溶液12，該溶液12擁有在10-3克分子濃度范圍下?lián)诫s若丹明640高氯酸鹽的毫微粒子的甲醇膠體。該盒10具有1cm×1cm×1cm的標稱尺寸。
應(yīng)當指出的是，這些盒的尺寸是在進行實驗中為了方便而選擇的。即，正如以下將要描述的那樣，這些盒的尺寸并不認作是對本發(fā)明粒子的限制。
該溶液12以離軸方式被來自工作在1.064mm波長的NdYAG倍頻激光器14的線偏振的532nm波長的輻射光泵浦。這些實驗或者使用能夠產(chǎn)生7毫微秒單脈沖的調(diào)Q激光器來進行，或者使用能夠產(chǎn)生含有九個80微微秒的長脈沖的125毫微秒的長序列的調(diào)Q及鎖模的激光器來進行。波長532nm的輻射，被發(fā)現(xiàn)具有很小的50μm的信號穿透深度，透進2.5×10-3克分子濃度的純?nèi)玖系募状既芤褐?，使其比任一實驗中使用的最短的光學(xué)散射長度(ls)還要小。在盒10的入射面10a上，激光光點16的面積，對于7毫微秒的脈沖被測量為2.5×10-2cm2，對于80微微秒的激勵為7.85×10-3cm2。使用長脈沖的測量是在5Hz的重復(fù)速率下完成的，而80微微秒脈沖的測量，是在25Hz的調(diào)Q速率下完成的。
這些低的重復(fù)速率被用來避免任何染料降解作用，并不是對本發(fā)明實際應(yīng)用的限制。作為實驗用的每一脈沖的最大能量，對于長脈沖和短脈沖分別約為10毫焦耳和0.12毫焦耳。來自溶液盒10的面10a的輸出，利用透鏡18收集，并被送給帶有液氮冷卻的電荷耦合器件列陣22的光學(xué)多通道分析器20，以及通過單色儀24送給快速光電二極管26和具有300微微秒總時間分辨率的示波器28。
實例第一系列實驗，是利用7毫微秒的長脈沖泵浦2.5×10-3克分子濃度的若丹明640高氯酸鹽的甲醇溶液在溶液盒10中來實現(xiàn)的。激勵這種純?nèi)玖先芤旱玫降墓庾V，表示在圖1中的曲線“a”。此譜線顯示的主峰在610nm以及肩部在640nm。此譜線被發(fā)現(xiàn)對于高達10毫焦耳的整個泵浦脈沖能量范圍保持不變。其波長積分熒光作為泵浦能量的函數(shù)，該能量對0.26毫焦耳的飽和能量呈現(xiàn)出飽和狀態(tài)，并且通過一些空心圓圈表示在圖2中。此飽和能量與光斑大小和泵浦脈沖持續(xù)時間一起，與Is～hν/σpτsp＝0.7兆瓦/厘米2給出的飽和強度相一致，其中σp為在532nm波長下的泵浦吸收橫截面(σp～1.33×10-16cm2)，而且τsp為s1→s0的自發(fā)壽命(4毫微秒)。
類似的光泵浦實驗，是在含有2.8×1010/cm3的TiO2毫微粒子的甲醇-染料溶液中完成的。這些實驗的結(jié)果顯著地不同。與純?nèi)玖先芤旱?6nm的線寬相比，在最低激發(fā)下的譜線呈現(xiàn)出76nm的線寬。當激勵脈沖的能量增加時，在λ～617nm的波長下的非偏振發(fā)射迅速增長而且變窄，如圖1中曲線“b”所示。當泵浦能量更進一步增加時，二色性光譜便被觀察到。這種二色性光譜被認為與采用強激勵的環(huán)形染料激光器所報道的譜線類似。波長為640nm的發(fā)射僅在厚度大于100μm的溶液盒中觀察到，而且與微弱的振動躍遷(vibrionic transition)狀態(tài)下的受勵發(fā)射相關(guān)聯(lián)。圖2中的實心圓數(shù)據(jù)，表示波長積分發(fā)射作為泵浦能量的函數(shù)。
需要著重指出的是，含有TiO2毫微粒子的膠體溶液，并不呈現(xiàn)在純?nèi)玖先芤褐杏^察到的強飽和狀態(tài)。就是說，使用本發(fā)明的增益介質(zhì)能夠提供不飽和的高單色性的光源。
還需要著重指出，波長λ～617nm的峰值發(fā)射對泵浦能量的依賴關(guān)系，對于各種毫微粒子濃度表示在圖3中。更具體地說，圖3表示對所有粒子濃度下對于617nm波長的斜度效率變化的意義明確的閾值。當此數(shù)據(jù)按對數(shù)比例繪制時，其結(jié)果就是圖3的插圖中表示的作為激光器性能的具有特征性的S-形曲線。此曲線呈現(xiàn)出接近無閾激光器性能的非常平緩彎曲的特性，當所有的自發(fā)發(fā)射模能產(chǎn)生激光時，便趨近一條直線。通過對此直線形狀數(shù)據(jù)進行分析揭示，在輸入/輸出特性中觀察到斜率變化場合下的同樣泵浦能量下，其發(fā)射線寬迅速地壓縮到4nm。
圖4a-4c表示對于三種不同的TiO2毫微粒子濃度，所有半發(fā)射寬度作為泵浦脈沖能量函數(shù)的曲線。圖4a還表示作為參考的純?nèi)玖系木€寬(以空心的圓圈表示)。圖4中繪出的結(jié)果，清楚地表示出介質(zhì)12中出現(xiàn)的準穩(wěn)態(tài)的激光特性。
需要著重指出的是，這種準穩(wěn)態(tài)的激光特性出現(xiàn)在并不位于諧振腔結(jié)構(gòu)中的光泵浦溶液中，如對于普通染料激光系統(tǒng)那樣。
對于各種毫微粒子濃度采集來的數(shù)據(jù)，被應(yīng)用來確定激光器的斜度效率ζ對于毫微粒子濃度的相對關(guān)系。其結(jié)果顯示ζ對于ρ的線性關(guān)系，以直到臨界值ρc＝5×1010/cm3為止，其中對在λ～617nm波長的被發(fā)射光輸出來說，粒子密度的增加不會引起斜度效率的明顯增大。類似的結(jié)果，對于密度與可比的散射平均自由行程相對應(yīng)的其它兩種粒度也被觀察到。此外，曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)，散射效率并不取決于整個1×10-3至5×10-3克分子濃度范圍的染料濃度。
在另外一組實驗中，由溶液盒10發(fā)射的光，通過單色儀24被送到快速光電二極管26和示波器28上，以便確定不同波長上發(fā)射的時間特性。圖5a-5c表示為每脈沖(7毫微秒長)3毫焦耳激勵純?nèi)玖嫌涗浀那€，強發(fā)射在617nm，發(fā)射峰在640nm。這些結(jié)果表明純?nèi)玖弦约氨闷置}沖之后640nm的發(fā)射雙峰，而在泵浦脈沖峰值之前617nm的輻射達到最大值。
用一個80微微秒的脈沖序列進行激勵，在膠體染料/甲醇/毫微粒子溶液12的時間特性方面也能顯示出閾值特性。當泵浦脈沖能量低于激光作用開始所需要的能量時，614nm波長上的峰值發(fā)射在所有泵浦能量上呈現(xiàn)長4毫微秒的下降(decay)，其與純?nèi)玖先芤褐杏^察到的情形完全相同。此外，可以觀察到大的背景信號，因為這些脈沖達到每個13和15毫微秒的脈沖重復(fù)頻率才認此激勵馳豫。然而，當此泵浦脈沖能量增加到超過閾值點時，便出現(xiàn)一個其持續(xù)時間比示波器28的300微微秒分辨率短的尖峰脈沖。進一步增加能量，只能產(chǎn)生尖峰脈沖以及鎖模脈沖序列和調(diào)Q脈沖序列之間接近完全的恢復(fù)(recovery)。這些結(jié)果表示在圖6的示波器曲線中。
以上參照圖1～6給出的數(shù)據(jù)，清楚地表明類似激光的活性是在介質(zhì)12中出現(xiàn)的。這可以說，因為，(a)在意義明確的泵浦能量下觀察到斜率方面的變化；(b)線性的輸入—輸出特性兩者低于和高于閾值；(c)在高于意義明確的泵浦能量下其譜線變窄；以及(d)在高于閾值激勵下的時間壓縮。將這些數(shù)據(jù)與對于純?nèi)玖匣旌衔锏贸龅慕Y(jié)果進行對比，增強了對于激光作用的這種判定。
圖8a為臨界橫向孔徑尺寸作為染料濃度函數(shù)的曲線；圖8b為對于具有3.5×10-3克分子濃度染料的增益介質(zhì)，其峰值強度與孔徑大小(微米)關(guān)系的曲線；圖8c為對于具有3.5×10-3克分子濃度染料的增益介質(zhì)，其發(fā)射線寬(毫微米)對孔徑大小(微米)的關(guān)系曲線；圖8d則繪出對于薄的(0.5mm厚)單片固體增益介質(zhì)樣品，其發(fā)射強度對波長的關(guān)系曲線。
可以看出，來自增益介質(zhì)12的發(fā)射，可能遍及其至少一個尺寸(孔徑大小或者橫向尺寸)小于或者具有介質(zhì)12的相關(guān)散射長度數(shù)量級的范圍。這是本發(fā)明的一個重要方面，它使廣泛范圍的應(yīng)用成為可能，其中需要在很小的體積中提供介質(zhì)12，或者作為薄的涂層或薄層來提供。
以下提出的分析是為了幫助定性地理解本發(fā)明。盡管目的不是通過現(xiàn)在提出的理論來限定本發(fā)明的范圍，然而該理論被認為是準確的且與能夠觀察到的事實相符，而且是可以接受的科學(xué)原理。
