CN104704689A - 能量转换系统 - Google Patents

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Abstract

一种以所希望的波长发射光子的方法，包括：提供一种材料，该材料具有在第一组辐射波长的高辐射吸收的第一区，第一区与在较短波长组的低辐射吸收的第二区相邻，以及在更短波长组高发射的第三区；在第一区处对上述材料施加能量，使得在上述材料的某一温度所述材料的大部分的有效黑体辐射将落在第二区内并被配置为将能量转移到所述第三区且不与第一区重叠；以及从通过所述施加能量而被提供能量的第三区的材料发射能量。

Description

能量转换系统
相关申请
本申请要求2013年4月14日提交的美国临时专利申请61/811,741和2012年7月30日提交的美国临时专利申请61/677,070的优先权。所有上述申请的内容以引用方式结合于本文。
技术领域
本发明在其一些实施方式中涉及能量转换系统，更具体地但不排他地，涉及将能量从较长波长上转换到较短波长的转换系统。
背景技术
当被加热时，典型材料以取决于它们的发射率的方式而分布的波长发射能量。当被加热时，理想材料将以与黑体的那些波长对应的波长发射辐射。这被称为黑体辐射。
典型的能量转换系统通过光刺激在例如荧光或在激光辐射中将能量从短波长转换到长波长。
自从几十年前激光作用的发现，它已经在不同的系统和机制中得到实现。它们包括光泵激光器、电泵激光器、化学泵激光器和热泵激光器。所有已知激光器的一般原理是需要高能泵激发(高于激光光子能量)。在热力学形式中，上述原理描述了通过激发的化学势可以获得的功。
显然，所有现有的激光器使用泵激发量子(pump excitation quanta，抽运激发量子)(电子、光子等)，其具有高于激光介质的能隙的能量。这是因为，发射激光需要在较高和较低的能隙态之间的粒子数反转(population inversion，布居反转)，其是通过从该泵至较高能态的优选能量转移来获得。按照费米黄金定则(Fermi's golden role)，如果泵激发具有高于带隙的能量，这将会发生。
为了理解泵机制的广泛图像，可以将泵作用与通过热力学系统执行的功相关联。在这里，每个光子的势能是通过它的化学势μ加以定义。这样，泵光子的常规吸收之后是红移光子的光致发光，同时释放热到环境是一种“光学热泵”作用。通过降低单泵光子的化学势(其伴有热量的除去)来实现生成单发射光子的功。
以完全热力学的观点来看，系统可以产生的功量受限于它的吉布斯自由能G：
G＝[P·V+T·S+Σμ·Ν]
式中P是压力，V是容积，T是温度，S是熵，μ是化学势以及N是粒子(光子)的数目。在大多数光学系统中，P和V是恒定的，所以可以排除[P·V]的变化。一种例外现象是声致发光，其中，由于通过PV的急剧变化声音被转换成光而产生UV发射。化学势项∑μ·Ν涉及到所有已知的激光泵机制并且还涉及非线性过程(如第二谐波发生)的能量转换，其中光子的数目补偿光子的低个体化学势。使用这样的常规机制来生成10倍参量上转换导致微不足道的效率。
另外的背景技术包括：
(1)A.Yariv,Optical Electronics in Modern Communications(OxfordUniversity Press,USA,ed.5,1997,pages 273-287；
(2)J.Warner,Parametric up-conversion from the infra-red,Opto-electronics 3,37-48(1971)；
(3)R.F.Lucy,Infrared to Visible Parametric Upconversion,Appl.Opt.11,1329-1336(1972)；
(4)B.Henke et al.,Saturation effects in the upconversion efficiency ofEr-doped fluorozirconate glasses,Journal of Physics:Condensed Matter 22,155107(2010)；
(5)A.Shalav,B.S.Richards,T.Trupke,K.W.H.U.Güdel,Application of NaYF4:Er3+up-converting phosphors for enhancednear-infrared silicon solar cell response,Applied Physics Letters 86,013505(2005)；
(6)S.Baluschev et al.,Up-Conversion Fluorescence:NoncoherentExcitation by Sunlight,Phys.Rev.Lett.97,143903(2006):
(7)F.Auzel,Upconversion and Anti-Stokes Processes with f and d Ionsin Solids,Chem.Rev.104,139-174(2003)；
(8)R.L.Carman,C.K.Rhodes,R.F.Benjamin,Observation ofharmonics in the visible and ultraviolet created in CO2-laser-produced plasmas,Phys.Rev.A 24,2649-2663(1981)；
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(12)C.Kittel,H.Kroemer,Thermal Physics(W.H.Freeman,SecondEdition.,1980),pages 246-247；
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(32)M.Cai,O.Painter,K.J.Vahala,P.C.Sercel,Fiber-coupledmicrosphere laser,Opt.Lett.25,1430-1432(2000)；
(34)J.R.Howell,R.Siegel,M.P.Mengüc,Thermal Radiation HeatTransfer,5th Edition(CRC Press,ed.5,2010)；
(35)D.V.Seletskiy et al.,Laser cooling of solids to cryogenictemperatures,Nature Photonics 4,161-164(2010)；
(36)H.Mashaal,A.Goldstein,D.Feuermann,J.M.Gordon,First directmeasurement of the spatial coherence of sunlight,Opt.Lett.37,3516-3518(2012)；以及
(37)T.Yabe et al.,Demonstrated fossil-fuel-free energy cycle usingmagnesium and laser,Applied Physics Letters 89,261107-261107-3(2006)。
上文以及在整个本说明书是提及的所有参考文献的披露内容，以及在那些参考文献中提及的所有参考文献的披露内容均以引用方式结合于本文。
发明内容
根据本发明的一个示例性实施方式，提供了用于在所希望的波长下发射光子的方法，包括：
(a)提供材料，该材料具有在第一组辐射波长高辐射吸收的的第一能态区，其与在短波长组低辐射吸收的第二能态区相邻，所述第二区与在更短波长组高发射的第三能态区相邻；
(b)对在所述第一区的所述材料施加能量，使得大部分的所施加的能量占据包括在所述第二区中的非发射能态或弱发射能态；以及
(c)通过所述施加能量而被提供能量(powered)的所述第三区的所述材料发射能量。可选地，所述施加包括将能量转移到在所述第一区和所述第二区处的表面声子极化激元(surface phonon polariton)，从而增加在所述第一区和所述第二区的所述材料的布居的能态(populated energystates)的密度。可选地或可替换地，选择所述材料和所述施加以相匹配，使得所述材料在能量的所述施加的波长下具有高密度的表面声子极化激元模式。
在本发明的示例性实施方式中，所述施加包括施加能量以加热所述材料，使得大部分的所述能量占据所述第二区并与所述第三区重叠。
在本发明的示例性实施方式中，所述施加包括施加能量以加热所述材料，使得根据材料的黑体模型的辐射状态的分布大部分与所述第二区重叠并且还与所述第三区重叠。
在本发明的示例性实施方式中，所述材料成形为以促进表面声子传播。
在本发明的示例性实施方式中，所述材料被成形为球体或椭球体、或圆柱体。
在本发明的示例性实施方式中，所述材料被提供在空腔(cavity，空腔谐振器)中或具有在所述第三区处的具有共振的空腔的形式。
在本发明的示例性实施方式中，所述材料耦合于纤维以输送入射能量和/或带走所述发射能量。
在本发明的示例性实施方式中，上述方法包括提供在所述第三区处共振的空腔，从而增加所述材料在所述第三区处的能态的密度。
在本发明的示例性实施方式中，上述方法包括通过所述施加来驱动在所述材料中能态的分布，以及其中所述发射包括在所述第三区处的状态转换成辐射。可选地，所述驱动包括熵驱动。
在本发明的示例性实施方式中，所述施加能量包括利用具有长于在所述第三区中的任何波长的波长的激光来进行加热。
在本发明的示例性实施方式中，所述施加能量包括利用太阳辐射来进行加热。可选地，集中所述太阳辐射。
在本发明的示例性实施方式中，所述施加能量包括利用热对流来进行加热。
在本发明的示例性实施方式中，所述发射包括作为相干辐射的发射。
在本发明的示例性实施方式中，所述发射包括作为照明的发射。
在本发明的示例性实施方式中，上述方法包括收集所述发射的辐射并将所述收集的辐射转换成电能。
在本发明的示例性实施方式中，上述方法包括收集所述发射的辐射以及转换和存储所述收集的辐射。
在本发明的示例性实施方式中，上述方法用于上转换激光辐射。
在本发明的示例性实施方式中，通过在限定所述第一区和所述第二区的一种或多种材料中的掺杂剂或在涂布在所述材料上的掺杂剂来提供所述第三区。可选地，所述掺杂剂选自由稀土金属以及它们的合金组成的组。
在本发明的示例性实施方式中，所述第三区具有小于20纳米的宽度。
在本发明的示例性实施方式中，所述第三区具有0.0.02至2微米的宽度。
在本发明的示例性实施方式中，所述第三区具有小于1纳米的宽度。
在本发明的示例性实施方式中，所述第三区具有小于1埃的宽度。
在本发明的示例性实施方式中，所述第三区与转换效率超过20％的光电区重叠。
在本发明的示例性实施方式中，通过基材来提供所述第一区和第二区，其中上述基材选自由SiO2、蓝宝石、CaF2、BaF2、LiF、金红石、CaCo3组成的组。
在本发明的示例性实施方式中，所述第一区具有至少2微米的最短波长。
在本发明的示例性实施方式中，所述第一区具有至少1.5微米的最短波长。
在本发明的示例性实施方式中，所述第一区具有至少0.5微米的最短波长。
在本发明的示例性实施方式中，所述第二区具有至少1.05微米的最短波长。
