(57)【要約】【解決手段】ポンピング光源と；前記ポンピング光源からの光を吸収して励起され、続いて系間交差（ＩＳＣ）を経由して３重項基底状態のサブレベルへ転送され、前記３重項基底状態の２つのサブレベル間の反転分布を引起こす分子を含むメーザ物質と；前記メーザ物質が配置されており、更に前記２つのサブレベル間の遷移を有する周波数で共振すると共に、前記遷移に磁気的に結合するマイクロ波モードをサポートする電磁的構造と；を含み、前記モードの電磁的損失を超えるように所定の速度で前記遷移にわたって誘導放出により前記マイクロ波モードへエネルギーが供給され、前記マイクロモードがメーザモードであるメーザ装置。前記メーザ装置は、この装置の動作の間略連続的なメーザアクティビィティを達成するための構成要素を含んでいる。
2015529391.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンピング光源と、
前記ポンピング光源からの光を吸収して励起され、続いて系間交差（ＩＳＣ）を経由して３重項基底状態のサブレベルへ転送され、前記３重項間の２つのサブレベル間の反転分布を引起こす分子を含むメーザ物質と、
前記メーザ物質が配置されており、更に前記２つのサブレベル間の遷移を有する周波数で共振すると共に、前記遷移に磁気的に結合するマイクロ波モードをサポートする電磁的構造とを含み、
前記モードの電磁的損失を超えるように所定の速度で前記遷移にわたって誘導放出により前記マイクロ波モードへエネルギーが供給され、前記マイクロ波モードがメーザモードであるメーザ装置であって、
下記式を満たすことを特徴とするメーザ装置。
2015529391.tif 000028
ここで、
2015529391.tif 000029
【請求項２】
前記ポンピング光源は、光を前記メーザ物質に搬送するための光ガイドを含む
請求項１に記載のメーザ装置。
【請求項３】
前記メーザ物質は、色素分子を含む物質である
請求項１又は請求項２に記載のメーザ装置。
【請求項４】
前記マイクロ波モードをサポートする前記電磁気的構造は、前記マイクロ波モードにおける電磁エネルギーが前記遷移にわたって誘導放出により増幅できる
請求項１から請求項３のいずれかに記載のメーザ装置。
【請求項５】
前記メーザ物質が完全にもしくは部分的に重水素化される分子を有する
請求項１から請求項４のいずれかに記載のメーザ装置。
【請求項６】
前記メーザ物質は色素分子を含み、前記色素分子は完全にもしくは部分的に重水素化される
請求項５に記載のメーザ装置。
【請求項７】
前記メーザ物質は溶解されている物質ホスト媒体を含み、前記ホスト媒体は完全にもしくは部分的に重水素化される、
請求項５又は請求項６に記載のメーザ装置。
【請求項８】
前記メーザ物質内における色素及び／又はホスト分子内の水素原子のサブセットが重水素で置換される
請求項５から請求項７のいずれかに記載のメーザ装置。
【請求項９】
前記電磁的構造によってサポートされた第２のマイクロ波モードを含み、前記第２のマイクロ波モードは前記メーザ遷移の低い前記励起レベルから前記３重項状態の補助レベルに分子を転送するように動作することが可能であり、前記メーザ物質の前記補助レベルから前記基底状態へと戻る際の減衰率は前記低い励起メーザレベルから前記基底状態へと戻る際の減衰率より大きい
請求項１から請求項８のいずれかに記載のメーザ装置。
【請求項１０】
前記メーザ物質内の分子の前記第１の励起された１重項状態は、同じ分子の励起された３重項状態の１つとエネルギー的に略共振している
請求項１から請求項９のいずれかに記載のメーザ装置。
【請求項１１】
前記ポンピング光源は蛍光集光器を含む、
請求項１から請求項１０のいずれかにに記載のメーザ装置。
【請求項１２】
前記蛍光集光器の蛍光物質は、合致した光源からの光でポンピングされる
請求項１１に記載のメーザ装置。
【請求項１３】
前記光源は一つ以上の発光ダイオードを含んでいる、
請求項１１に記載のメーザ装置。
【請求項１４】
前記集光器内の蛍光のプロセスによって生成された前記光のスペクトルプロファイルは、前記メーザ物質の光学的吸収スペクトルに実質的に合致している、
請求項１２又は１３に記載のメーザ装置。
【請求項１５】
前記ポンピング光源装置は４６０ｎｍ付近においてロイヤルブルー光を放出するように動作可能である、
請求項１２から請求項１４のいずれかに記載のメーザ装置。
【請求項１６】
前記電磁的構造は、
サーキュレータに接続された単一のポートを備え、２つのその他のポートが増幅器の入力及び出力であるキャビティ；
２個のポートを備え、前記装置から離れる方向にその出力ポート上に低ノイズアイソレータを有益に組み込むと共に、その他ポートは前記入力ポートであるキャビティ；もしくは、
入力結合器及び出力結合器を備え、前記増幅器の出力に向かって前記ラインを介して分配された、低ノイズアイソレータを組み込んだ遅波伝送ラインを含む、
請求項１から請求項１５のいずれかに記載のメーザ装置。
【請求項１７】
ポンピング光源と、
前記ポンピング光源からの光を吸収して励起され、続いて系間交差（ＩＳＣ）を経由して３重項基底状態のサブレベルへ転送され、前記３重項基底状態の２つのサブレベル間の反転分布を引起こす分子を含むメーザ物質と、
前記メーザ物質が配置されており、更に前記２つのサブレベル間の遷移を有する周波数で共振すると共に、前記遷移に磁気的に結合するマイクロ波モードをサポートする電磁的構造とを含み、
前記モードの電磁的損失を超えるように所定の速度で前記遷移にわたって誘導放出により前記マイクロ波モードへエネルギーが供給され、前記マイクロモードがメーザモードであるメーザ装置であって、
前記メーザ物質は完全にもしくは部分的に重水素化される分子を有することを特徴とする
メーザ装置。
【請求項１８】
前記メーザ物質は色素分子を含み、前記色素分子は完全にもしくは部分的に重水素化される
請求項１７に記載のメーザ装置。
【請求項１９】
前記メーザ物質が溶解されている物質ホスト媒体を含み、前記ホスト媒体は完全にもしくは部分的に重水素化される
請求項１７または請求項１８に記載のメーザ装置。
【請求項２０】
前記メーザ物質内における色素及び／又は分子内の前記水素原子のサブセットは重水素で置換される
請求項１７から請求項１９のいずれかに記載のメーザ装置。
【請求項２１】
ポンピング光源と、
前記ポンピング光源からの光を吸収して励起され、続いて系間交差（ＩＳＣ）を経由して３重項基底状態のサブレベルへ転送され、前記３重項基底状態の２つのサブレベル間の反転分布を引起こす分子を含むメーザ物質と、
前記メーザ物質が配置されており、更に前記２つのサブレベル間の遷移を有する周波数で共振すると共に、前記遷移に磁気的に結合するマイクロ波モードをサポートする電磁的構造とを含み、
前記モードの電磁的損失を超えるように所定の速度で前記遷移にわたって誘導放出により前記マイクロ波モードへエネルギーが供給され、前記マイクロモードがメーザモードであるメーザ装置であって
前記電磁的構造によってサポートされた第２のマイクロ波モードによって特徴づけられ、前記第２のマイクロ波モードは前記メーザ遷移の低い励起レベルから前記３重項状態の補助レベルへ分子を転送するように動作可能であり、前記補助レベルから前記メーザ物質の前記基底状態へと戻る際の減衰率は、前記低い励起メーザレベルから前記基底状態へと戻る際の減衰率よりも大きいことを特徴とする
メーザ装置。
【請求項２２】
前記メーザ物質は完全にもしくは部分的に重水素化される分子を有するかもしくは含む
請求項２１に記載のメーザ装置。
【請求項２３】
ポンピング光源と、
前記ポンピング光源からの光を吸収して励起され、続いて系間交差（ＩＳＣ）を経由して３重項基底状態のサブレベルへ転送され、前記３重項基底状態の２つのサブレベル間の反転分布を引起こす分子を含むメーザ物質と、
前記メーザ物質が配置されており、更に前記２つのサブレベルとの間の遷移を有する周波数で共振すると共に、前記遷移に磁気的に結合するマイクロ波モードをサポートする電磁的構造とを含み、
前記モードの電磁的損失を超えるように所定の速度で前記遷移にわたって誘導放出により前記マイクロ波モードへエネルギーが供給され、前記マイクロ波モードがメーザモードであるメーザ装置であって、
前記メーザ物質内の分子の前記第１の励起された１重項状態は、同じ分子の励起された３重項状態のひとつとエネルギー的に略共振することを特徴とする
メーザ装置。
【請求項２４】
ポンピング光源と、
前記ポンピング光源からの光を吸収して励起され、続いて系間交差（ＩＳＣ）を経由して３重項基底状態のサブレベルへ転送され、前記３重項基底状態のサブレベル間の反転分布を引起こす分子を含むメーザ物質と、
前記メーザ物質が配置されており、更に前記２つのサブレベルとの間の遷移を有する周波数で共振すると共に、前記遷移に磁気的に結合するマイクロ波モードをサポートする電磁的構造とを含み、