對于所觀察到的光泵浦膠體增益介質(zhì)具有的類似激光特性的解釋，目前還不能完全理解。初看起來，人們被誘惑根據(jù)光子擴散認為對于高增益的激光染料可提供一種非共振反饋。在以上詳細描述的實驗中，要求光散射過程作為贗諧振腔起源變得明顯的主要問題之一在于，該效果要求散射介質(zhì)的最小尺寸比光散射長度要大。然而，在以上詳述的實驗情況下，在發(fā)射激光的波長上的散射長度一般為200μm的數(shù)量級，于是要求該樣品的每一個尺寸為n毫米的數(shù)量級，以使光子的擴散時間成為有意義的概念。如以上關(guān)于圖8a-8d描述的那樣，類似激光的特性曾在100μm厚的樣品中觀察到。在進一步的一系列實驗中，曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)線寬度壓縮能夠在溶液盒的厚度小到30μm或者為散射長度的六分之一時觀察到。這些結(jié)果暗示，以其最簡單形式存在的由Letokhov預(yù)示的散射型模型，對于解釋增益介質(zhì)12中觀察到的類似激光活性是不適當?shù)?。對于其每一個尺寸均小于散射長度而且折射率在其邊界上匹配的樣品進行的實驗，也呈現(xiàn)出類似激光的特性。
在其尺寸小于介質(zhì)12散射長度的區(qū)域內(nèi)線寬度的壓縮被相信，可能是由于以前未被觀察到的或者未被認出的類型的染料分子總數(shù)的輻射衰減的緣故。按照慣例，染料分子的數(shù)目呈現(xiàn)出非相干性衰減，其中被發(fā)射的輻射的總能量乃是每個染料分子能量之和，或者能量＝∑Ai2。在本發(fā)明的介質(zhì)12中觀察到的效果，替代以看上去呈現(xiàn)出相干衰減機制的運轉(zhuǎn)，其中被發(fā)射的能量替代以(∑Ai)2給出。舉個實例，對于一個普通的雙染料分子系統(tǒng)來說，總發(fā)射能量將為2，而對于本發(fā)明的介質(zhì)12來說，總發(fā)射能量為4。
這個結(jié)果也就是來自其最小尺寸只有幾百微米或者更小的區(qū)域的發(fā)射，實質(zhì)上為具有高強度或高亮度的單色光。
擁有如此描述的物理和光學(xué)特性的本發(fā)明的介質(zhì)12，現(xiàn)在將對應(yīng)用該介質(zhì)12的本發(fā)明的一些實例性的實施例提供描述。在這樣一些實施例中，介質(zhì)12被作為類似于涂料或者乳劑的涂層或者薄層來提供。對于某些這樣的實施例來說，染料分子和散射粒子的供應(yīng)，連同對感興趣的波長為適合的透明的粘合劑或基質(zhì)材料(例如聚合物)一起。就是說，染料分子和散射粒子被固定在基質(zhì)中。而且在隨后的描述中，應(yīng)當意識到，本發(fā)明的教導(dǎo)并不局限于只使用染料分子。例如，本發(fā)明也可以使用小的半導(dǎo)體(例如CdSe)的一類適合于響應(yīng)輸入的光能或電能的發(fā)光粒子來實施。在此實施例中，半導(dǎo)體粒子可以使用帶有上述散射粒子的，或者將其本身用作散射粒子。在本發(fā)明的進一步實施例中，增益材料和基質(zhì)為一種和同一種，并且?guī)в斜椴挤稚⒌纳⑸淞Ｗ?。例如此增?基質(zhì)材料是由聚合物構(gòu)成的，例如對聚苯乙烯(PPV)，而且散射粒子是Al2O3和/或TiO2的粒子，與PPV一起被分散。還可舉個實例，CdSe粒子可以提供在聚甲苯丙烯酸甲酯(PMMA)聚合物中，或者PPV粒子可以提供在PMMA中。
圖9a表示本發(fā)明的一種實施例，其中的增益介質(zhì)12被應(yīng)用來構(gòu)成顯示裝置的許多象素，這些象素在使用時被激光進行掃描。更確切地說，顯示系統(tǒng)30包括一象素平面32，該象素平面32包括一透明的基片33，其上帶有許多在其表面上或表面內(nèi)形成的象素32a。每一個象素32a可以由許多子象素32b組成，每一子象素32b又由介質(zhì)12構(gòu)成。每個子象素32b可以具有100微米或者更小的尺寸。僅舉一個例子，介質(zhì)12被作為六個子象素來提供，每一子象素包含一個不同類型的染料分子與散射粒子的組合。在所表示的實例中，六個區(qū)域中的兩區(qū)域(R1和R2)，發(fā)出的波長在光譜的紅光部分；G1和G2兩個區(qū)域，發(fā)出的波長在光譜的綠光部分；B1和B2兩個區(qū)域，發(fā)出的波長在光譜的藍光部分。
在一實施例中，液晶器件(LCD)列陣34被定位在與熒光屏的表面或者象素平面32鄰接。此LCD列陣34由控制信號進行控制，以便有選擇地讓由一或更多個子象素326發(fā)出的輻射傳送給觀察者。掃描激光器36在視頻掃描信號的控制下用來對象素列陣32進行掃描。這種掃描，能夠引起被掃描象素32a的未飽和的子象素32b發(fā)出波長由組成染料分子決定的窄帶光輻射。由于散射粒子的存在，給定子象素32b的輸出，作為極明亮的基本上為單色光的小光點出現(xiàn)給觀眾。該光并非準直的，由于每一象素的散射特性，因而它并不局限在一狹窄的角度范圍內(nèi)。
隨著子象素32b被同時照明，LCD列陣34的一或多個單元被有選擇地“打開”，以讓由一或多個子象素32b發(fā)射的波長傳送給觀察者。當此象素列陣以視頻速率被掃描時，視覺效果就是形成不飽和的極明亮的彩色圖象，因而能在遠距離觀看。
應(yīng)當意識到，對于給定的象素32a來說，可以采用多于或少于六個子象素32b。采用六個子象素使每一基色的兩種不同的濃淡能夠產(chǎn)生(例如對于紅光的620nm和640nm波長)，而且能夠形成具有高效率存儲密度的六邊形象素圖形。
在進一步的實施例中，提供的是三個子象素，每一個針對紅、綠和蘭色。在另一實施例中提供的是兩個子象素，例如紅和綠，而且這些象素要使用能夠提供蘭色的激光進行掃描。
激光器36可以定位在從背后照射該象素列陣，或者可以定位在從側(cè)面照射該象素列陣，從而減少總的顯示深度。
圖9b表示帶有許多象素35的基片33的一部分，象素35被配置在其表面上。象素35可以液體形式沉積，隨后被固化或者烘干。每個象素都由本發(fā)明的光學(xué)增益介質(zhì)構(gòu)成。在圖9b的實施例中，一些光波導(dǎo)37被提供在基片33的表面上或表面內(nèi)，并且配備有來自激光器(未表示)的第一波長的光，且此激光器沿基片的邊緣配置。如果此光波導(dǎo)37為光纖，則輸入波長光的漏泄被利用來光泵浦鄰近的象素。如果光波導(dǎo)37用光學(xué)波導(dǎo)類型的結(jié)構(gòu)來替代，則離開此波導(dǎo)管的輻射的損耗耦合被利用于光泵浦鄰近的象素。
在本發(fā)明進一步實施例中，象素35中的每一象素可被耦合在相關(guān)的薄膜晶體管(TFT)上，當此薄膜晶體管被通電流時，便將電荷載體注入該象素。在此實施例中，電荷載體被用作激發(fā)源，以引起該象素發(fā)出需要波長的光。
在顯示裝置的所有這些實施例中，該象素的工作基本上是不能飽和的，并且在窄的波長帶內(nèi)輸出電磁輻射。就這點而論，本發(fā)明的象素可以區(qū)別于通常用在電視、視頻監(jiān)視器之類中的傳統(tǒng)性熒光型象素。
圖10a表示本發(fā)明的一種實施例，其中的增益介質(zhì)12被應(yīng)用來在透明基片的表面上形成許多區(qū)域，以便響應(yīng)輸入波長同時提供許多不同的輸出波長。
具體說來，這里表示的結(jié)構(gòu)40的橫截面圖，包括一透明的基片42，此基片擁有一或多個區(qū)域或薄層44a-44d，其中每一區(qū)域或薄層系由增益介質(zhì)12構(gòu)成。每一薄層44a-44d包含有染料分子，被選擇來響應(yīng)由適當?shù)募す夤庠?未表示)的輸入波長(λ輸入)提供所需要的輸出波長(λ1-λ4)。如果該薄層44a-44d被同時照射，那么便同時發(fā)出許多輸出波長的光。
作為結(jié)構(gòu)40的一種有價值的應(yīng)用是，當去除不受歡迎的表皮顏料(例如葡萄酒色斑和文身)時，提供許多不同的波長給皮膚的表面。在這種情況下，薄層44a-44d按照打算去除的顏料的形狀來形成，每一薄層譬如包含有染料分子或者半導(dǎo)體粒子，被選擇來發(fā)射能被底層顏料強烈吸收的波長。
最好是將基片42做成柔韌的，以便同驅(qū)體部分的輪廓適合?；?2的存在是非強制性的，雖然當它需要先按所需要的圖形沉積出薄層44a-44d時是有用的，并且還用來防止介質(zhì)12直接與皮膚接觸。
