CN1061787C - 含有强散射增益介质以提供类似激光器作用的光源 - Google Patents

Abstract

一种包括一多相系统的增益介质，其中第一相为电磁辐射的发射相；第二相为电磁辐射的散射相；第三相为透明的基质相。该发射相可由染料分子构成，该散射相可由高对比粒子构成，而且该基质相可由溶液(例如甲醇)构成。在本发明的某些实施例中，发射和散射相可为同一个相，如当使用半导体粒子时。由该增益介质构成的实体，其最小尺寸可以小于与散射相相关联的散射长度。可以证明，接近无阈激光状态，可以在包含有胶质的TiO₂或Al₂O₃红宝石毫微粒子的强散射光泵浦染料一甲醇溶液中观察到。来自此高增益胶体的发射，在高于临界泵浦脉冲能量下在其线的输入-输出特性中呈现出斜率变化。这种斜率方面的变化，使以二色性光谱出现在高泵浦能量下的光谱线变窄。

Description

含有强散射增益介质以提供类似激光器作用的光源

相关的专利申请参考

本专利申请与Nabil M．Lawandy于1994．3．18提出的共同未决申请No．08／210．356有关，其发明名称为“含有掺杂的毫微半导体晶体的光学增益介质以及光学散射体”(代理人案号No．317-945033-NA)。

发明领域

本发明一般说来涉及电磁辐射能光源，尤其涉及高单色性的(窄谱线宽度)光源。

发明背景

在名称为“通过具有负共振吸收的散射介质产生光”的出版物中，参见苏联物理JETP，Vol．26，No．4，1968．4，PPS．835-839，V．S．Letokhov对由具有负共振吸收或增益的散射介质产生光提出了理论分析。该分析要求光子的平均自由行程(As)必须小于激活散射区域的全部尺寸(R)，参见其公式1。在对产生阈条件的讨论中，所提供的例子是对半径为2×10^-4cm的球形分布的红宝石粒子的光激励(λ=7×10^-5cm)，所得到的激活散射区临界半径表明约为4mm。Letokhov还对分布在具有负吸收的气体介质(例如受放电激励的He-Ne或者He-Xe混合气体)中的散射粒子提供了理论分析。散射粒子被认为完成的是非共振反馈，而气体激活介质完成的是共振放大。对于该气体介质来说，其临界作用半径被认为约1．8cm。发射光谱的连续变窄是所预见的。

在这方面可参见发表在ZnETF等离子体5，No．8，1967，4，15(PPS．262-265)上的较早的Letokhov的理论性文章，题目为“具有负吸收的散射粒子系综的受激发射”，其中介质的尺寸给定为R＞＞As＞＞λ，如前所述，此处R为介质的尺寸；As为由散射造成的光子的平均自由行程；λ为光子的波长。

也可参见Ambartsumyan R．V，Basov N．G，Kryukov P．G以及Letokhov V．S．发表在《量子电子学进展》(Sanders J．H．和Stevens K．W编辑)109-185(Pergamon出版社，牛津，1970)上面的文章，其中在152-153页理论性说明的事例，是当由散射造成的光子的自由行程As-1／Qs No，云状物(cloud)占有区的平均尺寸R，以及发射波长λ满足以下关系时，

                     R＞As＞λ而且其中散射粒子间的平均距离要比波长大很多。

在Letokhov的方法中显见的一个问题是，介质的全部尺寸必须比散射长度大很多。例如要求介质的每个尺寸为厘米数量级。这些尺寸方面的要求，将会妨碍该介质用在许多有价值的高空间分辨率应用。

例如，一种按照Letokhov技术不能够实现的特别有价值的应用是：形成包括有增益介质的薄层、涂层或者基质。另一个例子是其半径与散射长度相差不大或小于它的球或者圆柱体。

进一步的问题是，要求在气体介质而尤其是在受到放电激励的气体介质中提供散射粒子。这在实际上可能是难以实现的，且对大多数应用可能是做不到的。

本发明还可参见题目为“在呈现化学反应的光散射介质中受激非相干辐射的产生”的文章，参见苏联《量子电子学杂志》12(5)，1982，5，PPS．588-594，其中I．A．Izmailov等人提出，由散射得到的反馈，在弥散的反应介质中可被用来实现激光作用。这种化学泵浦激光的可能性，是在对于氧化性气氛中多相燃烧一滴燃料的计算结果的基础上预计出来的。No和O₃，Ba和S₂Cl₂以及Ba和N₂O之间的反应，被具体计算出来。

建立在此方法上的激光器中，假如在实际场合完全能够实现，则会出现局限于很窄范围内的专业化应用。

本发明还引用下列三份美国专利，其所全部公开和要求保护的发明，都是由本专利申请所公开发明的发明人作出的，这三份专利是：1992年10月20日公布的名称为“二次谐波的发生和由块状的锗硅酸盐和铝硅酸盐玻璃构成的自倍频激光材料”的美国专利No．5，157，674；1993年8月3日公布的美国专利No．5，233，621，乃是前述专利的分割；以及1993年10月12日公布的名称为“光学编码相位匹配的二次谐波发生器以及使用半导体微晶粒掺杂玻璃的自倍频激光材料”的美国专利No．5，253，258。

发明概述

上述以及其它一些问题，通过根据本发明第一方面的增益介质可以克服，它是一个多相系统，其中：第一相为电磁辐射的发射和放大相；第二相为电磁辐射的散射相；而第三相为透明的基质相。例如，发射相可以由染料分子构成，散射相可以由Al₂O₃粒子构成，而基质相可以由溶剂例如甲醇构成。在本发明的某些实施例中，发射相和散射相可以是同一相，如当使用半导体粒子时。由增益介质构成的基体的最小尺寸，可以小于与散射相关联的散射长度。

在本发明的进一步实施例中，基质相具有增益，例如聚合物PPV以及为散射目的添加的粒子。

在本发明的一个具体实施例中，类似激光器的活性，是在激光激励的含有染料(例如若丹明)和高折射率对比的毫微粒子(例如TiO₂或Al₂O₃)的甲醇溶液中产生的。此增益介质显示出高效激光光源的许多性质，并且具有接近无阈值(thresholdless)输入-输出特性。类似激光器的活性被定为拥有一种条件，其中非常有限的激励引起发射的输出线宽变窄。

有重要意义地是，现有技术中在尺寸方面的固有障碍被克服了。它表明，类似激光器的活性，是当增益介质所具有的尺寸稍大于、等于或者甚至小于光子在该介质中的散射长度时出现的。这同上述Letokhov等人预告的尺寸方面的要求形成尖锐对比。

在本发明的实施例中，接近无阈值的类似激光器特性，是在含有胶体TiO₂或Al₂O₃毫微粒子的强散射的光学泵浦的染料-甲醇溶液中得到的。来自光学泵浦的高增益胶体介质的发射，表明在其对临界泵浦脉冲能量的线性输入-输出特性方面呈现出斜率变化。这种斜率变化，是以使用某些染料在高泵浦能量下出现的二色性谱线为特征，伴随以输出谱线宽度的显著变窄。用80微微秒的脉冲在532nm波长下激励胶体介质，发现引起比光学检测系统的300微微秒时间分辨率短的发射，因而证实类似激光特性的存在，而且不仅是荧光特性。

附图简介

本发明的上述各个方面，在对本发明的以下详细描述中更加明白，并被更全面地描述，可被用来连同附图一起阅读，其中：

图1用图解法说明三种不同的发射光谱，它们是使用由激发源激励的纯染料得到的曲线“a”，使用在阈值激励以下的染料与散射粒子组合得到的曲线“b”，以及使用在阈值激励以上的染料与散射粒子组合得到的曲线“c”。

图2表示波长积分发射作为泵浦脉冲能量函数的曲线图，对于图1中纯染料溶液的曲线“a”为空心的圆圈，对于图1中TiO₂毫微粒子胶体(2．8×10¹⁰／cm³)的染料溶液的曲线“b”为封闭的圆圈。

