KR100350410B1 - 강하게 산란하여 레이저와 같은 작용을 하는 이득 매질을이용한 물체 내부의 구조물의 존재를 검색하는 방법 - Google Patents

강하게 산란하여 레이저와 같은 작용을 하는 이득 매질을이용한 물체 내부의 구조물의 존재를 검색하는 방법 Download PDF

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Abstract

강하게 산란하여 레이저와 같은 작용을 하는 이득 매질을 이용한 물체 내부의 구조물의 존재를 검색하는 방법에 관해 개시되어 있다. 개시된 검색 방법은 물체의 한 표면영역에 다상의 이득매질을 제공하는 단계로서, 다상 이득매질은 제1 파장과 다른 제2 파장을 가지는 파장밴드내에 속하는 파장들로 전자기 복사를 방사하는, 제1 파장을 가지는 전자기 복사에 반응하는 단계와, 상기 제1 파장을 가지는 복사의 제1 펄스로 상기 이득매질을 조사하는 단계와, 상기 물체에 상기 제2 파장을 가지는 상기 방사된 복사를 전파하는 단계와, 상기 구조물과 관련되는 굴절율의 변화와 마주치는 상기 전파복사에 반응하여 상기 전파되는 복사의 일부를 상기 물체의 표면으로 되 반사시키는 단계와, 제2 펄스와 동시에 상기 다상 이득 매질에 들어가는 상기 반사된 복사에 반응하여 상기 제2 파장을 가지는 상기 파장밴드에 속하는 파장으로 상기 전자기 복사의 방사를 강화하는 단계와, 상기 강화된 방사를 검색하는 단계 및 상기 구조물에서 상기 물체의 표면까지의 적어도 한 거리를 결정하기 위해 상기 제1 및 제2 펄스의 출현사이의 시간과 상기 검색된 강화된 방사를 서로 관련시키는 단계를 포함한다.