屬于本發(fā)明范圍內(nèi)的還有利用小角度散射，以將發(fā)射光波長互相混頻，替代提供一些意義明確的空間區(qū)，每一空間區(qū)發(fā)射出一特定的非常窄的波長帶。
屬于本發(fā)明范圍的，還有按照多層狀結(jié)構(gòu)將兩或更多個增益介質(zhì)支承基片一個疊加在另一個上面。在這種情況下，由基片中的上部一些基片發(fā)出的波長，可以部分無阻地通過下部基片上的透明(對于感興趣的波長)部分；或者由上部基片發(fā)射的波長，可被用來泵浦下部基片上的增益介質(zhì)區(qū)。這兩種情況被概括表示在圖10b中，其中λ1和λ4能夠通過此多層狀結(jié)構(gòu)，λ2則被用來光泵浦下部的增益介質(zhì)區(qū)產(chǎn)生出λ3。
圖11表示本發(fā)明的一種實施例，其中的增益介質(zhì)被封裝在小球內(nèi)。舉例來說，該球50具有一臨界直徑或臨界層的直徑，并且擁有一外表面52及含有增益介質(zhì)12的內(nèi)部區(qū)域54。響應(yīng)具有第一種波長的照射，此介質(zhì)12將發(fā)射由結(jié)合散射粒子構(gòu)成的增益介質(zhì)決定的第二種波長。
在使用中，大量的小球50可被應(yīng)用來對表面(例如行車道或跑道之上或其附近的表面)敷層。響應(yīng)激光照射，帶有小球50的那部分表面將發(fā)出極其明亮且基本上為單色的光，從而使局部表面對于人眼或者適當?shù)奶綔y器容易辨別。關(guān)于這一點，介質(zhì)12可以包括對于更容易穿透霧和雨的紅外或近紅外波長響應(yīng)的染料分子。一種適合此應(yīng)用的染料，在技術(shù)上通稱為IR144。
屬于本發(fā)明范圍的還有，將很小的增益介質(zhì)體懸浮在大氣中，例如用作適當?shù)墓庑实拇髿鈽酥?。在這種情況下，這種很小的增益介質(zhì)體可以通過地基或者非地基的激光光源來光泵浦。
屬于本發(fā)明范圍的，還有利用自然泵浦光源(如照明)來泵浦該增益介質(zhì)。
屬于本發(fā)明范圍的，還有用閃光燈來泵浦該增益介質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明進一步的這種實施例，可以將小球50傾倒入水中，以便在船的后面留下可以探測的蹤跡。例如，這可由飛機承載留下可被返航飛機隨后探測的蹤跡來實現(xiàn)。在此實例中，每架飛機配備有適當?shù)募す夤庠?以照射水面)和適當?shù)奶綔y器(例如紅外線成象列陣)，以對發(fā)射波長進行檢測。對于給定的工作日和飛行任務(wù)可以選擇具體挑選的波長，以提供保密度。就是說飛機預(yù)期要檢測特定的波長，并且可為預(yù)定的波長配備相應(yīng)的濾光片和探測器。
另外方面，增益介質(zhì)12可被應(yīng)用例如作為氣溶膠或者液體的涂層來配制，以對帶有可響應(yīng)發(fā)射波長的傳感器的作為規(guī)定(Ordinance)的對象進行認別。一般說來，介質(zhì)12可應(yīng)用在敵我檢測系統(tǒng)中。例如在戰(zhàn)場的情況下，所有的車輛其一部分均涂敷含有被選擇發(fā)射預(yù)定波長的染料分子的增益介質(zhì)12。當被激光光源照射時，只有帶該涂層的車輛能夠發(fā)射預(yù)定的波長的光。當被照射時，并不發(fā)射一定波長或者不發(fā)射預(yù)定波長的任何車輛，均是可疑的。
顯然，增益介質(zhì)12可以低成本的方式作為涂層直接施加在物體或者物體的可變部分上面，例如可除去的鑲板上面。舉例來說，車輛可以配備一套塑料鑲板，很容易安裝到外表面上，而且一特定的鑲板被指定在預(yù)定的時間周期內(nèi)使用。每一鑲板可包括帶散射粒子的增益介質(zhì)的涂層，或者其本身可以是由增益介質(zhì)和散射粒子(例如PPV和TiO2)構(gòu)成的實體。
雖然圖11中的小球50被表示為包含一定體積的增益介質(zhì)12，但是屬于本發(fā)明范圍的，還有由摻雜所需要的染料分子和散射粒子的聚合物構(gòu)成的小球。換一種方式，此小球還可以是含有散射粒子的聚合物(如PPV)的小顆粒。屬于本發(fā)明范圍的，還有將增益介質(zhì)注入多孔性材料(如一定的玻璃和溶膠凝膠)中。
屬于本發(fā)明范圍的，還有利用如包含在微孔中的染料分子溶液和基底材料間隙的折射率襯度，而且周圍的基底材料本身作為散射相。在這種情況下，染料分子提供光學(xué)增益相，而基底材料形成基質(zhì)相和散射相。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，基底/染料體的至少一個尺寸可以做得非常小(例如厚度或直徑為幾十或幾百微米)，而在受到激勵時便呈現(xiàn)類似激光的活性。
圖12a表示本發(fā)明的一種實施例，其中的增益介質(zhì)12被應(yīng)用在可變換的透明基片60的表面上形成許多區(qū)域62a-62d，以便響應(yīng)輸入波長(λ1)提供許多不同的輸出波長(λ2-λ5)中的一種波長。在所表示的實施例中，基片12上帶有旋轉(zhuǎn)軸，以使擁有區(qū)域62a-62d的部分被定位在由激光器64輸出的光束中。由被定位在該激光束中的給定區(qū)域之一發(fā)出的波長，被耦合在帶有輸入耦合器66a和輸出耦合器66b的光纖66中。光學(xué)耦合在輸出耦合器66b上的，是輻射接收器68?？刂破?0被機械耦合(70a)到基片60上，使其旋轉(zhuǎn)，以將一些不同的發(fā)射波長提供給接收器68。控制器70還被電耦合(70b)到接收器68上，以便將基片60現(xiàn)在正在發(fā)射的波長通知接收器60。這樣的布局使得安全通訊系統(tǒng)能夠構(gòu)成，其中的激光器64以被發(fā)送的信息進行調(diào)制，而且其中的發(fā)射波長通過基片60的旋轉(zhuǎn)被周期性和隨意地加以改變。
如在此應(yīng)用的那樣，本發(fā)明的某些實施例利用的是增益介質(zhì)12和光激勵源之間的相對運動。此運動通?？梢允蔷€性的或者旋轉(zhuǎn)的，且可通過實際上使增益介質(zhì)12和光激勵之一或兩者運動來達到。
圖12b表示通訊系統(tǒng)進一步的實施例，其中的基片61上包括許多區(qū)域63(與圖9b中表示的象素類似)。纖維光導(dǎo)束65能將區(qū)域63發(fā)出的光傳輸給耦合器66a、光纖66、耦合器66b和接收器68。在此實施例中，激光器(未表示)根據(jù)預(yù)定的掃描算法對一些不同的區(qū)域63進行掃描，同時調(diào)制掃描光束中的信息。來自一或多個象素的發(fā)射，從而被傳送給接收器68。只要接收器68能覺察到激光光源使用的掃描算法，發(fā)送器和接收器之間需要的是不受控制的連接。
在本發(fā)明的另一實施例中，基片60或者61可被用作光源的角色，有選擇地響應(yīng)單一波長提供許多不同的波長中的一種，被應(yīng)用在例如色譜設(shè)備和激光彩色印刷機的應(yīng)用中。
圖13a表示本發(fā)明的一種實施例，其中的增益介質(zhì)12包含在光纖72的端部74中，例如在其包層中，以在固定的區(qū)域提供所需要的波長(λ2)。激光器76被利用來將第一種波長(λ1)輸入到光纖72的第二端。作為本發(fā)明此實施例的一個重要但非局限的應(yīng)用，在于將預(yù)定波長的輻射提供給組織的固定區(qū)域。本發(fā)明這一實施例的一個重要方面是能夠獲得全方向的輻射特性圖，不過屬于本發(fā)明范圍的，還包括聚焦透鏡，或者使用自聚焦型光纖，以提供更定向的光束。
圖13b表示進一步的實施例，其中的光纖72b帶有分布在其包層中的包括散射粒子在內(nèi)的增益介質(zhì)。當作為導(dǎo)管被插在結(jié)構(gòu)如靜脈73中時，且當經(jīng)過耦合器72a受到激光器76的泵浦時，該導(dǎo)管能夠沿著靜脈73的基本長度提供預(yù)定波長范圍內(nèi)的電磁輻射。這對患者直接提供光源是有用的?？梢詫υ撦椛溥M行選擇，以切除組織、燃灼或進行任何一些需要的醫(yī)學(xué)處置。本實施例的一個優(yōu)點，在于單一激光光源76可被利用來與新的導(dǎo)管72b結(jié)合，提供各種需要波長中的任意一種。此外，該導(dǎo)管的輸出為非相干的全方向輻射，因而能夠同時照射靜脈73中內(nèi)表面的顯著部位或許多表面，或者其它組織結(jié)構(gòu)。
