(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多相利得媒体であって、
励起に応じて自然発生的に電磁放射線を放出し、誘導放出によって前記放出された電磁放射線を増幅する手段を含む前記多相利得媒体の第１相と、
放出されかつ増幅された電磁放射線を散乱しかつ前記第１相の中で電磁放射線の残留時間を増加する前記多相利得媒体の第２相と、からなり、
前記多相利得媒体は体積を有し、前記電磁放射線の増幅が前記多相利得媒体の前記体積の一部で起こることを特徴とする多相利得媒体。
【請求項２】
少なくとも前記誘導放出の波長において透明である前記多相利得媒体の第３相をさらに含み、前記第３相は前記利得媒体中で前記第１相及び前記第２相と混合されることを特徴とする請求項１記載の多相利得媒体。
【請求項３】
前記第１相は１以上のタイプの染料分子で構成され、前記第２相は散乱用のサイトで構成されていることを特徴とする請求項１記載の多相利得媒体。
【請求項４】
前記第１相及び第２相は半導体材料で構成されていることを特徴とする請求項１記載の多相利得媒体。
【請求項５】
前記第１相及び第３相は高分子で構成されていることを特徴とする請求項２記載の多相利得媒体。
【請求項６】
前記利得媒体は第１の波長を有している電磁エネルギーによって励起され、誘導放出によって電磁エネルギーを出力し、出力された電磁エネルギーは第１の波長と異なっている第２の波長を中心にした波長帯域の中で主に波長を有することを特徴とする請求項１記載の多相利得媒体。
【請求項７】
第１の波長は第２の波長より短いことを特徴とする請求項６記載の多相利得媒体。
【請求項８】
第１の波長は第２の波長より長いことを特徴とする請求項６記載の多相利得媒体。
【請求項９】
第１相は高分子で構成され、第２相は前記高分子の中で含まれた散乱サイトで構成されていることを特徴とする請求項１記載
の多相利得媒体。
【請求項１０】
第１相は粒子状物質形式で供給される半導体材料で構成され、少なくとも利得媒体の第２相の一部が半導体材料の粒子で構成されていることを特徴とする請求項１記載の多相利得媒体。
【請求項１１】
第１相は少なくとも染料分子の１つのタイプで構成され、染料分子は誘導放出の波長において透明なマトリックス材中のボイド中に含有され、マトリックス材は染料分子を含んでいることを特徴とする請求項１記載の多相利得媒体。
【請求項１２】
利得媒体は基板の表面に隣接していて配置されることを特徴とする請求項１記載の多相利得媒体。
【請求項１３】
利得媒体は被覆として表面の上に配置され、表面はその上に形成された被覆の複数を有することを特徴とする請求項１２記載の多相利得媒体。
【請求項１４】
利得媒体は電磁エネルギーを放出する光学源の一部を形成し、さらに、利得媒体を励起して所定の波長帯域内の電磁エネルギーを主に放出するエネルギー源を含むことを特徴とする請求項１記載の多相利得媒体。
【請求項１５】
所定の波長帯域は第１の波長を中心にされ、エネルギー源は第１の波長とは違う第２の波長を中心にした波長帯域の中で電磁エネルギーで前記利得媒体を励起することを特徴とする請求項１４記載の多相利得媒体。
【請求項１６】
エネルギー源は化学的なエネルギー源で構成されていることを特徴とする請求項１４記載の多相利得媒体。
【請求項１７】
エネルギー源は電気的なエネルギー源で構成されていることを特徴とする請求項１４記載の多相利得媒体。
【請求項１８】
利得媒体は電磁放射線源を含む装置の一部を形成し、装置は、さらに所定の波長を含む波長帯域中で主に電磁エネルギーを放出するよう利得媒体を励起するエネルギー源を含み、エネルギー源は所定の波長とは違う波長を有している電磁エネルギーの光線を出力し、装置は、さらに光線と基板の間に相対運動を起こす手段を含むことを特徴とする請求項１２記載の多相利得媒体。
【請求項１９】
前記相対運動を起こす手段は光線に対し基板を並進させる手段を含むことを特徴とする請求項１８記載の多相利得媒体。
【請求項２０】
前記相対運動を起こす手段は光線を走査する手段を含むことを特徴とする請求項１８記載の多相利得媒体。
【請求項２１】
利得媒体は複数の被覆として基板の表面上に配置され、被覆の各々は励起した時、主に所定の波長を中心にした狭い波長帯域の中である電磁エネルギーを放出し、少なくとも被覆の２つの所定の波長は互いに異なることを特徴とする請求項１記載の多相利得媒体。
【請求項２２】
各々がその表面に隣接して配置された少なくとも１つの利得媒体の領域を有する複数の基板があり、前記基板の各々は誘導放出の波長において透明であり、前記基板の各々は多層の構造で互いに積層配置されていることを特徴とする請求項１２記載の多相利得媒体。
【請求項２３】
利得媒体は、前記表面の少なくとも１つの領域中で基板の表面に隣接して配置され、前記少なくとも１つの領域は複数の副領域で構成され、前記複数の副領域のそれぞれの中の前記利得媒体は励起した時、主に所定の波長を中心にした波長帯域中にある電磁エネルギーを放出し、副領域の少なくとも２つ中の利得媒体の所定の波長は互い異なっていることを特徴とする請求項１記載の多相利得媒体。
【請求項２４】
利得媒体はモノリシック三次元構造中に含有されていることを特徴とする請求項１記載の多相利得媒体。
【請求項２５】
構造は球形であることを特徴とする請求項２４記載の多相利得媒体。
【請求項２６】
第３相は、液体、半液体、ゲル、クリーム、半固体、固体及びそれらの複合物から成り立っているグループから選択された材料から成ることを特徴とする請求項２記載の多相利得媒体。
【請求項２７】
光学利得媒体であって、
少なくとも１つの選択された波長に対し透明である媒体と、
媒体中に含有され、励起に応じて、電磁放射線を少なくとも１つの選択波長で放出及び増幅する複数の染料分子と、
媒体中に含有された複数の粒子であって、前記粒子は媒体の屈折率とは違う屈折率を有し、染料分子の複数から放出される電磁放射線を散乱し、媒体中で電磁放射線の残留時間を増加する粒子と、からなることを特徴とする利得媒体。
【請求項２８】
複数の粒子は協働するフォトン散乱長を有し、少なくとも前記利得媒体の１つの寸法がフォトン散乱長以下であることを特徴とする請求項２７記載の利得媒体。
【請求項２９】
光学利得媒体であって、
少なくとも１つの選択された波長に対し透明である媒体と、
媒体中に含有された複数の粒子であって、前記粒子は、少なくとも１つの選択波長での励起放出によって励起に応じて電磁放射線を放出する粒子材料から選択され、前記粒子は媒体の屈折率とは違う屈折率を有し、電磁放射線を散乱し、媒体中で電磁放射線の残留時間を増加する粒子と、からなり、それによって少なくとも１つの選択波長で光学利得を生ぜしめることを特徴とする利得媒体。
【請求項３０】
複数の粒子は協働するフォトン散乱長を有し、少なくとも前記利得媒体の１つの寸法がフォトン散乱長以下であることを特徴とする請求項２９記載の利得媒体。
【請求項３１】
励起光源によって励起させる時、レーザー状作用を示す利得媒体であって、
少なくとも１つの選択された波長に対し透明であり、体積を有し、励起に応じて電磁放射線を放出及び増幅するために選択された材料からなる媒体と、
媒体中に含有された複数の粒子であって、前記粒子は、媒体の屈折率とは違う屈折率を有し、電磁放射線を散乱し、媒体中で電磁放射線の残留時間を増加する粒子と、からなり、電磁放射線の増幅が前記利得媒体の一部の中で起こることを特徴とする利得媒体。
【請求項３２】
複数の粒子は協働するフォトン散乱長を有し、少なくとも利得媒体の１つの寸法がフォトン散乱長以下であることを特徴とする請求項３１記載の利得媒体。
【請求項３３】
映像を表示する装置であって、
複数の画素を有している表面を有しているディスプレイスクリーンであって、画素のそれぞれは、閾値エネルギーを越える励起に応答し所定の狭い波長帯域の中で電磁放射線を放出する非飽和光学利得媒体で構成されているディスプレイスクリーンと、
画素に結合し励起を供給する源とからなることを特徴とする装置。
【請求項３４】
非飽和光学利得媒体は多相利得媒体で構成され、多相利得媒体の第１相は励起に応じて自然発生的に電磁放射線を放出しそして誘導放出によって放出された電磁放射線を増幅する手段で構成され、多相利得媒体の第２相は放出増幅された電磁放射線を散乱しそして第１相の中で電磁放射線の残留時間を増加する手段で構成されていることを特徴とする請求項３３記載の装置。
【請求項３５】
複数の画素につながれた源は電磁エネルギー源で構成されていることを特徴とする請求項３３記載の装置。
【請求項３６】
源は複数の画素に結合される手段で構成された画素のそれぞれに電荷キャリアを注入していることを特徴とする請求項３３記載の装置。
【請求項３７】
所定の波長帯域中の波長を有する電磁放射線で領域を照射する装置であって、少なくとも第１の波長を出力する電磁放射線源へ結合された入力ポートを有している細長い構造を含み、前記細長い構造はその長さの少なくとも一部分が多相光学利得媒体に沿っており、多相光学利得媒体は、少なくとも１つの前
記第１の波長を有する励起に応じて波長帯域内の電磁放射線を自然発生的に放出する第１相を有する材料から構成され、前記第１相はさらに誘導放出によって放出された電磁放射線を増幅し、前記材料はさらに、放出され増幅された電磁放射線を散乱しかつ第１相中で電磁放射線の残留時間を増加する第２相で構成されていることを特徴とする装置。
【請求項３８】
細長い構造は柔軟であることを特徴とする請求項３７記載の装置。
【請求項３９】
少なくとも１つの第１の波長が所定の波長帯域以外の波長であることを特徴とする請求項３７記載の装置。
【請求項４０】
入力ポートは細長い構造の第１の端部に結合され、細長い構造の第２の端部に結合され少なくとも放出増幅された電磁放射線を少なくとも１つの所定の方向へ向かわせる手段を含むことを特徴とする請求項３７記載の装置。
【請求項４１】
物体を識別する方法であって、
多相利得媒体であって、励起に応じて自然発生的に電磁放射線を放出し、誘導放出によって前記放出された電磁放射線を増幅する手段を含む前記多相利得媒体の第１相と、放出増幅された電磁放射線を散乱しかつ前記第１相の中で電磁放射線の残留時間を増加する前記多相利得媒体の第２相と、からなり、第１の波長を有している電磁放射線に応答して所定の波長帯域中の波長で電磁放射線を放出する多相利得媒体を有する所定のクラス中の物体の各物体の少なくとも１つの表面に用意する行程と、
第１の波長で物体を照射する行程と、
１以上の第２の波長を含む検出された発光に従って所定のクラス中の物体に属する物体を識別する行程と、からなることを特徴とする方法。
【請求項４２】
１以上の物体の所定のクラスを含む物体のセットがあり、さらに識別された物体を物体のセットから隔離する行程を含むことを特徴とする請求項４１記載の方法。
【請求項４３】