图3表示对于四种不同的TiO₂毫微粒子密度的峰值发射作为泵浦脉冲能量函数。具体说来，毫微粒子密度为1．4×10⁹／cm³，7．2×10⁹／cm³，2．8×10¹⁰／cm³以及8．6×10¹¹／cm³，分别用实心圆、菱形、正方形和三角形表示．插图表示对于毫微粒子密度为2．8×10¹⁰／cm³的对数标度数据。

图4a-4c表示对于三种不同的TiO₂毫微粒子密度下发射线宽作为泵浦脉冲能量函数。更确切地说，图4a-4c分别对应于密度5．7×10⁹／cm³(实心圆)，2．8×10¹⁰／cm³以及1．4×10¹¹／cm³。图4a中的空心圆圈，表示图1中曲线“a”的纯染料溶液的发射线宽作为泵浦脉冲能量的函数。

图5为曲线图，其所绘制的是对由香豆素440和散射粒子组成的增益介质其强度与波长的关系曲线。

图6a-6c表示图1中曲线“a”的染料溶液(图6a)以及图1中曲线“b”的TiO₂／染料溶液对一个80微微秒的长脉冲序列的响应曲线，其中图6a表示最高脉冲能量下纯染料的响应，而图6b及6c则分别表示在低泵浦能量(1．2×10^-2毫焦耳／脉冲)和高泵泵浦能量(1．2×10^-1毫焦耳／脉冲)之下，TiO₂毫微粒子(2．8×10¹⁰／cm³)胶体染料溶液的响应。

图7为包括一个可提供类似激光器特性的简化机构图，由此产生出图1-6中表示的数据。

图8a为临界横向孔径尺寸作为染料浓度函数的曲线图；图8b为对于具有3．5×10^-3克分子浓度的染料的增益介质，其峰值强度与孔径大小(微米)的关系曲线；图8c为对于具有3．5×10^-3克分子浓度的染料的增益介质，其发射线宽(毫微米)与孔径大小(微米)的关系曲线；图8d绘出的是对于薄的(0．5mm厚)单片固体增益介质样品，其发射强度与波长的关系曲线。

图9a及9b中每一个表示本发明的一种实施例，其中的增益介质被应用来形成显示装置的许多象素，该象素在使用时由激光器对其进行扫描。

图10a表示本发明的一种实施例，其中的增益介质被应用来在透明基片的表面上形成许多区域，以便响应于输入波长同时提供许多不同的输出波长。

图10b表示多层结构的许多含有增益介质的基片。

图11表示本发明的一种实施例，其中的增益介质被封装在小球内。

图12a和12b中每一个表示本发明的一种实施例，其中的增益介质被应用来形成许多区域，其中每一区域响应输入波长发出不同的输出波长。

图13a-13f中每一个表示本发明的一种实施例，其中的增益介质包含在一部分光纤或者导管中，以便在固定区域提供所需要的波长。

图14说明本发明的一种实施例，表示一种带有荧光屏的系统，该荧光屏有选择地涂敷增益介质，而且激光扫描器被用来有选择地使该介质发出所需要的确定的波长。

图15a和15b中每一个表示本发明的一种实施例，其中许多物体中的每一个都包括一由该增益介质构成的涂层，用于照射该物体的激光器，以及用来检测该涂层发出的波长的检测器。

图16表示本发明的一种实施例，其中该增益介质被应用来在物体表面上形成一种标记，具体说来是一种条形码。

图17表示本发明的一种实施例，其中该增益介质作为涂层(固态或者半固态)被施加在能够在其内部传输该涂层发出的一或多种波长的物体上。

图18表示本发明的一种实施例，其中该增益介质被应用来将第一种波长上转换为第二种较短的波长。

图19表示本发明的一种实施例，其中该增益介质作为涂层被应用在眼镜的镜片上，以提供对眼的激光防护。

图20a-20c表示该增益介质在非线性喇曼散射实施例中的应用。

图21表示包含该增益介质的粒子由于输入泵浦光束施加的力而被加速。

图22为聚合物基的电驱动发光器件的截面图(未按照比例)，本发明有利于该器件的发射增宽和频移。

图23为本发明的激光二极管实施例截面图(未按照比例)，其中该增益介质作为涂层被施加在激光二极管的发射面上，以在不同于该激光二极管的基本发射波长的波长上提供类似激光的发射。

图24a为表示本发明一种实施例的正视图(未按比例)，图24b为其顶视图(未按比例)，其中本发明的增益介质被应用在泵浦第二种增益介质(例如染料溶液或者激光棒)，以便将泵浦波长调谐在第二种增益介质上。

发明详述

为了详细描述本发明的一些新的实施例，首先对一些能够清楚地说明本发明增益介质实施例许多新性能的实验结果作出描述。

实验描述：

实验是在带有变化量的或是TiO₂(金红石)，或是Al₂O₃(α-相)毫微粒子的甲醇中含有1×10^-3到2．5×10^-3克分子浓度的若丹明640染料的溶液上完成的。TiO₂粒子具有250nm的平均直径，Al₂O₃粒子的直径或是280nm，或是33nm。TiO₂的粒子被涂敷一层Al₂O₃以防止絮凝。

以该粒度和密度为基础，曾经确定，这些胶体的长度为1cm时沉积时间分别为14．2小时、6．6小时和882小时。这些时间显著地要比约为30分钟到1小时的实验时间长。

此外，曾经确定适用于将染料分子吸收到毫微粒子上的总的表面面积。具体说来，曾经发现TiO₂粒子具有13．4米²／克的表面面积适用于接纳染料分子。此值表明，在粒子密度ρ-10¹⁰／cm³的情况下，约有1％的2．5×10^-3克分子浓度染料溶液的染料分子可被接纳在毫微粒子表面上。这一上限，实际上限制了其表面效果在观察该胶体溶液类似激光性能方面起显著作用的可能性。

毫微粒子的光散射性能是在米氏散射范围内。曾经使用全米氏溶液计算出在大约617nm的峰值染料发射波长下的散射横截面，并且发现非常小，以致不能呈现任何形态上的反响。这被认为主要是由于小尺寸的参数x=ka，其中k为甲醇中的发射波矢量，a为粒子半径。利用对于TiO₂、Al₂O₃和甲醇的折射率值为2．62、1．77和1．33，对于TiO₂和两种尺寸的Al₂O₃粒子分别确定其散射横截面值为1．86×10^-9cm²、1．13×10^-9cm²和1．0×10^-13cm²。

如图7中表示的那样，在感兴趣的波长下为透明的盒10，盛装有溶液12，该溶液12拥有在10^-3克分子浓度范围下掺杂若丹明640高氯酸盐的毫微粒子的甲醇胶体。该盒10具有1cm×1cm×1cm的标称尺寸。

应当指出的是，这些盒的尺寸是在进行实验中为了方便而选择的。即，正如以下将要描述的那样，这些盒的尺寸并不认作是对本发明粒子的限制。

该溶液12以离轴方式被来自工作在1．064mm波长的Nd：YAG倍频激光器14的线偏振的532nm波长的辐射光泵浦。这些实验或者使用能够产生7毫微秒单脉冲的调Q激光器来进行，或者使用能够产生含有九个80微微秒的长脉冲的125毫微秒的长序列的调Q及锁模的激光器来进行。波长532nm的辐射，被发现具有很小的50μm的信号穿透深度，透进2．5×10^-3克分子浓度的纯染料的甲醇溶液中，使其比任一实验中使用的最短的光学散射长度(Is)还要小。在盒10的入射面10a上，激光光点16的面积，对于7毫微秒的脉冲被测量为2．5×10^-2cm²，对于80微微秒的激励为7．85×10^-3cm²。使用长脉冲的测量是在5Hz的重复速率下完成的，而80微微秒脉冲的测量，是在25Hz的调Q速率下完成的。

这些低的重复速率被用来避免任何染料降解作用，并不是对本发明实际应用的限制。作为实验用的每一脉冲的最大能量，对于长脉冲和短脉冲分别约为10毫焦耳和0．12毫焦耳。来自溶液盒10的面10a的输出，利用透镜18收集，并被送给带有液氮冷却的电荷耦合器件列阵22的光学多通道分析器20，以及通过单色仪24送给快速光电二极管26和具有300微微秒总时间分辨率的示波器28。