在本发明的示例性实施方式中，所述第二区具有至少0.82微米的最短波长。
在本发明的示例性实施方式中，所述第二区具有至少0.72微米的最短波长。
在本发明的示例性实施方式中，所述第二区具有至少0.75微米的最短波长。
在本发明的示例性实施方式中，所述第二区具有至少123nm的最短波长。
在本发明的示例性实施方式中，所述第二区具有至少142nm的最短波长(对于蓝宝石)。
在本发明的示例性实施方式中，所述第三区具有约1微米的最长波长。
在本发明的示例性实施方式中，所述第三区位于长于所述有效黑体辐射的峰值波长的波长。
在本发明的示例性实施方式中，所述材料是绝热的。
在本发明的示例性实施方式中，所述发射的辐射是所述施加的能量的上转换。
根据本发明的一个示例性实施方式，提供了用于在所希望的波长下发射光子的方法，包括：
利用第一波长作为热源，加热在所述期望的波长下具有物理发射窗口的物体；以及
通过所述物体的固态行为(solid state behavior)，将所述热量转换成在比所述第一波长更高波长下的辐射。可选地，所述转换并不利用电子电路或机械机器。
按照本发明的一个示例性实施方式，提供了用于能量转换的设备，包括：
本体，该本体包含具有在一定范围的波长下的低发射率窗口和在较短波长范围下的高发射率窗口的材料，所述本体在其上限定用于耦合于能量源的至少一部分和用于在所述高发射率窗口处发射辐射的至少一部分。可选地，本体是在真空下。可选地，本体是在500mBar或更小的分压下。可选地，本体是在300mBar的分压下。
可选地，上述设备包括能量源或用于运送能量到所述耦合部分的光学器件。可选地或可替换地，上述设备包括隔热材料，其被配置为维持所述本体的温度。可选地或可替换地，上述设备包括控制器，其控制对所述本体的能量施加。可选地或可替换地，上述设备包括或被形成为在所述高发射率窗口处具有共振的空腔。可选地，所述空腔提供表面模式。可选地或可替换地，所述空腔形成在所述本体的表面上。可选地或可替换地，所述空腔是球形的。可选地或可替换地，所述空腔是被反射镜化(mirrored，镜化)。
在本发明的示例性实施方式中，所述本体包括：主要材料，其提供所述低发射率窗口；以及一个或多个涂层和/或掺杂物，其提供所述高发射率窗口。
在本发明的示例性实施方式中，上述设备包括光电转换器，其被优化以接收在所述高发射率窗口的辐射并从其产生电力。
在本发明的示例性实施方式中，上述设备包括存储单元，其被配置为接收在所述高发射率窗口处的辐射并将所述辐射转换成储存能。可选地，上述设备包括能量发生器，其接收所述储存能并将所述存储辐射转换成施加于所述本体的辐射。
在本发明的示例性实施方式中，上述设备被配置为输出所述辐射作为激光照明。可选地，上述设备包括波长长于所述高发射率窗口波长并且耦合于所述本体的所述耦合部分的激光源。
在本发明的示例性实施方式中，上述设备包括光学器件，其使所述发射的辐射成形。
在本发明的示例性实施方式中，上述设备包括用于在所述本体上集中太阳辐射的光学器件。可选地，所述本体由在太阳辐射波长下具有吸收性的材料形成。
在本发明的示例性实施方式中，所述耦合部分包括用于对流加热的接触位置。
在本发明的示例性实施方式中，所述本体包含SiO2和稀土。
根据本发明的一个示例性实施方式，提供了激光上转换器(laserup-converter)，包括：
激光源，其辐射第一波长的辐射；
本体，所述本体被定位为接收所述第一波长的所述辐射并且耦合所述辐射从而以大于0.4％的效率至少变短至2/5的波长辐射；以及
光学器件，其用于从所述本体接收波长变短的激光辐射。可选地，波长至少变短至1/7。
根据本发明的一个示例性实施方式，提供了太阳光泵激光器(solarpumped laser，太阳光抽运激光器)，包括：
本体，其被配置为以至少4个太阳(4suns)的浓度接收太阳辐射；
空腔，其由所述本体形成或围绕所述本体形成；以及
光学器件，其用于运送来自所述空腔的激光辐射。
根据本发明的一个示例性实施方式，提供了能量转换器，包括：
本体，其被配置为接收热或太阳辐射，并且具有发射峰；以及
光电电池，其被配置为接收在所述发射峰下的辐射并将所述辐射转换成电能。
根据本发明的一个示例性实施方式，提供了化学处理器，包括：
本体，其被配置为接收热或太阳辐射，并且具有发射峰；以及
化学反应室，其被配置为接收在所述发射峰下的辐射并将所述辐射提供给一种或多种化学反应材料。
根据本发明的一个示例性实施方式，提供了化学处理器，包括：
本体，其被配置为接收热或太阳辐射，并且具有发射峰；以及
化学反应室，其被配置为与工作在所述峰值下的激光发射模体积(lasing mode volume)热接触，其将所述激发提供给一种或多种化学反应材料。
根据本发明的一个示例性实施方式，提供了用于将10.6μm辐射上转换为1μm辐射的装置，内部效率为高于27％(基本上如上所述)。
根据本发明的一个示例性实施方式，提供了用于将10.6μm辐射上转换为980nm辐射的装置，总效率为高于10％(基本上如上所述)。
根据本发明的一个示例性实施方式，提供了用于从辐射产生电力的设备，包括具有第一带隙Eg1的第一辐射吸收和发射材料，其被配置为吸收入射辐射，具有第二带隙Eg2的第二光电材料，其被配置为吸收从第一辐射吸收和发射材料发射的辐射，以及电触点，其电连接至第二光电材料以提供电力的输出。
在本发明的示例性实施方式中，第一带隙Eg1是小于第二带隙Eg2。
在本发明的示例性实施方式中，上述设备进一步包括反射器，其用于将从第二光电材料发射的辐射反射到第一辐射吸收和发射材料上。
在本发明的示例性实施方式中，所述反射器被配置为将未被第二光电材料吸收的辐射反射到第一辐射吸收和发射材料上。
在本发明的示例性实施方式中，上述设备进一步包括反射器，其用于将未被第二光电材料吸收的辐射反射到第一辐射吸收和发射材料上。
在本发明的示例性实施方式中，在第一辐射吸收和发射材料和第二光电材料之间存在空间。
在本发明的示例性实施方式中，空间包括真空。
在本发明的示例性实施方式中，上述设备进一步包括光学元件，其用于将入射辐射集中到第一辐射吸收和发射材料上。
除非另有定义，本文中使用的所有技术和/或科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员所通常理解的含义相同的含义。尽管在本发明的实施方式的实施或测试中可以使用与本文描述的那些方法和材料类似或等同的方法和材料，但以下描述示例性方法和/或材料。在冲突的情况下，则以本专利说明书(包括定义)为准。另外，材料、方法、以及实施例仅是说明性的而不是限制性的。
本发明的实施方式的方法和/或系统的实施可以涉及手动地、自动地、或以它们的组合方式来执行或完成所选任务。此外，根据本发明的方法和/或系统的实施方式的实际设备和装备，可以利用操作系统并通过硬件、通过软件、通过固件或通过它们的组合来实施若干选定的任务。
例如，根据本发明的实施方式，用于执行所选任务的硬件可以被实施为芯片或电路。作为软件，根据本发明的实施方式的所选任务可以被实施为通过计算机并使用任何合适的操作系统加以执行的多个软件指令。在本发明的示例性实施方式中，根据如本文所描述的方法和/或系统的示例性实施方式，通过数据处理器，如用于执行多个指令的计算平台，来执行一个或多个任务。可选地，数据处理器包括用于存储指令和/或数据的易失性存储器和/或用于存储指令和/或数据的非易失性存储器，例如，磁性硬盘和/或可移动介质。可选地，还提供网络连接。还可选地提供显示器和/或用户输入装置如键盘或鼠标。
附图说明
参照附图来描述本发明的一些实施方式，仅作为示例。现详细地具体参照附图，需要强调的是，显示的详情仅作为示例以及用于图示说明本发明的实施方式的目的。在这方面，描述连同附图一起使本领域技术人员明了可以如何实施本发明的实施方式。
在附图中：
图1是示出根据本发明的一个示例性实施方式的能量上转换的方法的示意图；
图2A和图2B是根据本发明的一个示例性实施方式的能量上转换的方法的流程图；
图3是根据本发明的一个示例性实施方式的能量转换系统的示意性框图；
图4是示出可用于实施本发明的一些实施方式的一些材料的光学透明性能的表格；
图5是示出根据本发明的一个示例性实施方式的能量下转换的方法的流程图；
图6A是根据本发明的一个示例性实施方式的太阳光抽运激光器(solar-pumped laser)的示意性框图；
图6B是示出根据本发明的一个示例性实施方式的太阳光抽运激光器的示意图；
图7是根据本发明的一个示例性实施方式的耦合PV转换器的能量上转换器的示意性框图；
图8是根据本发明的一个示例性实施方式的太阳能存储系统的示意性框图；
图9是根据本发明的一个示例性实施方式的短波长激光源的示意性框图；
图10A至图10C示出用来说明本发明的一些实施方式的实验装置(experimental setup)；
图10D示出用于实施本发明的一些实施方式的示例性装置；
图11A至图11B示出利用图10A至图10C的装置的实验结果；
图12是按照本发明的示例性实施方式的频率上转换过程的自由能图的简图；
图13A至图13C是在本发明的另外的示例性实施方式中使用的实验装置的简图；
图14A至图14D示出借助于本发明的示例性实施方式所获得的实验结果；
图15A是本发明的示例性实施方式的简图；以及
图15B是示出根据本发明的一个示例性实施方式的能量图上转换的简化示意图。
具体实施方式
概述
在其一些实施方式中，本发明涉及能量转换系统以及，更具体地但不排他的，涉及将能量从较长波长上转换到较短波长的转换系统。
本发明的大的方面的一些实施方式的涉及能量转换，其中利用在材料中的固态能量耦合将能量从一个(或多个)较长波长耦合于较短波长。可选地，上述材料具有在一个波长和较短波长之间的低发射率窗口，以减少在该窗口的能量损失。在本发明的示例性实施方式中，将上述材料成形为本体，其使用其表面特征(例如，极化激元)以帮助所述能量转移。在本发明的示例性实施方式中，表面模式而不是体积模式用来转移能量。
在本发明的示例性实施方式中，在所述一种波长的能量用来占据在非辐射能态中的能态，然后利用高发射率峰和/或共振腔和/或表面结构，如光栅或棱镜，吸出在这些状态下的能量。
本发明的一个方面的一些实施方式涉及能量转换的方法，其中在一个波长下将能量提供给物体并在另一个波长下选择性地发射。在本发明的示例性实施方式中，利用熵驱动机制，提供的能量填充在本体中的能态，其加热本体至其中它的黑体发射处于比低熵源光子更短的波长的温度。可选地，在与所述占据的能态(由本体温度所定义)重叠的高发射率波长区发射能量。在本发明的示例性实施方式中，高发射率波长区与所述占据的能态重叠少于90％、80％、50％、30％、10％或中间值(intermediate)或更小重叠。可选地或可替换地，高发射率波长仅基本上重叠这样的能态，其以峰占有态(peak occupied state)的小于90％、80％、50％、30％或中间百分比被能量占据。在本发明的示例性实施方式中，发射峰是处在有效温度，其高于如由所述能态限定的温度至少30％(或至少200％、或至少1000％或中间百分比)。在本发明的示例性实施方式中，在一波长范围，所述物体具有低发射率，其中该波长范围覆盖至少30％、至少50％、至少80％、至少90％或中间百分比的将被发射的波长(如果本体是具有占有能态的黑体)。在一些实施方式中，发射波长长于峰值能量的波长。