在此實施例中，由光纖72b的芯耦合在包層中的輻射，被用來受激包含在此包層內(nèi)的增益介質(zhì)12的發(fā)射。
屬于本發(fā)明范圍的還有將一反射器放在該導(dǎo)管的終端，使激光輻射沿導(dǎo)管長度往回反射，以改善所需波長的發(fā)光效率。
圖13c表示本發(fā)明的一種實施例，其中只有包層的一部分帶有本發(fā)明的增益介質(zhì)，以便有選擇性地只照射周圍結(jié)構(gòu)的一部分。換一種方式，包層長度的顯著部分可以包括增益介質(zhì)，如圖13b所示，而且光纖導(dǎo)管的表面隨后有選擇性的被遮蔽，以使波長λ2的發(fā)射僅出現(xiàn)在一或多個預(yù)定的部位。在圖13c以及13d中，TB通常表示組織的邊界。
圖13d表示本發(fā)明的一種實施例，其中的增益介質(zhì)12包含在光耦合器72a中。在這種情況下，波長λ2產(chǎn)生在組織邊界外部，且被向下射入光纖72b。對此實施例來說，可以使用一個共同的光源和光纖導(dǎo)管，而且所需要的波長是通過將特定的耦合器72a放入光路中來提供的。
圖13e表示本發(fā)明的一種實施例，其中光纖72b的終端部分配備有一種結(jié)構(gòu)73，用來將泵浦波長λ1的一部分轉(zhuǎn)換成λ2，并且將輻射按所需方向射出去。在此實施例中，結(jié)構(gòu)73包括被配置在相互成預(yù)定角度和與光纖導(dǎo)管72b的終端成預(yù)定角度的第一部分73a和第二部分73b。其中73a部分的表面包括一層或一涂層的增益介質(zhì)12，而且如果需要，73b部分的表面可以做成反射的。
圖13f表示本發(fā)明進一步的實施例，其中光纖導(dǎo)管72b的終端部分帶有一個用磨砂或以其它方式處理過的區(qū)域78，以便使波長λ2的輸出輻射在終端處以全方向的方式被發(fā)射出去。
一般說來，本發(fā)明能夠提供用于選擇性地處理和/或去除組織的許多有價值的醫(yī)學(xué)應(yīng)用。例如，所產(chǎn)生的波長可被按照類似解剖刀的方式加以應(yīng)用，以切去組織。
還應(yīng)當理解，光纖72b不一定要插入組織結(jié)構(gòu)中，還可被用來照射該結(jié)構(gòu)的表面部分。例如可參見圖13d的實施例，光纖12被放在適當?shù)闹С薪Y(jié)構(gòu)或者套管中，并將其握在手中，隨后專業(yè)人員可以有選擇地將該終端發(fā)出的波長λ2施加在組織的固定區(qū)域(如皮膚)，或者在外科處置時加在內(nèi)部組織上。
圖14說明本發(fā)明的一種實施例，表示一種投影系統(tǒng)80，帶有均勻或有選擇地涂敷增益介質(zhì)12的熒光屏82。例如只有區(qū)域86a和86b涂以增益介質(zhì)12。一臺普通投影器84，被應(yīng)用來投射光84a，并將圖象(例如運動畫面)傳送到投影屏82上。該系統(tǒng)80進一步包括一激光掃描器88，以將具有第一種波長(λ1)的光束88a有選擇地投射和迅速地掃描熒光屏82，具體說來是對區(qū)域86a和86b掃描。當此區(qū)域86a和86b被光束88a掃描時，便發(fā)出能被觀眾看到的極其明亮的基本上為單色的光。其結(jié)果是熒光屏82的固定區(qū)域被照射，以提供特殊的效果。掃描控制信號可由投影器84來提供，即通過在被用于投影圖象84a的底片或其它圖象存儲介質(zhì)上記錄的痕跡來提供。
舉例來說，香豆素120染料與Al2O3組合，可被作為涂層或者薄層放在表面上，而且直到用適當?shù)募钤凑丈渲皩τ^察者基本上是看不見的。當被照射時，此香豆素/散射粒子層部分將發(fā)出極明亮的未飽和的蘭光。
在本發(fā)明的進一步實施例中，熒光屏82為一其上印有廣告信息的廣告牌，而且激光掃描器被安裝來對該廣告牌的選定區(qū)域86a和86b進行掃描，以使被選定部分的廣告信息發(fā)出一或多種波長(λ2和λ3)極明亮的基本上為單色的光。
一般說來，增益介質(zhì)12可被利用在許多戶外的應(yīng)用，其中需要提供很容易看見或者可以探測的標志或者區(qū)域。這些應(yīng)用包括事故標志、路障、自動交通信號車用的預(yù)定標志通道，以及供行人和緩步行進者用的安全服，但并不局限于這些。增益介質(zhì)12還可用作標出路面車道和印制道路標志用的顏料的成分。對于這樣一些應(yīng)用來說，汽車和實習(xí)車之類可配備以適于照射包含介質(zhì)12的標志的光源。
這些標志還可用在汽車上，以增強防撞用的車載激光測距系統(tǒng)的工作。就是說，當這些標志被合適的激光測距器照射時，能夠由汽車提供強的而且容易探測的反光。此外，對于不同類別的車輛使用不同的波長，能使目標認別更容易完成。
圖15a表示本發(fā)明的一種實施例，其中許多物體92a-92b中的每個物體都包括一由介質(zhì)12構(gòu)成的涂敷區(qū)域93a-93b。激光器90發(fā)出用于照射該物體92的第一種波長(λ1)。檢測器94被定位來檢測該涂敷區(qū)域發(fā)出的至少一種波長(λ2和λ3)。在所表示的實例中，物體92a在同一波長λ2下全能被識別和反射。物體92b則以波長λ3進行發(fā)射。這樣的安排例如在分選和質(zhì)量控制操作中是有用的，其中需要通過從總數(shù)中檢測和除去不同的物體來提供均質(zhì)的物體群。
例如對于只需要提供物體92a的給定操作來說，檢測器94可配備只讓波長λ3通過的濾光片或采取某些其它手段。檢測器94的輸出被連接在能夠響應(yīng)對波長λ3的檢測，以產(chǎn)生輸出信號的控制裝置96上。此輸出信號可被用來產(chǎn)生聲頻或者可見報警信號，或者驅(qū)動換向器自動除去物體92b。每種物品可以多種涂敷區(qū)域進行編碼(例如每種物品可包括一些區(qū)域)以便能夠具有更大的選擇性。
圖15b表示進一步的實施例，其中機器人機械手的懸臂98上面帶有末端操縱裝置部分98a，用于抓取物體例如一組許多螺栓92。在本實施例中，激光器90(例如激光二極管)提供在此末端操縱裝置部分98a上或其附近，以對鄰近此末端操縱裝置部署的該物體進行照射。另一方面，激光器90可在遠處提供，且其輸出經(jīng)過光纖傳送到此末端操縱裝置部分98a。檢測器94按照類似方式配置，以檢測由被激光器90照射的物體發(fā)出的輻射。在所示實施例中，具有第一種長度的螺栓包括一個由介質(zhì)12組成的被涂敷區(qū)域，以發(fā)出第一種波長的輻射；而第二種長度的螺栓包括一個由介質(zhì)12組成的被涂敷區(qū)域，以發(fā)出第二種波長的輻射。機械手的控制器(未圖示)響應(yīng)被檢測的輻射，以選擇或者避開發(fā)射特定波長的物體。
可以理解，本發(fā)明實施例并不需要復(fù)雜的圖象處理軟件來區(qū)別一個同另一個物體。而代之以該物體可按內(nèi)在因素進行識別，因為每種物體發(fā)固定波長的光。
圖16表示本發(fā)明的一種實施例，其中的增益介質(zhì)12被利用來在物體102的表面上構(gòu)成一標記，具體說來是條形碼104。響應(yīng)激光器100發(fā)射的波長λ1的照射，該條形碼104發(fā)出波長為λ2的極亮的基本上為單色的光。檢測器106對所發(fā)出的光響應(yīng)，且被耦合在傳統(tǒng)的條形碼閱讀器(未圖示)上。本發(fā)明實施例能夠提供具有優(yōu)良的視覺反差的條形碼。此外，本發(fā)明實施例能使條形碼信息被波長編碼。就是說，條形碼信息的全部或者一部分，在第一種波長下可能具有一種含義，而在第二種波長下可能具有變化了的或者完全不同的含義。在這種情況下，條形碼閱讀器最好包括波長識別裝置，例如濾光片和/或光柵，用于識別和檢測所發(fā)出的波長。屬于本發(fā)明范圍的還有選擇對視察者基本上為不可見的增益介質(zhì)12，以便在未必照射時提供不可見的條形編碼。
圖17表示本發(fā)明的一種實施例，其中的增益介質(zhì)12作為涂層114被施加能夠在內(nèi)部傳輸該涂層114發(fā)出的一種或多種波長的物體110上。此實施例所利用的是介質(zhì)12的短脈沖和快響應(yīng)時間。該涂層114響應(yīng)脈沖激光光源發(fā)射的波長λ1，發(fā)出波長為λ2的光。被發(fā)出的光傳播到物體110中。響應(yīng)某種不連續(xù)性(折射率變化)，例如實體112固定在物體110中，波長λ2的一部分被反射射向帶有涂層114的表面。被反射的那部分波長λ2，通過涂層114而使涂層中包含的染料分子活性(seed)，從而當用脈沖激光光源的脈沖同時照射時，便使涂層114在波長λ2上的輸出增強。檢測器116被定位來對波長為λ2的反射脈沖的輻度進行檢測。該反射脈沖傳送的是涉及物體110內(nèi)部結(jié)構(gòu)的時間和空間信息。舉例來說，本發(fā)明實施例可被用在層析X射線照相應(yīng)用中，其中需要對人體內(nèi)的物體進行檢測。屬于本發(fā)明范圍的還有在不同的表面區(qū)域使用許多涂層114，并且利用三角測量技術(shù)對實體112進行精確定位。