第１の波長帯域中の波長を有している入射電磁放射線中に含有されたエネルギーによって起こされる損傷から物体を保護する方法であって、
第１の波長帯域中の波長を有する電磁放射線での励起に応じて第２の波長帯域中の電磁放射線を自然発生的に放出する第１相を有する材料で構成され、第１相は誘導放出によって前記放出された電磁放射線を増幅し、前記材料は、さらに放出増幅された電磁放射線を散乱しかつ前記第１相の中で電磁放射線の残留時間を増加する手段から構成される第２相と含む、光学利得媒体を有する物体を用意する行程と、
第１の波長帯域中の電磁放射線をもって物体の照射に応じる行程と、
第１の波長帯域中の電磁放射線のエネルギーの一部を、第２の波長帯域中の電磁放射線の発光へ変換する光学利得媒体を使う行程と、からなることを特徴とする方法。
【請求項４４】
光学系であって、
第１の光学利得媒体を含んでいるエンクロージャと、
第１の波長を有する第１の電磁放射線で、第１の光学利得媒体をポンピングする光学源と、
第１の電磁放射線の一部を、第２の波長で第１の利得媒体に種を蒔く第２の波長へ変換する手段と、からなり、
前記変換する手段は、第１の波長帯域中の波長を有する電磁放射線での励起に応じて第２の波長帯域中の電磁放射線を自然発生的に放出する第１相を有する材料で構成され、第１相は誘導放出によって前記放出された電磁放射線を増幅し、前記材料は、さらに放出増幅された電磁放射線を散乱しかつ前記第１相の中で電磁放射線の残留時間を増加する手段から構成される第２相と含む、第２の光学利得媒体を含むことを特徴とする光学系。
【請求項４５】
第２の光学利得媒体はエンクロージャの外側に配置されることを特徴とする請求項４４記載の光学系。
【請求項４６】
第２の光学利得媒体はエンクロージャの表面に隣接していて配置されることを特徴とする請求項４４記載の光学系。
【請求項４７】
第１の光学利得媒体は非線形過程によって動作し、光学利得は少なくとも第１の波長を有する電磁放射線の強度の非線形関数であることを特徴とする請求項４４記載の光学系。
【請求項４８】
物体を加速する方法であって、
多相利得媒体であって、第１相は励起に応じて自然発生的に電磁放射線を放出し、誘導放出によって前記放出された電磁放射線を増幅する手段を含み、前記多相利得媒体の第２相は放出増幅された電磁放射線を散乱しかつ前記第１相の中で電磁放射線の残留時間を増加し、多相利得媒体は、第１の波長を有している電磁放射線に応答して第１の波長とは異なる第２の波長を有する狭い波長帯域中の波長で電磁放射線を放出する多相利得媒体を有する物体を用意する行程と、
第１の波長を有する電磁放射線で物体の照射に応じる行程と、
第１の波長で電磁放射線のエネルギーの重要な部分を第２の波長の電磁放射線の等方性の発光に変換し、変換が電磁放射線からのフォトンの吸収による加速力が物体に及ぼすまでの期間内に起こる、利得媒体を用いる行程と、からなることを特徴とする方法。
【請求項４９】
物体は選択された材料で構成され、そして加速力に応じて選択された材料を運ぶことを特徴とする請求項４８記載の方法。
【請求項５０】
レーザーダイオードであって、
第１波長範囲内で光学発光を出力する出力前面を有している活性域と、
少なくとも光学発光の一部を第２波長範囲中の光学発光に変換し、第１波長範囲中の波長を有する電磁放射線での励起に応じて第２波長範囲中の波長を有する電磁放射線を自然発生的に放出する第１相を有する材料で構成され、第１相は誘導放出によって前記放出された電磁放射線を増幅し、前記材料は、さらに放出増幅された電磁放射線を散乱しかつ前記第１相の中で電磁放射線の残留時間を増加する手段から構成される第２相と含む、前記出力前面に配置された被覆と、からなることを特徴とするレーザーダイオード。
【請求項５１】
第２相は被覆の中で分散され、協働する散乱横断面表面を有する複数の粒子で構成され、少なくとも被覆の１つの寸法は散乱横断面表面の寸法以下であることを特徴とする請求項５０記載のレーザーダイオード。
【請求項５２】
光学エミッタからの発光波長帯域を広くして変える方法であって、
発光波長帯域にて透明な媒体の中で混合される散乱中心の複数と結合して光学エミッタを供給する行程と、
光学エミッタから自然発光を生成する媒体の中にエネルギーを入力する行程と、
散乱中心で発光を散乱することによって光学エミッタからの発光波長帯域を広くして変える行程と、からなることを特徴とする方法。
【請求項５３】
物体の中で構造の存在を検出する方法であって、
多相利得媒体であって、第１相は励起に応じて自然発生的に電磁放射線を放出し、誘導放出によって前記放出された電磁放射線を増幅する手段を含み、前記多相利得媒体の第２相は放出増幅された電磁放射線を散乱しかつ前記第１相の中で電磁放射線の残留時間を増加し、多相利得媒体は、第１の波長を有している電磁放射線に応答して第１の波長とは異なる第２の波長を有する波長帯域中の波長で電磁放射線を放出する多相利得媒体を有する物体の表面領域を用意する行程と、
第１の波長を有する第１放射線パルスで利得媒体を照射する行程と、
構造の屈折率の変化に遭遇している伝搬する放射線に応じて、伝搬する放射線物体の一部を物体の表面に向かって反射して戻す行程と、
第２パルスで一致する反射され多相利得媒体に進入する放射線に応じて、第２の波長を有する波長帯域の中の波長で、電磁放射線の発光を強める行程と、
強化された発光を検出する行程と、
第１及び第２パルスの間に時間で強化された発光を検出し、構造から物体の表面まで少なくとも距離を決定する行程と、からなることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
関連特許出願の相互参照
本特許出願は、ナビル  エム．ラワンディ（Nabil M. Lawandy）（弁理士ドケット番号３１７−９４５０３３−NA）によって、１９９４年３月１８日に提出され、「半導体のドープされたナノ結晶を有している光学利得媒体及び光学散乱体」と題を付けられた係属する特許出願第０８／２１０，３５６号に関係がある。
発明の分野
本発明は、一般に電磁エネルギー源に関する。特に、発明は高単色源（狭いスペクトル線幅）に関する。
発明の背景
「負共鳴吸収を有する散乱媒体による光発生」と題を付けられた刊行物、ソビエト物理学会誌、第２６巻、ナンバー４、１９６８年４月（ページ８３５−８３９）、ブイ．エス．レトコフ（”Generation of light by a scattering medium with negative resonance absorption”, Sov. Phys. JETP, Vol. 26, No. 4, April 1968 (pps. 835-839), V.S. Letokhov）は、負の共鳴吸収または利得を有する散乱媒体による光生成の理論的解析を提示している。この解析は、フォトン平均自由行程（ΛS）が活性な散乱領域（式１）の寸法（Ｒ）のすべてよりずっと小さいことを要求する。発生閾値の条件の論議において、半径２Ｘ１０-4cmでルビー粒子（λ＝７Ｘ１０-5cm）の光学的励起した球形の分布の例が示され、そして結果としてその領域の臨界半径は約４mmであることが示されている。レトコフは、電気放電によって励起されたHe-NeまたはHe-Xe混合ガスのような負吸収の媒体ガス内に分布している散乱粒子の理論的解析をも提供している。散乱粒子は非共鳴帰還（non-resonant feedback）をもたらし、他方ガス活性媒体は共鳴増幅をもたらすと言われる。このようなガス媒体のための臨界誘致半径は約１．８cmであると言われる。発光スペクトルの連続狭まることが予言された。
これに関する文献には、レトコフによる以前の論文、「負吸収を有する散乱粒子の集団の誘導放出」、ZhETFプラズマ５、ナンバー８、１９６７年４月１５日（”Stimulated emission of an ensemble of scattering particles with negative absorption”, ZhETF Plasma 5, No. 8, 15 April 1967, (pps. 262-265)）があり、これにおいては、媒体の寸法はＲ＞＞ΛS＞＞λとして与えら、前と同じように、Ｒは媒体の寸法で、ΛSは散乱のためのフォトンの平均自由行程及びλはフォトンの波長である。
また文献には、アンバートサミアン  アール．ブイ．、バソフエヌ．ジー．、クリコフ  ピー．ジー．及びレトコフ  ブイ．エス．による量子エレクトロニクスの進歩（編集者サンダース  ジェイ．エッチ．及びスティーブンス  ケー．ダブリュ．）ページ１０９−１８５（パーガモンプレス、オックスフォード、１９７０年）(Ambartsumyan R. V., Basov N.G., Kryukov P.G. & Letokhov V.S. in Progress in Quantum Electronics. (ed. Sanders J.H. & Stevens K. W. H)109-185(Pergamon Press, Oxford, 1970)）の刊行物があり、これにおいては、理論的な発表がページ１５２−１５３においてされ、フォトンの自由行程が散乱、ΛS−１／ＱSＮ0、である時、雲によって占められる領域の平均の寸法Ｒ及び発光の波長λは、その関係、
Ｒ＞＞ΛS＞＞λを満たす。
ここで、散乱粒子間の平均距離は波長よりずっと大きい。
レトコフのアプローチで明白な１つの問題は、媒体の寸法のすべてが散乱長よりずっと大きいに違いないということである。たとえば、それぞれの媒体の寸法が１cmのオーダーあるように要求され得る。これらの寸法の要件は多くの貴重な高空間分解能応用の媒体の用途を妨げるであろう。
たとえば、レトコフの教示に従って達せられることができなかったもの特に貴重な応用の１つには、その利得媒体を含んだ薄膜層、被覆、または物体の形成である。もう１つの例は散乱長に対しその半径が類似またはより小さい球体または柱面である。
さらなる問題は、ガス媒体中で散乱粒子を供給する要件、特に電気放電によって励起させる要件である。これは実際は達することが難しく、そしてたいていの応用には非実用的である。
また文献には、「化学反応を示している光散乱媒質における励起された非干渉性放射の発生」と題を付けられた記事、量子エレクトロンジャーナル、１２（５）、１９８２年５月、（ページ５８８−５９４）（”Generation of stimulated non-coherent radiation in light-scattering media exhibiting chemical reactions”, Sov. J. Quantum Electron. 12(5), May 1982, (pps. 588-594)）があり、これにおいては、アイエーイズマイロフ及びその他（I. A. Izmailov et al.）は散乱の結果として生じているフィードバックが分散反応媒体中でレイジングに達するために使われることを提案している。化学的にレーザーをポンピングする実現可能性は、酸化性雰囲気で燃料の１滴のヘテロフェイズ燃焼の計算を基礎にして見積もられる。ＮＯとＯ3、ＢａとＳ2Ｃｌ2及びＢａとＮ2Ｏの間の反応は特に計算されている。