在本发明的示例性实施方式中，在低发射率区处的发射包括小于90％、80％、50％、5％或中间百分比的所述物体的总发射。可选地，提供此区以避免和/或减少辐射损失。
在本发明的示例性实施方式中，通过两种或三种不同的材料(可选地不混合在一起)来提供本体的性能。例如，可以由一种材料来提供吸收，该材料耦合于第二材料，第二材料提供透明性并且其耦合于第三材料(或第一材料)以提供发射。因此，在本发明的示例性实施方式中，第二材料作为储能器，入射能量与其耦合并从其耦合能量以发射。
在本发明的示例性实施方式中，发射高发射率区的发射率是低发射率波长范围的低发射率的例如10、100、1,000、10,000、100,000倍或更大倍或中间倍数，或至少是其90％或95％或更大。在一个实施例中，高发射率是0.5至1以及低发射率为小于0.1。
在本发明的示例性实施方式中，低发射率窗口的宽度是高发射率窗口的宽度的10倍、100倍、1000倍、或中间值倍数或更大倍数。然而，应该注意的是，在一些实施方式中，高发射率窗口可以较大。
在本发明的示例性实施方式中，在一定波长范围内，例如，100微米、10微米、0.1微米和/或更小的范围或中间范围或更大范围，在较长波长侧的高发射率窗口的斜率是较高的，使得例如发射率增加至至少10倍、100倍、1000倍或中间值倍数或更大倍数。
在本发明的示例性实施方式中，低发射率区覆盖包含至少30％、至少50％、至少70％、至少90％或中间百分比或更大百分比的辐射状态中的能量的波长。
本发明的一个方面的一些实施方式涉及熵驱动激光器，其中低能相干光子用来驱动较短波长激光发射效应，例如，利用系数为至少2、3、4、5、6、10或中间值或更大系数的上转换。在本发明的示例性实施方式中，转换效率(例如，忽略热损失)是至少0.5％、15、3％、5％、10％、20％、30％、50％或中间值或更大效率。
根据本发明的一个示例性实施方式，本发明人已经认识到，考虑完全热力学图片，还可以通过系统的熵的变化来实现功。显然，温度和熵项[T·S]以前从未用作泵并且本发明人已经认识到，它提供了一种另外的、独立的用于新的泵机制的途径。此途径允许用比光致发光光子更低的能量的相干光子抽运。在这里，熵(如由泵相干性所定义)控制可以实现的上转换的量。尤其是，利用熵的这种变化，可以无需高化学势的激发光子并且使得借助于比所发射低得多的化学势的激发能够产生激光。
在本发明的示例性实施方式中，提供了具有系数高于10的上转换的激光器，例如，利用在大于10微米下的抽运(例如，在10.6微米的CO2激光器)，提供了小于1000nm的激光发射(例如，在980nm下的镱激光器)。
在本发明的示例性实施方式中，提供了太阳光抽运激光器，其中直接的阳光或可选地聚集的阳光(例如，系数为2、5、10、100、1000、10000或中间或更大值)用来抽运激光器。可选地，激光器具有比太阳的峰值辐射波长更短的波长。
在本发明的示例性实施方式中，上转换用来将在一个波长的激光辐射转换到在较短波长的激光辐射，例如，以提供UV或软X射线激光器。作为实例，发射器可以是已知UV发射器的一种。通常用于近368至371纳米发射峰的荧光体是铕掺杂的氟硼酸锶(SrB407F:Eu2+)或铕掺杂的硼酸锶(SrB4O7:Eu2+)，而用于产生大约350至353nm的峰值的荧光体是铅掺杂的硅酸钡(BaSi2O5:Pb+)。另外可以改性汞以产生UVA、UVB发射。
在本发明的示例性实施方式中，本体是在空腔或其它共振结构中或形成空腔或其它共振结构，以增强在高发射窗口的波长的发射。在一个实施例中，本体是球形的。在另一个实施例中，本体被放置在反射表面之间，反射表面还可选地用于防止热损失。
在本发明的示例性实施方式中，在耦合于纤维的球体中，能量输入和/或输出任选经由纤维。在可替代的实施例中，发射是在平面上，其中该平面共享在本体上的限定共振的环。在反射镜化的室中的本体的实施例中，发射任选通过反射镜的较少反射部分。
本发明的一个方面的一些实施方式涉及热至电的转换器，其中转换器将在多个波长下的能量转换到在单个峰或少量峰下的能量并且采用优化用于该一个或多个峰值的高效率光转换器。
本发明的一个方面的一些实施方式涉及能量转换系统，其采用表面声子极化激元来增强在一组低能态和一组高能态之间的能量转移，其中极化激元桥接在各状态之间的低发射区或非发射区并且在所述低发射区或非发射区基本上不发射。
本发明的一个方面的一些实施方式涉及，通过首先经由表面声子极化激元将较长波长激光耦合于本体，然后将这些极化激元耦合于在狭窄的、较短波长下的发射，来将激光上转换到较短波长激光发射。在本发明的示例性实施方式中，第二耦合使用稀土作为耦合剂。可选地，通过选择本体来减少能量损失，其中该本体由在所述较短波长和所述较长波长的中间波长并不发射太多的材料制成。
本发明的一个方面的一些实施方式涉及提供高有效温度，如由发射波长所证明的而没有提供真正的高温，如将通过在本体上的黑体辐射得到证实。在本发明的示例性实施方式中，没有真正的高温会防止本体的熔化和/或蒸发。可选地，有效的高温用于能量储存、化学反应和/或光电输出。
本发明的一个方面的一些实施方式涉及从辐射产生电力的方法，其中在一个波长下将辐射提供给第一材料物体并在另一个较短波长下发射。然后较短波长被光电电池吸收，并产生电力。
在详细解释本发明的至少一种实施方式以前，应当理解的是，本发明不一定将其申请限于在以下描述中阐述的和/或在附图和/或实施例中示出的构造的细节和部件的排列和/或方法。本发明能够具有其它实施方式或以各种方式加以实践或进行。
示例性方案
现参照附图，图1是示意图100，其示出根据本发明的一个示例性实施方式的能量上转换的方法，作为关联振幅和波长(向右侧延伸)的图形。图2A和图2B是根据本发明的一个示例性实施方式的能量上转换的方法的流程图。图3是根据本发明的一个示例性实施方式的能量转换系统300的示意性框图。
首先参照图3和图2A的流程图200，在202，能源量302将能量提供给本体304。如下文将描述的，可以以各种方式来提供能量，包括，例如，废热、化学产生的热、光、激光辐射、其它电磁辐射、日光和/或上述方式的组合。本发明的一些实施方式的一个特定特性是，可以有用地，甚至同时地，转换各种各样的热量。
在204，能量用来在本体304的低发射波长下布居(populate)能级。现在参照图1来说明。本体304具有通过曲线102表征(作为波长的函数)的发射率。在长波长下，例如，在能量源辐射109被耦合的波长下，本体304具有高发射率。在第二波长范围106，本体304具有低发射率。因此，即使表示黑体在此范围内的行为的曲线112表示相当多的能量，此能量也不被有效地发射。在一些实施方式中，能量被存储于非发射状态，如表面声子极化激元。
在206，能量足以布居与发射窗口108重叠的能级。可选地，通过用适宜的涂层306来涂布本体304或通过掺杂本体304的全部或部分(例如，表面部分)，来提供此窗口。掺杂可以包括，例如，稀土元素材料、半导体材料、有机材料、和/或任何其它已知的在所希望的峰或区域下发射和/或影响本体以在这样的峰下影响的材料。上述窗口可以是，例如，亚纳米半高全宽窄带发射(full width half max narrow emission)，如图所示或高于1μ半高全宽最大发射宽度。还可以提供中间、更大或更小的宽度。在一些实施方式中，能量布居非发射级，非发射级重叠发射窗口108，但黑体辐射状态并不如此重叠。
在208，例如，通过收集器308，收集在与在能态和发射窗口之间的重叠对应的波长范围110的发射。可选地，使用该发射，例如，作为激光源或窄束光源。可选地，收集器包括转换器，其转换成用来供能给负载310的电能。
可选地，系统300包括隔热层307以维持本体304的温度。在本发明的示例性实施方式中，通过反射镜309来提供隔热，反射镜还用来限定用于本体304的共振腔。在一些实施方式中，本体304被成形为空腔的形式，例如，球体。
在本发明的示例性实施方式中，提供了控制器312，例如，控制器312可以经由控制电路314控制能量供应(例如，在化学热源中增加或减少燃料)。可选地或可替换地，控制器312使用传感器318来确定是否正实现所期望的发射，作为回应可选地改变能量供应。可选地或可替换地，传感器316接收来自例如收集器308或负载310的信号，其表明能量转换的总的效率或量。
在下文更详细描述的一种具体实施方式中，能量109/源302是在10.6微米的CO2激光，被集中在SiO2本体304上，以及层306是在SiO2光纤的尖端上的镱掺杂，被熔化形成球体，该球体作为用于激光发射的光腔。
暂时参照图2B，利用流程图220，提供了可能的说明。如前所述，在222，提供能量。在224，提供的能量耦合于在本体304中的声子和/或耦合于表面声子极化激元。在226，例如，通过掺杂/涂布306，将声子和/或极化激元转换成光子并发射(228)。在这样的情况下，在短波长(110)下的高发射率窗口不需要与所述本体的黑体发射(112)重叠，但仅需要在声子极化激元(在低频率)和发射器(在高频率)之间的直接非线性耦合。
可能的假设
不必限于一种假设或另一种假设，利用如下文提供的理论模型，可以更有用地优化用于本发明的一些实施方式的参数。然而，虽然这些假设可以用来定义用于本发明的一些实施方式的参数，但一种或多种这些假设的不正确性并不会导致本发明的具体实施方式的描述的无效。
在一种用来说明允许低熵产生有效的极端上转换和激光工作的热力学原因的可能方式中，考虑以下方法可能是建设性的：相干光束可以被认为具有接近零的熵，因而接近无穷大的温度。这允许CO2激光束被聚焦以产生最大光子通量，其加热SiO2光腔至远高于3500K的温度。在热力学平衡时，此本体在(相同)本体温度下根据普朗克公式在所有频率下发射。对于高于3500K的温度，大多数的黑体光子是在光谱的可见和近红外部分。因此，通过在三能级纲图或四能级纲图(three or four energy levelsscheme)的常规激光发射介质中红移抽运光子，在3500K的黑体可以用作用于在1微米的激光发射的抽运源。在这样的描述中，在可见光生成抽运光子的效率类似于通过辐射过程的其它加热如太阳热，其可以接近1。
然而，对于图1至图3的实例和对于下文参照图10至图11描述的实验，此说明不可能是正确的，这是因为大多数的黑体抽运光子能量一定超过在1μ的激光发射能量光子，抽运源(本体304)的温度一定超过3500K。当本体304形成自SiO2时，远高于本体304的1600K的熔点，甚至远高于本体304的2400K的蒸发点。
如实验结果所示，在不同于激光发射波长的波长下，本体304的实际发射与由于在那些发射波长下的低发射率而减少的在600K的黑体发射类似。假设，起作用的因素是在SiO2和镱之间的发射率的巨大差异。SiO2是在0.4微米和2.4微米波长之间的其中一种最透明的材料，按照热辐射的基尔霍夫定律(Kirchhoffs law)，其伴有在该范围的微不足道的发射率。另一方面，镱具有在1微米下接近1的发射率，其连同空腔的可选的珀塞耳效应(Purcell effect)一起导致有效的镱发射。当比较没有空腔的镱发射和黑体发射(在600K)时，可以检验这种解释。根据定义，黑体具有为1的发射率，因此如果在热力学平衡中镱发射是系统的一部分，则它一定是低于黑体发射。然而，下文描述的实验表明以是由黑体辐射所预测的振幅的不止2倍的振幅发射。