Description

강하게 산란하여 레이저와 같은 작용을 하는 이득 매질을 이용한 물체 내부의 구조물의 존재를 검색하는 방법{Method for detecting presence of structure within object using strongly scattering gain medium providing laser-like action}
본 발명은 일반적으로 전자기 에너지원의 이용 방법에 관한 것으로서, 자세하게는 고도의 단색원(monochromatic source)(좁은 스펙트럼 선폭)을 이용한 물체 내부의 구조물의 존재를 검색하는 방법에 관한 것이다.
본 특허 출원은 "도핑된 반도체 단결정과 광 산란자를 가지고 있는 광학적 이득매질"이라는 제목으로 Nabil M. Lawandy(Attorney's Docket No. 317-945033-NA)에 의해 1994. 3. 18일 출원되어 계속 중에 있고, 미국특허출원 08/210.356호와 관계가 있다.
"음의 공명흡수를 갖는 산란매질에 의한 광 발생"이라는 제목의 출판물(Sov.Phys. JETP, 1968년 4월호 제26권중 제4권 835-839 페이지)에서 V.S Letokhov는 음의 공명흡수 또는 이득을 갖는 산란매질에 의한 광 발생에 대한 이론적 분석을 발표했다. 이 분석에 따르면 포톤의 평균자유경로(Λs)는 활성산란영역(방정식 1)의 모든 치수들(R)보다 훨씬 작아야 한다. 발생의 문턱에 대한 조건의 논의에서, 광학적으로 여기된 반경이 2×10-4cm인 루비 입자들(λ=7×10-5cm)의 구면분포에 대한 한 예가 주어진다. 그 결과로 일어나는 상기 영역의 임계반경은 4mm정도라는 것을 보여준다. 또한, Letokhov는 전기적 방전에 의해 여기된 헬륨-네온(He-Ne) 또는 헬륨-크세논(He-Xe)혼합가스와 같은 음의 흡수를 갖는 가스성 매질에 분포되어 있는 산란입자들에 대한 이론적 분석을 제공한다. 상기 산란 입자들은 비 공명 피드백(non-resonant feed back)을 초래하는 것으로 알려져 있다. 반면 가스성 활성매질은 공명증폭을 일으킨다. 이와 같은 가스상태의 매질에 대한 상기 임계 유효 반경은 1.8cm정도로 알려져 있다. 상기 방사 스펙트럼의 연속적인 좁아짐이 예견되었다. 이 점에 관해서는 Letokhov의 초기 이론 논문인 "음의 흡수를 갖는 산란 입자들의 앙상블의 유도 방사"(ZhETF Plasma 5, 1967년 4월 15일 8권 (262-265페이지))를 참조하기 바란다. 여기서 매질의 치수는 R〉〉ΛS〉〉λ로 주어지는데, 상술한 바와 같이 R은 매질의 치수이고 ΛS는 산란에 의한 포톤의 평균 자유경로이며, λ는 포톤의 파장이다.
또한 양자전자공학의 진보(ed. Sanders J.H. Stevens K. W. H.) 109-185 (1970년 옥스포드, Pergamon 출판사) Ambartsumyan R. V., Basov N. G., Kryukov P. G. Letokhov V. S.에 의한 출판물도 참조하기 바란다. 여기서 산란에 의한 포톤의 자유경로 ΛS -, 한 그룹에 의해 점유된 영역의 평균 치수 R 및 방사파장 λ는 관계식 R>>ΛS>>λ를 만족하는 때의 이론적 표현은 152-153페이지에 실려있다. 여기서 산란 입자들 사이의 평균거리는 파장보다 훨씬 크다.
Letokhov의 접근방식에서의 드러난 문제점은 상기 매질의 모든 치수가 산란길이보다 훨씬 커야 한다는 것이다. 예컨대, 상기 매질의 각 치수는 일 센티미터 정도일 필요가 있다. 이들 치수적인 요건은 매우 가치있는 고 공간적 해상도 적용에 대해서 상기 매질의 사용을 배제할 수도 있다. 예를 들면, Letokhov의 가르침에 따라서 달성할 수 없는 하나의 특별히 가치있는 적용은 박막, 코팅 또는 상기 이득 매질을 포함하는 물체의 형성이다. 다른 예는 반경이 산란길이 보다 작거나 산란길이와 비교할 수 있는 구나 실린더이다. 또 다른 문제는 가스성의 매질 특히, 전기적 방전에 의해 여기된 가스성 매질에 산란입자들을 공급해야 한다는 요건이다. 실제적으로 이것은 달성하기 어려울 수도 있고 대부분의 적용에 대해서 비현실적일 수도 있다.
"화학반응을 나타내는 광 산란 매질에서 유도 비 코히어런트 복사의 발생(Generation of stimulated noncoherent radiation in light-scattering media exhibiting chemical reactions)"이라는 제목의 논문(Sov. J. 양자전자공학. 12(5), 1982년 5월 588-594페이지)도 또한 참조하기 바란다. 여기서 I.A.Izmailov 등은 산란으로부터 일어나는 피드백은 분산반응매질에서 레이저를 일으키는데 사용될 것을 제안한다. 화학적으로 레이저를 펌핑시킬 수 있는 가능성은 산화분위기하에서 연료 한 방울의 혼성상(heterophase) 연소에 대한 계산을 기초로 하여 평가된다. 산화 질소(NO)와 오존(O3), 바륨(Ba)과 염화 황(S2Cl2) 및 바륨(Ba)과 아 산화 질소(N2O)사이의 상기 반응은 특별하게 계산된다.
실제 의미에서 현실화하는 것이 가능하기만 하다면, 이러한 접근방식에 기초한 레이저 디바이스는 특정 적용의 좁은 범위로 제한되는 것처럼 보일 것이다.