实例

第一系列实验，是利用7毫微秒的长脉冲泵浦2．5×10^-3克分子浓度的若丹明640高氯酸盐的甲醇溶液在溶液盒10中来实现的。激励这种纯染料溶液得到的光谱，表示在图1中的曲线“a”。此谱线显示的主峰在610nm以及肩部在640nm。此谱线被发现对于高达10毫焦耳的整个泵浦脉冲能量范围保持不变。其波长积分荧光作为泵浦能量的函数，该能量对0．26毫焦耳的饱和能量呈现出饱和状态，并且通过一些空心圆圈表示在图2中。此饱和能量与光斑大小和泵浦脉冲持续时间一起，与I_s-hv／σ_pτ_sp=0．7兆瓦／厘米²给出的饱和强度相一致，其中σ_p为在532nm波长下的泵浦吸收横截面(σ_p-1．33×10^-16cm²)，而且τ_sp为s₁→s₀的自发寿命(4毫微秒)。

类似的光泵浦实验，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。这些实验的结果显著地不同。与纯染料溶液的36nm的线宽相比，在最低激发下的谱线呈现出76nm的线宽。当激励脉冲的能量增加时，在λ-617nm的波长下的非偏振发射迅速增长而且变窄，如图1中曲线“b”所示。当泵浦能量更进一步增加时，二色性光谱便被观察到。这种二色性光谱被认为与采用强激励的环形染料激光器所报道的谱线类似。波长为640nm的发射仅在厚度大于10μm的溶液盒中观察到，而且与微弱的振动跃迁(vibrionic transition)状态下的受励发射相关联。图2中的实心圆数据，表示波长积分发射作为泵浦能量的函数。

需要着重指出的是，含有TiO₂毫微粒子的胶体溶液，并不呈现在纯染料溶液中观察到的强饱和状态。就是说，使用本发明的增益介质能够提供不饱和的高单色性的光源。

还需要着重指出，波长λ-617nm的峰值发射对泵浦能量的依赖关系，对于各种毫微粒子浓度表示在图3中。更具体地说，图3表示对所有粒子浓度下对于617nm波长的斜度效率变化的意义明确的阈值。当此数据按对数比例绘制时，其结果就是图3的插图中表示的作为激光器性能的具有特征性的S-形曲线。此曲线呈现出接近无阈激光器性能的非常平缓弯曲的特性，当所有的自发发射模能产生激光时，便趋近一条直线。通过对此直线形状数据进行分析揭示，在输入／输出特性中观察到斜率变化场合下的同样泵浦能量下，其发射线宽迅速地压缩到4nm。

图4a-4c表示对于三种不同的TiO₂毫微粒子浓度，所有半发射宽度作为泵浦脉冲能量函数的曲线。图4a还表示作为参考的纯染料的线宽(以空心的圆圈表示)。图4中绘出的结果，清楚地表示出介质12中出现的准稳态的激光特性。

需要着重指出的是，这种准稳态的激光特性出现在并不位于谐振腔结构中的光泵浦溶液中，如对于普通染料激光系统那样。

对于各种毫微粒子浓度采集来的数据，被应用来确定激光器的斜度效率ζ对于毫微粒子浓度的相对关系。其结果显示ζ对于ρ的线性关系，以直到临界值ρ_c=5×10¹⁰／cm³为止，其中对在λ-617nm波长的被发射光输出来说，粒子密度的增加不会引起斜度效率的明显增大。类似的结果，对于密度与可比的散射平均自由行程相对应的其它两种粒度也被观察到。此外，曾经发现，散射效率并不取决于整个1×10^-3至5×10^-3克分子浓度范围的染料浓度。

在另外一组实验中，由溶液盒10发射的光，通过单色仪24被送到快速光电二极管26和示波器28上，以便确定不同波长上发射的时间特性。图5a-5c表示为每脉冲(7毫微秒长)3毫焦耳激励纯染料记录的曲线，强发射在617nm，发射峰在640nm。这些结果表明纯染料以及泵浦脉冲之后640nm的发射双峰，而在泵浦脉冲峰值之前617nm的辐射达到最大值。

用一个80微微秒的脉冲序列进行激励，在胶体染料／甲醇／毫微粒子溶液12的时间特性方面也能显示出阈值特性。当泵浦脉冲能量低于激光作用开始所需要的能量时，614nm波长上的峰值发射在所有泵浦能量上呈现长4毫微秒的下降(decay)，其与纯染料溶液中观察到的情形完全相同。此外，可以观察到大的背景信号，因为这些脉冲达到每个13和15毫微秒的脉冲重复频率才认此激励驰豫。然而，当此泵浦脉冲能量增加到超过阈值点时，便出现一个其持续时间比示波器28的300微微秒分辨率短的尖峰脉冲。进一步增加能量，只能产生尖峰脉冲以及锁模脉冲序列和调Q脉冲序列之间接近完全的恢复(recovery)。这些结果表示在图6的示波器曲线中。

以上参照图1-6给出的数据，清楚地表明类似激光的活性是在介质12中出现的。这可以说，因为，(a)在意义明确的泵浦能量下观察到斜率方面的变化；(b)线性的输入一输出特性两者低于和高于阈值；(c)在高于意义明确的泵浦能量下其谱线变窄；以及(d)在高于阈值激励下的时间压缩。将这些数据与对于纯染料混合物得出的结果进行对比，增强了对于激光作用的这种判定。

图8a为临界横向孔径尺寸作为染料浓度函数的曲线；图8b为对于具有3．5×10^-3克分子浓度染料的增益介质，其峰值强度与孔径大小(微米)关系的曲线；图8c为对于具有3．5×10^-3克分子浓度染料的增益介质，其发射线宽(毫微米)对孔径大小(微米)的关系曲线；图8d则绘出对于薄的(0．5mm厚)单片固体增益介质样品，其发射强度对波长的关系曲线。

可以看出，来自增益介质12的发射，可能遍及其至少一个尺寸(孔径大小或者横向尺寸)小于或者具有介质12的相关散射长度数量级的范围。这是本发明的一个重要方面，它使广泛范围的应用成为可能，其中需要在很小的体积中提供介质12，或者作为薄的涂层或薄层来提供。

以下提出的分析是为了帮助定性地理解本发明。尽管目的不是通过现在提出的理论来限定本发明的范围，然而该理论被认为是准确的且与能够观察到的事实相符，而且是可以接受的科学原理。

对于所观察到的光泵浦胶体增益介质具有的类似激光特性的解释，目前还不能完全理解。初看起来，人们被诱惑根据光子扩散认为对于高增益的激光染料可提供一种非共振反馈。在以上详细描述的实验中，要求光散射过程作为赝谐振腔起源变得明显的主要问题之一在于，该效果要求散射介质的最小尺寸比光散射长度要大。然而，在以上详述的实验情况下，在发射激光的波长上的散射长度一般为200μm的数量级，于是要求该样品的每一个尺寸为n毫米的数量级，以使光子的扩散时间成为有意义的概念。如以上关于图8a-8d描述的那样，类似激光的特性曾在100μm厚的样品中观察到。在进一步的一系列实验中，曾经发现线宽度压缩能够在溶液盒的厚度小到30μm或者为散射长度的六分之一时观察到。这些结果暗示，以其最简单形式存在的由Letokhov预示的散射型模型，对于解释增益介质12中观察到的类似激光活性是不适当的。对于其每一个尺寸均小于散射长度而且折射率在其边界上匹配的样品进行的实验，也呈现出类似激光的特性。

在其尺寸小于介质12散射长度的区域内线宽度的压缩被相信，可能是由于以前未被观察到的或者未被认出的类型的染料分子总数的辐射衰减的缘故。按照惯例，染料分子的数目呈现出非相干性衰减，其中被发射的辐射的总能量乃是每个染料分子能量之和，或者能量=∑A_i ²。在本发明的介质12中观察到的效果，替代以看上去呈现出相干衰减机制的运转，其中被发射的能量替代以(∑A_i)²给出。举个实例，对于一个普通的双染料分子系统来说，总发射能量将为2，而对于本发明的介质12来说，总发射能量为4。