一种可能的假设是如下。通过本体304的振动模式，相干CO2激发法激发单(或许多的)声子。即，在有效的高温下，以巨大振幅，将非平衡激光激发投影到离散声子群。在400nm和2.4微米波长之间SiO2是透明的，因此，SiO2中声子散射导致的多声子上转换的可能性较弱。另一方面，镱具有在1微米下的高发射率并且已知将热激发转换到发射。发明人推测，在层306中用作掺杂剂的YbO3分子处完成将离散的激发声子直接转换成光子。将残余的非辐射能量散射到许多声子。由于许多模式被激发，所以系统移向热力学平衡并且温度可以被限定和设定于600K。换句话说，由于相比于SiO2的镱的增强的发射率，镱激发速率优于SiO2加热(散射太多声子)。
在本发明的示例性实施方式中，所做的是使用低熵的能量源以允许低能光子(在长波长下)加热本体至这样的高温：其黑体发射将是在远远短于能量源的波长。如果本体具有在长波长下的高吸收和在较短波长下的高透明性(例如，透明窗口)，则本体在被加热至足够高的温度时，并不能有效地发射光子，因此将存储能量。如果具有上述透明窗口的本体具有在短波长下的强发射器，则储存的能量仅可以在强发射器波长下从本体辐射。有效结果是初始能量源的长波长到被加热的本体发射器的较短波长的转换，而没有电子转换或机械机制，但可利用固态物理学。
用来说明有效能量转移到镱的另一种可能的假设是通过表面声子极化激元的激发。通常，表面模式必须通过棱镜或光栅来耦合于辐射激发以克服动量失配。在CO2激发下的SiO2吸收截面非常高，从而导致在比波长更短的长度下的激发吸收。在这样的短距离，可以消除在光子和激发声子之间的动量失配，这允许将表面声子耦合于自由空间辐射。在接近CO2发射的光谱中，SiO2具有高密度的表面声子极化激元模式(SPhP)，因此预计，大量能量耦合于SPhP。当使用球形本体304(其还用作共振器)时，本体304支持在球形表面上的回音壁模式，其通过珀塞耳效应增强镱发射。在空腔谐振模所在的表面上的能量的SPhP守恒会增强转移到镱发射的总能量。根据这种解释，有可能不能对这种非平衡镱发射指定(assign)温度，以及如果发射率是高于1，其表示增益过程，则它不能被定义。可选地，表面加热通过其它方式，例如，IR辐射、RF、超声波接触加热和/或对流加热。
应该注意的是，Dye-Zone A.Chan[PhD thesisΜΓΓ2007]已经表明，由于表面模式，介电材料如SiO2和金属的表面附近的状态的密度远远(数量级)高于远离表面的状态的密度。在极性材料如SiO2中，这些模式是表面声子极化激元，其直接增强热导率和热容量。如在上述论文中所说明的，在表面上存在1000倍增强的DoS。在其它实施方式中，可以使用较小增强(没有增强)，如系数为0.5倍、1倍、2倍、10倍、100倍、300倍或中间倍数或更小或更大倍数，或可以提供大于100倍，如200倍、5000倍或更大倍。除非通过棱镜或光栅来耦合到自由空间，否则这样的模式一般不是辐射的。
当SPhP的传播长度是，例如，大约1米时，其意味着尺寸为亚毫米的SiO2空腔支持回音壁声子模式[Carmon,and Vahala,Phys.Rev.Lett.98,123901(2007)]。可选地，空腔增强SPhP振幅达它的Q因数。可选地，在镱和SPhP之间的直接耦合会在镱中经由非线性过程激发它的1微米发射。在这种情况下，由于在镱处的上转换，可以忽略曲线112。可以使用具有其它传播长度的材料，例如，作为空腔/本体的尺寸的函数的因子(factor)2、4、6、10、500、1000或更小因子或中间因子(intermediate factor)。
示例性材料
在本发明的示例性实施方式中，本体304由一种或多种材料形成，以具有以下性能：高发射率(和能量吸收)的区104，低发射率的一个或多个区106，使得可以加热本体304，从而大部分的黑体辐射与形成为例如峰或形成为更宽发射窗口的低发射以及一个或多个高发射区108。
在上述实例中，掺杂有镱的SiO2提供这种所期望的混合物。
在本发明的示例性实施方式中，按照所期望的输入波长和按照操作温度来选择区104。
选择区106使得大部分的(例如，至少50％、至少70％、至少90％、至少95％或中间百分比)黑体发射与低发射率波长(例如，发射率小于0.3、0.2、0.1、0.04、0.01或中间发射率)重叠。
任选按照所期望的发射波长来选择区108。
如可以理解的，材料和性能的不同组合可用于输入能量、操作温度和所期望的发射的不同的情况。
图4是表格，其示出可用于实施本发明的一些实施方式的一些材料的光学透明性能。表明材料是透明的所在范围对应于区106并限定可使用什么样的操作温度，还限定了需要在何处提供峰108以引起在该峰处的有效发射。用作常规激光器基质的其他透明材料可以是适宜的。除了别的以外，它们还包括：YAG(钇铝石榴石)、YVO4(正钒酸钇)、KY(WO4)2双钨酸钾、NaGd(WO4)2(四方晶系双钨酸盐)、
在本发明的示例性实施方式中，本体304掺杂有或涂有具有所期望的峰108的材料。在其它实施方式中，根据其固有的发射率曲线102来选择合金或其它制剂。例如一些稀土、量子点、过渡金属或金属纳米颗粒、半导体材料具有在可见光范围内的高发射率(和吸收)以及在更长波长的低发射率。通过添加少量的这些材料，就可以增强可见光发射率和吸收，同时维持在透明窗口的透明性(以及由此的低发射率)。这样的添加可以，例如，增强太阳辐射到热的转换以及因此到1微米发射的转换(例如，如下所述)。
在一些实施方式中，期望具有在表面上的亚波长吸收，例如，对于基于极化激元的设计。可选地，本体304涂有，例如，等离子体(plasmonic)材料如在亚波长距离吸收可见光的金属，以及在接近波长距离也吸收的有机和量子点。
用于吸收和/或发射的一些示例性掺杂剂包括金属如尺寸为几十纳米的金纳米颗粒，其在可见光区内很好地吸收并在近红外下是透明的(Nanoscape Volume 2,Issue 1,Spring 2005)；尺寸为几纳米的量子点如CdSe/ZnS_核/壳_量子点(QD)在可见光下是良好的吸收剂并在近红外下是透明的(Applied Physics Letters 89,1911242006)。
用于可见光和近红外发射的稀土包括Tb3+，Ce3+:LaPO4，Eu:Y2O3，Nd3+，Yb。
其它示例性荧光体列于Shigeo Shionoya(1999)."VI:Phosphors forcathode ray tubes".Phosphor handbook.Boca Raton,Fla.:CRC Press.ISBN0-8493-7560-6和Jankowiak,Patrick."Cathode Ray Tube Phosphors".Revision 20100226.1844。
应当指出的是，如果峰108在黑体辐射曲线112的方向上是平缓的，则将存在相对较宽范围的发射频率，这可能对于一些应用不是最佳的。例如对于至1μ波长的能量转换，在1.2μ的高发射率可能消耗大部分能量以进行1.2μ发射。
类似地，如果在区104和曲线112之间存在重叠，则可能在这样的更长地波长下发射大量的能量。
具体参照量子点，存在胶体法来产生许多不同的半导体。典型的量子点由硅二元合金制成，例如硒化镉、硫化镉、砷化铟、和磷化铟。它们的尺寸通常为2nm至20nm，其取决于它们的光谱活性(例如，对于越短的波长，尺寸越小)。可以通过尺寸来调谐上述量子点以吸收可见光并在1微米发射，因而用作用于吸收和/或用于发射和/或用于耦合于发射器的掺杂剂。
此外，尺寸为2nm至100nm的金属(如金、银、铜)纳米颗粒在可见光下可以是吸收的并经由福雷斯特能量转移(Forester Energy Transfer)将能量转移到镱。
可以将这样的纳米颗粒掺杂在本体中以吸收太阳光谱或热辐射(在可见近红外范围内)，例如如下文所述。
示例性空腔和本体形状
本体304可以具有各种形状，例如，以增强能量应用、能量发射和/或共振。在本发明的示例性实施方式中，使用球体。在可替代的实施方式中，提供了环、圆板、圆柱体或卵形。在又一种实施方式中，本体304是，例如，棒或立方体形并被放置在由反射镜(mirrror)形成的共振腔中。可以使用的一些物体空腔设计的实例描述于教科书如Amnon Yariv的“optical electronics in modern communication”和“Quantum Electronics”。
在本发明的示例性实施方式中，板条激光器(slab laser)空腔可以被限制在小于1毫米的厚度内并由表4中的透明材料的一种制成。通过，例如，涂布、溅射或植入，任选将发射体掺杂在一个或多个表面上。可选地，激发在发射体所在的表面上击中板条并且空腔被设计成支持在该表面上的发射激光(通过例如两个平面反射镜)。
其它空腔设计包括支持表面模式的球形或纤维(例如，在周边方向上)。另外，当用发射体涂布时，可以使用由设计用于表面模式的光子带隙结构制成的空腔。可选地，模体积被定位在表面上并且其深度可选地具有约表面激发模式的深度(小于1毫米)。
在一个实例中，本体304具有小于10mm、小于5mm、小于2mm、小于1mm的直径。
在另一个实施例中，使用尺寸小于200mm、小于30mm和小于10mm的板条。
可以使用其它物体设计，例如，最大尺寸为约1mm、10mm、20mm、40mm、100mm、200mm或中间尺寸或更大的最大尺寸。可选地或可替换地，这样的本体可以具有以下最小尺寸：约1mm、10mm、20mm、40mm、100mm、200mm或更小尺寸或中间尺寸或更大尺寸。
下转换
虽然图1至4着眼于上转换，但在一些实施方式中，本文所描述的技术用于可被称为"下转换"的情况(不一定来自源波长，而是来自本体的热)，其中曲线112是在峰108或在峰108的左侧，并且在长于曲线112的峰的波长下发射。这具有一些潜在的优点，例如，防止透明物质的过热和/或用于将(非常高的)热/太阳辐射转换成电力、和/或使用例如以下所述的波长容易地生成能量用于例如有效的光电转换或用于发射激光。
具体参照图5中的流程图500，在502，将能量施加于本体304，例如如上所述。
在504，通过能量施加来布居低发射波长。
在506，还布居与发射峰重叠的能级。
在508，提供和收集和/或用其它方式使用发射。
示例性日光和/或熵抽运激光器
图6A是根据本发明的一个示例性实施方式的太阳光抽运激光器600的示意性框图。
任选将来自太阳602的太阳辐射集中于具有掺杂剂层608的物体606上，例如如上所述。任选通过全反射镜613和部分反射镜612来提供共振腔610。然后从反射镜612发射激光614。
在本发明的示例性实施方式中，使本体606适合与太阳辐射一起使用。在一个实例中，使本体606适合于吸收可见辐射(例如，可在比发射波长更短的波长下)并将吸收的辐射转换成热量或极化激元状态。在一个实例中，将在日光(例如，可见光)波长的吸收剂加入本体606。这可以用来加热本体606至黑体温度，其使大部分它的辐射能与本体606的低发射率区重叠。
在可替代的设计中，使用热来代替太阳602或以下描述的CO2激光器。