如圖10的實施例中那樣，該涂層114可以在應(yīng)用于物體110的表面上之前施加在一透明基片(未圖示)上。而且，該涂層114可以由許多不同的區(qū)域組成，每個區(qū)域在不同的波長上發(fā)光。在這種情況下，檢測器116可通過使用例如適當?shù)臑V光片和/或光柵做到對不同波長的響應(yīng)。
一般說來，輸入脈沖之間的相互間隔(TD)與檢測發(fā)射波長(λ2)時得到的延遲結(jié)合，可給出涉及該實體112距物體110表面的深度和/或位置的信息。
圖18表示本發(fā)明的一種實施例，其中的增益介質(zhì)12被應(yīng)用來將第一種波長(λ1)上轉(zhuǎn)換至第二種較短的波長(λ2)。舉例來說，增益介質(zhì)12被作為薄層或者體積120來提供，并通過一強共振增強的雙光子吸收過程來運作。適合這種應(yīng)用的一種染料是同上述散射粒子組合的DCM。當以735nm的波長泵浦時，增益介質(zhì)12在630nm波長上發(fā)光。
圖19表示本發(fā)明的一種實施例，其中增益介質(zhì)12被提供在眼睛激光防護器130的鏡片材料之上或者之中。此實施例能夠提供不飽和的眼保護，其中入射的激光輻射被轉(zhuǎn)換成第二種波長的光信號。
當此介質(zhì)12作為薄層提供時，所發(fā)出的能量的大部分在此薄層中沿橫向射出。其結(jié)果是輸入能量的大部分偏離眼睛射出去。
由于散材粒子的存在，一定體積的介質(zhì)12可以認為是不透明的，然而，當作為薄層應(yīng)用時，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，大量的光能夠通過該薄層。這種使用介質(zhì)12的薄涂層或者薄層的能力，使得該介質(zhì)12適合于用在其最小尺寸比散射長度大得多時難以達到或不可能達到的許多應(yīng)用中。
舉例來說，基片材料可以是用增益介質(zhì)12處理過的紡織品。響應(yīng)于入射的激光輻射，如來自敵對方的光源，那么入射輻射的能量大部分被轉(zhuǎn)換為一種或多種其它波長的發(fā)射。這就為該紡織品的穿戴者提供一定程度的保護，避免由敵對方的激光輻射源造成的損傷。
雖然迄今的主要描述是在激光染料與散射粒子結(jié)合被激光光源照明或照射的范圍內(nèi)，然而應(yīng)當理解，在本發(fā)明其它一些實施例中，化學(xué)發(fā)光的材料可被應(yīng)用來與染料和散射粒子相結(jié)合。這就排除了對于使用光源泵浦染料分子的要求，只要此化學(xué)發(fā)光材料能提供足夠的能量。
一種適合的化學(xué)發(fā)光系統(tǒng)，包括堿性金屬的堿(例如氫氧化鈉)、過氧化氫、非羥基溶液(例如鄰苯二甲酸二丁酯)、草酸酯(例如草酸二-三氯苯酯)，以及欲激勵的激光染料(例如適合的若丹明)與適合的散射相(毫微粒子、空穴等)的結(jié)合。
電激勵的增益介質(zhì)，也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如PPV材料可被用來與散射粒子相結(jié)合，從而排除了對提供染料的要求。PPV或者由電激勵或光激勵，以提供類似激光的發(fā)射，或者提供PPV發(fā)射的增寬和偏移。
此外，眾所周知，某些染料(通常被稱為電色染料)的熒光，可以通過施加1kv/cm數(shù)量級的電場被調(diào)諧。就這點而論，使用電色染料與散射粒子相結(jié)合，能使被發(fā)射的波長在一定波長范圍內(nèi)被調(diào)諧。由于此薄膜很薄，故根據(jù)本發(fā)明的一個方面，只有比較適度的電壓(例如1伏)對產(chǎn)生所要求電場的電位是需要的。
一般說來，由于通過本發(fā)明的教導(dǎo)可能制做的增益介質(zhì)區(qū)域的尺寸非常小(例如幾十波長)，故為了得到所需要的基本上為單色的發(fā)射，所要求增益介質(zhì)的體積為細胞結(jié)構(gòu)大小的數(shù)量級。這就能使微觀量的增益介質(zhì)12用于觀察和/或影響細胞的作用。
由上述本發(fā)明的一些實施例看來，應(yīng)當理解，對這些實施例進行一些變化可以做到，而且這些變化全在本發(fā)明教導(dǎo)的范圍內(nèi)。舉例來說，本發(fā)明的使用不僅局限在那些以上清楚描述過的特定的應(yīng)用，而且本發(fā)明的教導(dǎo)也不局限在以上詳細描述過的一些具體材料、濃度、波長等上。
舉例來說，本發(fā)明可被應(yīng)用在通過由受激或者自發(fā)喇曼散射的非線性過程獲得增益的實施例中，如在圖20a-20c中所示。在圖20a中，喇曼散射系統(tǒng)包括一包含在外殼140中的第一種非線性增益介質(zhì)(一種氣體，如甲烷或CS2)。一般說來，要求高輸入能量來由此增益介質(zhì)激勵出發(fā)射。在所表示的實施例中，一泵浦波長(λ1)被提供給多個反射鏡142，以將最大量的泵浦射入外殼140中。某些泵浦輻射被轉(zhuǎn)向射一涂敷該介質(zhì)12的晶粒(cell)或者包含該介質(zhì)12的實體上。該介質(zhì)12提供第二種波長(λ2)，以作為籽晶(seed)有效地降低包含在外殼140中的喇曼散射放大器的閾值。這就是與線性相反的非線性增益機制。
在圖20b的實施例中，介質(zhì)12被提供在外殼140的輸入表面上，從而簡化了圖20a的實施例。
在圖20c的實施例中，介質(zhì)12被提供在外殼140的后表面上。按照這種結(jié)構(gòu)，介質(zhì)12響應(yīng)通過將籽輻射發(fā)射回外殼140中泵浦波長。外置的二色性反射鏡143將第二種波長射在所需要的光路上。在此實施例中，來自喇曼散射放大器的輸出光束，呈現(xiàn)具有非常窄的峰(10-2nm)的約為4nm寬的光譜。
圖21為利用本發(fā)明的進一步實例，所表示的是具有標稱直徑例如約30微米的小粒子或小球。該球包括增益介質(zhì)12，不是其位于表面區(qū)域之上或其中，就是分布在其整個體積內(nèi)。一激勵源提供被聚焦在約為該球直徑上的第一種波長的輻射。在此實施例中，小球?qū)斎氲牟ㄩL吸收，并且由于介質(zhì)12具有迅速發(fā)射的性能而幾乎立刻發(fā)射第二種波長。就是說，介質(zhì)12實質(zhì)上是非飽和的，小球能夠反復(fù)地接收輸入輻射的脈沖。可以證明，通過這一過程可以將有特殊意義的力施加在此小球上，而且來自小球的發(fā)射是各向同性的。就這一點來說，如果此小球被懸浮在氣溶膠或者液體中，此小球?qū)⒁愿咚俣冗\動離開輸入泵浦而無明顯地加熱。
可以意識到，本發(fā)明實施例能為直徑幾十微米數(shù)量級的粒子提供加速器。所得到的粒子流可被用于材料加工，例如切割和表面剝蝕。所得到的粒子流，還可被用來將少量物質(zhì)(例如藥劑制品)運送到物體內(nèi)的預(yù)定區(qū)域。
此實施例利用的是介質(zhì)12所具有的，各向同性和非常迅速地產(chǎn)生激光而失去由輸入泵浦束接收來的能量的能力。
圖22為聚合物基的電驅(qū)動發(fā)光器件150的橫截面圖(未按比例)，該器件得益于本發(fā)明可能做到的發(fā)射增寬和位移。當與圖1的曲線“a”到“b”進行對照時，此發(fā)射增寬及位移的狀況可清楚地看出。
此發(fā)光器件150包括第一個電極152、由本發(fā)明的增益介質(zhì)組成的區(qū)域153，以及基本上為透明的第二電極154。電源(交流或直流)被示意表示為電池156，被跨接在電極152和154上。
區(qū)域153可以由有機聚合物(例如PPV)薄層(厚度約在1,000到5,000的范圍內(nèi))構(gòu)成，帶有根據(jù)本發(fā)明添加的適當尺寸(例如30到50)的散射粒子。電極152可以由其上帶有旋轉(zhuǎn)涂敷的區(qū)域153的氧化鋁構(gòu)成。透明的電極154可由銦-錫氧化物(ITO)構(gòu)成。