このアプローチに基づいたレーザー装置は、もしまったく実用的な感覚で理解することが可能であるなら、専門的な応用の狭い範囲に限定されているように思われるであろう。
文献には下記の３つのアメリカ合衆国特許が有り、それらすべては本特許出願で開示された発明の発明者によって作られた発明を開示して、そして要求している。アメリカ合衆国特許第５，１５７，６７４号１９９２年１０月２０日発効「第二高調波発生並びにバルクのゲルマノシリケート及びアルミノケイ酸塩ガラスで構成された自己周波数逓倍レーザー材料（”Second Harmonic Generation and Self Frequency Doubling Laser Materials Comprised of Bulf Germanosilicate and Aluminosilicate Grasses”）」。アメリカ合衆国特許第５，２３３，６２１号１９９３年８月３日発効これは先の特許の分割である。アメリカ合衆国特許第５，２５３，２５８号１９９３年１０月１２日発効「光学符号化位相整合第二高調波発生装置及び半導体微晶質ドープガラス使用の自己周波数逓倍レーザー材料（”Optically Encoded Phase Matched Second Harmonic Generation Device and Self Frequency Doubling Laser Material Using Semiconductor Microcrystallite Doped Glasses”）」。
発明の概要
前述及び他の問題は、本発明の第１の局面に従って、多相の体系である利得媒体によって克服され、これにおいては、第１相が電磁放射線を放出及び増幅する相であり、第２相は電磁放射線散乱相であり、第３相は透明なマトリックス相である。たとえば、発光相は染料分子から成り得、散乱相はＡｌ2Ｏ3粒子から成り得、そしてマトリックス相はメタノールのような溶剤から成り得る。いくつかの本発明の実施例において、発光及び散乱相は、半導体粒子が採用されている時、同じ相である。利得媒体で構成された物体の最も小さい寸法は、散乱相と協働する散乱長より小である。
本発明のさらなる実施例では、マトリックス相は利得、例えば高分子PPVを有し、そして粒子は散乱目的のために加えられる。
本発明の１つの特定の実施例では、レーザー状作用は、例えばローダミンなどの染料及びＴｉＯ2またはＡｌ2Ｏ3のような高屈折率コントラストナノ粒子（high index contrast nanoparticles）を含んでいるレーザー励起メタノール溶液において、発生する。この利得媒体は効率的なレーザー源の特性の多くを示し、そしてほとんど閾値なしの入出力挙動を有する。レーザー状作用は、発光の出力線幅を狭める明瞭な励起条件を含むように期待される。
暗示的に、従来技術に本来的な寸法の制限は克服される。レーザー状作用は、利得媒体が媒体中のフォトンの散乱長よりわずかにより大きく、等しく、または小さい寸法を有する時、起こることが示される。これは、前述のように、レトコフ及びその他によって予言された寸法の要件とは鋭く対照的である。
発明の実施例では、ほとんど閾値なしのレーザー状挙動は、コロイドのＴｉＯ2またはＡｌ2Ｏ3ナノ粒子を含み強く散乱し光学的にポンピングされた染料メタノール溶液内にて達せられる。光学的にポンピングされた高い利得のコロイド媒体からの発光は、臨界ポンプパルスエネルギー上の線形入出力特性曲線の勾配変化を示す。勾配の変化は、いくつかの染料にて高ポンプエネルギーにおいて現われる二色性スペクトルで、出力スペクトル線幅をかなり狭めることに伴っている。コロイド媒体の５３２nmの６０ピコ秒パルスによる励起が光学検出システムの３００ピコ秒の時間分解能より短い発光をもたらすことがわかったので、それがほんの蛍光Ｘ線挙動ではなく、レーザー状挙動の事象を実証している。
【図面の簡単な説明】
本発明の上記の局面はいっそう明白にし、次の発明の詳細な説明でいっそう実質的に記述され、添付図面を参照して読まれるよう期待される。
図１は、励起光源によって励起された異なった３つの発光スペクトルを示すグラフであり、（トレース「ａ」）が純粋染料を、（トレース「ｂ」）が閾値励起の下の散乱粒子と組み合わせた条件の染料を、（トレース「ｃ」）が閾値励起の上の散乱粒子の散乱粒子と組み合わせた条件の染料を、使って得られた発光スペクトルを示す。
図２は、エネルギーの関数としての波長積分発光のプロットを示し、図１の純粋染料溶液、トレース「ａ」、（開いている円）に対したものと、図１のＴｉＯ2ナノ粒子コロイド（２．８ｘ１０10／cm3）の染料溶液、トレース「ｂ」、（閉じられた円）に対したものとを示す。
図３は、４つの異なったＴｉＯ2ナノ粒子濃度に対するポンプパルスエネルギーの関数としてのピークの発光を示す。特に、１．４ｘ１０9／cm3、７．２  １０9／cm3、２．８ｘ１０10／cm3と８．６ｘ１０11／cm3のナノ粒子濃度がそれぞれ一様な円、ダイアモンド、正方形及び三角形によって示される。挿入図は２．８ｘ１０10／cm3のナノ粒子濃度に対する対数目盛上のデータを示す。
図4a-4cは、３つの異なったＴｉＯ2ナノ粒子濃度に対するポンプパルスエネルギーの関数としての発光線幅を示す。特に、図4a-4cはそれぞれ５．７ｘ１０9／cm3（一様な円）、２．８ｘ１０10／cm3及び１．４ｘ１０11／cm3の濃度に対応する。図4aの開いている円はポンプパルスエネルギーの関数としての図１の純粋染料溶液、トレース「ａ」、の発光線幅を表す。
図５は、クマリン４４０及び散乱粒子で構成された利得媒体の強度対波長のプロットしたグラフである。
図6a-6cは、８０ピコ秒長のパルス連続に対する図１の染料溶液、トレース「ａ」、（図6a）及び図１のＴｉＯ2／染料溶液、トレース「ｂ」、の応答を示し、これにおいて、図6aは最も高いポンプエネルギーにおける純粋染料の応答を示し、一方、図6b及び6cはそれぞれ低い（１．２ｘ１０−2mJ／パルス）及び高い（１．２ｘ１０-1mJ/パルス）ポンプネルギーにおけるＴｉＯ2ナノ粒子（２．８ｘ１０10／cm3）コロイド染料溶液の応答を示す。
図７は、レーザー状挙動を供給するメカニズムを含む系の単純化された線図であり、これから図１−６で示されるデータが生成された。
図8aは染料濃度の関数としての臨界横断開口寸法のプロットであり、図８ｂは３．５ｘ１０-3Ｍ染料濃度を有する利得媒体のピーク強度対開口大きさ（ミクロン）のプロットであり、図8cは３．５ｘ１０-3Ｍの染料濃度を有する利得媒体の発光線幅（ナノメートル）対開口大きさ（ミクロン）のプロットであり、図8dが利得媒体の薄い（０．５ミリ厚）モノリシック固体のサンプルの発光強度対波長のプロットである。
図9a及び9bは、それぞれレーザーによって使用の間に走査されるディスプレイ装置の複数の画素を形成するために媒体が採用されている本発明の実施例を示す。
図10aは、透明な基板の表面上の領域の複数を形成し、入力波長に応じて同時に異なった出力複数の波長を供給するために媒体が採用されている本発明の実施例を示す。
図10bは複数の利得媒体担持基板の多層配置を示す。
図１１は媒体が小さい球体の中に収納される本発明の実施例を示す。
図12a及び12bは、それぞれが入力波長に応じて異なった出力波長を発光する複数領域を形成するために媒体は採用されている発明の実施例を示す。
図13a-13fは、それぞれ媒体が局地的に制限された領域において所望の波長を供給すため光ファイバーまたはカテーテルの一部の中に含有されている本発明の実施例を示す。
図１４は、選択的に媒体で覆われるスクリーンと選択的に媒体を所定の明瞭な波長で発光させるレーザースキャナとを有している体系の本発明の実施例を示す。
図15aと15bは、それぞれが媒体で構成された被覆を含む複数の物体と、物体を照らすレーザーと被覆によって放出された波長を検出する検出器と、からなる本発明の実施例を示す。
図１６は、媒体が物体表面上の目印、特にバーコードを形成するために採用されている本発明の実施例を示す。
図１７は、媒体によって放出される波長を内部で伝送し得る物体に、媒体が被覆（固体または半固体）として塗られる本発明の実施例を示す。
図１８は、媒体が第１の波長をより短い第２の波長に波長変換するために採用されている本発明の実施例を示す。
図１９は、媒体が目防護用レーザープロテクターを供給するためにメガネのレンズの上に被覆として採用されている発明の実施例を示す。
図20a-20cは、非線形のラマン散乱実施例における媒体の実用を示す。
図２１は、利得媒体を含み、入力されたポンプ光線によって及ぼされた力のために加速された粒子を示す。
図２２は、本発明によって可能にされた拡がりシフトした発光で利得を得る高分子ベースの、電気的に電力を供給される発光素子の横断面図である。
図２３は、レーザーダイオードの重要な発光波長とは違う波長においてレーザーのような発光を供給する利得媒体が被覆としてレーザーダイオードの発光前面に設けられた本発明のレーザーダイオードの実施例を示す横断面図である。
図24aは、本発明の利得媒体がポンプ波長を第２の利得媒体へ調律するように、染料溶液またはレーザー棒のような、第２の利得媒体をポンピングために採用されている本発明の実施例を示す立面図であり、そして図24bがその本発明の実施例を示す上面図である。
発明の詳細な説明
多くの本発明の新規な実施例を詳細に記述するために、本発明の媒体の実施例の新規な特性を示す実験結果が最初に説明される。
実験の説明
実験は、ローダミン６４０染料を１ｘ１０-3Ｍから２．５ｘ１０-3Ｍ濃度で含んでいるメタノール溶液内にＴｉＯ2（金紅石）またはＡｌ2Ｏ3（α相）ナノ粒子の量を変えて行われた。ＴｉＯ2粒子は２５０nmの平均粒径を有し、Ａｌ2Ｏ3粒子は２６０nmまたは３３nmの粒径であった。ＴｉＯ2粒子は凝集を妨げるためにＡｌ2Ｏ3の層で覆われた。
粒径と濃度に基づいて、これらのコロイドがそれぞれ沈降時間１cm長にわたって、１４．２時間、６．６時間及び８８２時間を示すように設定された。これらの時間は約３０分から１時間と実験時間よりかなり長かった。
加えるに、染料分子のナノ粒子への吸着のために有効な全表面積が設定された。特に、ＴｉＯ2粒子は染料分子を受け入れる１３．４m2／グラムの有効な表面積を有していたことが分かった。この値は、約１０10／cm3の粒子密度ρにおいて、約２．５ｘ１０−3Ｍ染料溶液の染料分子の１％がナノ粒子表面の上に受け入れられ得ることを表す。この上限はコロイド溶液の観察されたレーザー状特性で効率的に表面効果が重要な役割を演ずるという可能性を排除する。