作为抽运系统(pumped system)的一般化描述，在本发明的示例性实施方式中，本体606由具有透明波长范围的基板形成。在透明窗口的(较长波长)末端处，泵(pump)可以被吸收。泵可以包括，例如，太阳辐射、激光发射、热源或任何其它激发/热源。任选将热源用来加热本体606至在透明窗口内其黑体发射被阻止的温度。即，黑体发射唯一地由温度来限定，但由于透明窗口以及由此的低发射率，最小辐射将从装置排出。添加在1微米(或在不同的所期望的波长)的发射体将耗尽热(或其它)激发(由于发射体的高发射率)，任选借助于空腔610，其增强发射体发射(由于珀塞耳效应)，并因而增强转换效率。可选地，在黑体相关波长的波长下，在基板和发射体的发射率之间的比率会设定转换效率。在以下描述的实验中，二氧化硅用作基板以及镱用作发射体。
如指出的，可以将在比发射体更短波长下的另外的吸收剂加入装置以收集来自可见光谱的热，例如以将可见太阳辐射转换为热。在本发明的示例性实施方式中，希望在透明窗口将透明性限制为高于基板透明性。这样的吸收剂可以是金属纳米颗粒、量子点、稀土、过渡金属、和其它材料。在透明窗口的高透明性通常要求在可见光谱的抽运吸收(pump absorption)是低的。这可以通过用于可见光谱的空腔设计来克服，其会增强在装置的抽运(pump)的传播距离。
图6B是示出根据本发明的一个示例性实施方式的太阳光抽运激光器的示意图。纤维652收集光654(例如，经由众多纤维尖端收集的太阳辐射)。在具有共振表面660的空腔656(例如，球体)的容积658中光654循环。可选地，空腔658包括光吸收材料，其将可见光波长转换成热，以如本文所描述的加以使用。
示例性PV上转换器
作为太阳光抽运激光器的变化形式，根据本发明的一个示例性实施方式的设备可以用来将热和光转换成适用于光电(PV)转换器的辐射，从而转换成电力。
图7是根据本发明的一个示例性实施方式的包括PV转换器714的能量上转换器700的示意性框图。
任选将来自太阳702的光聚焦于在本体706上的光学器件704上。如图所示，本体706被封闭在由反射器710形成的空腔中并且包括，例如，掺杂的高发射区708(或所有的本体706可以这样发射)。
如上所述地加热本体706并在掺杂剂708的高发射率窗口发射辐射，其由于可选的空腔710而引起激光辐射的发射。任选通过PV转换器714来收集上述辐射，其中上述PV转换器被优化以用于在激光辐射的波长下的转换。
在本发明的示例性实施方式中，上述过程可以被描述如下。本体706被配置为在近红外范围内在高发射率区吸收热辐射。这导致将空腔内的本体706加热至与透明区处的黑体发射相关的温度(以减少损失)。经由光致发光或发射激光，并通过匹配于光电电池的带隙的发射体(例如，约leV的硅)，来发射热能。可选地，围绕空腔(例如，在所有侧面上)放置光电电池以将带隙发射转换成电力。
在本发明的示例性实施方式中，优化的转换波长为约1微米。
应当指出的是，对于单结光电电池的效率的热力学极限是约30％。现有技术的Si电池达到24％效率。理论上，如果通过光学系统来收集日光(所述光学系统可以将其作为1微米的单色光发射)，则可以实现接近1(unity)的最大效率，其中Si PV具有接近1的效率。在本发明的示例性实施方式中，这是通过本文描述的设计来提供或接近。
参照以下描述的实验，CO2泵被替换为2.4微米至10微米的范围(SiO2在该范围吸收)内的太阳辐射。添加吸收材料如金属纳米颗粒以吸收可见光谱可以用来增强功率转换，只要这些材料在高于1微米下是和SiO2一样透明的。应该注意的是，转换的波长可以比发射波长更短。
可以用许多透明材料来替代SiO2。用于选择材料的一个诀窍是要求宽的光学窗口，在光学窗口材料是透明的(例如，如同在0.4至2.4微米之间SiO2是透明的)。可选地或可替换地，可以用其它光致发光和/或磷光材料来替代镱，其取决于用来匹配特定的太阳能电池所期望的波长。对于硅太阳能电池，钕可以代替镱，而对于CIGS，铕发射体可以是优选的。
示例性太阳能存储系统
图8是根据本发明的一个示例性实施方式的太阳能存储系统800的示意性框图。
本发明的一些实施方式的潜在优点在于，可以通过本文描述的方法来提供高能照明。可选地，这用于生成储存能量，供用于例如在夜间或具有较低太阳通量的其它时间。本发明的一些实施方式的另一个潜在优点是，热可以用来为转换过程提供动力(如本文所描述的)。通过利用部分的太阳辐射来产生储存能和通过利用该储存能来产生电力(利用和本文所描述的相同的过程)，系统800显示上述两个潜在优点，从而通过再利用相同元件用于太阳能转换和用于热转换而潜在地降低材料成本。
参照图8，利用可选的光学器件704，将来自太阳702的光聚焦到本体706上(可选地绝缘的和/或在空腔中。发射710产生自发射体708(单独的或分散在本体706中。分光器802，例如，部分反射镜，将一些发射辐射发送到PV转换器712，PV转换器712可被连接于负载(或用于辐射的一些其它用途)。其它辐射804(其以可选地受控于控制器(未示出)的比率或振幅)射到存储存能量(例如以化学或机械形式)的反应器806。当需要时，反应器806(或单独的反应器)将一些所述储存能转换回到热，通过热触点812，热可以被运送回到本体706。可选地，热运送系统808、810利用在反应器806内循环的第一流体和在热触点812内循环的第二流体，来交换热量。可替换地，可以使用辐射或其它热运送方式。
在第一类型的转换中，通过使用在氧化物中的高温吸热热化学反应，将高能发射804转换成化学能。这包括反应如MgO-Mg氧化还原反应，其中在高温下MgO被还原到Mg，Mg再次被水氧化以产生H2气体燃料。任选通过集中发射804来提供高热量。在可替代的反应中，发射804通过键断裂例如分解水、或将氨分解成氮和氢(或分解氨和水的混合物)，来储存能量。在进一步的替代反应中，发射804用来产生高温。
如关于以下实验结果所指出的，输出的发光(luminescence)表明，高能声子被促进，犹如提供了超高表面温度。这可以用来获得这样的热化学反应。可选地，如上所述地或利用过渡金属，增强可见光波长下的吸收。可选地，提供化学反应物(例如，上述氧化物)来代替发射体。
在本发明的示例性实施方式中，通过使用铕作为发射体来增加有效温度。
示例性实施方式
以下描述的另外的示例性实施方式提供了本发明的示例实施方式，并且不仅用来限制而且用来拓宽上述描述的范围。
另一种示例实施方式是系统，其包括两种共轭活性带隙物质。
第一材料是本文中命名为Eg1的带隙的荧光吸收剂/发射体。第一材料可以可选地包括带隙材料如量子点(QD)、稀土和直接带隙半导体如GaAs、InGa，以及其它材料，例如，包括在图4中的材料。任选通过太阳辐射和/或通过一些其它热源来加热第一材料。
然后任选将来自第一材料的辐射照射太阳能电池，该太阳能电池包括具有本文中命名为Eg2的带隙的第二材料，其中Eg2>Eg1。将第二材料的温度可选地维持在室温。
第二材料可以是含有各种掺杂物的硅和无定形硅以及其它材料，例如包括在图4中的材料，其中Eg2>Eg1。
在高量子效率(也意味着低非辐射损失)下，对于由第一材料吸收的几乎每个太阳光子，光子被发射，其封闭热能和Eg1。每个发射的光子潜在地具有Eg1+3KbT1的平均能量，其中T1是发射体的温度以及Kb是玻尔兹曼常量(Boltzmann constant.)。当Eg2<Eg1+3KbT1时，第二材料的太阳能电池吸收光子。因为Eg2>Eg1，所以太阳能电池的电压大于在室温下针对单一的太阳能电池配置所预期的电压，以及由上述系统收集的能量更大。上述系统是热辐射的上转换的示例实施方式。
现参照图15A，其是本发明的示例实施方式1500的简图。
图15A示出落在第一材料1503上的光1501(例如作为非限制性实例的日光)，其中上述第一材料可选地是如上所述的具有带隙Eg1的荧光吸收剂/发射体。
在一些实施方式中，任选通过透镜1502将光1501集中在第一材料1503上。
第一材料1503发射辐射1505到第二材料1507上，例如具有上述带隙Eg2的第二材料。
在一些实施方式中，在第一材料1503和第二材料1507之间存在间隙1506。
在一些实施方式中，间隙1506是在真空中。
在一些实施方式中，第二材料1507包括背反射器1509，其潜在地反射可以穿过第二材料1507的辐射并且潜在地使得更多的辐射能够被第二材料1507吸收。
在一些实施方式中，第二材料1507相当于太阳能电池收集器，并产生在太阳能电池的电压V 1511，或，以其它术语，产生电流J 1513。
在一些实施方式中，任选将具有能量Eph<Eg2的亚带隙光子反射回到第一材料1503，从而潜在地维持整个背反射器1509的高温。
一般而言，在图15A中描绘的实施方式潜在地使得能够收集辐射如太阳辐射，并从比目前用于太阳能电池的波长范围更低的波长范围收集更多光子，从而潜在地产生更多电子载体，并产生更大的电流。在图15A描绘的实施方式潜在地产生第二材料的典型数量的电载流子，在一些实施方式中第二材料收集更低的波长，以及同时，图15A的实施方式产生第一材料的典型的电压，由于它的较大带隙，上述第一材料产生比第二材料更高的电压。
例如，在室温下，对于大多数单带隙材料(如硅)，太阳能电池被限于大约32％效率。
计算在图15A中描绘的示例实施方式以有可能在高于32％、甚至高于40％的效率下进行操作。
现参照图15B，其是示出根据本发明的一个示例性实施方式的上转换的能量图1529的简化示意图。
能量图1529示出沿垂直方向增加的能量，并示出对应于图15A的第一材料的第一区1531以及对应于图15A的第二材料的第二区。
图15B的能量图1529是定性的，而不是定量的，并且不一定按比例绘制。
图15B示出箭头，其表示落在具有第一带隙Eg1的第一材料上的辐射1530。
箭头1541表示从低于带隙Egl至高于带隙Eg1的激发，而另一个箭头1542则表示连接能量分布的激发，该能量分布与对应于第一材料中的温度T1的热分布相关联。在第一材料中能级的另一种图示(不一定按比例)是空穴群(population of holes)的较低费米能级1536和激发的电子群(excited electron population)的较高费米能级1537的图示。在较低费米能级1536和较高费米能级1537之间的间隙与可从第一材料中的电子群的激发产生的能量量相关。可从第一材料中的电子群的激发产生的能量量取决于第一材料、取决于照明率(illumination rate)以及取决于第二材料的吸收。
第一材料向着第二材料辐射其一部分的能量，由箭头1543表示，以及另一个箭头1544表示在第二材料中吸收的能量，其中上述第二材料连接与热分布相关联的能量分布，热分布与第二材料中的温度T2相对应。在第二材料中的能级的另一图示(不一定按比例)是空穴群的较低费米能级1538和激发的电子群的较高费米能级1539的图示。在较低费米能级1538和较高费米能级1539之间的间隙与可从第二材料中的电子群的激发产生的能量量相关。可从第二材料中的电子群的激发产生的能量量取决于第二材料、取决于从第一材料到第二材料的辐射率以及取决于第二材料的吸收。
在一种示例实施方式中，如图15B的示例性实施方式，温度T2是300K(其大约是室温)，其可能不需要冷却，并且是太阳能电池是有效率的温度。如由箭头1545所示，来自第一材料的在第二材料中不被吸收的辐射、和从第二材料到第一材料的可能的辐射任选被反射到第一材料。可选地，通过放置在第二材料的背侧处的反射镜(在图15B中未示出，而是示为可选的背反射器1509)来完成反射。
第二材料用作太阳能收集器，如上文参照图15A所述，并产生与第二材料相关联的电压Voc＝μ21535，上述第二材料接收了来自第一材料的能量。