前記モードの電磁的損失を超えるように所定の速度で前記遷移にわたって誘導放出により前記マイクロ波モードへエネルギーが供給され、前記マイクロ波モードがメーザモードであるメーザ装置であって、
前記ポンピング光源は蛍光集光器を含むことを特徴とする
メーザ装置。
【請求項２５】
前記蛍光集光器の蛍光物質は、合致した光源からの光でポンピングされる
請求項２４に記載のメーザ装置。
【請求項２６】
前記光源は一つ以上の発光ダイオードを含む
請求項２４又は請求項２５に記載のメーザ装置。
【請求項２７】
前記集光器内の蛍光のプロセスによって生成された前記光のスペクトルプロファイルは、前記メーザ物質の光学的吸収スペクトルに実質的に合致している
請求項２４から請求項２６のいずれかに記載のメーザ装置。
【請求項２８】
前記ポンピング光源装置は４６０ｎｍ付近においてロイヤルブルー光を放出するように動作可能である
請求項２４から請求項２７のいずれかに記載されたメーザ装置。
【請求項２９】
ポンピング光源と、
前記ポンピング光源からの光を吸収して励起され、続いて系間交差（ＩＳＣ）を経由して３重項基底状態のサブレベルへ転送され、前記３重項基底状態の２つのサブレベル間の反転分布を引起こす分子を含むメーザ物質と、
前記メーザ物質が配置されており、更に前記２つのサブレベルとの間の遷移を有する周波数で共振すると共に、前記遷移に磁気的に結合するマイクロ波モードをサポートする電磁的構造とを含み、
前記モードの電磁的損失を超えるように所定の速度で前記遷移にわたって誘導放出により前記マイクロ波モードへエネルギーが供給され、前記マイクロ波モードがメーザモードであるメーザ装置であって、
前記電磁的構造は、
サーキュレータに接続され、単一ポートを備え２つのその他のポートが増幅器の入力及び出力であるキャビィティ、
２個のポートを備え、前記装置から離れる方向にその出力ポート上に低ノイズアイソレータを有益に組み込むと共に、前記その他のポートは前記入力ポートであるキャビティ、もしくは、
入力結合器及び出力結合器を備え、前記増幅器の出力に向かって前記ラインを介して分配された、低ノイズアイソレータを組み込んだ遅波伝送ラインを含む
メーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、利得媒質が物質の凝集相内にあり、室温で、密閉系で、直流磁場を印加することなく、断続的に操作することが可能な光学励起メーザに関するものである。本発明の好ましい形態に係る光学励起メーザは、蛍光コンセントレータを介して１又は複数の発光ダイオードによって励起される。
【背景技術】
【０００２】
主にメーザ動作を達成するために困難な動作条件が必要であるため、メーザ（放射の誘導放出によるマイクロ波増幅）は、レーザを生成しながら、商用的または実用的にはほとんど成功していない。原子レーザおよび自由電子レーザは、大きい真空チャンバとポンプ装置を必要とする。ソリッドステートメーザは、優れた非常に低い雑音指数を持つアンプ、超安定発振器に時折使用されているものの、機能するために極低温に冷蔵する必要がある。ほとんどのソリッドステートメーザも、機能するために強力な磁場と磁気シールドを必要とする。
【０００３】
Ｍａｒｋ  Ｏｘｂｏｒｒｏｗ，  Ｊｏｎａｔｈａｎ  Ｂｒｅｅｚｅ  ａｎｄ  Ｎｅｉｌ  Ａｌｆｏｒｄらにより、２０１２年８月１６日にネイチャーに掲載された、これ以降ＲＴＳＳＭと呼ばれる、「室温ソリッドステートメーザ」と題された記事において、メーザ結晶に印加され、室温で、任意の追加の無磁場メーザ活性を示すことができるメーザの構造が記載されている。プロトタイプのメーザは、地球の磁場で、空気中、室温でペンタセンをドープしたｐ−ターフェニル結晶を使用し、１．４５  ＧＨｚ付近で増幅した。そのプロトタイプの光ポンピング機構は、ペンタセン三重項基底状態へのスピン選択的分子間交差（ＩＳＣ）を利用していた。発振器として構成され、プロトタイプのメーザの測定された電力出力は、約―１０  ｄＢｍであった。これは、周波数（−１．４２ＧＨｚ）に近く振動する原子状水素メーザのそれよりも約１００万回以上多い。本明細書の教示とは対照的に、原子状水素メーザの利得媒質は、特に避難ストレージ電球内に閉じ込められた水素原子の希薄、スピン偏極した蒸気である。ＲＴＳＳＭにおいて、光励起ペンタセンの間交差により生成されたミリケルビンスピン温度は、最も静かな既知の室温でのマイクロ波増幅器のノイズの１００倍低いノイズを示す増幅器を実現するために使用することができることが述べられている。しかし、どのように紙のプロトタイプメーザー装置によってどのように実現できるかについて正確に記載されていない。
【０００４】
これらの進歩にもかかわらず、ＲＴＳＳＭで報告されたプロトタイプのメーザは、３５０マイクロ秒の期間のみメーザ動作を持続することができた。したがって、メーザ装置の有効性は、いくつかの特定の用途のみに制限される。より長い、またはより強力な光ポンピング入力をｐ−ターフェニルのペンタセンをドープした結晶に適用することは、実質的にメーザ動作の期間を延長しないことが判明した。同じモードの磁気パーセル係数を増加させる、プロトタイプメーザキャビティがサポートしているマイクロ波モードの品質係数を増加させることも、実質的にメーザ動作の期間を延長しないことが判明した。マスター出力のこの必然的な自己終了は、報告されず、ＲＴＳＳＭ内において分析されもしない。
【０００５】
本発明者は、以前、特にＲＴＳＳＭにおけるメーザ装置で見られる自己終了の原因、および、より一般的には光学的に励起された色素分子のスピン偏極した三重項状態に基づく連続して動作するメーザの実現することに対する共通の重大な障害は、より低いメーザレベルにおけるボトルネックとなることを発見した。このボトルネックは、それ自体が同じのうち上側メーザレベルの減衰寿命よりも実質的に長い三重項状態からの崩壊寿命のこのレベルによって引き起こされる。ＲＴＳＳＭで説明したメーザ装置の場合には、ｐ−ターフェニルに溶解したペンタセンの三重項基底状態のＺサブレベルは、メーザー遷移のより低いレベルを務めるものであり、同じ三重項基底状態のＸサブレベルまたはＹサブレベルよりも実質的に長いライフタイムであり、ＰＴＳＳＭにおいて報告されたプロトタイプの場合には、Ｘサブレベルがメーザー遷移の上位を務めるということが分かっている。サブレベル減衰寿命のこの不均衡は、より低いメーザーレベルにおいて構築するために材料の色素分子の不足を過剰を引き起こし、間交差によって生成される反転分布が破壊され、メーザ動作は終了する。より低いメーザレベルにおけるボトルネックに起因するこの自己終了は、本質的に自己終了である窒素レーザーの挙動と類似している。ＲＴＳＳＭで考慮されるプロトタイプ装置におけるメーザ動作の精密な定量分析は、三重項基底状態の３つのサブレベルの間のスピン−格子緩和率が、微妙な影響をもたらす、これらの同じサブレベルの減衰速度と同程度の大きさであるという事実によって、複雑なものとなる。
【０００６】
室温でペンタセンをドープしたｐ−ターフェニルの場合、高磁場であるにもかかわらず、別の三重項サブレベルの減衰寿命に大幅な違いがあることは、Ｓｌｏｏｐ，  Ｄ．  Ｊ．，  Ｙｕ，  Ｈ．―Ｌ．，  Ｌｉｎ，Ｔ．―Ｓ．  ＆  Ｗｅｉｓｓｍａｎ，  Ｓ．  Ｉ．らの、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｓｐｉｎ  ｅｃｈｏｅｓ  ｏｆ  ａ  ｐｈｏｔｏ  ｅｘｃｉｔｅｄ  ｔｒｉｐｌｅｔ：  ｐｅｎｔａｃｅｎｅ  ｉｎ  Ｐ―ｔｅｒｐｈｅｎｙｌ  ｃｒｙｓｔａｌｓ．Ｊ．  Ｃｈｅｍ．  Ｐｈｙｓ．  ７５，  ３７  ４６―３７５７  （１９８１）．の表２より明らかである。ここで、ペンタセン三重項基底状態のＺサブレベルの減衰速度であるｋ０の値は、ｄ．ｃ磁場を適用されるＸおよびＹサブレベルの線形結合の減衰率に対応するｋ１とｋ―１の値よりも１０倍以上小さい。これらの同じ著者らは、実験データにおいて、興味をそそる「反転」を観察している。この実験データは、レーザが発射した後、レーザからの光ポンプパルスの発射は数十マイクロ秒の時に、正から負（またはその逆）へその符号を変更するから、スピンの振幅は時間の関数として反響するというものである。これらの反転が三重項基底状態の副準位の集団の違いの除去における減衰対スピン格子緩和との間の複雑な相互作用を証明する。
【０００７】
これらの観察に構築される、より低いメーザレベルにおけるボトルネックの問題は、どちら最初の場所で回避または改善することができる方法を下記で述べている。
【０００８】
本発明者はまた、候補メーザー材料が示す場合、メーザ動作材料としては、特に有利となるような特定の色素分子のヤブロンスキーエネルギーレベルのスキームにおいて、特定の特性を特定した。この特徴は、以下に説明する。