ナノ粒子の光学的散乱特性はミー散乱であった。約６１７nmのピーク染料発光波長における散乱横断面表面はミー散乱溶液を使って計算され、そしてはるかにどんな形態論の共振を示すにはあまりにも小さいことが分かった。これは主に小さい大きさのパラメータ、ｘ＝kaのためであると信じられている、ここで、ｋはメタノール内の発光波動ベクトルであり、ａは粒子半径である。ＴｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3及びメタノールの屈折率値２．６２、１．７７及び１．３３を使って、散乱横断面値１．８６ｘ１０-9cm2、１．１３ｘ１０-9cm2及び１．０ｘ１０-13cm2はそれぞれＴｉＯ2及び、Ａｌ2Ｏ3粒子の２つの大きさのために設定された。
図７に図示するように、（興味ある波長において）透明なセル１０は、１０-3Ｍ範囲の濃度にてローダミン６４０の過塩素酸塩を含ナノ粒子メタノールコロイドを有する溶液１２を含んでいた。セル１０は名目上１cmｘ１cmｘ１cmの寸法を有していた。
これらのセル寸法が実験を行うことにおいて便利さのために選択されたことは注意されるべきである。すなわち、後述するように、これらのセル寸法は本発明の実行上の制限条件として解釈されるべきでない。
溶液１２は、１．０６４mmで動作する周波数逓倍Ｎｄ：ＹＡＧレーザー１４からの直線偏光５３２nm放射線によって、光軸線からポンピングされた。実験は、単一７ナノ秒パルスを作り出すＱスイッチレーザー、または９つの８０ピコ秒長パルスを含んでいる１２５ナノ秒長列を作り出すＱスイッチモードロックレーザーのいずれかで行われた。５３２nm放射線は純粋染料の２．５ｘ１０-3Ｍメタノール溶液の中にて５０μmの小信号侵入距離を持つこと、それを最も短い光学的散乱長（1s）が実験で使ったどれより小さくすることがわかった。セル１０の入射前面10aにおけるレーザー斑点１６の面積は８０ピコ秒の励起に対し７．６５ｘ１０-3cm2と、７ナノ秒パルスに対し２．５ｘ１０-2cm2と測定された。長いパルスを使った測定は５ヘルツの繰返し率において行われ、他方８０ピコ秒パルス測定は２５ヘルツのＱスイッチレートにおいて行われた。
これらの低い繰返し率は染料デグラデーション効果を避けるために使われるが、発明の実行上の制限条件ではない。実験のための長い及び短いパルスに対しパルス毎極大エネルギーは約１０mJ及び０．１２mJであった。セル１０の前面10aから出力はレンズ１８を使って収集され、液体窒素冷却ＣＣＤアレイ２２で光学マルチチャネル分析器２０に送られ、モノクロメータ２４を通して速いフォトダイオード２６及び３００ピコ秒の全体的な時間分解能を有するオシロスコープ２８へ送られた。
例
第１の実験の一連は、セル１０内で２．５ｘ１０-3Ｍローダミン６４０過塩素酸塩のメタノール溶液でをポンピング長７ナノ秒パルスを使って行われた。純粋染料溶液の励起は図１のトレース「ａ」に示されてスペクトルをもたらした。このスペクトルは６４０nmに肩を示し６１０nmに主なピークを示した。このスペクトルはポンプ−パルス−エネルギーの全範囲のために１０mJまで一定のままでいることがわかった。ポンプエネルギーの関数としての蛍光積分波長は、０．２６のmJの飽和エネルギーを有する飽和挙動を示し、これは図２で開いている円によって示される。このスポットサイズ及びポンプパルス持続時間に沿った飽和エネルギーは、ＩSによって与えられた飽和強度に一致する、ＩS〜ｈν／σp−τSP＝０．７ＭＷ／cm2  ここで、σpは５３２nmにおけるポンプ吸収断面積（σp〜１．３３ｘ１０−１６cm2）であり、そしてτSPはＳ1−−＞S0である自然発生的寿命（４ナノ秒）である。
類似の光ポンピング実験がＴｉＯ2ナノ粒子の２．８ｘ１０10／cm3を含んでいるメタノール染料溶液で行われた。これらの実験の結果は極めて印象的に異なっていた。最も低い励起におけるスペクトルは、純粋染料溶液の３６nmの厚さと比較して、７６のnmの線幅を示した。励起パルスのエネルギーが増やされた時、λ約６１７nmの非偏光発光が速く成長した、そして図１のトレース「ｂ」に示されるように狭められた。ポンプエネルギーがさらに増やされた時、二色性のスペクトルが観察された。この二色性のスペクトルは、強く駆動されたリング色素レーザーで報告されたものに類似していることがわかった。６４０nm発光は１００μmより厚いセルで観察されるだけであって、より弱い電子振動遷移上の誘導放出と協働している。図２の一様な円データはポンプエネルギーの関数としての波長積分発光を示す。
TiO2ナノ粒子を含んでいるコロイド溶液が純粋染料溶液で観察された強い飽和挙動を示さないことに注意することは重要である。すなわち、本発明の媒体の使用は高い単色光学エネルギーを飽和させない源を提供する。
図３に示される種々のナノ粒子濃度に対してポンプエネルギーにλ約６１７nmのピークの発光が依存することに気付くことも重要である。特に、図３は、粒子濃度のすべてに対し６１７nmにおいて勾配効率の変化の明瞭な閾値を示す。このデータが対数目盛の上にプロットされる時、結果は図３の挿入図に示されるレーザー挙動の特有のＳ字形曲線である。曲線はほとんど閾値なしのレーザー挙動の非常になだらかな曲率特徴を示し、それは、自然発光モードのすべてがレイジングの能力がある時、直線に接近する。この線形状データの解析は、同じポンプエネルギーにおいて入力／出力挙動での勾配の変化が観察されることを明らかにし、発光線幅は４nmに速く崩壊する。
図4a-4cは、３つの異なったＴｉＯ2ナノ粒子濃度に対するポンプパルスエネルギーの関数としての発光の半値全幅のプロット示す。図4aは参照として純粋染料の線幅（開いている円で示す）をも示す。図４でプロットされた結果は、媒体１２で起きている準定常状態のレーザー挙動をはっきりと示す。
この準定常状態のレーザー挙動は、従来の色素レーザー系の場合であるように、空洞共振器構造中で位置していない光学的ポンピング溶液で起こることに注意することは重要である。
種々のナノ粒子濃度について集められたデータはナノ粒子濃度に関するレーザーの勾配効率、ξ、の相対的な依存関係を決定するために採用された。結果は、臨海値ρc＝５ｘ１０10／cm3まで、ρに対してξの線形依存関係を見せ、ここでは、粒子密度を増加することは、λ約６１７nmの放出光出力の勾配効率におけるかなりの増加を生ぜしめなかった。類似の結果は、類似の散乱平均自由な通路に対応した濃度における他の２つの粒径で観察された。加えるに、散乱効率が１ｘ１０−3Ｍから５ｘ１０-3Ｍの範囲にわたる染料濃度から独立していたことも分かった。
実験のさらなるセットにおいては、異なる波長における発光時間特性曲線を決定するために、セル１０から放出された光は、モノクロメータ２４を通して高速フォトダイオード２６及びオシロスコープ２８に送られた。図5a-5cは、純粋染料のパルス励起毎（７ナノ秒長）の３mJに対して記録されたトレース、強度６１７nm発光及び６４０nm発光ピーク、を示す。これらの結果は、純粋染料及び６４０nm発光がポンプパルスの後に共にピークに達することを表し、他方６１７nm放射線はポンプパルスのピークの前に極大に達することを表した。
８０ピコ秒パルス列の励起は、コロイド染料／メタノール／ナノ粒子溶液１２の時間特性曲線でも閾値挙動を見せた。ポンプパルスエネルギーがレーザー作用の開始のために必要であるより下にあった時、６１４nmのピーク発光は、それが純粋染料溶液で観察したのと全く同じであったすべてのポンプエネルギーにおいて長い４ナノ秒の崩壊を示した。加えるに、大きいバックグラウンド信号が、パルスが到着した時から、13.15ナノ秒毎の励起し緩やかにすることをかろうじて許したパルス繰返し率が、観察された。しかしながら、ポンプパルスエネルギーが閾値ポイントを越えて増やされた時、オシロスコープ２６の３００ピコ秒の分解より持続期間でより短い鋭いスパイクが現われることがわかった。エネルギーにおけるさらなる増加は、ただ鋭いスパイクと、ロックされたモード及びＱスイッチ連続のパルスの間にほとんど完全な回復とをもたらした。これらの結果は図６のオシロスコープのトレースで示される。
図１-６に提示されるデータは、明らかに媒体１２で起こっているそのレーザーまたはレーザー状作用を示す。これは、以下の理由にて述べられる。（ａ）明瞭なポンプエネルギーにおいて勾配変化が観察されたこと、（ｂ）閾値上下の線形入出力挙動、（ｃ）明瞭なポンプエネルギー上にて狭くなっているスペクトル線、（ｄ）閾値励起より上の時間の圧縮。純粋染料混合物で得られた結果とこのデータとの比較はレーザー作用の決定を補強している。
図8aは染料濃度の関数としての臨界横断開口寸法のプロットである。図8bは３．５ｘ１０−3Ｍ染料濃度を有する利得媒体に関したピーク強度対開口大きさ（ミクロン）のプロットである。図8cは利得媒体が３．５ｘ１０-3Ｍ染料濃度を有することに関して発光線幅（ナノメートル）対開口大きさ（ミクロン）のプロットである。図8dは利得媒体の薄い（０．５ミリ厚）モノリシック固体のサンプルの発光強度対波長のプロットである。
利得媒体１２からの発光は、より低度に媒体１２の協働する散乱長のオーダー以下である少なくとも１つの寸法（開口大きさまたは横断寸法）を有している領域にわたって可能であることが分かる。これは、それが応用の広い範囲を可能にするという点で、本発明の重要な局面であり、ここで、小さい体積の中または薄い被覆または層として媒体１２を供給することが望ましい。
次の解析は本発明の質的理解を支援するために提示される。今提示された理論によって本発明の範囲を制限する意志がないとともに、この理論は観察可能な事実と受け入れられた科学的な原理で正確及び一貫していると信じられる。
光学的ポンピングコロイド利得媒体で観察されたレーザー状挙動の説明は、目下、完全には理解されない。一見して、１つは高利得レーザー染料に対しての１種類の非共鳴帰還を供給するようなフォトン拡散に関するものと思う気にさせられる。疑似共振器の起源を上記した実験で明白にしたように、光拡散処理を呼び出すことでの主な問題の１つは、効果が散乱媒体の最も小さい寸法が光学散乱長と比較して大きいことを要求するということである。しかしながら、上記した実験の場合において、レイジング波長における散乱長は、すべてのサンプルの寸法が、フォトンの拡散時間が有意義な概念であるために、数ミリメートルのオーダーのサンプルであることを要求して、典型的に２００−μmのオーダーであった。図8a-8dに関し上記したように、レーザー状挙動は厚く１００μmのサンプルで観察された。実験のさらなる一連では、線幅崩壊が３０μm、または散乱長の６分の１の小さいセル厚みにおいて観察されることができたことは分かった。これらの結果は、その最も単純な形式で、レトコフによって予言された拡散型のモデルが利得媒体１２で観察されたレーザー状作用を説明することに対して不適当であることを提示する。散乱長よりすべて小さい寸法を有し、そして境界において整合した屈折率であるサンプルでの実験がレーザー状挙動をも示す。