这个结果也就是来自其最小尺寸只有几百微米或者更小的区域的发射，实质上为具有高强度或高亮度的单色光。

拥有如此描述的物理和光学特性的本发明的介质12，现在将对应用该介质12的本发明的一些实例性的实施例提供描述。在这样一些实施例中，介质12被作为类似于涂料或者乳剂的涂层或者薄层来提供。对于某些这样的实施例来说，染料分子和散射粒子的供应，连同对感兴趣的波长为适合的透明的粘合剂或基质材料(例如聚合物)一起。就是说，染料分子和散射粒子被固定在基质中。而且在随后的描述中，应当意识到，本发明的教导并不局限于只使用染料分子。例如，本发明也可以使用小的半导体(例如CdSe)的一类适合于响应输入的光能或电能的发光粒子来实施。在此实施例中，半导体粒子可以使用带有上述散射粒子的，或者将其本身用作散射粒子。在本发明的进一步实施例中，增益材料和基质为一种和同一种，并且带有遍布分散的散射粒子。例如此增益／基质材料是由聚合物构成的，例如对聚苯乙烯(PPV)，而且散射粒子是Al₂O₃和／或TiO₂的粒子，与PPV一起被分散。还可举个实例，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。

图9a表示本发明的一种实施例，其中的增益介质12被应用来构成显示装置的许多象素，这些象素在使用时被激光进行扫描。更确切地说，显示系统30包括一象素平面32，该象素平面32包括一透明的基片33，其上带有许多在其表面上或表面内形成的象素32a。每一个象素32a可以由许多子象素32b组成，每一子象素32b又由介质12构成。每个子象素32b可以具有100微米或者更小的尺寸。仅举一个例子，介质12被作为六个子象素来提供，每一子象素包含一个不同类型的染料分子与散射粒子的组合。在所表示的实例中，六个区域中的两区域(R1和R2)，发出的波长在光谱的红光部分；G1和G2两个区域，发出的波长在光谱的绿光部分；B1和B2两个区域，发出的波长在光谱的蓝光部分。

在一实施例中，液晶器件(LCD)列阵34被定位在与荧光屏的表面或者象素平面32邻接。此LCD列阵34由控制信号进行控制，以便有选择地让由一或更多个子象素326发出的辐射传送给观察者。扫描激光器36在视频扫描信号的控制下用来对象素列阵32进行扫描。这种扫描，能够引起被扫描象素32a的未饱和的子象素32b发出波长由组成染料分子决定的窄带光辐射。由于散射粒子的存在，给定子象素32b的输出，作为极明亮的基本上为单色光的小光点出现给观众。该光并非准直的，由于每一象素的散射特性，因而它并不局限在一狭窄的角度范围内。

随着子象素32b被同时照明，LCD列阵34的一或多个单元被有选择地“打开”，以让由一或多个子象素32b发射的波长传送给观察者。当此象素列阵以视频速率被扫描时，视觉效果就是形成不饱和的极明亮的彩色图象，因而能在远距离观看。

应当意识到，对于给定的象素32a来说，可以采用多于或少于六个子象素32b。采用六个子象素使每一基色的两种不同的浓淡能够产生(例如对于红光的620nm和640nm波长)，而且能够形成具有高效率存储密度的六边形象素图形。

在进一步的实施例中，提供的是三个子象素，每一个针对红、绿和兰色。在另一实施例中提供的是两个子象素，例如红和绿，而且这些象素要使用能够提供兰色的激光进行扫描。

激光器36可以定位在从背后照射该象素列阵，或者可以定位在从侧面照射该象素列阵，从而减少总的显示深度。

图9b表示带有许多象素35的基片33的一部分，象素35被配置在其表面上。象素35可以液体形式沉积，随后被固化或者烘干。每个象素都由本发明的光学增益介质构成。在图9b的实施例中，一些光波导37被提供在基片33的表面上或表面内，并且配备有来自激光器(未表示)的第一波长的光，且此激光器沿基片的边缘配置。如果此光波导37为光纤，则输入波长光的漏泄被利用来光泵浦邻近的象素。如果光波导37用光学波导类型的结构来替代，则离开此波导管的辐射的损耗耦合被利用于光泵浦邻近的象素。

在本发明进一步实施例中，象素35中的每一象素可被耦合在相关的薄膜晶体管(TFT)上，当此薄膜晶体管被通电流时，便将电荷载体注入该象素。在此实施例中，电荷载体被用作激发源，以引起该象素发出需要波长的光。

在显示装置的所有这些实施例中，该象素的工作基本上是不能饱和的，并且在窄的波长带内输出电磁辐射。就这点而论，本发明的象素可以区别于通常用在电视、视频监视器之类中的传统性荧光型象素。

图10a表示本发明的一种实施例，其中的增益介质12被应用来在透明基片的表面上形成许多区域，以便响应输入波长同时提供许多不同的输出波长。

具体说来，这里表示的结构40的横截面图，包括一透明的基片42，此基片拥有一或多个区域或薄层44a-44d，其中每一区域或薄层系由增益介质12构成。每一薄层44a-44d包含有染料分子，被选择来响应由适当的激光光源(未表示)的输入波长(λ_输入)提供所需要的输出波长(λ₁-λ₄)。如果该薄层44a-44d被同时照射，那么便同时发出许多输出波长的光。

作为结构40的一种有价值的应用是，当去除不受欢迎的表皮颜料(例如葡萄酒色斑和文身)时，提供许多不同的波长给皮肤的表面。在这种情况下，薄层44a-44d按照打算去除的颜料的形状来形成，每一薄层譬如包含有染料分子或者半导体粒子，被选择来发射能被底层颜料强烈吸收的波长。

最好是将基片42做成柔韧的，以便同驱体部分的轮廓适合。基片42的存在是非强制性的，虽然当它需要先按所需要的图形沉积出薄层44a-44d时是有用的，并且还用来防止介质12直接与皮肤接触。

属于本发明范围内的还有利用小角度散射，以将发射光波长互相混频，替代提供一些意义明确的空间区，每一空间区发射出一特定的非常窄的波长带。

属于本发明范围的，还有按照多层状结构将两或更多个增益介质支承基片一个叠加在另一个上面。在这种情况下，由基片中的上部一些基片发出的波长，可以部分无阻地通过下部基片上的透明(对于感兴趣的波长)部分；或者由上部基片发射的波长，可被用来泵浦下部基片上的增益介质区。这两种情况被概括表示在图10b中，其中λ₁和λ₄能够通过此多层状结构，λ₂则被用来光泵浦下部的增益介质区产生出λ₃。

图11表示本发明的一种实施例，其中的增益介质被封装在小球内。举例来说，该球50具有一临界直径或临界层的直径，并且拥有一外表面52及含有增益介质12的内部区域54。响应具有第一种波长的照射，此介质12将发射由结合散射粒子构成的增益介质决定的第二种波长。

在使用中，大量的小球50可被应用来对表面(例如行车道或跑道之上或其附近的表面)敷层。响应激光照射，带有小球50的那部分表面将发出极其明亮且基本上为单色的光，从而使局部表面对于人眼或者适当的探测器容易辨别。关于这一点，介质12可以包括对于更容易穿透雾和雨的红外或近红外波长响应的染料分子。一种适合此应用的染料，在技术上通称为IR144。

属于本发明范围的还有，将很小的增益介质体悬浮在大气中，例如用作适当的光校准的大气标志。在这种情况下，这种很小的增益介质体可以通过地基或者非地基的激光光源来光泵浦。

属于本发明范围的，还有利用自然泵浦光源(如照明)来泵浦该增益介质。

属于本发明范围的，还有用闪光灯来泵浦该增益介质。

根据本发明进一步的这种实施例，可以将小球50倾倒入水中，以便在船的后面留下可以探测的踪迹。例如，这可由飞机承载留下可被返航飞机随后探测的踪迹来实现。在此实例中，每架飞机配备有适当的激光光源(以照射水面)和适当的探测器(例如红外线成象列阵)，以对发射波长进行检测。对于给定的工作日和飞行任务可以选择具体挑选的波长，以提供保密度。就是说飞机预期要检测特定的波长，并且可为预定的波长配备相应的滤光片和探测器。