【０００９】
必要な光ポンプ光のソースとして、ＲＴＳＳＭで報告されたメーザ装置は、バルクと低壁プラグ効率のくぼみにより、さらなるアプリケーションに対するこのメーザ装置の有効性を制限し、パルス色素レーザーを使用する。本明細書において、（ミラーやレンズなど）幾何光学のないシステムが行うことができない、光源の輝度を高めるための効率的な手段を提供する蛍光濃度の原理に基づいて、異なる有利な励起光源が教示されている。
【００１０】
メーザーアンプのノイズ性能の定量分析は、それ自体はＳｉｅｇｍａｎ，  Ａ  Ｅ．らのＭｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ  Ｍａｓｅｒｓ（ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，  １９６４）の最初の原理に由来する基本的な式に描画されている、Ｃｌａｕｓｓ，  Ｒ．  Ｃ．  ＆  Ｓｈｅｌｌ，  Ｊ．  Ｓ．らのＬｏｗ−Ｎｏｉｓｅ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  Ｄｅｅｐ  ｔｈｅ  Ｄｅｅｐ  Ｓｐａｃｅ  Ｎｅｔｗｏｒｋ  （ｅｄ．  Ｒｅｉｄ，  Ｍ．  Ｓ．，  ＪＰＬ，  Ｃａｌｔｅｃｈ，  ２００８）によって提供されている。それはそのようなＲＴＳＳＭのプロトタイプとして空洞メーザに適用できるようにするために、進行波メーザーの分析のために設立されたとして、クラウスとシェルの分析で使用される変数の一部は再解釈が、必要とされている。メーザ増幅器の利得を仮定するメーザウェル閾値を上回って動作しないこと（これは一般的に帯域幅に対してトレードオフすることにより空洞メーザで達成することができる）が高いと、メーザの残留雑音温度で与えられる（以下の式が基づいているクラウスとシェルの記事）の方程式３．５−６：
2015529391.tif 000003
ここで、Ｔ０はメーザの振動子の温度（すなわち、そのオーミック導電壁および／またはその中の損失性誘電体材料の温度）である。η≡Ｑ０／Ｑｍは、メーザの増幅材料のゲイン（メーザ閾値は、η＝１に相当）共振器の損失を上回る程度を定量化する無次元の比である。Ｑ０は、共振器の固有（アンロード）Ｑまたは品質要因である。Ｑｍはメーザの磁気Ｑ（Ｓｅｉｇｍａｎを参照）である。ｈはプランク定数である。ｆｍａｓ．は、メーザの動作中心周波数である。ｋはボルツマン定数である。
2015529391.tif 000004
は、上下メーザレベル間のスピン人口比率である。上記の式（０）は控えめなη（クラウスとシェルを参照）のためのより複雑になるが、この追加された複雑さは、ここで行われるトレンドやスケーリングに関する基本的なポイントに影響を与えない。式（０）によれば、メーザは室温で動作する場合すなわち、Ｔ０≒２９３Ｋの場合であっても、メーザが閾値、すなわち、η＞＞１をはるかに超えて動作する場合または場合にのみ、減少温度Ｔ０／ηは依然として小さくすることができる。
【００１１】
次のように前の段落とその数学は言葉で発見的に要約することができる。メーザ増幅プロセス全体、冷たい誘導放出によって提供される「静か」、量子マイクロ波ゲインと低ノイズであるために散逸室温誘電体の処理との金属表面によって引き起こされる「ノイズの多い」の損失を圧倒することが要求されるマイクロ波共振器。その右側にその一番右の任期を提供する小さい、式は（０）上記のメーザーアンプの残留ノイズ温度がしきい値すなわちη直線的に、超過したメーザにより、複数ほぼ直線的に低下することを示している。特定の超低ノイズ用途では、η≧１００の倍数が有利である。ＲＴＳＳＭに報告された実験では、パルス色素レーザは、係数η≒７で閾値を超え、かつ上記のように数百マイクロ秒の間だけである。上記の分析が示すように、低雑音増幅を達成することに関して有利であり、大きなマージンによって連続的にしきい値を超えて、通知検索およびＲＴＳＳＭに記載したのと実質的に異なるメーザーアセンブリの最適化を強いる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、改善されたメーザを提供することを目的とし、特には追加印加磁界を用いて室温で動作することが可能で、メーザは、実質的に連続的に動作することができる。特に、本発明は、有利には、適用直流磁場を適用せず、継続的に閉じられたスキームで室温で操作可能な改良された光励起凝縮主題メーザを提供しようとする。好ましい実施形態では１つ以上の発光ダイオードにより蛍光コンセントレータを介して圧送される。有利には、メーザは、地球の磁場で動作することができる。
【００１３】
本発明の一態様によると、
ポンピング光源と、
前記ポンピング光源からの光を吸収して励起され、続いて系間交差（ＩＳＣ）を経由して３重項基底状態のサブレベルへ転送され、前記３重項間の２つのサブレベル間の反転分布を引起こす分子を含むメーザ物質と；
前記メーザ物質が配置されており、更に前記２つのサブレベル間の遷移を有する周波数で共振すると共に、前記遷移に磁気的に結合するマイクロ波モードをサポートする電磁的構造とを含み、
前記モードの電磁的損失を超えるように所定の速度で前記遷移にわたって誘導放出により前記マイクロ波モードへエネルギーが供給され、前記マイクロ波モードがメーザモードであるメーザ装置であって、式（１）
2015529391.tif 000005
を満たすことを特徴とし、
式（１）において、式（２）
2015529391.tif 000006
である、メーザ装置が提供される。
【００１４】
式（１）において、Ｐｏｐｔは、ポンプ光源によって供給される光の光パワーである。κｏｐｔは、搬送と、その後の励起光源からの光のメーザー材料によって吸収に関連付けられた全体的な光学効率である。
2015529391.tif 000007
において、θＳＩＣは、最低励起一重項状態Ｓ１に到達する、一つ以上の励起一重項状態の他にポンプ光によって励起光である時に、色素分子の確率である。ΘＩＳＣは、システム間交差（ＩＳＣ）収量である。θＴＩＣは、マスタ素材到達Ｔ１の確率である。ｆｏｐｔ．＝ｃ／λは、同一の真空波長でポンプ光の周波数（ｃは真空中の光の速度である）である。ｆｍａｓ．は、マスタ遷移の周波数である。
2015529391.tif 000008
は、マスタ遷移の特性線幅である。
2015529391.tif 000009
は、逆の磁気回転比である。
2015529391.tif 000010
は、同義的に、いわゆるフィールド電力変換比／因子、または、同義的に、（共振器）効率パラメータである。Ｖｍａｓ．ｍａｇ．は、同じものの磁気モード体積である。σ２ｍａｓ．は、メーザ遷移の誘導放出のために効果的な正規化された二乗遷移確率行列要素である。
【００１５】
式（２）において、効果的な緩和時間Ｔ１ｅｆｆ．の定義に現れる変数に関して、ｐＬＩＳＣ、ｐＵＩＳＣは、それぞれ間交差によって媒介されるように、分子の三重項基底状態内の下限と上限メーザレベルに正規化された人口率を表す。τＬ、τＵは、分子の三重項基底状態内の下部および上部メーザレベルからの減衰率を表す。τＡは、三重項状態の３または補助サブレベルの残りのサブレベルから減衰率を表す。Ｔ１ｍａｓ．は、メーザ遷移のスピン−格子緩和時間を表す。Ｔ１ｒｅｐ．は、助レベルに低いメーザレベルを結ぶ遷移のスピン−格子緩和時間を示し、以下リポンパー遷移と呼ぶ。Ｔ１ｉｄｌ．は、上位のレーザレベルを補助レベルと接続するアイドラ遷移のスピン−格子緩和時間である。
【００１６】
好ましい実施形態では、励起光源は、マスタ素材にこの光を伝えるための光ガイドを含む。
【００１７】
これは、メーザ材料は（励起光源）からの光の吸収による励起され、それらの基底状態で通常の色素分子を含む物質であることが好ましく、その後、分子」の下位レベルに（ＩＳＣ）を横断する間交差を介して転送しているされている重項基底状態。このようなＩＳＣ媒介移入は、サブレベルの２ピン間の反転分布を提供するように動作可能である。
【００１８】
有利には、マイクロ波モードをサポートして電磁構造は、このマイクロ波モードの電磁エネルギーがこの移行の前後で誘導放出により増幅され得るようなものである。この遷移は、マスタ遷移と呼ばれる。遷移上部サブレベルはメーザ遷移の上位、本明細書では、遷移低いサブレベルは、メーザ転移のより低いレベルと呼ぶことにする。本明細書では、マイクロ波モードをマスターモードと呼ぶことにする。
【００１９】
本発明の別の態様によれば、
ポンピング光源と、
前記ポンピング光源からの光を吸収して励起され、続いて系間交差（ＩＳＣ）を経由して３重項基底状態のサブレベルへ転送され、前記３重項基底状態の２つのサブレベル間の反転分布を引起こす分子を含むメーザ物質と；