媒体１２の散乱長よりさらに小さい寸法を有している領域の中の線幅の崩壊は、前に気付かれまたは認められない染料分子個体数の崩壊で放射するタイプのためであると信じられる。慣習的に、染料分子の個体数が支離滅裂（incoherent）な崩壊を示し、放出された放射線の完全な仕事率はそれぞれの染料分子の仕事率、または仕事率＝ΣAi2の合計である。その代わりに本発明の媒体１２で観察された効果は、理路整然（coherent）とした崩壊メカニズム過程を示すように思われ、これにおいて、放出された仕事率はその代わりとして（ΣAi）2によって与えられる。たとえば、従来の２つの染料分子の体系では完全な放出された仕事率は２であるのに対して、本発明の媒体１２では完全な放出された仕事率は４である。
結果は、数百マイクロメートル以下だけの最も小さい寸法を有した領域からの、高強度または輝度を有している実質的に単色光の放出である。
それで本発明の媒体１２の物理的光学的特性曲線を説明して、説明が今媒体１２を採用する多くの本発明の例示的な実施例について提供されるであろう。これらの実施例のいくつかにおいて、媒体１２は、塗料またはクリームに類似し、被覆または層として提供される。これらの実施例のいくつかのために、染料分子及び散乱粒子は、（興味の波長において）透明な結合剤または高分子のような、マトリックス材基質として提供される。すなわち、染料分子と散乱粒子は基質の中で固定される。以下に続く説明においても、本発明の教示は染料分子だけの使用に模倣限定されないと悟られるべきである。例えば、発明は光または電気エネルギー入力に応じて光を放出するに適当なタイプの（CdSeのような）半導体の小さい粒子でも実現され得る。この実施例においては、半導体粒子は上記された散乱粒子で使われ、またはそれら自身を散乱粒子としてもよい。本発明のさらなる実施例において、利得材料とマトリックス基質は同一であって、そして散乱粒子がずっと分散されるようにするものである。例えば、利得／マトリックス材はポリフェニレンビニレン（PPV）のような高分子で構成され、散乱粒子はPPVで分散されるAl2O3及び／またはTiO2のナノ粒子である。同様にたとえば、CdSe粒子は高分子PMMAで供給され、またはPPVの粒子はPMMAで供給され得る。
図9aが本発明の実施例を示し、媒体１２はディスプレイ装置の画素、レーザー使用中に走査される複数の画素を形成するために採用される。特に、ディスプレーシステム３０は画素平面３２を含み、画素平面は透明な基板３３を含み、透明な基板はその上にまたは表面の中で形成された複数の画素32aを有している。それぞれの画素32aはそのそれぞれが媒体１２で構成されている副画素32bの複数で構成され得る。それぞれの副画素32bは百マイクロメートル以下の寸法を有している。例えば、媒体１２は、それぞれ散乱粒子と結合して異なったタイプの染料分子を含んでいる６つの副画素として設けられる。例示においては、２つの領域（R1及びR2）はスペクトルの赤部分中の波長を放出し、２つの領域（G1及びG2）はスペクトルの緑部分中の波長を放出し、そして２つの領域（B1及びB2）はスペクトルの青部分中の波長を放出する。
１つの実施例においては、LCDアレイ３４はスクリーンまたは画素平面３２の表面に隣接するように配置される。LCDアレイ３４は制御信号によってコントロールされ、放出された放射線を副画素32bの１以上から観察者まで選択的に通過させるようになされている。走査用のレーザー３６は、ビデオ走査シグナルの制御の下で画素アレイ３２を走査するために供給される。画素アレイを走査することは、走査された画素32aの飽和させない副画素32bのそれぞれを構成要素染料分子によって決定される狭い波長帯域で放出させる。散乱粒子の存在のために、所定の副画素32bの出力は観察者に小さい１ポイントの明るい実質的単色光として観察される。光は、それぞれの画素の散乱性質に起因して、コリメートされず、角度の狭い範囲に限定されない。
副画素32bに偶然一致して照点で、１以上のLCDアレイ３４の素子は、選択的に「開かれ」、副画素32bの１以上から観察者まで放出された波長を通過させる。画素アレイがビデオレートで走査される時、視覚の効果は、飽和無しで遠距離においても見ることを可能にする素晴らしいカラー画像の形成を達成できる。
６以下または以上の副画素32bが所定の画素32aのために採用され得ることは悟られるべきである。６副画素の使用は、生成される原色（例えば赤のために６２０nm及び６４０nm）のそれぞれの２つの異なったシェードを可能にし、効率的な充てん密度を供給する形成される六角形の副画素のパターンをも可能にする。
さらなる実施例においては、１つに、それぞれが赤、緑及び青のために、３副画素が設けられる。もう１つの実施例においては、２副画素が、例えば赤及び緑が設けられ、そして画素はカラー青色を供給するレーザーで走査される。
レーザー３６は後部から画素アレイを照らすために配置され得るが、または、ディスプレイの全体的な奥行を減らすために、側面から画素アレイを照らすように配置され得る。
図9bは、表面の上に配置した画素３５の複数を有している基板３３の一部を示す。画素３５は液体形態で堆積され、その後硬化または乾燥される。それぞれの画素は本発明の光学利得媒体で構成されている。図9bの実施例においては、複数の光ガイド３７は表面の上にまたは基板３３の表面の中で設けられ、基板のエッジに沿って配置された（示されない）レーザーから第１の波長を照射される。もし光ガイド３７が光ファイバーであるなら、入力波長の漏れは光学的に隣接した画素のポンピングのために採用される。その代わりにもし光ガイド３７が光導波路型の構造であるなら、光導波路からの放射線のエバネセントカプリングは光学的に隣接した画素のポンピングのために採用される。
発明のさらなる実施例においては、画素３５のそれぞれは、協働する薄膜トランジスタ（TFT）に接続され、これは励起するとき、電荷キャリアを画素中に注入する。この実施例においては、電荷キャリアは画素を所望の波長を放出させるために励起光源として採用されている。
これらすべてのディスプレイ装置の実施例においては、画素は、狭い波長帯域の中で実質的に飽和しない、そして電磁放射線を出力するように作用する。それで、本発明の画素は、容易にテレビジョン、ビデオモニターなどで一般に使われる従来の蛍光体型の画素と見分けがつくことになる。
図10aは本発明の実施例を示し、媒体１２は、入力波長に応じて同時に異なった出力複数の波長を供給するように、透明な基板の表面の上に領域の複数を形成するために、採用されている。
特に、構造４０の横断面図が示され、構造はそれぞれが媒体１２で構成されている１以上の領域または層44a-44dを有している透明な基板４２を含んでいる。各層44a-44dは、（示されない）適当なレーザー源から供給される入力波長（λin）に応じて所望の出力波長（λ1-λ4）を供給するために選択された染料分子を含んでいる。もし層44a-44dが同時に照射されるとき、複数の出力波長は同時に放出される。
構造４０の１つの貴重な応用は、異なった複数の波長を、皮膚の表面、ポートワインしみと入れ墨のような望ましくない皮膚領域に供給してそれを取り去ることである。この場合、層44a-44dは取り去る皮膚領域の形で形成され、それぞれの層が皮膚領域によって強く吸収される波長を放出するような、たとえば、染料分子または半導体粒子が選択されて、これらを含むように形成される。
基板４２は好ましくは、身体の輪郭に沿うように柔軟になされる。基板４２の存在は任意であるけれども、必要な時、所望のパターンで最初に層44a-44dを堆積することは有用であり、皮膚への媒体１２の接触を妨げるのにも有用である。
おのおのが特定の非常に狭い波長帯域を放出する明瞭な空間領域を供給する代わりに、放出された波長を互いに混ぜるように低い角拡散を採用することも本発明の範囲の中にある。
その上に利得媒体を２以上の基板を多層構造で積み重ねることも本発明の範囲の中にある。この場合、上方の基板から放出された波長は妨げられないでより下方の（興味の波長において）透明な基板の部分を通過し、すなわち上の基板から放出された波長がより下の基板上の利得媒体領域をポンピングするために使われ得る。これらの２つ場合は、全体的に図10bで示される。ここで、λ1とλ4が多層状構造を通過し、λ2がλ3を生成するために光学的により低い利得媒体の領域をポンピングするために使われる。
図１１は本発明の実施例を示し、媒体は小さい球体５０の中に収納される。たとえば、球体５０は範囲薬径または層の直径を有する。球体５０は外面５２と媒体１２を含んでいる内部の領域５４とを有する。第１の波長の発光に応じて、媒体１２は、散乱粒子と結合して構成利得媒体によって決定されるように、第２の波長を放出する。
使用においては、大量の球体５０は、例えば、線路または滑走路上にまたは隣接表面のような表面を一面に覆うために採用され得る。レーザー発光に応じて、その球体５０を有している表面の部分は、明るく実質的に単色の光を放出し、それによって目にまたは適当な検出器に対し、表面の特定な部分を容易に識別可能にする。この点に関して、媒体１２はいっそう容易に霧と雨を通過する赤外線または近赤外の波長に応答する染料分子を含んでいてもよい。この応用のための１つの適当な染料がIR１４４として従来技術で周知である。
たとえば、適応制御光学検度のための大気のマーカー付けマーカーのような使用として、小さい利得媒体の物体を大気中に懸濁させることも本発明の範囲の中にある。この場合小さい利得媒体本体は光学的に地上、または地上でもないレーザー源によってポンピングすることができる。
照明のような自然のポンプ源で利得媒体をポンピングすることも発明の範囲の中にある。フラッシュランプで利得媒体をポンピングすることも本発明の範囲の中にある。
さらに本発明の実施例に従うと、球体５０を船の後ろに探知可能な痕跡を残すように水に流れ落すこともできる。これは、たとえば、航空母艦に戻っている航空機の追跡のために航空母艦が探知可能な痕跡を残すことを可能にする。この例で、それぞれの航空機には水表面を照らす適当なレーザー源及び放出された波長を検出するIR可視化アレイのような適当な検出器が設置されている。所定の日またはミッションのための波長の特定な選択は安全保証の程度を供給するように選択され得る。すなわち、航空機には、特定の波長を検出することを予期して、そして予想される波長のために対応するフィルターまたは検出器が提供され得る。