另外方面，增益介质12可被应用例如作为气溶胶或者液体的涂层来配制，以对带有可响应发射波长的传感器的作为规定(Ordinance)的对象进行认别。一般说来，介质12可应用在敌我检测系统中。例如在战场的情况下，所有的车辆其一部分均涂敷含有被选择发射预定波长的染料分子的增益介质12。当被激光光源照射时，只有带该涂层的车辆能够发射预定的波长的光。当被照射时，并不发射一定波长或者不发射预定波长的任何车辆，均是可疑的。

显然，增益介质12可以低成本的方式作为涂层直接施加在物体或者物体的可变部分上面，例如可除去的镶板上面。举例来说，车辆可以配备一套塑料镶板，很容易安装到外表面上，而且一特定的镶板被指定在预定的时间周期内使用。每一镶板可包括带散射粒子的增益介质的涂层，或者其本身可以是由增益介质和散射粒子(例如PPV和TiO₂)构成的实体。

虽然图11中的小球50被表示为包含一定体积的增益介质12，但是属于本发明范围的，还有由掺杂所需要的染料分子和散射粒子的聚合物构成的小球。换一种方式，此小球还可以是含有散射粒子的聚合物(如PPV)的小颗粒。属于本发明范围的，还有将增益介质注入多孔性材料(如一定的玻璃和溶胶凝胶)中。

属于本发明范围的，还有利用如包含在微孔中的染料分子溶液和基底材料间隙的折射率衬度，而且周围的基底材料本身作为散射相。在这种情况下，染料分子提供光学增益相，而基底材料形成基质相和散射相。根据本发明的一个方面，基底／染料体的至少一个尺寸可以做得非常小(例如厚度或直径为几十或几百微米)，而在受到激励时便呈现类似激光的活性。

图12a表示本发明的一种实施例，其中的增益介质12被应用在可变换的透明基片60的表面上形成许多区域62a-62d，以便响应输入波长(λ₁)提供许多不同的输出波长(λ₂-λ₅)中的一种波长。在所表示的实施例中，基片12上带有旋转轴，以使拥有区域62a-62d的部分被定位在由激光器64输出的光束中。由被定位在该激光束中的给定区域之一发出的波长，被耦合在带有输入耦合器66a和输出耦合器66b的光纤66中。光学耦合在输出耦合器66b上的，是辐射接收器68。控制器70被机械耦合(70a)到基片60上，使其旋转，以将一些不同的发射波长提供给接收器68。控制器70还被电耦合(70b)到接收器68上，以便将基片60现在正在发射的波长通知接收器60。这样的布局使得安全通讯系统能够构成，其中的激光器64以被发送的信息进行调制，而且其中的发射波长通过基片60的旋转被周期性和随意地加以改变。

如在此应用的那样，本发明的某些实施例利用的是增益介质12和光激励源之间的相对运动。此运动通常可以是线性的或者旋转的，且可通过实际上使增益介质12和光激励之一或两者运动来达到。

图12b表示通讯系统进一步的实施例，其中的基片61上包括许多区域63(与图9b中表示的象素类似)。纤维光导束65能将区域63发出的光传输给耦合器66a、光纤66、耦合器66b和接收器68。在此实施例中，激光器(未表示)根据预定的扫描算法对一些不同的区域63进行扫描，同时调制扫描光束中的信息。来自一或多个象素的发射，从而被传送给接收器68。只要接收器68能觉察到激光光源使用的扫描算法，发送器和接收器之间需要的是不受控制的连接。

在本发明的另一实施例中，基片60或者61可被用作光源的角色，有选择地响应单一波长提供许多不同的波长中的一种，被应用在例如色谱设备和激光彩色印刷机的应用中。

图13a表示本发明的一种实施例，其中的增益介质12包含在光纤72的端部74中，例如在其包层中，以在固定的区域提供所需要的波长(λ₂)。激光器76被利用来将第一种波长(λ₁)输入到光纤72的第二端。作为本发明此实施例的一个重要但非局限的应用，在于将预定波长的辐射提供给组织的固定区域。本发明这一实施例的一个重要方面是能够获得全方向的辐射特性图，不过属于本发明范围的，还包括聚焦透镜，或者使用自聚焦型光纤，以提供更定向的光束。

图13b表示进一步的实施例，其中的光纤72b带有分布在其包层中的包括散射粒子在内的增益介质。当作为导管被插在结构如静脉73中时，且当经过耦合器72a受到激光器76的泵浦时，该导管能够沿着静脉73的基本长度提供预定波长范围内的电磁辐射。这对患者直接提供光源是有用的。可以对该辐射进行选择，以切除组织、燃灼或进行任何一些需要的医学处置。本实施例的一个优点，在于单一激光光源76可被利用来与新的导管72b结合，提供各种需要波长中的任意一种。此外，该导管的输出为非相干的全方向辐射，因而能够同时照射静脉73中内表面的显著部位或许多表面，或者其它组织结构。

在此实施例中，由光纤72b的芯耦合在包层中的辐射，被用来受激包含在此包层内的增益介质12的发射。

属于本发明范围的还有将一反射器放在该导管的终端，使激光辐射沿导管长度往回反射，以改善所需波长的发光效率。

图13c表示本发明的一种实施例，其中只有包层的一部分带有本发明的增益介质，以便有选择性地只照射周围结构的一部分。换一种方式，包层长度的显著部分可以包括增益介质，如图13b所示，而且光纤导管的表面随后有选择性的被遮蔽，以使波长λ₂的发射仅出现在一或多个预定的部位。在图13c以及13d中，TB通常表示组织的边界。

图13d表示本发明的一种实施例，其中的增益介质12包含在光耦合器72a中。在这种情况下，波长λ₂产生在组织边界外部，且被向下射入光纤72b。对此实施例来说，可以使用一个共同的光源和光纤导管，而且所需要的波长是通过将特定的耦合器72a放入光路中来提供的。

图13e表示本发明的一种实施例，其中光纤72b的终端部分配备有一种结构73，用来将泵浦波长λ₁的一部分转换成λ₂，并且将辐射按所需方向射出去。在此实施例中，结构73包括被配置在相互成预定角度和与光纤导管72b的终端成预定角度的第一部分73a和第二部分73b。其中73a部分的表面包括一层或一涂层的增益介质12，而且如果需要，73b部分的表面可以做成反射的。

图13f表示本发明进一步的实施例，其中光纤导管72b的终端部分带有一个用磨砂或以其它方式处理过的区域78，以便使波长λ₂的输出辐射在终端处以全方向的方式被发射出去。

一般说来，本发明能够提供用于选择性地处理和／或去除组织的许多有价值的医学应用。例如，所产生的波长可被按照类似解剖刀的方式加以应用，以切去组织。

还应当理解，光纤72b不一定要插入组织结构中，还可被用来照射该结构的表面部分。例如可参见图13d的实施例，光纤12被放在适当的支承结构或者套管中，并将其握在手中，随后专业人员可以有选择地将该终端发出的波长λ₂施加在组织的固定区域(如皮肤)，或者在外科处置时加在内部组织上。

图14说明本发明的一种实施例，表示一种投影系统80，带有均匀或有选择地涂敷增益介质12的荧光屏82。例如只有区域86a和86b涂以增益介质12。一台普通投影器84，被应用来投射光84a，并将图象(例如运动画面)传送到投影屏82上。该系统80进一步包括一激光扫描器88，以将具有第一种波长(λ₁)的光束88a有选择地投射和迅速地扫描荧光屏82，具体说来是对区域86a和86b扫描。当此区域86a和86b被光束88a扫描时，便发出能被观众看到的极其明亮的基本上为单色的光。其结果是荧光屏82的固定区域被照射，以提供特殊的效果。扫描控制信号可由投影器84来提供，即通过在被用于投影图象84a的底片或其它图象存储介质上记录的痕迹来提供。