在工作過程中，由電池156注入的電荷載流子能按照已知方式引起來自PPV的發(fā)射。根據(jù)本發(fā)明，散射粒子能夠引起PPV發(fā)射的增寬和位移，如圖1曲線“a”所示。
將適當?shù)娜玖咸砑拥絽^(qū)域153中以吸收和重新發(fā)出此PPV發(fā)射，也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
圖23為根據(jù)本發(fā)明一個方面構(gòu)成的電控制的光源160橫截面圖(未按比例)，其中本發(fā)明的增益介質(zhì)12作為涂層164被施加在半導(dǎo)體激光二極管162的發(fā)射面上，以在不同于該激光二極管的基本發(fā)射波長(λ1)的波長(λ2)上提供發(fā)射。適合的電源被示意表示為電池166，按照傳統(tǒng)方式被跨接施加在激光二極管162的結(jié)上。此激光二極管162可以按照增益開關(guān)的方式進行工作，可以是橫向發(fā)射型(如圖所示)或垂直發(fā)射型。
本發(fā)明的實施例能使單一類型的激光二極管被按規(guī)格改制，以便作為被選擇涂層164中增益介質(zhì)光學(xué)特性的函數(shù)，提供所需要的許多不同的輸出波長之一。
圖24a為正視圖(未按比例)，圖24b為頂視圖(未按比例)，表示本發(fā)明的一種實施例，其中本發(fā)明的增益介質(zhì)12被應(yīng)用作為泵浦第二種增益介質(zhì)172(例如流動的染料溶液或者激光棒)的光譜變頻器，以將泵浦波長(λ1)調(diào)諧到第二種增益介質(zhì)的要求。因而，泵浦源170利用的是放在光泵浦176(例如閃光燈)和第二種增益介質(zhì)172之間的增益介質(zhì)12的涂層或者薄層174。該涂層或薄層174能夠提供，對于第二種增益介質(zhì)172被選擇為最佳或接近最佳的發(fā)射波長(λ2)。因而，本發(fā)明實施例能使對于第二種增益介質(zhì)172的光泵浦波長最佳化，并使單一類型的泵浦源176能與各種各樣的第二增益介質(zhì)一起使用。
應(yīng)當理解，從本發(fā)明可能做到的為數(shù)眾多的應(yīng)用和實施例看來，本發(fā)明的教導(dǎo)并不是只局限在所公開的這些應(yīng)用和實施例的范圍內(nèi)。
例如，將一種或多種添加劑加到增益介質(zhì)中以改進其性能，也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如三重態(tài)的染料猝滅劑，如環(huán)率四烯(COT)或者己三烯，可被用來與染料和散射粒子組合。這能使介質(zhì)12準連續(xù)地工作。再舉個例子，染料壽命延長劑如DABCO，可被用作添加劑。還可舉個例子，染料增溶添加劑如ARQUAD也可以應(yīng)用。對于此增益介質(zhì)被摻入丙烯酸塑料(例如PMMA)的系統(tǒng)來說，增溶添加劑HEMA可被應(yīng)用，以提高被選擇染料在該塑料中的溶解度。
應(yīng)當明白，本發(fā)明教導(dǎo)的增益介質(zhì)乃是一個多相系統(tǒng)，其中第一相為電磁輻射的發(fā)射和放大相，第二相為電磁輻射的散射相，第三相為透明的基質(zhì)相。
僅舉一個例子，此發(fā)射和放大相可以包括一種或多種類型的染料分子和/或半導(dǎo)體毫微粒子；此散射相可以包括一些氧化物的粒子如Al2O3、TiO2、SiO2或Fe2O3，或者金屬粒子如Au或Ag；此基質(zhì)相可以包括液體，如甲醇、1，2-亞乙基二醇、二甲基亞砜(DMSO)或水，或者半液體，如乳劑、凝膠或環(huán)氧，或者固體，如選自例如PMMA、PPV、聚酯或聚苯乙烯的聚合物的固體。
散射相通常被具體體現(xiàn)為高折射率對比的散射區(qū)域(Site)，例如氧化物、金屬或者半導(dǎo)體的毫微粒子。此散射區(qū)域還可被具體體現(xiàn)為多孔基質(zhì)或基板中的空隙，和/或作為該基質(zhì)中的點缺陷和斷續(xù)，或是單獨，或是與粒子相結(jié)合。
就使用半導(dǎo)體毫微晶體而論，可以參考C.B.Murray等人發(fā)表在美國化學(xué)科學(xué)雜志1993，115，8706-8715上的文章，題目為“接近單分散的CdE(E＝S，Se，Te)半導(dǎo)體毫微晶粒的合成和特性”，它教導(dǎo)了一種生產(chǎn)直徑約從12到115的半導(dǎo)體毫微晶體或者晶粒的方法，適用于實踐本發(fā)明。
一般說來，II-VI和III-V族的許多直接帶隙半導(dǎo)體可被應(yīng)用，如同可以應(yīng)用間接帶隙的材料例如多孔的硅一樣。
在本發(fā)明的某些實施例中，此發(fā)射和放大相與散射相可以是同一相，如當應(yīng)用半導(dǎo)體粒子時。由增益介質(zhì)構(gòu)成的實體、薄層或者區(qū)域，其最小尺寸可以小于或者等于與此散射相相關(guān)聯(lián)的散射長度的數(shù)量級。該增益介質(zhì)可被包含，在整體一塊的結(jié)構(gòu)中，如片、塊或者球；或者可以作為一層或多層或區(qū)域配置在基片之上或其中。適用的基片包括玻璃、介電體、聚合物、增益介質(zhì)層本身、織物、半導(dǎo)體材料、紡織品和金屬。
本發(fā)明的另一方面，在于通過以下步驟實現(xiàn)使來自染料、聚合物、半導(dǎo)體和其它發(fā)射源的發(fā)射波長帶增寬和移位的方法，該步驟包括(a)提供一種由光發(fā)射體(例如一種或多種類型的染料分子或聚合物)與許多散射粒子或散射區(qū)域以及對發(fā)射波長帶基本透明的介質(zhì)相結(jié)合而構(gòu)成的樣品；(b)以電流或者以波長適合于由此光發(fā)射體產(chǎn)生發(fā)射的電磁輻射的形式，將能量輸入到該樣品中，以及(c)通過使用散射粒子或散射區(qū)域使該發(fā)射散射，而使來自此光發(fā)射體的發(fā)射波長帶增寬和移位。
還應(yīng)當明白，利用由增益介質(zhì)反射的電磁輻射作為加熱源，也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
此外，如以上曾經(jīng)指出的那樣，本發(fā)明的教導(dǎo)，并非只局限在由任何具體解釋或者理論性闡述引致介質(zhì)12中產(chǎn)生類似激光作用的潛在的電子-物理-光學(xué)過程所限定的范圍。
因此，本發(fā)明的教導(dǎo)被確定為由下述權(quán)利要求范圍給定的相當?shù)姆秶?br> 權(quán)利要求
1.一種多相增益介質(zhì)，包括所述多相增益介質(zhì)的第一相，它包括用于響應(yīng)激勵以自發(fā)發(fā)射電磁輻射和用于放大由上述受激發(fā)射發(fā)出的電磁輻射的裝置，以及所述多相增益介質(zhì)的第二相，它包括用于散射此被發(fā)射和被放大的電磁輻射，以增加上述電磁輻射在上述第一相中滯留時間的裝置，其中所述多相增益介質(zhì)具有一定體積，而且其中上述電磁輻射的放大發(fā)生在所述多相增益介質(zhì)的上述體積的一部分中。
2.如權(quán)利要求1所述的多相增益介質(zhì)，進一步包括具有上述多相增益介質(zhì)的第三相，它至少對上述受激發(fā)射的波長為基本透明的，所述第三相在上述增益介質(zhì)的上述體積中與上述第一和第二相混雜在一起。
3.如權(quán)利要求1所述的多相增益介質(zhì)，其中所述的第一相包括一種或多種類型的染料分子，其中所述第二相包括散射區(qū)域。
4.如權(quán)利要求1所述的多相增益介質(zhì)，其中所述的第一相和第二相包括半導(dǎo)體材料。
5.如權(quán)利要求2所述的多相增益介質(zhì)，其中所述的第一相和第三相包括聚合的材料。
6.如權(quán)利要求1所述的多相增益介質(zhì)，其中的增益介質(zhì)是受具有第一種波長的電磁能量激勵的，以由受激發(fā)射輸出電磁能；被輸出的電磁能所具有的波長，基本上處在以不同于第一種波長的第二種波長為中心的波長帶內(nèi)。
7.如權(quán)利要求6所述的多相增益介質(zhì)，其中第一種波長比第二種波長短。
8.如權(quán)利要求6所述的多相增益介質(zhì)，其中第一種波長比第二種波長長。
9.如權(quán)利要求1所述的多相增益介質(zhì)，其中所述的第一相包括聚合物，所述第二相包括上述聚合物中包含的散射區(qū)域。