さらにこの点に関して、媒体１２には放出された波長に応答するセンサを有する指令に関して標的を識別するために、エーロゾルまたは液体のような調剤した被覆が採用され得る。一般に、媒体１２は「友人または敵」”friend or foe”検出システムで使用を見いだす。例えば、戦場事態において、すべての乗り物には、所定の波長を放出するために選んだ染料分子を含んでいる媒体１２で覆われた部分が設けられる。レーザー源によって照射される時、ただそれらの被覆を有している乗り物だけが予想される波長を放出するであろう。どんな乗り物も、照らされる時、波長を放出しない、または所定の波長放出することはない。
被覆が物体に直接つけられ、または除去可能なパネルのような、物体の可変性の部分の上につけられるような、低コストの態様で媒体１２が設けられることは評価され得る。たとえば、乗り物は、１つの特定なパネルが所定の一定時間の使用のために指定され、容易に外部の表面の上に設置されるプラスチックパネルのセットに設けられ得る。それぞれのパネルは散乱粒子と利得媒体の被覆を含むことができ、またはそれ自身利得媒体と散乱粒子（例えばPPV及びTiO2の）で構成された本体としてもよい。
図１１の球５０が媒体１２の体積を含んでいることを示すけれども、所望の染料分子と散乱粒子で含ませた高分子から球体を作ることも発明の範囲の中にある。また、球は散乱粒子を含んでいるPPVのような高分子の小さい粒子でもよい。利得媒体を、ある特定のガラスとゾルゲルのような、多孔性の材料に含ませることも発明の範囲の中にある。
母体材料の細穴中及び間隙に含有された染料分子溶液と自身散乱相としての周囲の母体材料との間における屈折率コントラストを使用することも発明の範囲の中にある。この場合、染料分子は光学利得相を提供し、母体材料は基質及び散乱相両方を形成する。本発明によると、ホスト／染料物体の少なくとも１つの寸法は非常に小さく（例えば、層厚または直径で数十または何百マイクロメートル）なされ、適当に励起した時、レーザー状作用を示す。
図12aは発明の実施例を示し、媒体１２は、入力波長λ1に応じて異なった複数の出力波長（λ2−λ5）の１つを供給するために並進可能で透明な基板６０の表面上に複数の領域62a-62dを形成するために採用されている。示す実施例においては、基板１２は、領域62a-62dを有している部分がレーザー６４からの光線出力で配置可能であるように、回転軸を有する。光線内に配置された領域の所定の１つから放出された波長は、入力カップラ66aと出力カップラ66bを有する光ファイバー６６に結合される。放射受信機６８が光学的に出力カップラ66bに結合される。制御装置７０は基板６０を回転させるために機械的に基板６０に結合され（70a）、放出された波長の異なったものを受信機６８に供給する。制御装置７０は、現在基板６０から放出されている波長を受信機６８に知らせるために（70b）、受信機６８に電気的に接続されている。この配置は構築すべき安全な通信システムを可能にし、これにおいて、伝送すべき情報でレーザー６４が変調され、放出された波長は基板６０を回転させることによって周期的かつランダムに変えられる。
本発明の採用された特定の実施例では利得媒体１２と光学励起源との間に相対運動を使用する。動きは全体的に線形、または回転であり、そして利得媒体１２と光学励起の１つまたは両方を物理的に動かすことによって達せられ得る。
図12bは通信システムのさらなる実施例を示し、基板６１は（図9bで示す画素に類似している）領域６３の複数を含む。１束の光学導体６５は、運ぶファイバーが領域６３から放出した光をカップラ66a、ファイバー６６、カップラ66b、受信機６９へと運ぶ。この実施例においては、（示されない）レーザーは、走査された光線に情報を変調する間に、所定の走査のアルゴリズムに従って領域６３の異なったものを走査する。画素の１以上からの発光は受信機６６によって伝送される。受信機６６がレーザー源によって使われた走査アルゴリズムに気付いているかぎり、制御装置の接続は送信器と受信機の間に必要とされない。
発明の他の実施例においては、基板６０または６１は光学源の一部として採用され得、これは、たとえばクロマトグラフィー計装及びレーザーカラープリンタ応用の使用のための単一波長に応じて複数の異なった波長の１つを選択的に供給する。
図13aは本発明の実施例を示し、媒体１２は光ファイバー７２の端部部分７４中、クラッド層の中に含まれで、局地的に制限された領域において所望の波長（λ2）を供給する。レーザー７６は光ファイバー７２の第２の端部中に第１の波長λ1を入力するために採用されている。制限するのではないが、１つの重要なものは、本発明の実施例に対する応用が組織の局地的に制限された領域に所定の波長を有している放射線を供給することである。本発明の実施例の重要な局面は、全方向の放射線パターンが達せられ得ることであるけれども、本発明の範囲の中には、いっそう方向付けられた光線を供給するように集束レンズを含むこと、または、ファイバーの自己集束タイプを使うことを含まれる。
図13bはさらなる実施例を示し、ファイバー72bは光ファイバー７２のクラッド層中で分散散乱粒子を含めた利得媒体を有する。静脈７３のような構造中でカテーテルとして挿入される時、そしてレーザー７６によってカップラ72aによってポンピングされる時、カテーテルは静脈７３の相当な長さに沿って波長の所定の距離の中で電磁放射線を供給するようにされる。これは患者の中で直接光学源を供給するのに有用である。放射線は、組織を除去するよう選択されそれを焼灼する、または多くの所望の医学の手順のどれでも選択される。この実施例への１つの利点はひとつのレーザー源７６が、新規なカテーテル72b、どれとでも結合して、多くの異なった所望の波長の１つを供給するために採用され得るということである。さらに、カテーテルの出力は本来的に全方向であるので、それで同時に内部表面または静脈７３または他の構造の表面の重要な部分を照射してもよい。
この実施例においては、ファイバー72bのコアからクラッドの中に結合される放射線は、クラッド層に含まれる利得材料１２からの発光を励起するために使われる。
所望の波長の発生の効率を改善するようにカテーテルの長さに沿って後方にレーザー放射を反射するようにカテーテルの最終端部において反射器を置くことも発明の範囲の中にある。
図13cは本発明の実施例を示し、クラッド層の一部だけが選択的に周囲の構造の部分のみを放射するように本発明の利得媒体を有する。クラッド層の長さの重要な部分は、図13bのように、交互に利得媒体１２を含むことができ、ファイバーカテーテルの表面は、λ2の放出が１以上の所定位置で起こるように、選択的にマスクされる。図13cと同じく図13dでも、ＴＢは全体的に組織境界を示す。
図13dは本発明の実施例を示し、利得媒媒体１２は光カプラー72aの中で含有されている。この場合波長λ2は組織境界の外側で生成されて、ファイバー72bの下方に発射される。この実施例のためには共通源とファイバーカテーテルが採用され得、所望の波長は光学通路の中に特定なカップラ72aを置くことによって供給される。
図13eは本発明の実施例を示し、ファイバー72bの最終の部分には構造７３が設けられ、ポンプ波長λ1の一部をλ2に変換して、所望の方向へ放射線を向ける。この実施例において、構造７３は第１の部分73aと第２の部分73bとを含み、これらは所定の角で互いに配置されており、そしてファイバーカテーテル72bの最終の端部に傾かせて配置される。部分73aの表面は層または利得材料１２の被覆を含み、他方領域73bの表面は、もし必要なら、反射するようになっている。
図13fが本発明のさらなる実施例を示し、ファイバーカテーテル72bの最終の部分は領域７８を有し、この領域は最終の端部において出力放射線波長λ2が全方向に放出するようにスリガラス状になされ又は乱反射処理されている。
一般に、発明は選択的処置及び／または組織を取り去るための多くの貴重な医学の応用を提供する。例えば、生み出された波長は組織を削除するようにメスに類似した態様で採用され得る。
ファイバー72bは構造の中に差し込むことを必要としないが、しかしそれの表面部を照らすためにも使われ得ることは悟られるべきである。たとえば、図13dの実施例においては、ファイバー７２は手で持たれるために適当な支持物またはそれが可能にするジャケット中に配置され、医者は、外科手術間に、端部から放出される波長λ2を、皮膚など組織の局地的領域または内部組織に選択的に当てることができる。
図１４は本発明の実施例を示し、スクリーン８２を有している投映システム８０は一様にまたは選択的に媒体１２で覆われる。例えば、領域86aと86bだけが媒体１２で覆われる。従来のプロジェクター８４はスクリーン８２の上に映画のような映像を担持した光84aを投影するように使われる。システム８０はレーザースキャナ８８をさらに含み、これは第１の波長（λ1）を有している光線88aをスクリーン６２上、特に領域86aと86bの上に選択的に投影し、速く走査する。光線88aによって走査される時、領域66aと86bは聴衆によって見られる明るく実質的に単色光を放出する。結果として、スクリーン８２の局地的領域が照らされる特殊効果を得ることができる。走査制御信号は、像84aを投影するために使われるフィルムまたは他の映像記憶媒体のトラックの上に同じものを記録することによって、プロジェクター８４から供給され得る。
たとえば、Al2O3と組み合わせた染料クマリン１２０は被覆または層として表面の上に配置され、適当な励起光源で照射されるまで、実質的に観察者に見えないであろう。照射される時、そのクマリン／散乱粒子層の部分は飽和させない素晴らしい青い光を放出する。
発明のさらなる実施例においては、スクリーン８２は印刷された広告メッセージを有している広告板であり、そしてレーザースキャナは、広告業メッセージの選択された部分にて１以上の波長（λ2、λ3）を有する明るい実質的単色光を放出させるため、選択された領域86aと86bにおいて広告板を走査するように、取り付けられている。
一般に、媒体１２は多くの屋外の応用のために採用され得るので、容易に可視または探知可能なマーカーまたは領域を設けることが望まれる。これらの応用は、緊急マーカー、道路バリケード、自動車用道路標識、並びに歩行者及びジョガーのための安全衣類を含むが、しかしこれらに制限されない。媒体１２は路線車線を表わすことに対して、そして道路サインを印刷するペイントの構成要素としても採用され得る。これらの自動車、スクールバス等の応用では、媒体１２で構成されているマーカーを照射する適当な源が設置され得る。
マーカーは、衝突回避のための自動車載置レーザー範囲検索システムを強化するために自動車でも採用され得る。すなわち、マーカーは、適当なレーザー距離計によって照らされる時、自動車から強い、そして容易に探知可能な反射光が得られる。さらに、車両の異なったクラスへの異なった波長の使用は、車両識別を容易に達成させる。