举例来说，香豆素120染料与Al₂O₃组合，可被作为涂层或者薄层放在表面上，而且直到用适当的激励源照射之前对观察者基本上是看不见的。当被照射时，此香豆素／散射粒子层部分将发出极明亮的未饱和的兰光。

在本发明的进一步实施例中，荧光屏82为一其上印有广告信息的广告牌，而且激光扫描器被安装来对该广告牌的选定区域86a和86b进行扫描，以使被选定部分的广告信息发出一或多种波长(λ₂和λ₃)极明亮的基本上为单色的光。

一般说来，增益介质12可被利用在许多户外的应用，其中需要提供很容易看见或者可以探测的标志或者区域。这些应用包括：事故标志、路障、自动交通信号车用的预定标志通道，以及供行人和缓步行进者用的安全服，但并不局限于这些。增益介质12还可用作标出路面车道和印制道路标志用的颜料的成分。对于这样一些应用来说，汽车和实习车之类可配备以适于照射包含介质12的标志的光源。

这些标志还可用在汽车上，以增强防撞用的车载激光测距系统的工作。就是说，当这些标志被合适的激光测距器照射时，能够由汽车提供强的而且容易探测的反光。此外，对于不同类另的车辆使用不同的波长，能使目标认别更容易完成。

图15a表示本发明的一种实施例，其中许多物体92a-92b中的每个物体都包括一由介质12构成的涂敷区域93a-93b。激光器90发出用于照射该物体92的第一种波长(λ₁)。检测器94被定位来检测该涂敷区域发出的至少一种波长(λ₂和λ₃)。在所表示的实例中，物体92a在同一波长λ₂下全能被识别和反射。物体92b则以波长λ₃进行发射。这样的安排例如在分选和质量控制操作中是有用的，其中需要通过从总数中检测和除去不同的物体来提供均质的物体群。

例如对于只需要提供物体92a的给定操作来说，检测器94可配备只让波长λ₃通过的滤光片或采取某些其它手段。检测器94的输出被连接在能够响应对波长λ₃的检测，以产生输出信号的控制装置96上。此输出信号可被用来产生声频或者可见报警信号，或者驱动换向器自动除去物体92b。每种物品可以多种涂敷区域进行编码(例如每种物品可包括一些区域)以便能够具有更大的选择性。

图15b表示进一步的实施例，其中机器人机械手的悬臂98上面带有末端操纵装置部分98a，用于抓取物体例如一组许多螺栓92。在本实施例中，激光器90(例如激光二极管)提供在此末端操纵装置部分98a上或其附近，以对邻近此末端操纵装置部署的该物体进行照射。另一方面，激光器90可在远处提供，且其输出经过光纤传送到此末端操纵装置部分98a。检测器94按照类似方式配置，以检测由被激光器90照射的物体发出的辐射。在所示实施例中，具有第一种长度的螺栓包括一个由介质12组成的被涂敷区域，以发出第一种波长的辐射；而第二种长度的螺栓包括一个由介质12组成的被涂敷区域，以发出第二种波长的辐射。机械手的控制器(未图示)响应被检测的辐射，以选择或者避开发射特定波长的物体。

可以理解，本发明实施例并不需要复杂的图象处理软件来区别一个同另一个物体。而代之以该物体可按内在因素进行识另，因为每种物体发固定波长的光。

图16表示本发明的一种实施例，其中的增益介质12被利用来在物体102的表面上构成一标记，具体说来是条形码104。响应激光器100发射的波长λ₁的照射，该条形码104发出波长为λ₂的极亮的基本上为单色的光。检测器106对所发出的光响应，且被耦合在传统的条形码阅读器(未图示)上。本发明实施例能够提供具有优良的视觉反差的条形码。此外，本发明实施例能使条形码信息被波长编码。就是说，条形码信息的全部或者一部分，在第一种波长下可能具有一种含义，而在第二种波长下可能具有变化了的或者完全不同的含义。在这种情况下，条形码阅读器最好包括波长识别装置，例如滤光片和／或光栅，用于识别和检测所发出的波长。属于本发明范围的还有选择对视察者基本上为不可见的增益介质12，以便在未必照射时提供不可见的条形编码。

图17表示本发明的一种实施例，其中的增益介质12作为涂层114被施加能够在内部传输该涂层114发出的一种或多种波长的物体110上。此实施例所利用的是介质12的短脉冲和快响应时间。该涂层114响应脉冲激光光源发射的波长λ₁，发出波长为λ₂的光。被发出的光传播到物体110中。响应某种不连续性(折射率变化)，例如实体112固定在物体110中，波长λ₂的一部分被反射射向带有涂层114的表面。被反射的那部分波长λ₂，通过涂层114而使涂层中包含的染料分子活性(seed)，从而当用脉冲激光光源的脉冲同时照射时，便使涂层114在波长λ₂上的输出增强。检测器116被定位来对波长为λ₂的反射脉冲的辐度进行检测。该反射脉冲传送的是涉及物体110内部结构的时间和空间信息。举例来说，本发明实施例可被用在层析X射线照相应用中，其中需要对人体内的物体进行检测。属于本发明范围的还有在不同的表面区域使用许多涂层114，并且利用三角测量技术对实体112进行精确定位。

如图10的实施例中那样，该涂层114可以在应用于物体110的表面上之前施加在一透明基片(未图示)上。而且，该涂层114可以由许多不同的区域组成，每个区域在不同的波长上发光。在这种情况下，检测器116可通过使用例如适当的滤光片和／或光栅做到对不同波长的响应。

一般说来，输入脉冲之间的相互间隔(TD)与检测发射波长(λ₂)时得到的延迟结合，可给出涉及该实体112距物体110表面的深度和／或位置的信息。

图18表示本发明的一种实施例，其中的增益介质12被应用来将第一种波长(λ₁)上转换至第二种较短的波长(λ₂)。举例来说，增益介质12被作为薄层或者体积120来提供，并通过一强共振增强的双光子吸收过程来运作。适合这种应用的一种染料是同上述散射粒子组合的DCM。当以735nm的波长泵浦时，增益介质12在630nm波长上发光。

图19表示本发明的一种实施例，其中增益介质12被提供在眼睛激光防护器130的镜片材料之上或者之中。此实施例能够提供不饱和的眼保护，其中入射的激光辐射被转换成第二种波长的光信号。

当此介质12作为薄层提供时，所发出的能量的大部分在此薄层中沿横向射出。其结果是输入能量的大部分偏离眼睛射出去。

由于散材粒子的存在，一定体积的介质12可以认为是不透明的，然而，当作为薄层应用时，根据本发明的一个方面，大量的光能够通过该薄层。这种使用介质12的薄涂层或者薄层的能力，使得该介质12适合于用在其最小尺寸比散射长度大得多时难以达到或不可能达到的许多应用中。

举例来说，基片材料可以是用增益介质12处理过的纺织品。响应于入射的激光辐射，如来自敌对方的光源，那么入射辐射的能量大部分被转换为一种或多种其它波长的发射。这就为该纺织品的穿戴者提供一定程度的保护，避免由敌对方的激光辐射源造成的损伤。

虽然迄今的主要描述是在激光染料与散射粒子结合被激光光源照明或照射的范围内，然而应当理解，在本发明其它一些实施例中，化学发光的材料可被应用来与染料和散射粒子相结合。这就排除了对于使用光源泵浦染料分子的要求，只要此化学发光材料能提供足够的能量。

一种适合的化学发光系统，包括碱性金属的碱(例如氢氧化钠)、过氧化氢、非羟基溶液(例如邻苯二甲酸二丁酯)、草酸酯(例如草酸二-三氯苯酯)，以及欲激励的激光染料(例如适合的若丹明)与适合的散射相(毫微粒子、空穴等)的结合。

电激励的增益介质，也在本发明的范围内。例如PPV材料可被用来与散射粒子相结合，从而排除了对提供染料的要求。PPV或者由电激励或光激励，以提供类似激光的发射，或者提供PPV发射的增宽和偏移。