一些辐射1545在第二材料不吸收的能级下从第一材料辐射至第二材料。至少一些这样的辐射1545任选通过在图15A中示出的可选的背反射器1509反射到第一材料。
示例性激光上转换器
图9是根据本发明的一个示例性实施方式的短波长激光源900的示意性框图。在源900中，较长波长(任选是相干的)用来驱动具有高效率(例如，高于10％或20％)的激光发射效应。
激光源902照射本体906，其被保持在空腔910中(或形成一个空腔)，其具有例如全反射镜911(在源902的波长下其可选地是透明的)和部分反射镜912。掺杂剂908(任选被提供为层)作为发射体。当被刺激时，本体906将能量转移到与发射体908的发射重叠的能态，从而生成激光照明914。
在本发明的示例性实施方式中，使吸收剂(例如，添加的掺杂剂)匹配于源902。任选将发射体匹配于激光照明914的所期望的波长。任选将本体906的材料选择为在足够宽以允许非辐射能态储存入射能量的区域中在低于发射体908的波长的波长下是透明的。
在本发明的示例性实施方式中，发射体是已知的UV发射体。通常用于接近368至371纳米发射峰的荧光体是铕掺杂的氟硼酸锶(SrB4O7F:Eu2+)或铕掺杂的硼酸锶(SrB4O7:Eu2+)，而用来产生约350至353nm的峰的荧光体是铅掺杂的硅酸钡(BaSi2O5:Pb+)。此外，汞可以被改性以产生UVA、UVB发射。
在本发明的示例性实施方式中，用UV透明玻璃/晶体来替代在本发明的一些实施方式中使用的SiO2以支持在UV中的激光发射。
在常规的X射线管中，产生X射线，其中通过加速由热阴极释放的电子以碰撞金属靶阳极，从而产生X射线。在本发明的示例性实施方式中，通过如本文所描述的有效的高温激发来替代热阴极(利用光抽运电极发射体和/或通过在发射体上放置电子发射体和/或利用高效光发射来加热电子源)。可选地，热引起电子加速，使得当它们击中目标(例如钨，任选在正电压下)时，X射线被发射。可选地，使用如在美国专利6,463,124中描述的用于将激光转换成X射线辐射的系统。
高温化学
如上关于存储所述的，发射的照明表明有效的高温，其可以用于化学反应。在一个实例中，将化学反应物或反应器耦合于本体304和/或耦合于发射辐射并使用此辐射来驱动反应，如键分裂。在本发明的示例性实施方式中，选择发射辐射以匹配用于键断裂和/或离子化和/或用于其它光化学过程和/或高温过程的所期望的能量。可选地或可替换地，发射照明被聚焦以用作热源。
例如，可以提供化学反应物并利用流动系统(如光化学和化学工程领域中已知的)来带走产物。
在本发明的示例性实施方式中，化学过程包括，借助于热辐射或激光辐射，加热本体(或封装本体和/或从其形成的空腔)至与在本体的透明区的黑体发射相关联的温度(以减少损失)。然后，利用匹配于所期望的化学过程的发射体来发射热能。在此之后、或之前或同时，将化学过程的成分放置在激光模(lasing mode)的附近。然后，允许激光模的有效高温来诱导有关的高温化学过程。此时，空腔可以保持在低温下，这是因为在本体和/或空腔中所有模式的平均温度是低的。
预计在专利的有效期内(源自本申请)，将开发许多有关的发射体和吸收剂并且这些术语的范围旨在先验地包括所有这样的新技术。
如在本文中所使用的，术语“约”是指±10％。
术语“包含”、“含有”、“包括”、“具有”和它们的等价词是指“包括但不限于”。
术语“由…组成”是指“包括并限于”。
术语“基本上由…组成”是指组合物、方法或结构可以包括另外的成分、步骤和/或部分，但是上述另外的成分、步骤和/或部分并不实质上改变所要求保护的组合物、方法或结构的基本的和新颖的特征。
如在本文中所使用的，除非上下文中另有明确规定，单数形式“该”包括复数指称。例如，术语“化合物”或“至少一种化合物”可以包括多种化合物，并包括它们的混合物。
在整个本申请中，可以以范围格式来呈现本发明的各种实施方式。应当理解的是，以范围格式的描述仅仅是为了方便和简洁而不应该被解释为对本发明的范围的硬性限制。因此，范围的描述应被视为已经具体地公开了所有可能的子范围以及在上述范围内的单个数值。例如，范围的描述如1至6应被视为已经具体地公开了子范围如1至3、1至4、1至5、2至4、2至6、3至6等，以及在上述范围内的单独的数值，例如，1、2、3、4、5、和6。这适用所有范围而与范围的宽度无关。
每当在本文中指出数值范围时，它意在包括在指定范围内的任何列举的数字(分数或整数)。表述“在第一指示数字和第二指示数字之间的范围”以及“从第一指示数字至第二指示数字的范围”在本文中可互换使用并且旨在包括第一和第二指示数字以及在它们之间的所有分数和整数。
可以理解的是，为清楚起见，描述于分开的实施方式的上下文中的本发明的某些特征也可以在单一的实施方式中组合提供。相反地，为简便起见，描述于单一的实施方式的上下文中的本发明的各种特征也可以分开地提供或在任何合适的子组合提供或(当适合时)在本发明的任何其它描述的实施方式中提供。在各种实施方式的上下文中描述的某些特征不应被认为是那些实施方式的基本特点，除非在没有那些要素的情况下实施方式是无效的。
如上文描述的和如在以上权利要求部分中要求的本发明的各种实施方式和方面在以下实验中获得实验支持。
一些实验和示例性实施方案
现参照以下实验装置，该实验装置中进行了若干实验，以及其连同以上描述一起以非限制性方式来说明本发明的一些实施方式。
现参照图10A至图10D，其描述一种实验设置。具体地，图10A示出实验装置，图10B示出裸空腔图片，以及图10C示出空腔的回音壁激光模的发射。图10D是示出安装在纤维上的空腔的示意图，其在一些实验中使用以及在本发明的一些实施方式中可以实施(例如，使用对于激发辐射和发射辐射均为透明的纤维)。在一些实施方式中，直接刺激空腔，同时纤维用来提供待放大的输入信号，以及输出信号。在进行的特定实验中，如图10D所示的纤维仅用于安装，其中激发和发射均是自由空间。
在一种示例性实施方案中，熔化商用的125微米直径的SiO2纤维尖端以形成直径为300微米至500微米的球形空腔。将空腔浸渍在Yb2O3微晶粉末中并再次熔化以形成本体1004。将来自源1002的在10.6微米的2WCO2激光束聚焦到在积分球内的共振器上。通过摄谱仪1008来检测在400nm和11微米之间的共振器发射并依靠在1437开尔文下的黑体源1010加以校准，黑体源1010也被聚焦到积分球上用于校准目的。
图11A和图11B示出实验测量结果。图11A示出裸共振器和Yb2O3掺杂共振器的整个近红外和中红外范围的发射以及归一化为球体尺寸的在1473K的黑体的发射。图11B示出了在978nm的峰值发射的放大图，其示出作为具有在973nm处的峰值的阈值特征的激发功率的函数的功率谱(图1IB，插图)。
掺杂和裸空腔的宽功率谱示于图11A。掺杂空腔的实验结果显示两个有趣的特点：i.在982nm处的尖峰；ii.在3微米和5微米之间的发射，其类似于在600K的黑体发射(小图)。在裸空腔中，发射是在2微米和4微米之间，其类似于在700K的黑体。在掺杂空腔中982峰值的放大和监测它的功率谱(针对各种激发功率水平)(图11B)表明在低于0.8W的激发下的宽光致发光发射。在更高激发下，出现尖峰，其上升远远快于光致发光发射。监测在982nm处的峰值功率谱(作为激发功率的函数)表明清楚的阈值特征(图11B，插图)，其表明激光发射行为(lasing behavior)。随着激发功率增加，更多的峰出现，其提示多模态激光发射现象。
重要的是要注意到，在所有多个激发测量结果中，空腔保持稳定的，没有它们的谱响应的熔化或变化的证据，这强烈地提示，空腔(包括它们的表面)并不熔化并且空腔和/或它的表面的“真实”温度并不是在发射“温度”。
另一个有趣的结果是，使用YbO2而没有SiO2的实验并不表现出在类似激发能级下的强发射。在温度达到1800K时的非常高的激发下，已知YbO2发射的特征在于典型的黑体形状，其具有在980nm处的另外的峰值。
另一个有趣的结果是除去空腔结构的影响。没有空腔结构的YbO2掺杂SiO2非常弱地发射，其提示，为了增强激光发射效应或甚至为了增强发射效率，使用用于提供共振的空腔可能是重要的。空腔的使用可能会增强发射至例如2倍、10倍、50倍、100倍或更大倍数或中间倍数。
根据所进行的的测量，大约20％的发射光子与高发射率窗口一致以并且80％与黑体辐射一致。对于无隔热系统，由于热损失，总转换效率似乎是大约5％。
进行了各种变化，包括使用镱或铒作为发射体(均起作用)、各种功率水平(起作用的低至0.8W CO2束功率水平)。在另一个实验中，空腔(作为块(bulk))的间接加热并不导致激光发射。可能地，如果加热的波长匹配在空腔中的表面声子极化激元，则会已导致发射。可选地或可替换地，效率较低和结果未检测到和/或损失太高。在另一种实施方式中，使用太阳辐射会允许耦合于表面声子(尽可能地)，例如，使用CO2激光器。在本发明的示例性实施方式中，选择加热波长以匹配空腔的表面特征(例如，声子)而不是容积。
图10D示出安装在纤维1020上的空腔1022。在实验中，纤维仅作为机械支撑物，但在其它实施方式中，它可以起如下作用。入射辐射1024沿着纤维1020到达。这种辐射在其点1026处耦合于空腔1022。共振环1028形成在空腔的表面上，如图所示，并且发射的辐射1030沿着纤维离开。如果没有这样的离开机制，发射可能会发生在包括环1028的平面中。可选地，选择纤维1020以对于激发辐射和对于发射的辐射均是透明的。在可替代的实施方式中，通过在环1028上提供缺陷或光栅来增强发射。可选地或可替换地，仅在环1028的部分上，而不是在所有的空腔1022上来提供掺杂。
另外的实验和示例性实施方案
以下描述的另外的实验和示例性实施方案提供了本发明的示例实施方式，并且不仅用来限制而且用来拓展上述描述的范围。
实验证明了从中间到近红外在高于10％效率的熵驱动的十倍上转换。这允许热辐射的新的用途。
导言
低能光子到高能光子的频率上转换大大有助于成像、光源、检测以及研究的其它领域。然而，迄今为止，当上转换许多光子时，频率上转换提供微不足道的效率。热力学上，常规的非相干上转换通过入射光子的内能来驱动。然而，系统还可以通过其共同性能(如熵)的变化来驱动工作。在以下描述的示例实施方式中，实验证明了从10.6μ至1μm、高于27％的内部效率以及高于10％的总效率的熵驱动的十倍上转换。此外，如根据其总体温度(bulk temperature)所预期的，在1μm处的发射的辐射亮度(radiance)超过我们的装置的黑体辐射亮度，表明大大高于总体温度的发射体有效温度。此示例实施方案打开了热辐射的上转换和在室温下完成的高温化学的大门。
传统的频率上转换效应包括相干(第二、第三和参变上转换以及非相干(双光子和多光子吸收)过程，但当将许多(作为非限制性实例，约10个)光子转换成单高能光子时，它们仍然都提供微不足道的效率。
如此低效率的一些原因：
i.在泵和产生的光子之间的大频率差诱导大动量失配，从而使得相位匹配极具挑战性，同时在没有相位匹配的情况下非线性参变上转换过程变得非常低效。
ii.在这两种非常不同的频率下，非线性介质应是透明的。
iii.涉及十倍上转换过程的高阶非线性光学极化率非常弱，并且需要长传播距离，其超过由透明性和相位匹配考虑因素所设定的极限。
iv.同时多光子相互作用的可能性需要巨大的强度。
当辐射源是非相干的时，上述问题实际上被放大。由于这些原因，迄今为止，十倍上转换的记录效率低于0.01％，其是在强度为1015W/cm的脉冲激发下所实现；高于目前可用的连续波[CW]源很多数量级。