前記メーザ物質が配置されており、更に前記２つのサブレベル間の遷移を有する周波数で共振すると共に、前記遷移に磁気的に結合するマイクロ波モードをサポートする電磁的構造とを含み、
前記モードの電磁的損失を超えるように所定の速度で前記遷移にわたって誘導放出により前記マイクロ波モードへエネルギーが供給され、前記マイクロモードがメーザモードであるメーザ装置であって、
前記メーザ物質は完全にもしくは部分的に重水素化される分子を有するかもしくは含むことを特徴とするメーザ装置が提供される。
【００２０】
好ましい実施形態では、メーザは、染料分子を含む。色素分子は、完全にまたは部分的に重水素化されてもよく、または色素分子を溶解した物質ホスト媒体を構成する分子は、完全に又は部分的に重水素化された、または両方されている。用語「重水素化」は、水素原子が重水素原子で置換されている材料を本明細書中で使用される。
【００２１】
本発明者は、染料及び／又はホスト分子の重水素化は、実質的な変更は、すべて一緒にボトルネックの問題を回避するか十分であることができる、または実質的にそれを軽減するために色素分子「三重項状態の副準位の寿命を変更することができることを見出した。
【００２２】
さらに、重水素化は、他のパラメータの現実的な値については、可能にしたことを上記の閾値モーゼルアクション版ＩＥの不等式（１）を達成するための十分な大きさの値Ｔ１ｅｆｆ．とすることができる。
【００２３】
それは、以下に説明するように、これはリポンピングと組み合わされることが好ましいが、重水素での置換によって、いくつかの材料の処理により、連続したメーザ動作を可能にするのに十分である。
【００２４】
いくつかの実施形態では、染料および／またはｍａｓｉｎｇ材料内のホスト分子の水素原子の唯一の特定のサブセットは、重水素で置換されているが、他の実施形態では、全ての水素原子が置換されている。
【００２５】
染料及びホスト分子の重水素化バージョンが容易に入手できない場合には、本明細書で教示される他の進歩は、ボトルネックを回避するシステム及び方法を提供することができる。
【００２６】
または重水素化に加えて、代わりに、メーザ材料はトリチウムで治療することができることをそれが想定される。それは、その水素原子が完全にまたは部分的にトリチウム、またはその両方に置き換え有する染料または他のメーザ物質分子は、その水素原子が完全にまたは部分的にトリチウムまたは分子がメーザ分子が溶解している物質ホスト媒体を構成すると置き換えていてもよいいずれかである。
【００２７】
本発明の別の態様によれば、
ポンピング光源と、
前記ポンピング光源からの光を吸収して励起され、続いて系間交差（ＩＳＣ）を経由して３重項基底状態のサブレベルへ転送され、前記３重項基底状態の２つのサブレベル間の反転分布を引起こす分子を含むメーザ物質と、
前記メーザ物質が配置されており、更に前記２つのサブレベル間の遷移を有する周波数で共振すると共に、前記遷移に磁気的に結合するマイクロ波モードをサポートする電磁的構造とを含み、
前記モードの電磁的損失を超えるように所定の速度で前記遷移にわたって誘導放出により前記マイクロ波モードへエネルギーが供給され、前記マイクロモードがメーザモードであるメーザ装置であって
前記電磁的構造によってサポートされた第２のマイクロ波モードによって特徴づけられ、前記第２のマイクロ波モードは３重項状態の低い励起レベルから同じ状態の補助レベルへ分子を転送するように動作可能であり、
補助レベルから一重項基底状態Ｓ０へと戻る際の三重項基底状態Ｔ１の減衰は、低い励起メーザレベルから同様の基底状態へと戻る際の減衰率よりも実質的に早いことを特徴とする、メーザ装置が提供される。
【００２８】
この第２のマイクロ波モードは、好適に、リポンパモードと呼ぶことができる。
【００２９】
本発明の別の態様によれば、
ポンピング光源と、
前記ポンピング光源からの光を吸収して励起され、続いて系間交差（ＩＳＣ）を経由して３重項基底状態のサブレベルへ転送され、前記３重項基底状態の２つのサブレベル間の反転分布を引起こす分子を含むメーザ物質と；
前記メーザ物質が配置されており、更に前記２つのサブレベルとの間の遷移を有する周波数で共振すると共に、前記遷移に磁気的に結合するマイクロ波モードをサポートする電磁的構造とを含み、
前記モードの電磁的損失を超えるように所定の速度で前記遷移にわたって誘導放出により前記マイクロ波モードへエネルギーが供給され、前記マイクロ波モードがメーザモードであるメーザ装置であって、
前記メーザ物質内の分子の前記第１の励起された１重項状態は、同じ分子の励起された３重項状態のひとつとエネルギー的に略共振することを特徴とするメーザ装置が提供される。
【００３０】
この態様は、その項間交差収量Θｉｓｃの値が大きいことを保証するので、それは容易に達成し、メーザ閾値を超えることの両方行うことができる。
【００３１】
効果的な項間交差収率は、それは、その三重項基底状態を別のメーザ動作材料から非常に変化し得るし、光励起時に、上移送色素分子の確率であることが、光学的に励起された色素分子の分野における専門家によって観察されている。たとえば、結晶性ｐ−テルに溶解テリレン色素分子は、そのように、本明細書に記載のメーザ動作の種類の作成のためにそれをｄｉｓｆａｖｏｕｒｉｎｇながら、単一分子蛍光分光法の研究のためにこのシステムを好む、非常に低いＩＳＣ収率を示すことである。本発明者は発見したしかし、色素分子の、第一励起以上の一重項状態のエネルギーその共振アラインメント、Ｓｎ≧１、ｎは整数であり、ここで、同一の三重項状態がｍａｓｉｎｇのサブセットの特徴であるこの共振アライメントがΘＩＳＣのために高い値を確保していることでｍａｓｉｎｇために特に有利な材料。コーン・シャム密度汎関数理論に基づいて、現代量子化学のデザイン・パッケージは、（ＤＦＴ）、体系的に検索し、異なる候補色素の中でスポットする候補色素分子のエネルギー準位図中のＳｎ≦１と三重項状態間のそのような偶然の一致を有効にする：ホスト分子システムを提供する。
【００３２】
本発明の別の態様によれば、
ポンピング光源と；
前記ポンピング光源からの光を吸収して励起され、続いて系間交差（ＩＳＣ）を経由して３重項基底状態のサブレベルへ転送され、前記３重項基底状態のサブレベル間の反転分布を引起こす分子を含むメーザ物質と；
前記メーザ物質が配置されており、更に前記２つのサブレベルとの間の遷移を有する周波数で共振すると共に、前記遷移に磁気的に結合するマイクロ波モードをサポートする電磁的構造とを含み；
前記モードの電磁的損失を超えるように所定の速度で前記遷移にわたって誘導放出により前記マイクロ波モードへエネルギーが供給され、前記マイクロ波モードがメーザモードであるメーザ装置であって、
前記ポンピング光源は蛍光集光器を含むことを特徴とするメーザ装置が提供される。
【００３３】
好ましくは、蛍光集光器の蛍光材料は、効率的な一次光源からの光を、好ましい実施形態におけるこのような１つまたはいくつかの発光ダイオード、前記濃縮器内で蛍光のプロセスによって生成される光のスペクトルプロファイルを圧送されるよくｍａｓｉｎｇ材料内の色素分子の光吸収スペクトルに一致する。有利には、集光器によって生成ポンプ光は、光導波路によって、実質的な損失なしメーザー材料に搬送される。
【００３４】
起光源アセンブリの特定の好ましい実施形態では、効率的な一次光源は、約４６０ｎｍでロイヤルブルーの光を発光するＬＮＡＩＮ系ＬＥＤのバンクである、蛍光コンセントレータｃｅｒｉｕｍｄｏｐｅｄ  ＹＡＧ結晶のプリズム状ロッド、及び導波路であるＹ  ＡＧロッドを光学的に非ドープＹＡＧロッドの一端に結合されている：Ｃｅの一端が形状断面の非ドープＹＡＧ結晶のプリズム状のロッドである。
【００３５】
発明者は、蛍光集光器を組み込んだポンプ光源アセンブリは、有利な全体的な壁プラグ効率で有利な波長でｍａｓｉｎｇ物質に励起光を提供することが可能であり、両方の光パワーと光強度（すなわち輝度）の有利なレベルで、そしてあることを見出した。このような励起光源アセンブリを使用することにより、励起光源の出力パワーを高くすることができ、コンセントレータ（およびその非蛍光波路の拡張）の角柱形は、効率的な光ガイドは次のコンセントレータの出力電力を搬送するための手段を提供する高い変換係数を呈する有利にコンパクトメーザーモードの使用を可能にするコンセントレータ高い出力輝度を維持しながら、材料をｍａｓｉｎｇ。全体として、上記の理由のために、蛍光集光器の使用は、資源効率的に満足させる式（１）に関して有利である。
【００３６】
式（１）において、励起光源の電力値Ｐｏｐｔは、大きいので、メーザ閾値に達しそれを超えることを容易にする蛍光集光器が確保できることが理解される。
【００３７】
本発明の別の態様によれば、
ポンピング光源と；