10.如權(quán)利要求1所述的多相增益介質(zhì)，其中所述第一相包括以散粒形式提供的半導(dǎo)體材料，而且上述增益介質(zhì)的上述第二相的至少一部分，包括半導(dǎo)體材料的粒子。
11.如權(quán)利要求1所述的多相增益介質(zhì)，其中所述第一相至少包括一種類型的染料分子，且此染料分子被包含在對于上述受激發(fā)射波長為基本透明的基質(zhì)材料中的空隙中，上述基質(zhì)材料含有上述染料分子。
12.如權(quán)利要求1所述的多相增益介質(zhì)，其中所述體積的所述增益介質(zhì)，被配置在鄰接基片表面上。
13.如權(quán)利要求12所述的多相增益介質(zhì)，其中所述體積的所述增益介質(zhì)，被作為涂層配置在上述表面上，而且上述表面帶有許多個上述涂層形成其上。
14.如權(quán)利要求1所述的多相增益介質(zhì)，其中上述增益介質(zhì)形成用于發(fā)射電磁能的一部分光源，并且進一步包括用于激勵上述體積的上述增益介質(zhì)，以發(fā)射基本上在預(yù)定波長帶內(nèi)的電磁能的能源。
15.如權(quán)利要求14所述的多相增益介質(zhì)，其中所述的預(yù)定波長帶圍繞第一種波長為中心；其中所述的能源，以其圍繞不同于上述第一波長的第二種波長為中心的波長帶內(nèi)的電磁能，激發(fā)上述體積的上述增益介質(zhì)。
16.如權(quán)利要求14所述的多相增益介質(zhì)，其中所述的能源包括化學(xué)能源。
17.如權(quán)利要求14所述的多相增益介質(zhì)，其中所述的能源包括電能源。
18.如權(quán)利要求12所述的多相增益介質(zhì)，其中所述的增益介質(zhì)構(gòu)成包括有電磁輻射源的裝置的一部分，上述裝置進一步包括用于激勵上述體積的上述增益介質(zhì)，以發(fā)射基本上在包括預(yù)定波長的波長帶內(nèi)的電磁能的能源，其中所述能源將輸出一束波長不同于上述預(yù)定波長的電磁能，以及用于在上述一束電磁能和上述基片之間引起相對運動的裝置。
19.如權(quán)利要求18所述的多相增益介質(zhì)，其中所述用于引起相對運動的裝置，包括用于轉(zhuǎn)換上述基片用的裝置。
20.如權(quán)利要求18所述的多相增益介質(zhì)，其中所述用于引起相對運動的裝置，包括用于掃描上述一束電磁能的裝置。
21.如權(quán)利要求1所述的多相增益介質(zhì)，其中所述增益介質(zhì)被作為許多涂層配置在基片的表面上，其中上述涂層中的單獨一些涂層，當受激勵時發(fā)射出基本上在以預(yù)定波長為中心的狹窄波長帶內(nèi)的電磁能；而且至少上述涂層中的兩個涂層的預(yù)定波長是彼此不同的。
22.如權(quán)利要求12所述的多相增益介質(zhì)，其中有許多上述基片，每一基片上至少帶有一個上述增益介質(zhì)被配置與其表面鄰接的區(qū)域；上述基片中的每一個至少對于上述受激發(fā)射的波長基本上為透明的；而且上述基片中的單獨一些基片，被按照多層結(jié)構(gòu)一個配置在另一個上面。
23.如權(quán)利要求1所述的多相增益介質(zhì)，其中所述增益介質(zhì)被配置在與上述表面的至少一個區(qū)域內(nèi)的基片的表面鄰接；上述至少一個區(qū)域由許多子區(qū)域構(gòu)成，其中上述許多子區(qū)域中單獨一些子區(qū)域中的上述增益介質(zhì)，當受激勵時發(fā)射基本上在以預(yù)定波長為中心的波長帶內(nèi)的電磁能；而且上述一些子區(qū)域中的至少兩個子區(qū)域中的上述增益介質(zhì)的預(yù)定波長，是彼此不相同的。
24.如權(quán)利要求1所述的多相增益介質(zhì)，其中上述體積的增益介質(zhì)被包含在一整體的三維結(jié)構(gòu)中。
25.如權(quán)利要求24所述的多相增益介質(zhì)，其中所述的結(jié)構(gòu)基本上為球形形狀。
26.如權(quán)利要求2所述的多相增益介質(zhì)，其中所述第三相包括選自由液體、半液體、凝膠、乳劑、半固體、固體及其組合構(gòu)成的一組中的材料。
27.一種光學(xué)增益介質(zhì)，包括一種至少對一種選定波長基本上透明的介質(zhì)；包含在上述介質(zhì)中的許多染料分子，以便響應(yīng)激勵，在至少一選定波長上發(fā)射和放大電磁輻射；以及包含在上述介質(zhì)中的許多粒子，所述粒子具有不同于上述介質(zhì)的折射率，用于散射由上述許多染料分子發(fā)出的電磁輻射，以增加該電磁輻射在上述介質(zhì)中的滯留時間。
28.如權(quán)利要求27所述的增益介質(zhì)，其中所述的許多粒子具有與光子相關(guān)聯(lián)的散射長度，其中，一定體積的上述增益介質(zhì)的至少一個尺寸，不能比光子的散射長度顯著大。
29.一種光學(xué)增益介質(zhì)，包括一種至少對一選定波長基本上透明的介質(zhì)；包含在上述介質(zhì)中的許多粒子，所述粒子選自響應(yīng)激勵，通過受激發(fā)射在至少一選定波長上發(fā)射電磁輻射的材料；所述粒子具有不同于上述介質(zhì)的折射率，用于散射被發(fā)射的電磁輻射，以增加該電磁輻射在上述介質(zhì)中的滯留時間，從而使光學(xué)增益發(fā)生在至少一選定波長上。
30.如權(quán)利要求29所述的增益介質(zhì)，其中所述的許多粒子具有與光子相關(guān)聯(lián)的散射長度，而且一定體積的上述增益介質(zhì)的至少一個尺寸，不能明顯地大于光子的散射長度。
31.一種受到激勵源激勵時呈現(xiàn)類似激光作用的增益介質(zhì)，包括一種至少對一選定波長基本上透明的介質(zhì)，所述介質(zhì)具有一定體積，并且包括被選擇來響應(yīng)激勵以發(fā)射和放大電磁輻射的材料；以及包含在上述介質(zhì)中的許多粒子，所述粒子具有不同于上述介質(zhì)的折射率，用于散射被發(fā)射的電磁輻射，以增加該電磁輻射在上述介質(zhì)中的滯留時間，其中上述電磁輻射的放大發(fā)生在一部分體積的上述介質(zhì)中。
32.如權(quán)利要求31所述的增益介質(zhì)，其中所述的許多粒子具有與光子相關(guān)聯(lián)的散射長度，而且一定體積的上述增益介質(zhì)的至少一個尺寸，不能明顯地大于光子的散射長度。
33.一種顯示圖象用的裝置，包括一具有表面的顯示屏，該表面上有許多象素，上述每一象互包括基本上為不飽和的光學(xué)增益介質(zhì)，以對高于閾值能量的激勵響應(yīng)，發(fā)射在一預(yù)定的窄波長帶內(nèi)的電磁輻射；以及一耦合在上述象素上的激發(fā)源，以提供激勵。
34.如權(quán)利要求33所述的裝置，其中所述的基本上為不飽和的光學(xué)增益介質(zhì)包括一多相增益介質(zhì)，其中第一相包括用于響應(yīng)激勵以自發(fā)發(fā)射電磁輻射，并通過受激發(fā)射放大上述被發(fā)射電磁輻射的裝置；第二相包括用于散射此被發(fā)射和被放大的電磁輻射的裝置，以增加上述電磁輻射在上述第一相中的滯留時間。
35.如權(quán)利要求33所述的裝置，其中所述的激發(fā)源被耦合在由電磁能源構(gòu)成的上述許多象素上。
36.如權(quán)利要求33所述的裝置，其中所述的激發(fā)源被耦合在上述許多象素上，且此象素包括用于將電荷載流子注入上述每一象素的裝置。
37.一種用來以其波長在預(yù)定波長帶內(nèi)的電磁輻射照射一定區(qū)域的裝置，該裝置包括一細長結(jié)構(gòu)，其上帶有輸入口，用以耦合在輸出至少一第一波長的電磁輻射源上；上述細長結(jié)構(gòu)至少沿其長度一部分包括有多相光學(xué)增益介質(zhì)，該多相光學(xué)增益介質(zhì)由具有第一相和第二相的材料構(gòu)成，其中第一相用于響應(yīng)具有上述至少一第一波長的電磁輻射，而自發(fā)發(fā)射該波長帶內(nèi)的電磁輻射，并且進一步用于通過受激發(fā)射放大此被發(fā)射的電磁輻射；其中第二相用于散射此被發(fā)射和被放大的電磁輻射，以增加該電磁輻射在上述第一相中的滯留時間。
38.如權(quán)利要求37所述的裝置，其中所述的細長結(jié)構(gòu)為柔韌的。
39.如權(quán)利要求37所述的裝置，其中所述的至少一第一波長為該預(yù)定波長帶之外的波長。