为了找到用于部分非相干光的有效的上转换机制，将涉及光子发射过程的功(work)与由热力学系统执行的功进行比较。在这里，每个光子的势能是由它的化学势μ来定义。以这样的观点，在红移光子的发射的同时释放热量到环境之前的高能光子的吸收作为由光子的化学势的差异所驱动的"光学热泵"。此说明是关于许多光源的一般原则，并且还包括两个或更多的泵光子的吸收以产生单一的高能光子(具有比泵光子的总和更低的化学势)。然而，除这种机制(其在单激发-发射水平下是高能平衡的)之外，系统的共同性能还可驱动功。系统可以产生的功量受限于它的吉布斯自由能G：dG＝d[PV-TS+ΣμΝ]的变化。在这里，P、V、T和S是系统的共同性能：P是压力，V是体积，T是温度，S是熵，其与在系统中布居状态(populated state)的数目成比例，以及ΣμΝ是化学势的总和。
在许多光学系统中，P和V是恒定的，因此，可以从生成的功排除PV的变化。此一般规则的例外是声致发光的现象，其中，由于通过PV的急剧变化声音被转化为光，产生UV发射。
据发明人所知，系统的温度和熵的变化TS从未用于频率上转换。下文示出如何将TS的变化用于有效的十倍频率上转换。
对于激光，熵涉及空间和时间相干性。熵越低，激光相干性越高并且吉布斯自由能越高，从而允许更高的光聚集。这样的辐射源具有高“亮度温度”，其被定义为在特定波长下的辐射亮度，其等于在相同温度和相同波长下的黑体辐射亮度。术语辐射亮度是指每单位面积每立体角每单位波长的辐射功率的量。这样的高亮度温度辐射，如果在理想条件下被吸收，可以使目标的温度相等于亮度温度。
涉及此概念的思维实验是使用激光来加热高度发射黑体以增加它的温度，从而增强它的黑体辐射。考虑例如单模CO2激光器，其在100W的光功率下加热绝热发射黑体至太阳的温度(5800K)，从而导致类似于太阳辐射亮度的热辐射。在这样的温度下，大多数产生的光子是在可见和近红外波长范围内，相比于在10.6μ波长下的泵CO2光子，其内能增强至高于十倍。然而，虽然此概念可以是高效上转换机制，但它的实现具有挑战性，这是因为不存在在太阳的温度下保持稳定的材料。此外，对于许多应用，例如对于信息频率依赖性的通讯和检测，黑体辐射的宽热发射是缺乏吸引力的。更好的装置应在合理的温度下操作，例如室温，并且优选发射光谱狭窄的上转换光。
一种示例实施方式使用高亮度温度源，如激光，来仅激发特定模至高有效温度，同时块(bulk)保持在相对低温下。虽然在这样的非平衡条件下术语温度没有被很好地限定，但“有效温度”描述了特定声子模的布居，其对应于在该温度下的波尔兹曼热布居。耦合于这些激发模的发射体共享它们的有效温度，并发射在高亮度温度(大大高于它的总体温度)的光谱狭窄的辐射。迄今为止，还没有探索利用这样的想法用于频率转换。
在光致发光中，高能光子的吸收之后是是热散逸，以及施托克移位光子(Stocks shifted photon)的发射。在吸收的光子和发射的光子之间的内能减小对应于驱动该过程的吉布斯自由能的变化。在本文描述的示例实施方式中，入射光子的高内能被替换为入射光子的高自由能，其包含在它们的熵(高亮度温度)而不是它们的内能中。这允许自发过程，自由能的减少，以支持上转换。
现参照图12，其是根据本发明的示例实施方式的频率上转换过程的自由能图的简图。
图12示出在本文中描述的示例实施方式的过程中的自由能流，如通常简略绘制的用于在光致发光中的光子内能流。
为了实验上证实图12所示的概念，制造了直径为30μ至300μ的Yb2O3掺杂SiO2球形空腔。以低于1W的功率水平，将在10.6μ波长的CW CO2激光束聚焦到在积分球内的球形共振器上。通过摄谱仪来检测在0.4μ和1.1μ波长之间的共振器发射并依靠在1200C的黑体源加以校准(参见在以下标题为“方法”部分中的方法描述)。
现参照图13A至图13C，其是在本发明的另外的示例实施方式中使用的实验装置的简图。
图13A示出实验装置。
图13B示出球形空腔的图片。这样的空腔，当未掺杂时，支持回音壁模式[WGM]，其中Q因子超过107。
图13C示出利用有限元法模拟进行的球形空腔的第一模式的模拟。
图13A至图13C是类似于上述图10A至图10C，但图13C具体示出此处描述的示例性实施方案的球形空腔的第一模式的模拟。
在近红外[NIR]下并在684mW的激发下，测量共振器的辐射亮度。利用Si CCD相机(检测波长短于1.1μ)来拍摄发射图像以获取关于辐射的空间分布的信息，其用于计算辐射亮度。
利用校准的积分球来测量在NIR区中的功率谱。借助于发射面积来归一化功率谱，从而给出各向同性辐射亮度的最小值。将测得的辐射亮度与在1650C的黑体和Yb2O3辐射亮度比较，1650C是SiO2的熔点，因此作为装置稳定性的上限。
结果：
现参照图14A至图14D，其示出借助于本发明的示例实施方式所获得的实验结果。
图14A至图14D汇总了用20种以上的不同的共振器所完成的多个实验的典型结果。
图14A示出单模发射的CCD成像。
图14B示出多模发射的CCD成像。
图14C示出根据示例实施方式制造和操作的装置的辐射亮度对Yb2O3辐射亮度(在1650C下)。
图14D示出根据示例实施方式制造和操作的装置的辐射亮度对黑体辐射亮度(在1650C下)。
图14A和图14B示出拍摄的高达1.1μm波长的发射。发射表现为具有最高Q因数的WGM的空间分布。在图14A中，发射对应于第一模式，其类似于图13C所示的模拟结果。
图14B示出来自前几个模式的发射。
图14C比较了图14B)的共振器的辐射亮度与块Yb2O3(在1650C下)的辐射亮度。如可以看到的，共振器发射具有在980nm处的尖峰(黑色实线1432)，其可以归因于镱发射。此尖峰是非常不同于在热力学平衡下块Yb2O3的发射，其中大部分的它的能量是在波长长于1μ的光谱的热区中(图14C的蓝色虚线1434)。该发射类似于通过高能光子所抽运的镱的光致发光。
图14D示出在IR区中的发射测量结果，其示出超过2.4μ波长的残余辐射。比较这些结果与在1650C下的黑体辐射亮度揭示了，980nm峰值辐射亮度是在最大可能的装置温度下的黑体辐射亮度的四倍(图14D的黑线1442和红色虚线1444)。
另外，在980nm处的发射包含27％的总发射功率，以及1％的存入系统的总输入功率。这样的效率比本发明人知悉的任何现有的技术好数个数量级。事实上，观测到在300毫巴的分压下通过真空室窗口所测得的镱发射增强不止一个数量级。这表明超过10％的总转换效率。
讨论：
现在描述Yb2O3的高有效温度的一些证据：
i.在二氧化硅是高度发射的红外波长(5μ-10μ)，它的热发射适合在刚好低于熔化温度1650C的黑体辐射。此证据反映了在热力学平衡附近共振器的真实温度，从装置的稳定性(装置并不熔化)也可以明显看出。
ii.在此温度下，在热力学平衡中，大部分的热能是在长于1μm的波长下。这没有出现在上述示例性实施方式中。该发射展示出尖单峰。
iii.Yb2O3的辐射亮度是在1650C的黑体辐射亮度的四倍，其是在热力学平衡下的最大可能的辐射亮度。
不限于理论，以上三个观察结果可以证明，Yb2O3比块在显着更高的亮度温度下。
为了达到高Yb2O3亮度温度，建议的一些条件：
i.在高亮度温度下的泵源。作为非限制性实例，可以容易地用CO2激光器匹配此条件，CO2激光器可选地在单(或几个)发射模式、在大约1010C的亮度温度进行操作。
ii.一组模式的激发速率优选超过其它模式的倒空速率(dumpingrate)。可以通过例如SiO2的高吸收截面(其可能通过它的振动电子状态在从表面开始小于波长的深度内吸收10.6μCO2激光辐射)来满足此条件。
iii.Yb2O3优选有效地耦合于振动电子状态。作为非限制性实例，通过稀土来满足此条件。另外，通过高Q WGM的珀塞尔效应(purcell's effect)来增强Yb2O3辐射。
在本文描述的一些实施方式中，将用于吸收辐射和上转换该辐射的靶放置在真空下。
在本文描述的一些实施方式中，将用于吸收辐射和上转换该辐射的靶放置在部分真空下，例如300毫巴的分压(如上所述)。在一些实施方式中，分压值小于等于500毫巴。
本发明人相信，将靶放置在真空或分压下有可能减少靶的能量损失，如热损失。
综上所述，以上实例描述了频率上转换机制，并实验证明了熵驱动的有效的十倍频率上转换。
上述实例潜在地打开了在各个领域中的新方向。
在例如太阳能中，本发明的一种实施方式潜在地打开了用于将亚带隙太阳光子上转换到光电(photovoltaics)更有效的波长的有效途径。
在另一个实例中，将模式激发到很高有效温度的同时块保持在低温下的可能性使得能够在低得多的温度(如室温)下进行“热化学(hotchemistry)”。热化学的实例包括将日光转换成储存的化学能，其通过采用高温吸热热化学反应如MgO-Mg氧化还原反应，其呈现高于42％的能量回收。
每个上述实例潜在地革新了收获太阳的能量以用于人类需求的能力。
方法：
1.样品制备：
将商用125μ纤维(Thorlabs)定位在20W CO2激光器(Synrad)的焦点处。纤维尖端被熔化并送入焦点，直到球体的形成，如在显微镜下看到的。随后在甲醇:Yb2O3纳米晶体悬浮液(1ml甲醇：100mg Yb2O3)中浸涂球体，然后通过短激光曝光约半秒来再次熔化以平滑球体的表面。对于较小球体加工，在熔化处理以前，在HF溶液中蚀刻纤维直到达到所期望的直径。
2.光学测量：
通过将样品放置在白色积分球(LabSphere)(用于NIR范围)中和放置在自行设计的金涂覆球体(用于IR范围)中，来测量样品的辐射亮度。通过金抛物线反射镜和ZnSe透镜，将在各种强度下并具有2％的稳定性的CO2激光器(Access激光器)聚焦到样品上。此外，在用于校准目的的球体内，聚焦1200C校准的黑体源(CI系统)。在通过配备有用于不同的光谱范围的适当光栅的摄谱仪(Oriel Instruments)以后，通过光学斩波器(StanfordResearch Systems)来斩波发光信号并通过锁定放大器(Stanford ResearchSystems)加以放大。在NIR区中，通过Ge检测器(Judson Technologies)和InGaAs相机(Andor Technology)来测量信号。在2μm和10μm之间的IR区中，利用InSb和MCT(InfraRed Associates)检测器来检测信号。
对于在真空下的测量，将样品放入具有连接于真空系统的光学窗口的Dewar。通过ZnSe窗口，将激光聚焦到样品上。通过Dewar窗口将样品成像到配备有光谱InGaAs相机的摄谱仪上来测量发光信号。
一般性原则
虽然已连同其具体实施方式一起描述了本发明，但显而易见的是，对于本领域技术人员，许多替换、改进和变化将是显而易见的。因此，它旨在涵盖属于所附权利要求的精神和广泛范围的所有这样的替换、改进和变化。
在本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请的全部内容以引用方式结合于本说明书。此外，在本申请中的任何参照文献的引用或确认不应被解释为承认这样的参考文献可作为本发明的现有技术。就使用章节标题而言，它们不应该被解释为必要的限制。

Claims (64)

1.一种以所希望的波长发射光子的方法，包括：