此外，众所周知，某些染料(通常被称为电色染料)的荧光，可以通过施加1kv／cm数量级的电场被调谐。就这点而论，使用电色染料与散射粒子相结合，能使被发射的波长在一定波长范围内被调谐。由于此薄膜很薄，故根据本发明的一个方面，只有比较适度的电压(例如1伏)对产生所要求电场的电位是需要的。

一般说来，由于通过本发明的教导可能制做的增益介质区域的尺寸非常小(例如几十波长)，故为了得到所需要的基本上为单色的发射，所要求增益介质的体积为细胞结构大小的数量级。这就能使微观量的增益介质12用于观察和／或影响细胞的作用。

由上述本发明的一些实施例看来，应当理解，对这些实施例进行一些变化可以做到，而且这些变化全在本发明教导的范围内。举例来说，本发明的使用不仅局限在那些以上清楚描述过的特定的应用，而且本发明的教导也不局限在以上详细描述过的一些具体材料、浓度、波长等上。

举例来说，本发明可被应用在通过由受激或者自发喇曼散射的非线性过程获得增益的实施例中，如在图20a-20c中所示。在图20a中，喇曼散射系统包括一包含在外壳140中的第一种非线性增益介质(一种气体，如甲烷或CS₂)。一般说来，要求高输入能量来由此增益介质激励出发射。在所表示的实施例中，一泵浦波长(λ₁)被提供给多个反射镜142，以将最大量的泵浦射入外壳140中。某些泵浦辐射被转向射一涂敷该介质12的晶粒(cell)或者包含该介质12的实体上。该介质12提供第二种波长(λ₂)以作为籽晶(seed)有效地降低包含在外壳140中的喇曼散射放大器的阈值。这就是与线性相反的非线性增益机制。

在图20b的实施例中，介质12被提供在外壳140的输入表面上，从而简化了图20a的实施例。

在图20c的实施例中，介质12被提供在外壳140的后表面上。按照这种结构，介质12响应通过将籽辐射发射回外壳140中泵浦波长。外置的二色性反射镜143将第二种波长射在所需要的光路上。在此实施例中，来自喇曼散射放大器的输出光束，呈现具有非常窄的峰(10^-2nm)的约为4nm宽的光谱。

图21为利用本发明的进一步实例，所表示的是具有标称直径例如约30微米的小粒子或小球。该球包括增益介质12，不是其位于表面区域之上或其中，就是分布在其整个体积内。一激励源提供被聚焦在约为该球直径上的第一种波长的辐射。在此实施例中，小球对输入的波长吸收，并且由于介质12具有迅速发射的性能而几乎立刻发射第二种波长。就是说，介质12实质上是非饱和的，小球能够反复地接收输入辐射的脉冲。可以证明，通过这一过程可以将有特殊意义的力施加在此小球上，而且来自小球的发射是各向同性的。就这一点来说，如果此小球被悬浮在气溶胶或者液体中，此小球将以高速度运动离开输入泵浦而无明显地加热。

可以意识到，本发明实施例能为直径几十微米数量级的粒子提供加速器。所得到的粒子流可被用于材料加工，例如切割和表面剥蚀。所得到的粒子流，还可被用来将少量物质(例如药剂制品)运送到物体内的预定区域。

此实施例利用的是介质12所具有的，各向同性和非常迅速地产生激光而失去由输入泵浦束接收来的能量的能力。

图22为聚合物基的电驱动发光器件150的横截面图(未按比例)，该器件得益于本发明可能做到的发射增宽和位移。当与图1的曲线“a”到“b”进行对照时，此发射增宽及位移的状况可清楚地看出。

此发光器件150包括第一个电极152、由本发明的增益介质组成的区域153，以及基本上为透明的第二电极154。电源(交流或直流)被示意表示为电池156，被跨接在电极152和154上。

区域153可以由有机聚合物(例如PPV)薄层(厚度约在1，000到5，000的范围内)构成，带有根据本发明添加的适当尺寸(例如30到50)的散射粒子。电极152可以由其上带有旋转涂敷的区域153的氧化铝构成。透明的电极154可由铟-锡氧化物(ITO)构成。

在工作过程中，由电池156注入的电荷载流子能按照已知方式引起来自PPV的发射。根据本发明，散射粒子能够引起PPV发射的增宽和位移，如图1曲线“a”所示。

将适当的染料添加到区域153中以吸收和重新发出此PPV发射，也在本发明的范围之内。

图23为根据本发明一个方面构成的电控制的光源160横截面图(未按比例)，其中本发明的增益介质12作为涂层164被施加在半导体激光二极管162的发射面上，以在不同于该激光二极管的基本发射波长(λ₁)的波长(λ₂)上提供发射。适合的电源被示意表示为电池166，按照传统方式被跨接施加在激光二极管162的结上。此激光二极管162可以按照增益开关的方式进行工作，可以是横向发射型(如图所示)或垂直发射型。

本发明的实施例能使单一类型的激光二极管被按规格改制，以便作为被选择涂层164中增益介质光学特性的函数，提供所需要的许多不同的输出波长之一。

图24a为正视图(未按比例)，图24b为顶视图(未按比例)，表示本发明的一种实施例，其中本发明的增益介质12被应用作为泵浦第二种增益介质172(例如流动的染料溶液或者激光棒)的光谱变频器，以将泵浦波长(λ₁)调谐到第二种增益介质的要求。因而，泵浦源170利用的是放在光泵浦176(例如闪光灯)和第二种增益介质172之间的增益介质12的涂层或者薄层174。该涂层或薄层174能够提供，对于第二种增益介质172被选择为最佳或接近最佳的发射波长(λ₂)。因而，本发明实施例能使对于第二种增益介质172的光泵浦波长最佳化，并使单一类型的泵浦源176能与各种各样的第二增益介质一起使用。

应当理解，从本发明可能做到的为数众多的应用和实施例看来，本发明的教导并不是只局限在所公开的这些应用和实施例的范围内。

例如，将一种或多种添加剂加到增益介质中以改进其性能，也在本发明的范围内。例如三重态的染料猝灭剂，如环率四烯(COT)或者己三烯，可被用来与染料和散射粒子组合。这能使介质12准连续地工作。再举个例子，染料寿命延长剂如DABCO，可被用作添加剂。还可举个例子，染料增溶添加剂如ARQUAD也可以应用。对于此增益介质被掺入丙烯酸塑料(例如PMMA)的系统来说，增溶添加剂HEMA可被应用，以提高被选择染料在该塑料中的溶解度。

应当明白，本发明教导的增益介质乃是一个多相系统，其中第一相为电磁辐射的发射和放大相，第二相为电磁辐射的散射相，第三相为透明的基质相。

仅举一个例子，此发射和放大相可以包括一种或多种类型的染料分子和／或半导体毫微粒子；此散射相可以包括一些氧化物的粒子如Al₂O₃、TiO₂、SiO₂或Fe₂O₃，或者金属粒子如Au或Ag；此基质相可以包括液体，如甲醇、1，2-亚乙基二醇、二甲基亚砜(DMSO)或水，或者半液体，如乳剂、凝胶或环氧，或者固体，如选自例如PMMA、PPV、聚酯或聚苯乙烯的聚合物的固体。

散射相通常被具体体现为高折射率对比的散射区域(Site)，例如氧化物、金属或者半导体的毫微粒子。此散射区域还可被具体体现为多孔基质或基板中的空隙，和／或作为该基质中的点缺陷和断续，或是单独，或是与粒子相结合。

就使用半导体毫微晶体而论，可以参考C．B．Murray等人发表在美国化学科学杂志1993，115，8706-8715上的文章，题目为“接近单分散的CdE(E=S，Se，Te)半导体毫微晶粒的合成和特性”，它教导了一种生产直径约从12到115的半导体毫微晶体或者晶粒的方法，适用于实践本发明．

一般说来，Ⅱ-Ⅵ和Ⅲ-Ⅴ族的许多直接带隙半导体可被应用，如同可以应用间接带隙的材料例如多孔的硅一样。

在本发明的某些实施例中，此发射和放大相与散射相可以是同一相，如当应用半导体粒子时。由增益介质构成的实体、薄层或者区域，其最小尺寸可以小于或者等于与此散射相相关联的散射长度的数量级。该增益介质可被包含，在整体一块的结构中，如片、块或者球；或者可以作为一层或多层或区域配置在基片之上或其中。适用的基片包括玻璃、介电体、聚合物、增益介质层本身、织物、半导体材料、纺织品和金属。