図15aは本発明の実施例を示し、物体92a-92bの複数がそれぞれ媒体１２で構成された被覆領域93a-93bを含む。レーザー９０が物体９２を照らすことにで第１の波長（λ1）を放出する。検出器９４が少なくとも被覆領域によって放出された波長（λ2とλ3）の１つを検出するように配置される。示す実施例において、物体92aはすべて同一であり、すべてが同じ波長λ２を発する。物体92bは波長λ3を放出する。この配置は、例えば、分類と品質管理作業で有用である。これにより、個体数を検出して、そして似ていない物体を取り除くことによって物体の同種の所望の母集団を供給でき、これは望ましいことである。
例えば、物体92aだけの供給が望まれる所定の作業においては、検出器９４には波長（λ3）だけを通過させるフィルターまたは何か他の手段が設けられる。検出器９４の出力は、波長λ3の検出に応じて出力信号を生成する制御装置９６に接続されている。出力信号は音声または視覚の警急信号を生成し、または自動的に物体92bを取り去るために分流加減器メカニズムを作動させるように採用され得る。それぞれの項目は、より大きい選択度を可能にするために、１以上の被覆領域（例えばそれぞれがこれらの領域を含むかも知れない）で、符号化され得る。
図15bは、さらなる実施例を示し、ロボットマニピュレーター腕９８は定められたセット９２を含む複数のボルトのような物体をつかむためにエンドエフェクタ部分98aを有する。発明の実施例においては、このレーザーダイオードのようなレーザー９０は、エンドエフェクタ部分98aの近くの物体を照射するためにエンドエフェクタに設けられている。また、レーザー９０は遠方に設けられてもよく、その出力は光ファイバーを通してエンドエフェクタ部98aに運ばれる。検出器９４は、レーザー９０によって照らされる物体から放出された放射線を検出するために同様に配置される。示す実施例においては、第１の長さのボルトが第１の波長の放射線を放出する媒体１２で構成された被覆領域を含み、他方第２の長さのボルトは第２の波長の放射線を放出する媒体１２で構成された被覆領域を含む。（示されない）マニピュレーター制御装置は特定な波長を放出している物体を選択、または避けるために検出された放射線に応答する。
本発明の実施例が物体を互いに区別するために複雑な画像処理ソフトウェアを必要としないことは評価され得る。その代わりに、物体はそれぞれが発する波長のために本来的に識別可能である。
図１６は本発明の実施例を示し、媒体１２は物体１０２の表面の上に目印、特にバーコード１０４を形成するために採用される。レーザー１００による波長λ1の照射に応じて、バーコード１０４は波長λ2において明るい実質的単色光を放出する。検出器１０６は放出された光に応じて、従来のバーコード読み取り機（示されない）に結合される。本発明の実施例は優れた視覚コントラストを有しているバーコードを提供する。さらに、本発明の実施例はバーコード情報の波長符号化を可能にする。すなわち、すべてまたはバーコード情報の一部は、第２の波長において第１の波長における１つの意味と変化させ、または完全に異なった意味を持たせることができる。この場合バーコード読み取り器は、放出された波長を識別して、検出するために好ましくは、フィルター及び／またはグレーティングのような、波長識別手段をも含む。照射されない時、「見えない」バーコーディングを供給するように実質的に観察者に見えない媒体１２を選ぶことも発明の範囲の中にある。
図１７は本発明実施例を示し、媒体１２は被覆１１４として物体１１０に取り付けられ、物体は内部で波長を伝送し、または被覆１１４によって放出される波長を伝送する。この実施例は短いパルス及び媒体１２の速い応答時間を利用する。波長λ1を放出するパルスレーザ源に応じて、被覆１１４は波長λ2を発光する。放出された光は物体１１０中で伝搬する。物体１１０中に位置している物体１１２のような、不連続性（屈折率における変化）に応じて、波長λ2の一部が被覆１１４を有して表面に向かって反射され戻る。被覆１１４を通して染料分子を通り越す反射された部分は、被覆１１４に含まれる染料分子に種を蒔き、これによって、パルスレーザ源からパルスで同時に照らされる時、被覆１１４の出力波長λ2を強めている。検出器１１６は波長λ2において返されたパルスの振幅を検出するために配置される。返されたパルスは物体１１０の内部の構造に関する時間及び空間の情報を運ぶ。たとえば、本発明の実施例は断層撮影法応用で使われ得、人間の身体中の物体を発見することが望まれる。異なった表面領域において複数の被覆１１４を使って、そして正確に身体１１２の場所を突き止めるために三角測量技術を使用することも発明の範囲の中にある。
図１０の実施例のように、被覆１１４は物体１１０の表面に付ける前に（示されない）透明な基板に付けられ得る。また、被覆１１４は異なった波長において放出するそれぞれ異なった複数の領域で構成されてもよい。この場合、検出器１１６は例えば、適当なフィルター及び／またはグレティングの使用を通して異なった波長に応答する。
一般に、入力されたパルスの間のパルス間隔間（TD）は、放出された波長（λ2）の検出の遅延と組み合わせて、奥行に関する情報及び／または物体１１０の表面から物体１１２の位置を与える。
図１８は、本発明の実施例を示し、媒体１２は第１の波長（λ1）を第２のより短い波長（λ2）に波長変換するために採用されている。たとえば、媒体１２は、薄い層または体積１２０として提供されて、そして強く共鳴的に拡張された２光子吸を収過程（strong, resonantly enhanced two photon absorption process）によって動作する。この応用のための１つの適当な染料は、上記されたように、散乱粒子と結合して使われるDCMである。媒体１２は、７３５nm波長のポンピング時、６３０nmにて放出する。
図１９は発明の実施例を示し、媒体１２はレーザー眼保護プロテクター１３０のレンズ材料上にまたは中に設けられる。この実施例は飽和させない目防護を提供し、入射レーザー放射は第２の波長にて光学信号に換えられる。媒体１２が薄い層として設けられる時、放出されたエネルギーの重要な部分は層中を横断して方向が付される。結果として、入力されたエネルギーの重要な部分は目から離れる方向に向かう。散乱粒子の存在のために媒体１２の体積は実質的に不透明であろう。しかしながら、薄い層として応用する時、本発明の局面に従って、重要な量の光が層を通過することは可能である。媒体１２の薄い被覆または層を使うこの可能性は、もし最も小さい寸法が散乱長よりずっと大きくなるように要求されるならば、困難または不可能であろう多くの応用にとって適当な媒体１２の使用をなす。
たとえば、基板材料が媒体１２と一緒に扱われる織物であり得る。例えば、敵対的な源からの入射レーザー放射に応じて、入射放射パワーの重要な部分は１以上の他の波長の発光に換えられる。これは、織物を着る人に、敵対的なレーザー線源による損傷から防護を提供する。
レーザー源によって照らされまたは照射される散乱粒子及びこれと結合してレーザー染料で主に記述されたけれども、発明の他の実施例においては、化学材料が染料及び散乱粒子と結合して採用され得ることは評価されるべきである。これは、化学発光材料が十分なエネルギーを供給する限り、光学源が染料分子をポンピングために用いる必要条件を取り除く。
１つの適当な化学発光性系は、アルカリ金属塩基（例えば、水酸化ナトリウム）、過酸化水素、非ヒドロキシル溶剤（例えば、フタル酸ジブチル）、シュウ酸塩エステル（例えば、ビストリクロロフェニルシュウ酸塩）を含み、期待されるレーザー染料（例えば適当なローダミン）と結合した適当な散乱相（ナノ粒子、ボイドなど）を含む。
電気的に励起される利得媒体が同じく本発明の範囲の中にいる。例えば、材料PPVは散乱粒子と結合して使われ得、それによって染料を供給要件を排除している。PPVは電気的または光学的に駆動され、レーザーのような光学発光を提供し、またはPPV発光を広げる変化させることを可能にする。
さらに、いくつかの染料の蛍光は、一般にエレクトロクロミック染料として知られていて、１kv／cmのオーダーの電気印加によって調律され得ることは周知である。よって、散乱粒子と結合してエレクトロクロミック染料の使用は広範囲の波長で調律され得る放出された波長を可能にする。発明の局面によると、フィルム膜厚により、相対的適度な電気電位（例えば、１ボルト）だけが電界電位を生み出すため必要とされる。
一般に、本発明（例えば、何十もの波長）の教示によって可能にする利得媒体の領域の非常に小さい寸法のために、所望の実質的単色発光を得るように要求される媒体の体積は、セル構造の大きさのオーダーの上にある。これは、セル動作を観察及び／または影響を与えるために使われ得る媒体１２の極微の量を可能にする。
多くの本発明の実施例の前述の説明の図において、発明の教示の範囲の中に、これら実施例の変更がなされ得ることは悟られるべきである。たとえば、発明の使用は上述されたそれらの特定の応用だけに限定されず、同様に発明は特定の材料、濃度、波長などだけに限定された詳述された教示には限定されない。
たとえば、発明は、励起されまたは自然発生的なラマン効果散乱によって非線形の過程を通して利得を得る実施例においては、採用され得る。これは図20a-20cで示される。図20aにおいて、ラマン効果散乱体系はエンクロージャ１４０中に含まれる非線形の第１の利得媒体（メタンまたはCS2のようなガス）を含む。典型的に、高い入力パワーは利得媒体から発光を促進するために要求される。示す実施例においては、波長（λ1）は複数の鏡１４２に供給され、ポンプ波長の大部分をエンクロージャ１４０中に反射する。ポンプ放射線のいくらかは、媒体１２を含む被覆または本体、セルにそらされる。媒体１２は第２の波長（λ2）を供給し、第２の波長はエンクロージャ１４０の中で具体化されるラマン効果散乱増幅器の閾値を効率的に下げるために種の役を務める。これは線形と対照的に非線形利得メカニズムである。
図20bの実施例においては、媒体１２はエンクロージャ１４０の入力前面の上に設けられ、それによって図20aの実施例を単純化している。
図20cの実施例においては、媒体１２はエンクロージャ１４０の後方の表面の上に設けられる。この構造では、媒体１２は、エンクロージャ１４０の中に後方に種放射線を放出することによって、ポンプ波長に応答する。外部のダイクロイックミラー１４３は第２の波長を所望の光学通路に向ける。この実施例においては、ラマン効果散乱増幅器からの出力光線は非常に狭いピーク（１０-2nm）を有している約４ナノメートル幅のスペクトルを示す。