(a)提供材料，所述材料具有在第一组辐射波长高辐射吸收的第一能态区，所述第一能态区与在较短波长组低辐射吸收的第二能态区相邻，所述第二区与在更短波长组高发射的第三能态区相邻；
(b)对在所述第一区的所述材料施加能量，使得所施加的大部分能量占据包括在所述第二区中的非发射能态或弱发射能态；以及
(c)从通过所述施加能量而被提供能量的所述第三区的所述材料发射能量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述施加包括将能量转移到在所述第一区和所述第二区的表面声子极化激元，从而增加在所述第一区和所述第二区的所述材料的布居的能态的密度。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，选择所述材料和所述施加以相匹配，使得所述材料在能量的所述施加的波长具有高密度的表面声子极化激元模式。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述施加包括施加能量以加热所述材料，使得大部分的所述能量占据所述第二区并且在与所述第三区的重叠部分中。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述施加包括施加能量以加热所述材料，从而根据所述材料的黑体模型的辐射状态的分布大部分与所述第二区重叠并且也与所述第三区重叠。
6.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，所述材料被成形为促进表面声子传播。
7.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，所述材料被提供在空腔中或以在所述第三区的具有共振的空腔的形式提供。
8.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，所述材料耦合至纤维以输送入射能量和/或带走所述发射能量。
9.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，包括提供在所述第三区共振的空腔，从而增加在所述第三区的所述材料的能态的密度。
10.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，包括通过所述施加来驱动在所述材料中的能态的分布，并且其中，所述发射包括将在所述第三区的状态转换成辐射。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述驱动包括熵驱动。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述施加能量包括利用波长长于所述第三区中的任何波长的激光来加热。
13.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，所述发射包括作为相干辐射的发射。
14.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，所述发射包括作为照明的发射。
15.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，包括收集所发射的辐射并将所收集的辐射转换成电能。
16.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，包括收集所发射的辐射以及转换和存储所收集的辐射。
17.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，通过在限定所述第一区和所述第二区的一种或多种材料中的掺杂剂或涂布在所述一种或多种材料上的掺杂剂来提供所述第三区。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述掺杂剂选自由稀土金属以及其合金组成的组。
19.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，所述第三区具有小于20纳米的宽度。
20.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，所述第三区具有小于1埃的宽度。
21.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，所述第三区与转换效率超过20％的光电区重叠。
22.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，通过选自由SiO2、蓝宝石、CaF2、BaF2、LiF、金红石、CaCo3组成的组的基材来提供所述第一区和所述第二区。
23.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，所述第一区具有至少2微米的最短波长。
24.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，所述第一区具有至少0.5微米的最短波长。
25.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，所述第二区具有至少1.05微米的最短波长。
26.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，所述第二区具有至少123nm的最短波长。
27.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，对于蓝宝石，所述第二区具有至少142nm的最短波长。
28.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，所述第三区具有约1微米的最长波长。
29.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第三区位于长于所述有效黑体辐射的峰值波长的波长。
30.根据前述权利要求中任何一项所述的方法，其中，所述材料是绝热的。
31.一种以所希望的波长发射光子的方法，包括：
利用第一波长作为热源，加热在所述希望的波长具有物理发射窗口的物体；以及
通过所述物体的固态行为，将所述热转换成波长高于所述第一波长的辐射。
32.根据权利要求31所述的方法，其中，所述转换并不利用电子电路或机械机器。
33.一种用于能量转换的设备，包括：
本体，所述本体包括具有在一定范围的波长的低发射率窗口以及在较短波长范围的高发射率窗口的材料，所述本体在其上限定用于耦合能量源的至少一部分以及用于在所述高发射率窗口发射辐射的至少一部分。
34.根据权利要求33所述的设备，其中，所述本体处于500毫巴或更小的分压。
35.根据权利要求33至34中任一项所述的设备，包括能量源或用于将能量运送到所述耦合部分的光学器件。
36.根据权利要求33至35中任一项所述的设备，包括被配置为保持所述本体的温度的隔离部。
37.根据权利要求33至36中任一项所述的设备，包括或形成为在所述高发射率窗口具有共振的空腔。
38.根据权利要求37所述的设备，其中，所述空腔提供表面模式。
39.根据权利要求37所述的设备，其中，所述空腔形成在所述本体的表面上。
40.根据权利要求37所述的设备，其中，所述空腔被反射镜化。
41.根据权利要求33至40中任一项所述的设备，其中，所述本体包括提供所述低发射率窗口的主要材料以及提供所述高发射率窗口的一个或多个涂层和/或掺杂物。
42.根据权利要求33至41中任一项所述的设备，包括光电转换器，所述光电转换器被优化以接收在所述高发射率窗口的辐射并从其产生电力。
43.根据权利要求33至41中任一项所述的设备，包括存储单元，所述存储单元成被配置为接收在所述高发射率窗口的辐射并将所述辐射转换成储存能。
44.根据权利要求43所述的设备，包括能量发生器，所述能量发生器接收所述储存能并将所述存储的辐射转换成施加于所述本体的辐射。
45.根据权利要求33至41中任一项所述的设备，被配置为输出所述辐射作为激光照明。
46.根据权利要求45所述的设备，包括激光源，所述激光源具有长于所述高发射率窗口波长的波长并且耦合至所述本体的所述耦合部分。
47.根据权利要求33至41中任一项所述的设备，其中，所述本体由在太阳辐射波长具有吸收性的材料形成。
48.根据权利要求33至41中任一项所述的设备，其中，所述耦合部分包括用于对流加热的接触位置。
49.根据权利要求33至48中任一项所述的设备，其中，所述本体包含SiO2和稀土。
50.一种激光上转换器，包括：
激光源，所述激光源辐射第一波长的辐射；
本体，所述本体被定位为接收所述第一波长的所述辐射并且耦合所述辐射从而以大于0.4％的效率至少变短至2/5的波长辐射；以及
光学器件，所述光学器件用于从所述本体接收波长变短的激光辐射。
51.根据权利要求50所述的上转换器，其中，波长至少变短至1/7。
52.一种太阳光泵激光器，包括：
本体，所述本体被配置为以至少4个太阳的浓度接收太阳辐射；
空腔，所述空腔由所述本体形成或围绕所述本体形成；以及
光学器件，所述光学器件用于运送来自所述空腔的激光辐射。
53.一种能量转换器，包括：
本体，所述本体被配置为接收热或太阳辐射，并具有发射峰；以及
光电电池，所述光电电池被配置为接收所述发射峰的辐射并将所述辐射转换成电能。
54.一种化学处理器，包括：
本体，所述本体被配置为接收热或太阳辐射，并具有发射峰；以及
化学反应室，所述化学反应室被配置为接收所述发射峰的辐射并将所述辐射提供给一个或多个化学反应材料。
55.一种化学处理器，包括：
本体，所述本体被配置为接收热或太阳辐射，并具有发射峰；以及
化学反应室，所述化学反应室被配置为热接触在所述峰下工作的激光发射模体积，其中所述激光发射模体积提供对一个或多个化学反应材料的激发。
56.一种基本如下文所述的装置，用于以高于27％的内部效率，将10.6μm辐射上转换成1μm辐射。
57.一种基本如下文所述的装置，用于以高于10％的总效率，将10.6μm辐射上转换成980nm辐射。
58.一种用于从辐射产生电力的设备，包括：
具有第一带隙Eg1的第一辐射吸收和发射材料，被配置为吸收入射辐射；
具有第二带隙Eg2的第二光电材料，被配置为吸收从所述第一辐射吸收和发射材料发射的辐射；以及
电触点，电连接于所述第二光电材料以提供电力的输出。
59.根据权利要求58所述的设备，其中，所述第一带隙Eg1小于所述第二带隙Eg2。
60.根据权利要求58和59中任一项所述的设备，进一步包括用于将从所述第二光电材料发射的辐射反射到所述第一辐射吸收和发射材料上的反射器。
61.根据权利要求58至60中任一项所述的设备，进一步包括用于将未被所述第二光电材料吸收的辐射反射到所述第一辐射吸收和发射材料上的反射器。
62.根据权利要求58至61中任一项所述的设备，其中，在所述第一辐射吸收和发射材料和所述第二光电材料之间存在空间。
63.根据权利要求62所述的设备，其中，所述空间包括真空。
64.根据权利要求58至63中任一项所述的设备，进一步包括光学元件，所述光学元件用于将所述入射辐射集中到所述第一辐射吸收和发射材料上。
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