本发明的另一方面，在于通过以下步骤实现使来自染料、聚合物、半导体和其它发射源的发射波长带增宽和移位的方法，该步骤包括：(a)提供一种由光发射体(例如一种或多种类型的染料分子或聚合物)与许多散射粒子或散射区域以及对发射波长带基本透明的介质相结合而构成的样品；(b)以电流或者以波长适合于由此光发射体产生发射的电磁辐射的形式，将能量输入到该样品中，以及(c)通过使用散射粒子或散射区域使该发射散射，而使来自此光发射体的发射波长带增宽和移位。

还应当明白，利用由增益介质反射的电磁辐射作为加热源，也在本发明的范围内。

此外，如以上曾经指出的那样，本发明的教导，并非只局限在由任何具体解释或者理论性阐述引致介质12中产生类似激光作用的潜在的电子-物理-光学过程所限定的范围。

因此，本发明的教导被确定为由下述权利要求范围给定的相当的范围。

Claims (32)

1．一种多相增益介质，包括

所述多相增益介质的第一相，它包括用于响应激励以自发发射电磁辐射和用于放大由上述受激发射发出的电磁辐射的装置，以及

所述多相增益介质的第二相，它包括用于散射此被发射和被放大的电磁辐射，以增加上述电磁辐射在上述第一相中滞留时间的装置，其中所述多相增益介质具有一定体积，而且其中上述电磁辐射的放大发生在所述多相增益介质的上述体积的一部分中。

2．如权利要求1所述的多相增益介质，进一步包括具有上述多相增益介质的第三相，它至少对上述受激发射的波长为基本透明的，所述第三相在上述增益介质的上述体积中与上述第一和第二相混杂在一起。

3．如权利要求1所述的多相增益介质，其中所述的第一相包括一种或多种类型的染料分子，其中所述第二相包括散射区域。

4．如权利要求1所述的多相增益介质，其中所述的第一相和第二相包括半导体材料。

5．如权利要求2所述的多相增益介质，其中所述的第一相和第三相包括聚合的材料。

6．如权利要求1所述的多相增益介质，其中的增益介质是受具有第一种波长的电磁能量激励的，以由受激发射输出电磁能；被输出的电磁能所具有的波长，基本上处在以不同于第一种波长的第二种波长为中心的波长带内。

7．如权利要求6所述的多相增益介质，其中第一种波长比第二种波长短。

8．如权利要求6所述的多相增益介质，其中第一种波长比第二种波长长。

9．如权利要求1所述的多相增益介质，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区域。

10．如权利要求1所述的多相增益介质，其中所述第一相包括以散粒形式提供的半导体材料，而且上述增益介质的上述第二相的至少一部分，包括半导体材料的粒子。

11．如权利要求1所述的多相增益介质，其中所述第一相至少包括一种类型的染料分子，且此染料分子被包含在对于上述受激发射波长为基本透明的基质材料中的空隙中，上述基质材料含有上述染料分子。

12．如权利要求1所述的多相增益介质，其中所述体积的所述增益介质，被配置在邻接基片表面上。

13．如权利要求12所述的多相增益介质，其中所述体积的所述增益介质，被作为涂层配置在上述表面上，而且上述表面带有许多个上述涂层形成其上。

14．如权利要求1所述的多相增益介质，其中上述增益介质形成用于发射电磁能的一部分光源，并且进一步包括用于激励上述体积的上述增益介质，以发射基本上在预定波长带内的电磁能的能源。

15．如权利要求14所述的多相增益介质，其中所述的预定波长带围绕第一种波长为中心；其中所述的能源，以其围绕不同于上述第一波长的第二种波长为中心的波长带内的电磁能，激发上述体积的上述增益介质。

16．如权利要求14所述的多相增益介质，其中所述的能源包括化学能源。

17．如权利要求14所述的多相增益介质，其中所述的能源包括电能源。

18．如权利要求12所述的多相增益介质，其中所述的增益介质构成包括有电磁辐射源的装置的一部分，上述装置进一步包括：

用于激励上述体积的上述增益介质，以发射基本上在包括预定波长的波长带内的电磁能的能源，其中所述能源将输出一束波长不同于上述预定波长的电磁能，以及

用于在上述一束电磁能和上述基片之间引起相对运动的装置。

19．如权利要求18所述的多相增益介质，其中所述用于引起相对运动的装置，包括用于转换上述基片用的装置。

20．如权利要求18所述的多相增益介质，其中所述用于引起相对运动的装置，包括用于扫描上述一束电磁能的装置。

21．如权利要求1所述的多相增益介质，其中：

所述增益介质被作为许多涂层配置在基片的表面上，其中上述涂层中的单独一些涂层，当受激励时发射出基本上在以预定波长为中心的狭窄波长带内的电磁能；而且至少上述涂层中的两个涂层的预定波长是彼此不同的。

22．如权利要求12所述的多相增益介质，其中有许多上述基片，每一基片上至少带有一个上述增益介质被配置与其表面邻接的区域；上述基片中的每一个至少对于上述受激发射的波长基本上为透明的；而且上述基片中的单独一些基片，被按照多层结构一个配置在另一个上面。

23．如权利要求1所述的多相增益介质，其中：

所述增益介质被配置在与上述表面的至少一个区域内的基片的表面邻接；上述至少一个区域由许多子区域构成，其中上述许多子区域中单独一些子区域中的上述增益介质，当受激励时发射基本上在以预定波长为中心的波长带内的电磁能；而且上述一些子区域中的至少两个子区域中的上述增益介质的预定波长，是彼此不相同的。

24．如权利要求1所述的多相增益介质，其中上述体积的增益介质被包含在一整体的三维结构中。

25．如权利要求24所述的多相增益介质，其中所述的结构基本上为球形形状。

26．如权利要求2所述的多相增益介质，其中所述第三相包括选自由液体、半液体、凝胶、乳剂、半固体、固体及其组合构成的一组中的材料。

27．一种光学增益介质，包括：

一种至少对一种选定波长基本上透明的介质；

包含在上述介质中的许多染料分子，以便响应激励，在至少一选定波长上发射和放大电磁辐射；以及

包含在上述介质中的许多粒子，所述粒子具有不同于上述介质的折射率，用于散射由上述许多染料分子发出的电磁辐射，以增加该电磁辐射在上述介质中的滞留时间。

28．如权利要求27所述的增益介质，其中所述的许多粒子具有与光子相关联的散射长度，其中，一定体积的上述增益介质的至少一个尺寸，不能比光子的散射长度显著大。

29．一种光学增益介质，包括：

一种至少对一选定波长基本上透明的介质；

包含在上述介质中的许多粒子，所述粒子选自响应激励，通过受激发射在至少一选定波长上发射电磁辐射的材料；所述粒子具有不同于上述介质的折射率，用于散射被发射的电磁辐射，以增加该电磁辐射在上述介质中的滞留时间，从而使光学增益发生在至少一选定波长上。

30．如权利要求29所述的增益介质，其中所述的许多粒子具有与光子相关联的散射长度，而且一定体积的上述增益介质的至少一个尺寸，不能明显地大于光子的散射长度。

31．一种受到激励源激励时呈现类似激光作用的增益介质，包括：

一种至少对一选定波长基本上透明的介质，所述介质具有一定体积，并且包括被选择来响应激励以发射和放大电磁辐射的材料；以及

包含在上述介质中的许多粒子，所述粒子具有不同于上述介质的折射率，用于散射被发射的电磁辐射，以增加该电磁辐射在上述介质中的滞留时间，其中上述电磁辐射的放大发生在一部分体积的上述介质中。

32．如权利要求31所述的增益介质，其中所述的许多粒子具有与光子相关联的散射长度，而且一定体积的上述增益介质的至少一个尺寸，不能明显地大于光子的散射长度。

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