前記ポンピング光源からの光を吸収して励起され、続いて系間交差（ＩＳＣ）を経由して３重項基底状態のサブレベルへ転送され、前記３重項基底状態のサブレベル間の反転分布を引起こす分子を含むメーザ物質と；
前記メーザ物質が配置されており、更に前記２つのサブレベルとの間の遷移を有する周波数で共振すると共に、前記遷移に磁気的に結合するマイクロ波モードをサポートする電磁的構造とを含み；
前記モードの電磁的損失を超えるように所定の速度で前記遷移にわたって誘導放出により前記マイクロ波モードへエネルギーが供給され、前記マイクロ波モードがメーザモードであるメーザ装置であって、
前記電磁的構造は、
サーキュレータに接続された単一ポートを備え、２つのその他のポートが増幅器の入力及び出力である、キャビィティと；
２個のポートを備え、前記装置から離れる方向にその出力ポート上に低ノイズアイソレータを有益に組み込むと共に、前記その他のポートは前記入力ポートであるキャビティと；もしくは
入力結合器及び出力結合器を備え、前記増幅器の出力に向かって前記ラインを介して分配された、いくつかの低ノイズアイソレータを有益に組み込んだ遅波伝送ラインと、
を含むことを特徴とするメーザ装置が提供される。
【００３８】
本発明の別の態様によれば、
ポンピング光源と；
前記ポンピング光源からの光を吸収して励起され、続いて系間交差（ＩＳＣ）を経由して３重項基底状態のサブレベルへ転送され、前記３重項基底状態のサブレベル間の反転分布を引起こす分子を含むメーザ物質と；
前記メーザ物質が配置されており、更に前記２つのサブレベルとの間の遷移を有する周波数で共振すると共に、前記遷移に磁気的に結合するマイクロ波モードをサポートする電磁的構造とを含み；
前記モードの電磁的損失を超えるように所定の速度で前記遷移にわたって誘導放出により前記マイクロ波モードへエネルギーが供給され、前記マイクロ波モードがメーザモードであるメーザ装置であって、
前記装置は、室温付近で動作可能であり、η＞＞１を示し、アセンブリの残余増幅雑音温度がほぼ室温下にあることを特徴とする、メーザ装置が提供される。
【００３９】
本発明の別の態様によれば、
ポンピング光源と；
前記ポンピング光源からの光を吸収して励起され、続いて系間交差（ＩＳＣ）を経由して３重項基底状態のサブレベルへ転送され、前記３重項基底状態のサブレベル間の反転分布を引起こす分子を含むメーザ物質と；
前記メーザ物質が配置されており、更に前記２つのサブレベルとの間の遷移を有する周波数で共振すると共に、前記遷移に磁気的に結合するマイクロ波モードをサポートする電磁的構造とを含み；
前記モードの電磁的損失を超えるように所定の速度で前記遷移にわたって誘導放出により前記マイクロ波モードへエネルギーが供給され、前記マイクロ波モードがメーザモードであるメーザ装置であって、
前記連続発振メーザが、極めて低い位相ノイズを示すことを特徴とする、メーザ装置が提供される。
【００４０】
本発明の別の態様によれば、
ポンピング光源と；
前記ポンピング光源からの光を吸収して励起され、続いて系間交差（ＩＳＣ）を経由して３重項基底状態のサブレベルへ転送され、前記３重項基底状態のサブレベル間の反転分布を引起こす分子を含むメーザ物質と；
前記メーザ物質が配置されており、更に前記２つのサブレベルとの間の遷移を有する周波数で共振すると共に、前記遷移に磁気的に結合するマイクロ波モードをサポートする電磁的構造とを含み；
前記モードの電磁的損失を超えるように所定の速度で前記遷移にわたって誘導放出により前記マイクロ波モードへエネルギーが供給され、前記マイクロ波モードがメーザモードであるメーザ装置であって、
消光分子が溶解されたメーザ物質よって特徴付けられ、これらの含まれている分子の機能は、ボトルネックを避けるまたは少なくとも軽減するような色素分子の三重項基底状態のサブレベルの寿命を減少させる、さもなくば有利に変更することであることを特徴とする、メーザ装置が提供される。
【００４１】
定義
用語が物理学の技術において使用されているのと同じやり方で、本明細書において用語「凝集物」を用いて、活性媒体がガス状態である原子の水素メーザのようにその活性媒体があるデバイスに対向配置したような固体、液体またはガラス状態にあるデバイスを記載している。
【００４２】
本明細書において使用されているように、メーザ動作プロセスに関与する複数の量子エンティティがメーザ動作方式の完全なループになるとそれらの元の状態に復帰する場合、このようなメーザ動作方式は閉じていると言える。従って、閉されたメーザ方式は、前記量子エンティティかくして全体のメーザ物質をリサイクルすることができる利点を有している。このようなメーザは新鮮な物質の供給を要求することも、またそれは使用済物質の廃棄の手段を要求することもない。標準的な水素メーザにおける複数の使用済み水素原子は真空ポンプを用いた吸引により必ず処理される。
添付された図面を参照して例のみによって本発明の実施の態様が以下記載される。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】図１は、メーザ方式のある実施の態様のための一般的なヤブロンスキーエネルギレベル図である。
【図２】図２は、メーザ動作を行い次いで再ポンピングされる色素分子の状態軌道を示す。
【図３】図３は、再ポンピング動作の実施に適したデュアルモード電磁的構造を一体化するメーザ装置の実施の態様を示す。
【図４】図４は、再ポンピングを実施する遅い進行波メーザ増幅装置の幾何学的配置を示し、
【図５】図５は、１ポート（「反射中」）型及び２ポート（「伝送中」）型メーザ増幅器に相当する各構成と一緒に、蛍光コンセントレータポンピング光源のある実施の態様を示している。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
以下に開示された好ましい各実施の態様はポンピング光源を含むメーザ装置に向けられている。前記ポンピング光源がレーザであり、且つ装置の電磁的サポート構造がトランスペアレントアクセス路である場合には、メーザ物質は多くの場合、このメーザ物質上へのレーザの出力ビームを方向づけることによって光学的にポンピングされるべきである。さもなければ、前記メーザ装置は前記ポンピング光源の出力を前記メーザ物質に伝搬すべく、例えば光パイプ等の導波菅を要求している。前記複数の色素分子は、前記ポンピング光源からの光の吸収により励起され、更に続いて系間交差（ＩＳＣ）を経由して前記分子の３重項基底状態のサブレベルへ転送される。このＩＳＣ仲介転送はこれらのサブレベルの内２個のサブレベルを横切って反転分布を提供すべく動作可能である。
【００４５】
この装置はメーザ物質が配置されている電磁的構造を含んでいる。この構造はサブレベルの分布が反転された対間の遷移に周波数的に共振すると共に、この遷移に磁気的に結合されているマイクロ波モードをサポートしている。このマイクロ波モードにおける電磁エネルギーはこの遷移を横切って誘導放出により増幅可能であり、即ち本明細書では、前記メーザ遷移として言及されるであろう。この遷移の高サブレベルはこれ以降メーザ遷移へ高いレベルとして言及されるであろう、しかるに遷移の低いサブレベルは前記メーザ遷移への低いレベルとして言及されるであろう、このマイクロ波モードはこれ以降前記メーザモードとして言及されるであろう。
【００４６】
この装置は、式（１）
2015529391.tif 000011
を満たし、ここで、式（２）は
2015529391.tif 000012
である。
【００４７】
前記３重項状態の３個のサブレベルはＵ（高）、Ｌ（低）及びＡ（補助）と各符号が与えられていてもよい。これら３個のサブレベルの各々は規格化された分布比率ＰＩＳＣ及び規格化された崩壊速度tに関連してきた。前記３重項状態の３個サブレベルの間には３個の可能な遷移がある。符号即ちメーザ、リポンパー及びアイドラがあたえられて与えられてきた。これらの遷移の各々はスピン−格子緩和時間Ｔｒｅｐ．によって特徴づけられている。式（２）における反対称性はメーザ遷移であるべき３個の３重項遷移内のうちの１個から生ずる。
【００４８】
方程式（１）において、Ｐｏｐｔ．はポンピング光源によって供給された光の光学的パワーであり、そしてκｏｐｔ．はこの光のメーザ物質を、色素分子の光学的断面がポンピング光の波長並びに進行の方向及びレーザ物質の偏極との双方についてどのように色素分子が配向されているかに一般的に依存していることを考慮し、また前記メーザ物質が薄すぎて及び／もしくは不利に配向されていることにより吸収されずにメーザ物質を真っ直ぐに通過する光からの光学的損失を考慮し、更にまた物質内のその各表面における反射もしくはその光学的流れ／非均一性からの反射に起因する物質から、即ちそれの中から離れて散乱される光からの各損失を考慮することによって、吸収内へ及び次の吸収への伝搬に関連した全体の光学的効率である。