本発明の応用のさらなる例を図２１に示し、小さい粒子または球体は、約３０ミクロン公称直径を有する。球は媒体１２を、その表面領域中または上に含むか、または球体の体積全体に分布するように含む。励起光源は、球体の約直径まで下がっていて焦点を合わせられる第１の波長を供給する。この実施例においては、球は入力波長を吸収し、そして、媒体１２の速い発光特性のために、ほとんどすぐに第２の波長を放出する。すなわち、媒体１２が実質的に飽和させないという点で、球は繰り返して入力放射線のパルスを受容することが可能である。球体からの放出が等方性であるという点で、重要な力はこの過程によってこの球体に加えられることが示され得る。よって、もし球がエーロゾルまたは液体で懸架されるなら、球体は重要な加熱無しで高い速度で入力されたポンプ光線から遠くへ移動するであろう。
本発明の実施例は直径数十マイクロメートルオーダーの粒子の加速器を提供することは評価され得る。結果の粒子流れは切断や表面侵食ような物質処理のために使われ得る。結果の粒子の流れは、薬のような物質の少量を物体中の指定された領域へ供給するためにも使われ得る。
この実施例は、入力ポンプ光線から受け取ったエネルギーを等方性かつ非常に速くレイジングする媒体１２の能力を利用する。
図２２は定尺度でない横断面図であり、高分子ベースの電気的に電力を供給される発光素子１５０を示し、これは、本発明によって可能となった発光の拡大及び変化から利得を得るものである。発光の拡大及び変化の局面は、図１のトレース「ａ」を図１のトレース「ｂ」と対比する時、明らかである。
装置１５０は、第１の電極１５２、本発明の利得媒体で構成された領域１５３及び実質的に透明な第２電極１５４を含む。電力（ＡＣまたはＤＣ）の源が概略的に電極１５２と１５４の向こう側に結合される電池１５６であることが示される。
領域１５３は、本発明に従って加えられた適当な寸法（例えば３０Åから５０Å）の散乱粒子を有するポリフェニレンビニレン（PPV）のような有機高分子からなる層（約５，０００Åから約１，０００Åの範囲の中で層厚を有している）で構成されている。電極１５２は酸化アルミニウムで構成され、スピンコートされた領域１５３を有している。透明な電極１５４はインジウム-酸化スズ（ITO）で構成されている。
動作において、電池１５６からの電荷キャリアの注入は周知の態様でPPVから放出を生ぜしめる。本発明によれば、散乱粒子は、図１のトレース「ａ」で示されるように、PPVの発光の拡大及び変化を起こす。
PPV発光を吸収して、そして再度放出する領域１５３に適当な染料を加えることも本発明の範囲の中にある。
図２３は本発明の局面により形成された電気的動作光学源１６０の定尺度でない横断面図である。これにおいて、本発明の利得媒体１２は被覆１６４として半導体レーザーダイオード１６２の発光前面に付けられ、レーザーダイオードの基本発光波長（λ1）とは湖となる波長（λ2）の発光を供給する。概略的に電池１６６として示された適当な電力は、従来の態様でレーザーダイオード１６２の接合にわたって印加される。レーザーダイオード１６２は利得スイッチモードで動作され、示すように、横または縦の発光タイプである。
本発明の実施例は、被覆１６４の選択された利得媒体の光学的特性の関数として、多くの異なった所望の出力波長の１つを供給するようにカスタマイズできる単一タイプのレーザーダイオードを可能にする。
図24aは定尺度でない立面図であり、図24bは定尺度でない上面図であり、これらは本発明の実施例を示す。これらにおいて、本発明の利得媒体１２は、第２の利得媒体の要件にポンプ波長（λ1）を調律するように、流れている染料溶液またはレーザー棒のような第２利得媒体１７２をポンピングするスペクトルコンバータとして用いられる。このポンプ源１７０は、利得媒体１２の被覆または層１７４を採用し、これは光学ポンプ１７６、例えばフラッシュランプと第２の利得媒体１７２との間に挿入される。被覆または層１７４は、第２の利得媒体１７２に最適またはほとんど最適であるとして選択される発光波長（λ2）を提供する。本発明の実施例は、第２の利得媒体１７２の光ポンピング波長を最適化し、そして単一タイプのポンプ源１７６によって、いろいろな第２の利得媒体が使われることを可能にする。
本発明によって可能となった多数の応用と実施例に鑑みて、本発明の教示がただ明らかにされた応用と実施例とだけに発明の範囲が限定されるように意図されてないと、注意されるべきである。
例えば、性能を改善するために利得媒体に１以上の添加剤を採用することも発明の範囲の中にある。例えば、COTまたはヘキサトリエンのような、染料トリプレットクエンチャは、染料及び散乱粒子と結合して使われ得る。これは媒体１２の準連続動作を可能にする。同じくたとえば、DABCOのような、染料延命剤が添加剤として採用され得る。同じくたとえば、ARQUDEのような、染料を可溶性にしている添加剤が採用され得る。利得媒体がPMMAのようなアクリル酸プラスチックに取り入れられる系のために、可溶性にする添加剤HEMAはプラスチックで選択された染料の溶解度を強化するために採用され得る。
本発明が多相の系である利得媒体を教えることは明白である。これにおいて、第１相は電磁放射線の放出及び増幅する相であり、第２相は電磁放射線の散乱相である。第３相は透明なマトリックス相である。
例だけではあるが、放出増幅相は、１以上のタイプの染料分子及び／または半導体ナノ結晶を含み得る。散乱相はAl2O3、TiO2、SiO2もしくはFe2O3のような酸化物粒子、またはAuもしくはAgのような金属粒子で構成され得る。マトリックス相はメタノールエチレングリコール、DMSOもしくはH2Oのような液体、またはクリーム、ゲルもしくはエポキシのような半液体を含み得、またはPMMA、にPPV、ポリエステル、またはポリスチレンのような高分子の固体から選択され得る。
散乱相は、一般に酸化物ナノ粒子、金属、または半導体のような高屈折率コントラスト散乱サイトとして具体化される。散乱用サイトは、多孔性の基質または基板中のボイドとして、同じく及び／または基質中の点欠陥と不連続性として、単独または粒子と結合して、具体化され得る。
半導体ナノ結晶の使用に関して、参照文献は「準単分散CdE（Ｅ＝Ｓ、Se、Te）半導体ナノ結晶子の合成と特性評価」と題を付けられた刊行物、シー．ビー．マリー及びその他、ジェイ．エーエム．化学学会、１９９３年、１１５、８７０６−８７１５（”Synthesis and Characterization of Nearly Monodisperse CdE (E=S, Se, Te) Semiconductor Nanocrystallites”, C.B.M urray et al., J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 8706-8715）があり、これは、直径約１２Åから約１１５Åまでの半導体ナノ結晶または結晶粒子を作り出すための方法を教示し、本発明の実施する使用に適している。一般に、多くの第II-VI属と第III-Ｖ属のダイレクトギャップ半導体は採用され得、そして多孔性シリコンのような間接的ギャップ材料も用いられる。
いくつかの発明の実施例においては、半導体粒子が採用される時のように、放出及び増幅する相及び同じく散乱相は同じ相である。利得媒体で構成された物体、層または領域の最も小さい寸法は、より低度に散乱相と協働する散乱長のオーダー以下である。利得媒体は、板、ブロック、または球のようなモノリシックワンピース構造の中で具体化され得、または基板中または上に１以上の層または領域として配置され得る。適当な基質はガラス、誘電体、高分子、利得媒体それ自身の層、組織、半導体材料、織物と金属を含む。
本発明のさらなる局面は、染料、高分子、半導体及び他が発光源から発光波長帯域を拡大し変化させる方法であり、以下の行程からなる。
（ａ）散乱粒子またはサイトの複数と結合して、染料分子または高分子の１以上のタイプのような光学エミッタ、並びに発光波長帯域で実質的に透明な媒体、で構成されたサンプルを供給する行程。
（ｂ）電流で、または光学エミッタから放出を生成するのに適当な波長を有する電磁放射線で、サンプルの中にエネルギーを入力する行程。
（ｃ）散乱粒子またはサイトで発光を散乱することによって光学エミッタから発光波長帯域を拡大し変化させる行程。
熱源として利得媒体から放出される電磁放射線を採用することも本発明の範囲の中にあることは明白である。
さらに、そして前に示されたように、本発明の教示は、媒体１２中でレーザー状作用の発生をもたらす基礎となる電気-物理-光学過程の特定の説明または理論的な原理によって請求の範囲が限定されているように意図されない。
それで、本発明の教示は、後に続く請求の範囲と等しい範囲を与えられることを意図する。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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【図８ｄ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１１】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１３ａ】
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【図１３ｂ】
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【図１３ｃ】
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【図１３ｄ】
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【図１３ｅ】
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【図１３ｆ】
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【図１４】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１５ａ】
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【図１５ｂ】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０ａ】
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【図２０ｂ】
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【図２０ｃ】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４ａ】
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【図２４ｂ】
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