40.如權(quán)利要求37所述的裝置，其中所述的輸入口被耦合在上述細長結(jié)構(gòu)的第一端；并且進一步包括被耦合在上述細長結(jié)構(gòu)第二端的裝置，以將上述至少一被發(fā)射和被放大的電磁輻射沿至少一預(yù)定方向射出。
41.一種用于識別物體的方法，包括如下步驟對于預(yù)定類別物體中單獨一些物體的至少一個表面提供以多相增益介質(zhì)，其中該增益介質(zhì)的第一相包括用于響應(yīng)激勵而自發(fā)發(fā)射電磁輻射，和用于通過受激輻射放大上述被發(fā)射的電磁輻射的裝置；其中該增益介質(zhì)的第二相包括用于散射此被發(fā)射和被放大的電磁輻射的裝置，以增加上述電磁輻射在上述第一相中的滯留時間；此多相增益介質(zhì)響應(yīng)具有第一波長的電磁輻射，以發(fā)射波長在預(yù)定波長帶內(nèi)的電磁輻射；用第一種波長照射這些物體；對來自被照射物體的發(fā)射進行檢測，該發(fā)射包括在預(yù)定波長帶內(nèi)的一種或多種第二波長，以及根據(jù)被檢測的包括一種或多種第二波長的發(fā)射，識別物體歸屬的預(yù)定物體類別。
42.如權(quán)利要求41所述的方法，其中存在一組包含一種或多種預(yù)定物體類別的物體，并且進一步包括一從該組物體中分開被識別物體的步驟。
43.一種用來保護目標免受包含在入射的電磁輻射(其波長在第一波長帶內(nèi))中的能量引起損傷的方法，包括以下步驟對于被保護的目標提供以光學(xué)增益介質(zhì)，組成該增益介質(zhì)的材料包括有第一相和第二相，其中第一相用于響應(yīng)波長在第一波長帶內(nèi)電磁輻射的激勵，自發(fā)發(fā)射波長在第二波長帶內(nèi)的電磁輻射，以及進一步通過受激發(fā)射放大此被發(fā)射的電磁輻射；其中第二相包括用于散射此被發(fā)射和被放大的電磁輻射的裝置，以增加該電磁輻射在第一相中的滯留時間；以及對以波長在第一波長帶內(nèi)的電磁輻射照射目標進行響應(yīng)；利用光學(xué)增益介質(zhì)，將波長在第一波長帶內(nèi)的電磁輻射的一部分能量轉(zhuǎn)換成波長在第二波長帶內(nèi)的電磁輻射的發(fā)射。
44.一種光學(xué)系統(tǒng)，包括一包含第一種光學(xué)增益介質(zhì)的外殼；一光源，用于以具有第一波長的第一電磁輻射泵浦該第一種光學(xué)增益介質(zhì)；用于將第一電磁輻射的一部分轉(zhuǎn)換成第二種波長的裝置，以將第一種增益介質(zhì)接種到第二波長上；其中，上述轉(zhuǎn)換裝置包括第二種光學(xué)增益介質(zhì)，該增益介質(zhì)的組成材料具有第一相和第二相，其中第一相用于響應(yīng)具有第一波長的電磁輻射的激勵，自發(fā)發(fā)射具有第二波長的電磁輻射，并且通過受激發(fā)射放大此被發(fā)射的電磁輻射；其中第二相包括用于散射此被發(fā)射和被放大的電磁輻射的裝置，以增加該電磁輻射在第一相中的滯留時間。
45.如權(quán)利要求44所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中所述的第二種光學(xué)增益介質(zhì)被配置在上述外殼外部。
46.如權(quán)利要求44所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中所述的第二種光學(xué)增益介質(zhì)被配置在與上述外殼的表面鄰接。
47.如權(quán)利要求44所述的光學(xué)系統(tǒng)，其中所述的第一種光學(xué)增益介質(zhì)通過一非線性過程進行工作，其中的光學(xué)增益，乃是至少具有第一波長的電磁輻射的強度的非線性函數(shù)。
48.一種用以加速物體的方法，包括如下步驟對于被加速物體提供以多相增益介質(zhì)，其中第一相包括用于響應(yīng)激勵自發(fā)發(fā)射電磁輻射，以及通過受激發(fā)射放大上述被發(fā)射的電磁輻射用的裝置；其中該增益介質(zhì)的第二相包括用于散射地被發(fā)射和被放大的電磁輻射的裝置，以增加上述電磁輻射在上述第一相中的滯留時間；此多相增益介質(zhì)對具有第一波長的電磁輻射響應(yīng)，以發(fā)射波長在具有不同于第一波長的第二波長的狹窄波長帶內(nèi)的電磁輻射；以及對以具有第一波長的電磁輻射照射被加速物體進行響應(yīng)；利用該增益介質(zhì)，將第一波長的電磁輻射的顯著部分能量轉(zhuǎn)換為第二波長電磁輻射的各向同性發(fā)射，其中的轉(zhuǎn)換發(fā)生在由于吸收來自該電磁輻射的光子，而產(chǎn)生被加在該物體上的加速力的時間周期內(nèi)。
49.如權(quán)利要求48所述的方法，其中的被加速物體是由挑選出來的材料組成的，并且響應(yīng)該加速力來傳送該材料。
50.一種激光二極管，包括一工作區(qū)域，帶有輸出面以在第一種波長范圍內(nèi)輸出一光發(fā)射；以及一涂層，被配置在上述輸出面之上，用于將上述光發(fā)射的至少一部分轉(zhuǎn)換成第二種波長范圍內(nèi)的光發(fā)射；上述涂層由具有第一相和第二相的材料組成，其中第一相用于響應(yīng)波長在第一波長范圍內(nèi)的電磁輻射的激勵，自發(fā)發(fā)射波長在第二波長范圍內(nèi)的電磁輻射，并且通過受激發(fā)射進一步放大此被發(fā)射的電磁輻射；其中第二相包括用于散射此被發(fā)射和被放大的電磁輻射的裝置，以增加該電磁輻射在第一相中的滯留時間。
51.如權(quán)利要求50的激光二極管，其中所述的第二相包括許多分散在上述涂層中的、具有一相關(guān)散射橫截面的粒子；其中所述涂層的至少一個尺寸，其大小可與上述散射截面的尺寸相比。
52.一種用于增寬和位移來自光發(fā)射體的發(fā)射波長帶的方法，包括如下步驟提供一光發(fā)射體與許多散射中心的組合，被混雜在對其發(fā)射波長帶為基本透明的介質(zhì)中；將能量輸入該介質(zhì)中，以由此光發(fā)射體產(chǎn)生自發(fā)發(fā)射；以及通過該散射中心對此自發(fā)發(fā)射散射，使來自光發(fā)射體的發(fā)射波長帶增寬和移位。
53.一種用于探測物體中某種結(jié)構(gòu)存在的方法，包括如下步驟對該物體的表面區(qū)域提供以多相增益介質(zhì)，其中第一相包括用于響應(yīng)激勵自發(fā)發(fā)射電磁輻射，以及通過受激發(fā)射放大上述被發(fā)射電磁輻射的裝置；其中該增益介質(zhì)的第二相包括用于散射此被發(fā)射和被放大的電磁輻射的裝置，以增加該電磁輻射在第一相中的滯留時間；此多相增益介質(zhì)響應(yīng)第一種波長的電磁輻射，以發(fā)射波長在不同于第一種波長的第二種波長的波長帶內(nèi)的電磁輻射；用具有第一波長的第一個輻射脈沖照射該增益介質(zhì)；讓具有第二種波長的被發(fā)射輻射傳播到該物體中；響應(yīng)所傳播輻射所受到的與其結(jié)構(gòu)有關(guān)的折射率變化，將所傳播輻射的一部分往回反射射向該物體的表面；響應(yīng)被反射的輻射同時進入多相增益介質(zhì)以第二個脈沖，以使波長在第二種波長的波長帶內(nèi)的電磁輻射的發(fā)射增強；對于被增強的發(fā)射進入探測；以及讓被探測的增強發(fā)射與第一和第二個脈沖出現(xiàn)之間的時間相關(guān)，以確定該結(jié)構(gòu)到該物體表面的至少一種距離。
全文摘要
一種包括一多相系統(tǒng)的增益介質(zhì)，其中第一相為電磁輻射的發(fā)射相；第二相為電磁輻射的散射相；第三相為透明的基質(zhì)相。該發(fā)射相可由染料分子構(gòu)成，該散射相可由高對比粒子構(gòu)成，而且該基質(zhì)相可由溶液(例如甲醇)構(gòu)成。在本發(fā)明的某些實施例中，發(fā)射和散射相可為同一個相，如當使用半導(dǎo)體粒子時。由該增益介質(zhì)構(gòu)成的實體，其最小尺寸可以小于與散射相相關(guān)聯(lián)的散射長度?？梢宰C明，接近無閾激光狀態(tài)，可以在包含有膠質(zhì)的TiO
文檔編號G01N21/64GK1144022SQ95192143
公開日1997年2月26日 申請日期1995年3月6日 優(yōu)先權(quán)日1994年3月18日
發(fā)明者N·M·拉旺地 申請人:布朗大學(xué)研究基金會