【００４９】
ここで
2015529391.tif 000013
であり、θＩＣＳは１重項状態の一つもしくは他の中へのポンピング光よって光が励起されるとすぐに、ある高い状態ＳＮからいずれかの内部的に変換することによって最低の１重項状態Ｓ１に達する色素分子の確率であり、ここでＮ≧２であり、色素分子が直接光−励起によって光―励起されあるいはＳ１に達していた。カーシャの法則に従うと、θＩＣＳは１よりも一般的に非常にわずか小さいのみであり、即ち０．９よりも容易に大きいであろう。ΘＩＳＣは系間交差（ＩＳＣ）収率、即ち３重項状態への系間交差によりＳ１から転送される分子の確率である。θＩＣＴはどのような３重項状態からでも色素分子は３重項基底状態Ｔ１へ下方にＩＳＣを経由して堆積されることを内的に変換するか、もしくは色素分子が直接ＩＳＣを経由してＴ１に達するかのいずれかの前記色素分子の確率である。再び、カーシャの法則の３重項状態の拡張によれば、θＩＣＴは１よりも非常にわずかに小さいのみ、即ち０．９よりも容易に大きいところに存在するであろう。ｆｏｐｔ．＝ｃ／lはポンピング光の周波数（ｃは真空中の光の速度であり）ここでlはポンピング光の真空の波長である。ｆｍａｓ．はメーザ遷移の周波数である。
2015529391.tif 000014
はメーザ遷移の特性線幅である。
2015529391.tif 000015
は逆ジャイロマグネティク比（ｇＪはランデファクターであり、μＢはボーアマグネトン、及び
2015529391.tif 000016
は２πによって除算したプランクの定数であり、そしてγ／２πは略約ガウス当たりの２．８ＭＨｚである。
【００５０】
2015529391.tif 000017
はいわゆるフィールドパワー変換比／ファクター、即ち同義的に（共振器）効率パラメータであり、そして典型的に根号ワットのガウス単位で報告されている。ここでμ０≡４π´１０‐７Ｈｍ‐１は真空の透磁率であり、Ｑｍａｓ．ｌｏａｄｅｄはメーザモードの負荷をかけられた質の因子であり、Ｖｍａｓ．ｍａｇ．はメーザモードの磁気的なモードの容量である。Λはトイグ  ワイ  スホボイ  イ及びブランク「電子スピン共鳴のためのセンシティブ表面ループギャップマイクロ共振器」、エー  科学的インストルメントのレビュー８１、１０４７０３（２０１０）並びにブランク  エー  スタビットスキー  イ  レバノン  エーチ及びグバイデュリンエフ「電子常磁性共振実験のためのトランスペアレントな小型誘電体共振器」科学的インストルメントのレビュー、７４、２８５３−２８５９（２００３）における異なったタイプのために考察されそして計算されている。応用する際、へフェル  ピー「電子常磁性共鳴−実践者のツールキット」（ｅｄｓ  ブルストロン  エム及びギアメロ（２００９）において説明されているようにＥＰＲ分光学において極めて重要であることが注目すべきである。それは与えられた応用されたマイクロ波パワーのためのＥＰＲ測定の感度を決定する。即ち、また応用する際、
2015529391.tif 000018
であり、ここで
2015529391.tif 000019
はメーザモードの磁気的パーセル因子である。
【００５１】
ここでσ２ｍａｓ．はメーザ遷移の誘導放出のための２乗された実効規格化偏極確率マトリクス要素である。この次元の量は前記各色素分子の単一配向もしくは複数の配向についてのメーザモードの磁場の偏極に依存している。エー・イー・シーグマンによるマイクロ波固体メーザの図（表）５−１に記載されており、ここでこの図表に先行するテキストはより一般的なケース、理想的に配向したすべての色素分子について円く偏極したメーザモードにとってs２＝１、そしてすべての色素分子が理想的に配向したすべての色素分子について線型的に偏極したメーザモードにとってs２＝１／２である。「実効的」と言う用語によって、σ２ｍａｓ．の値はどのように複数の色素分子の物質中に実際に配向しているかを考慮していることが意味されている。結晶性のメーザ物質の場合、色々な色素分子は、メーザモードの磁場の偏極を参照して各配向のための規格化された遷移確率に亘ってσ２ｍａｓ．が離散的な重み付けされた平均の場合（として）、いくつかの異なって配向された位置を占める可能性がある。液体物質の多結晶性、ガラス性、アモルファスの場合には。すべての配向に亘る重み付け平均は、重み付け函数が物質の残留利得、テクスチャ、もしくは異方性の他の形式を反映して数値的に求められる。σ２ｍａｓ．の値はある適当な空間的平均が採られた状態でメーザモード自体の磁場の偏極は光学的にポンピングされたメーザ物質に亘るある函数として変化する可能性があることも考慮すべきである。
【００５２】
実効的緩和時間の定義におおける式（２）に関して
2015529391.tif 000020
は夫々系間交差によって中間化されるように分子の３重項の基底状態内で低い及び高いメーザレベルへの規格化された分布速度を示している。tＬ、tＵは分子３重項基底状態内の低いおよび高いメーザレベルからの崩壊速度を示し、そしてtＡは３重項状態の３個のサブレベルうち残りサブレベルを示す。このサブレベルは補助レベルとして好便に記載することができる。
【００５３】
Ｔ１ｍａｓ．は前記メーザ遷移のスピン‐格子緩和時間を示しており、しかるに、Ｔ１ｒｅｐ．は前記補助レベルに前記低いメーザレベルを接続する遷移のスピン‐緩和時間を示しており、ここでこの遷移はこれ以降リポンパー遷移として知られている。Ｔ１ｉｄｌ．は前記補助レベルに前記上方のメーザレベルを接続する遷移のスピン‐格子緩和時間を示している。この遷移はアイドラー遷移として好便に言及することができる。
【００５４】
Ｔ１ｅｆｆ．の値は定常状態の反転分布、即ち３重項のマニフォールド内への毎秒１個の系間交差の一定の速度に対して、前記高いメーザレベルにおける色素分子の期待された数マイナス低メーザレベルにおける色素分子の期待された数に等しい。
【００５５】
上記で定義されたようなＴ１ｅｆｆ．の分母は正の確定値である。発明者は、前記低いメーザレベルにおけるボトルネックの問題がＴ１ｅｆｆ．の分子が零より大である場合、即ち前記メーザ物質内の色素分子（もしくは他のメーザ分子）の諸性質が以下の各条件を満足する。
式（３）
2015529391.tif 000021
【００５６】
この基準は連続的な上記閾値のメーザ動作にとって必要であるが十分ではない。上記のように不等式（３）は適当なメーザ物質を選択するための基準を提供するものであり、ここでκは実行可能であるべきそのような動作に対して零を超えなければならないと言う性能指数である。パルス化された電子常磁性共鳴（ＥＰＲ）分光学の技術において基準である種々の技法を用いることができ不等式（３）の左辺に現れる種々の性質のすべてを、そして従って温度、色素濃度（即ち他のメーザ物質の濃度）、及び他の実験的な種々のパラメータの函数としてのκの値を決定する。
【００５７】
また、本発明者は上記の全体の不等式（１）を満足する任意のメーザ装置が連続的に上記閾値メーザ動作を行ないことができることを発見した。
【００５８】
前記不等式（１）の形態は正であるべき及びできるだけ大きい値のΘＩＳＣｅｆｆ．、Ｔ１ｅｆｆ．、Ｔ２ｍａｓ．、σ２ｍａｓ．、Λ２、κｏｐｔ．、Ｐｏｐｔ．のうちの１つ毎にメーザ閾値を獲得及び／もしくは超えることについえそれが有益であることを直接的に示唆している。
【００５９】
この場合、前記パラメータ
2015529391.tif 000022
はまたメーザ物質の諸性質であり、しかるにσ２ｍａｓ．、κｏｐｔ．、Ｐｏｐｔ．は、メーザ物質が動作している下では夫々電磁的及び光学的諸条件に関連した工学的パラメータである。また、パルス化された電子常磁性共鳴（ＥＰＲ）分光学の技術におけう基準である各種の技法をまた用いることが可能であり、
2015529391.tif 000023
の各値を決定する。２乗された実効量子マトリクス要素σ２ｍａｓ．は、どのように物質内の種々の分子がメーザモードの磁場について配向されているか、更に同じものの偏極に依存している。このことは電磁モデリングによって決定できるか、さもなくば実験的に演繹することができる。
【００６０】
全体の光学的パラメータκｏｐｔ．は前記光学的ポンピング源によって供給されたポンピング日無ビームの寸法。偏極、配向及び波長について前記レーザ物質の光学的吸収及び散乱諸性質及びその形状、次元及び配向を示している。このことは光学的モデル形成（モデリング）あるいは実験的推論によって決定することができる。
【００６１】
不等式（１）を満足することはトレード・オフを許容する。
【００６２】
例えば、低いメーザレベルにおけるボトルネックをまさに避けるメーザ物質を一体化してＴ１ｅｆｆ．の不利益な低い値を示すメーザ装置は、それにもかかわらず有益に大きな変換ファクターΛを与える電磁的構造を用いることによって閾値にもちあげることが可能である。式（１）はどのように大きなΛが与えられたＴ１ｅｆｆ．に対して、これを獲得して使用することが必要であるであろうことを決定する。
【００６３】
例えば、多結晶性もしくは液体ホストマトリクスの使用は、そのような使用において前記ポンピング光からの光子を吸収すると共に、そうしたらメーザモードの磁場を励振することによって放出へ誘導される不利益的にすべてが並ばない可能性がないためにσ２ｍａｓ．もしくはκｏｐｔ．の何れかを抑制することができる。ホストマトリクスの多結晶性もしくは液体性は色素分子のスピンダイナミクスを制御する時定数の色々な値に逆に不適切に影響をあたえる可能性もある。それにもかかわらず、高いΛを提供する電磁的構造を用いることによって多結晶もしくは液体のホストで閾値を達成することが可能である。「場の回転技法による配向的な不均一な研究」ｐ−ターフェニルにおけるペンタセンの零磁場に近いパルス化ＥＰＲ実験；磁気共鳴誌、１７６、２４９−２５６（２００５）、ペンタセンードープトｐ−ターフェニル単結晶に対する遷移線幅よりも詰め込まれて粉末サンプルに対する遷移線幅
2015529391.tif 000024
は、約４０％だけ小さいことにも注目すべきである。
【００６４】
さもなければ、多くの有益なメーザ物質構造は式（３）を満足しないか、もしくはそれらはそれをまさに満足するが
2015529391.tif 000025
の各値は前記メーザ閾値不等式（１）を満足させることをこんどは極めて困難にするほど小さい。たとえそうでも、多数の特に有益な薬剤（物質構成）は不等式（１）をまさに満足する。
【００６５】
人はボトルネックを避けてまず第１にすべての光を注入／選択することによってメーザ閾値を超えることができることが上記種々の教示に関する当業者にとって明らかになるであろう。即ち、高い変換ファクターの電磁的なサポート構造内における有益なホストマトリクス内の有益なメーザ分子種をピック・アップして、そしてそれを強力なポンプで励振すること。前記式  は連続的にメーザ動作しないそれら多くの装置と同様な動作をする思慮深く選択された装置との間の境界を明白に定義する。ボトルネックを避けることは必要であるが、メーザ閾値を超えるには十分ではない。そのサブレベルへの崩壊速度に対するスピン−格子緩和の染料分子を選択することによって避けることができることを指摘することは価値がある。しかしながら、そうすることはＴ１ｅｆｆ．を抑制してメーザ閾値を達成することを困難に、即ち式（１）を満足させる。種々の有益な染料分子はスピン−格子緩和の低い速度を示しているが、より高いメーザレベルの崩壊速度がより低いメーザレベルのそれよりもはるかに大きくはない。このことは高いＴ１ｅｆｆ．を維持しつつボトルネックを避けることを可能にする。
【００６６】
さて、各図面を参照すると、図１はＩＳＣ差交が第１の励起状態Ｓ１から予め有利に生ずる特定の場合における本出願において記載された種々の方式のためのヤブロンスキーエネルギーレベル図を示す。本明細書において開示された発明はすべての式をカバーするが、ｎが整数であるところでＩＳＣ交差がより高い励起された１重項状態Ｓ１へのいずれか１つから熱的に生ずる場合への方式をカバーする。
発明は以下の各観点においてＲＴＳＳＭの図１を超えて進む。
（Ａ）発明は種々の色素分子を色々なより高い１重項状態へ励起する非モノクロマティックの短い波長の光源、及び第１の励起１重項状態Ｓ１へもしくは高く励起された１重項状態Ｓｎ≧２のいずれか下方への続いた種々の内部変換による光学的励起をカバーする。
（Ｂ）発明はＳ１及びＳｎ≧２から第１のより高い１重項状態への共鳴系間交差、そしてそれが達成されると、３重項の基底状態Ｔ１への下方への内部変換をカバーする。
（Ｃ）発明はリポンピングをカバーする。
【００６７】
図１を参照して、（以下に与えられる各例を参照）１つの実施の態様においては適当な物質の結晶を含む染料であるメーザメーザ物質は基底状態１０において通常に存在するであろう。光学的な光源１例えばレーザダイオードＬＥＤもしくは他の適当な源からポンピングされと、メーザ物質の複数の分子は異なった波長３、４の光子による１重項状態へ励起される２。励起された各状態のラダーの上に分子が光により励起されるところに関わらず、分子は１重項の第１励起状態Ｓ１への内部変換８により急速に（典型的には２−３ピコ秒内に）崩壊するであろう。励起された各分子のいくつかは逆に基底状態に非放射的に６崩壊していく。他の分子は逆に同じ状態に蛍光的に崩壊する。残りの分子及び有益には多くの多数３重項状態１２のラダー内の特定の３重項状態ＴＮ内への系間交差９を受けるであろう。分子は前記３重項基底状態Ｔ１への内部変換により次いで急速に（再び典型的にはちょうど２−３秒内に）崩壊する。
【００６８】
この状態は高いメーザ１８、高い１７及び低い１６メーザレベルとの間メーザ遷移２）を備えた補助１７及び低いメーザ１６、サブレベル、更に高いメーザレベル１８と補助レベル１７との間のアイドラー遷移、更に補助１７と低いメーザ１レベル間のリポンパー遷移２０、から構成される。
【００６９】
高いメーザ、補助及び低いレベルのメーザレベルにおける複数の分子は、夫々逆の系間交差崩壊プロセス２３、２４および２２を経由して逆に１重項状態１０へ崩壊することができる。急速な内部変換１１に従う系間交差９のプロセスは、夫々異なった速度１５、１４、１３における複数の分子を用いて分布されつつある高いメーザレベル、補助メーザレベル及び低いメーザレベルに導き、そして組み合わされたプロセスは前記低いメーザレベルよりも前記高いメーザレベルを占有するより多くの分子に導く。この分布反転を利用するメーザモード３１（図３において）による誘導放出はメーザ出力２５を発声させる。再ポンピングドライブ入力２６からの誘導放出によって、複数の分子は低いメーザレベルから補助レベル１７へ続いて再ポンピングされそして続いてより急速に逆に１重項状態１０に崩壊する２４。
【００７０】
図２は再ポンピングの一時的即ち基本的な構成要素を記載している。染料分子は系間交差９及び内部変換１１によって前記高いメーザレベル１８に達する。前記染料分子はメーザ動作を行い２１、それによって余剰の光子２５をメーザモード３１（図３において）内被着され、そしてそれ自体低いメーザレベルに着かせる。前記より低いメーザレベルからの崩壊は遅いために、前記分子は比較的長い時間このレベルに自然にぶらぶらして、この低いメーザレベルにおける分布に関するビルド・アップを引き起こして、更に前記メーザモードの望ましくない吸収を引き起こす。その代わり、前記分子は前記リポンパーモード３０の強制された励起２６によって再ポンピングされる２０（図３）。前記補助レベル１７に達したらすぐに、前記分子は比較的速い逆系間交差プロセス２４を経由して逆に前記１重項状態１０へより急速に崩壊する。
【００７１】
図３は再ポンピングの実施のためにメーザ装置の分析を示している。本装置における複数の誘電体リング２９及び金属の缶４４は円筒形状の対称性を示す。この場合、本実施の態様では、リポンパモード３０及びメーザモード３１の各種周波数を前記誘電体リング間の距離３３と複数のリングと前記取り囲むキャビティ４４のル−フ、床もしくは複数の側壁との間の距離３２を調整することによってそれらの各遷移に共振するように調整することができる。明瞭化のために、メーザ物質２７、有益には２８が光学的にポンピングされる手段は図示されていない。図２もしくはＲＴＳＳＭに示される光学的ポンピングの手段のような「外側における」光学的ポンピングは、磁束コンセントレータとして機能する誘電体２９が実質的にもしくは略透明であり光をポンピングする（おしくはでなければ小さな径方向の孔をそれを通してドリルにより設けて前記電磁的構造についての最小の影響を有する適切な光路を提供する）とすれば、いくつかの他の手段の一つである。
【００７２】
前記リポンパーの付勢及びその後すぐのリポンパーの飽和がループ発信器３４−３８のいずれかによって、同じように調整されたモードセレクターファイル３５を備えており、ここで参照番号３６は標準設計の十分に強力なマイクロ波増幅器である。他の実施の態様３９においては、父性付勢はハードウエアにおけるより大きなコストにより前記リポンパー励振結合ポート３８を経由して十分に強力な周波数に調整可能なマイクロ波シンセサイザ４１からのリポンパモードの周波数におけるト−ン４０を直接注入することによって達成することが可能である。一般にこのポートにとって前記メーザモードのあるノードに存在することが有益である。本実施の態様では、メーザ装置ＲＴＳＳＭにおけるように発信器として構成されており、ここでメーザ発振出力４３は前記メーザモード３１に結合するあるポート４２から得られる。図３においては、ＲＴＳＳＭの図２におけるように、メーザは発信器として構成され、その差現在の数字３において表示されている再ポンピング手段が単なるパルス化された発振に対立するものとして連続性を容易化する。
【００７３】
図４は再ポンピングを実施する進行波メーザ増幅器として構成される実施の態様の構造を示している。この構造は遅い導波管もしくは帯域通過フィルターを形成するように端と端を繋いで電磁的に結合された４５図３に示される一連のデュアルモード共振器構成４４として考察することもできる。電磁信号４６は入力結合器４７によってメーザモードに注入され、そしてこの信号４８の増幅されたバージョンは前記導波管の他の端部において第２の結合器４９から出力される。有益には、複数の他のノイズアイソレータ６８が前記構造に沿って各間隔において挿入されて装置が入力から出力される。有益には、複数の低ノイズアイソレータ６８は前記構造に沿って各間隔において挿入されて装置が入力から出力のみ［（すなわち左から右に）］のみ増幅作用を行うことを確保する。再ポンピングマイクロ波励振５０は前記構造に沿ってバス５１を経由して分配される。
【００７４】
図５は「伝送中」増幅器として構成され、そして蛍光コンセントレータポンピング光を含むメーザ装置の実施の態様を示している。付随的に、「反射中」増幅器としてのその構成５２がまた示されている。クリーコーポレーションによって最近製造された例えばＸ−ランプＸＴ−ロイヤルブルーＬＥＤ等の複数の強力で高能率化ＬＥＤ５４からの約４６０ｎｍにおけるロイヤルブルー光５３はセリウムドープトイットリウムアルミニュウムガ−ネット、即ちＣｅ：ＹＡＧの矩形プリズムの形状の蛍光コンセントレータ５５に入射する。これらのＬＥＤは電流制御電源供給装置３６から電力を供給される。この物質はブルーライト５７の複数の光子を吸収して２−３なの秒内にすべての方向において約５１５ｎｍを中心として優勢なグリーン及びイエローの各波長における各吸収された格子を再放出５８をする。    に開示されているように、ペンタセン：ｐ−ターフェニルがグ−ン及びイエローにおいて強く吸収するが、ブルーにおいては吸収しないことが知られている。
【００７５】
ＹＡＧの高い屈折率（約５８９ｎｍにおいて１．８３；それはわずかに波長に依存している）それを取り囲む空気のそれについて起因して、前記コンセントレータの端部に向けて蛍光の大半を案内するように動作する。前記コンセントレータの底部は金属製ミラー６０によってカバーされているので、蛍光がそこから反射され６１、そしてこの蛍光の容積のために逃げ路が前記コンセントレータの上端を介して外部へ向けるとすぐに前記メーザ物質のスラブにおいて吸収される複数のＬＥＤは高い壁プラグが効率を有して、高いープラグ効率で且つＹＡＧが１に近接しており、更にＹＡＧの屈折率は高い。このような蛍光コンセントレータはかくしてペンタセン：ｐ−ターフェニル及び多くの赤く見える芳香色素のためのポンピング光の高輝度源：グｒ−ン及びイエロー周波数範囲において強く吸収する複数の系。異なった透明な高い屈折率物質におけるフルオロフォアは１次光源の異なったメーザ物質及び異なった波長にとって適切であろう。
【００７６】
伝送中における増幅すべき構成：即ち弱い電磁的輻射６５その出力が結合器４７を用いて前記装置のメーザモード３１へ注入される４６、アンテナ６６によって集められる。信号はメーザ作用によって増幅され、そして第２の結合器４９を持ち手抽出され４８有用な増幅されつつある出力からのノイズを阻止すべく、低いノイズアイソレータ６８は前記装置の出力に設けられている。
【００７７】
装置は反射中増幅作用をするように構成しようとすればまたできる、もしくは他の代替物として構成するもできる。即ち増幅すべき弱い信号４６はサーキュレータ６９を経由して前記入力結合器７０に供給される。この同じ結合器７０は反対法王方向に進行する入力信号の増幅バージョン７１を得るように動作する。この装置においては、前記サーキュレータのアイソレーションは、出力からメーザの増幅の入力への熱雑音を注入することを避けるに十分でなければならない。
【００７８】
下の表１は本明細書において開示された装置及び方法を用いて使用される可能性のある数多くの物質のための種々のメーザ関連パラメータを示している。当業者は本明細書における種々の教示が適切物質にとって捜し求められた複数の特性を提供すると共に、その結果当業者これらの教示を用いてその他の適切な種々の化合物及び分子を同定することができるであろうと言うことを理解するであろう、
【００７９】
【表１】
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【００８０】
表１はターフェニル（単結晶）内のペンタセン、ｐ−ターフェニル（単結晶）中の過重水素化ペンタセン（−ｄ１４）、１００Ｋにおけるｎーオクタン（多結晶性）中のターフェニルポルフィリン（Ｈ２ＴＰＰ）、フルオレン（−ｄ８ｈ２）中アクリジィン、２２０Ｋにおけるフルオレン内のフェナジン及び室温におけるｐ−ターフェニル中のテトラセンのためのメーザ動作に関連した種々の性質を例示してある。このような系は零磁場におけるマイクロ周波数遷移を横切る反転分布が与えられているので、ポリスチレンマトリクス内の［６、６］‐（６）ブチル酸メチルエーテル（ＰＣＢＭ）の諸性質は提供されない。
【００８１】
ｐ−ターフェニル内の過重水素化ペンタセンは比較物質の大半の利点であるように見える。
【００８２】
【表２】
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【００８３】
上記表２はすべてのキーパラメータに対する典型的な値を示している。式（１）の左辺を評価するとすぐに、ＣＷメーザのための閾値パワーは６０ワットである。
【００８４】
かなりとは言え、そのようなパワーの発生は、現代の高能率の光源を用いて好ましくは可能である。このパワーの除去はまた例えば高い熱伝導率を示す熱基板の一体化、受動的もしくは強制空気冷却のいずれかの使用、受動的もしくは強制液体冷却のいずれかの使用、もしくは種々のヒートパイプの一体化、等の従来の熱除去手段により利用可能である。熱除去に関して、前記メーザ物質にとって適度に高い熱伝導率をそれ自体示すことは、前記メーザ物質にとって、並びに板状もしくはスクロール状あるいは任意の他の形状であって前記メーザ物質のすべての活性領域がコールドフェースあるいは冷却液／ガスに近い状態で存在するようにある高い表面積に対する容積の比を与える物質にとって有益である。これらの冷却手段は固体レーザ設計の技術、パワートランジスター設計、コンピュータＣＰＵ設計、もしくはかなりの廃棄熱の除去を必要とする任意のコンパクトデバイスあるいはエンジンの設計において周知である。
【００８５】
本明細書における各教示は考えることが可能でないように考察されるように各ラインに沿ってポンピングすることが可能である色素分子を含む粘性液体あるいは液晶の形態のメーザ物質を一体化する室温メーザもまた意図するものである。このような「液体状態」メーザは一定の温度で利得を中間に保持することにより、様々な利点を与えるであろう。（必ず強度の高い）光学的ポンピングに露出されていることの考慮に基づき加熱された液体利得媒体は、この加熱された媒体が閉ループ系において冷蔵素子を用いて再循環及び冷却された状態で、冷却されているが、そうでなければ、同一の液体利得媒体で置換されて離隔してパイプで運ばれる。人は固体利得媒体でそれほど容易にこのうまいやり方を実施することができない。
【００８６】
実施の態様の中には、空気にさらしてトルエン中のＰＣＢＭの溶液内に酸素を導入することによって、５ト６あるいはそれ以上のファクターによってその溶液内で分解しているＰＣＢＭの３重項状態の寿命を減少させることが可能である。例えば、シクロへプタトリエン及びシクロオクタテトラエン（ＣＯＴ）等の公知の３重項クエンチング分子を光学的にポンピングされた３重項メーザの技術において同様に使用して３個の３重項状態のサブレベル１０もしくはそれらのサブセットのいずれかの寿命を減少させて不等式（１）、（３）及び（６）を満足させることがより困難にさせないようにしようとすれば、使用できる。
【００８７】
付随的及び好ましい特徴、前述した実施の態様の変形例及び従属した特許請求の範囲は、本発明において教示された発明のすべての視点において使用可能である。また、前記従属特許請求の範囲の個別の特徴、並びに付随的及び好ましい特徴、及び前述した実施の態様の変形例は互いに組み合わせ可能であると共に交換可能である。
【００８８】
本出願が優先権を主張している英国特許出願番号１２１４７２０．３における開示、及び本出願に添付した要約書における開示は、参照により本明細書に組み込まれる
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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