본 특허출원에 개시된 발명의 발명자에 의해 만들어진 발명들을 개시하고 권리를 주장하는 다음 3개의 미국 특허; "제2 하모닉 발생과 벌크 져마노 실리케이트와 알루미노 실리케이트 유리가 포함된 자기 진동 더블링 레이저 물질(Second Harmonic Generation and Self Frequency Doubling Laser Materials Comprised of Bulk Germanosilicate and Aluminosilicate Glasses)"이라는 제목으로 1992년 10월 20일 발행된 미국 특허 5,157,674호; 상기 미국 특허의 분할 출원이고 1993년 8월 3일 발행된 미국 특허 5,233, 621호; 그리고 "광학적으로 암호화되고 위상 매치된 제2 하모닉 발생 디바이스와 반도체 마이크로 크리스탈라이트 도핑된 유리를 사용하는 자기 진동 더블링 레이저 매질(Optically Encoed Phase Matched Second Harmonic Generation Device and Self Frequency Doubling Laser Material Using Semiconductor Microcrystallite Doped Glasses)"이라는 제목으로 1993년 10월 12일 발행된 미국 특허 5,253,258호도 참조한다.
따라서, 본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 상기한 종래의 문제점을 개선하기 위하여 제공되는 이득 매질 이용한 물체 내부의 구조물의 존재를 검색하는 방법을 제공함에 있다.
도 1은 여기소오스에 의해 여기되는 순수염료(궤적 "a")와 문턱여기보다 낮은 산란입자들과 함께하는 염료(궤적 "b"), 상기 문턱여기보다 높은 산란입자들과 함께하는 염료(궤적 "c")를 사용하여 얻어지는 세개의 다른 방사 스펙트럼를 그래프로 나타낸다.
도 2는 도 1의 궤적 "a"의 순수 염료 용액(열린 원:○)과 도 1의 궤적 "b"의 TiO2나노파티클 콜로이드(2.8×1010/cm3) 염료 용액(닫인 원:●)에 대해서 펌프 펄스 에너지의 함수로 파장의 집적 방사의 도면을 나타낸다.
도 3은 4개의 다른 TiO2나노파티클 밀도에 대한 펌프펄스 에너지의 함수로서 피크방사를 나타낸다. 특히, 원(●), 다이아몬드(◆), 사각형(■) 및 삼각형(▲)은 각각 1.4×109/cm3, 7.2×109/cm3, 2.8×1010/cm3및 8.6×1011/cm3의 나노파티클 농도를 나타낸다. 삽입된 도면은 2.8×1010/cm3의 나노파티클 밀도에 대한 데이타를로그눈금로 나타낸 것이다.
도 4a 내지 4c는 세개의 다른 TiO2나노파티클 밀도에 대해서 방사 선폭을 펌프 펄스 에너지의 함수로서 나타낸 도면이다. 구체적으로는 도 4a 내지 4c는 각각 5.7×109/cm3(채워진 원), 2.8×1010/cm3및 1.4×1011/cm3의 밀도에 해당한다. 도 4a의 열린 원들은 도 1의 궤적 "a"의 순수 염료 용액이 방사선폭을 펌프 펄스 에너지의 함수로 나타낸다.
도 5는 쿠마린(coumarin) 440과 산란 입자들로 구성된 이득 매질에 대해서 파장에 대한 세기를 나타낸 그래프이다.
도 6a 내지 6c는 일련의 80피코초의 펄스에 대해서 도 1의 궤적 "a"의 염료 용액의 반응(도 6a)과 도 1의 궤적 "b"의 TiO2/염료 용액의 반응을 나타낸다. 여기서 도 6a는 가장 높은 펌프 에너지에서 상기 순수 염료의 반응을 나타낸다. 반면, 도 6b와 6c는 각각 낮은 펌프 에너지(1.2×10-2mJ/pulse)와 높은 펌프 에너지(1.2×10-1mJ/pulse)에서 상기 TiO2나노파티클(2.8×1010/cm)의 반응을 나타낸다.
도 7은 레이저와 같은 작용을 제공하는 메카니즘을 포함하고 도 1 내지 도 6에 나타낸 데이타가 발생되었던 시스템의 단순화된 다이어그램이다.
도 8a는 임계의 횡 구경(aperture) 크기를 염료 농도의 함수로 나타낸 도면이다. 도 8b는 3.5×10-3M 염료 농도를 갖는 이득 매질에 대해서 구경사이즈(microns)대 피크 세기를 나타낸 도면이다. 도 8c는 3.5×10-3M 염료 농도를 갖는 이득 매질에 대해서 구경 사이즈(microns)대 방사선폭을 나타낸 도면이다. 그리고 도 8d는 상기 이득 매질의 얇은(두께 0.5mm) 모노리틱(monolithic) 고형 샘플(solid sample)에 대한 파장대 방사 세기를 나타낸 도면이다.
도 9a와 9b는 각각 본 발명의 실시예를 나타낸다. 여기서 디스플레이 장치의 복수 개의 픽셸을 형성하기 위해 상기 매질을 사용한다. 상기 픽셸은 사용하는 동안에 레이저에 의해 스캐닝된다.
도 10a는 입력파장에 반응해서 동시에 복수 개의 다른 출력파장들을 제공하기 위해 투명한 기판의 표면상에 복수 개의 영역을 형성하기 위해 상기 매질을 사용하는 본 발명의 실시예를 나타낸다.
도 10b는 복수 개의 이득 매질을 함유한 기판의 다층 배열을 나타낸다.
도 11은 본 발명의 실시예를 나타내는데, 여기서 상기 매질은 작은 구 안에 들어있다.
도 12a와 12b는 각각 본 발명의 실시예를 나타내는데, 여기서 입력 파장에 반응해서 각각 다른 출력파장을 방사하는 복수 개의 영역을 형성하기 위해 상기 매질을 사용한다.
도 13a 내지 13f는 각각 본 발명의 실시예를 나타내는데, 여기서 상기 매질은 국소영역에서 원하는 파장을 제공하기 위해 광 섬유 또는 카테터(catheter)의 일부에 포함되어 있다.
도 14는 상기 매질로 선택적으로 코팅된 스크린을 가지는 시스템과 상기 매질이 원하는 잘 한정된 파장을 방사하도록 선택적으로 여기하는 레이저 스캐너를 보이는 본 발명의 실시예를 나타낸다.
도 15a와 15b는 각각 본 발명의 실시예를 나타내는데, 여기서 복수 개의 물체들은 각각 상기 매질이 포함된 코팅과 상기 물체들을 조명하기 위한 레이저와 상기 코팅에 의해 방사된 파장을 검출하기 위한 검출기를 포함한다.
도 16은 매질을 어떤 물체의 표면 상에 표시(indicia)하기 위해 특정적으로는 바 코드를 형성하기 위해 사용하는 본 발명의 실시예를 나타낸다.
도 17은 매질을 코팅(고체 또는 반 고체)으로서 상기 코팅에 의해 방사되는 한 파장 또는 파장들을 내부적으로 투과시킬 수 있는 물체에 적용하는 본 발명의 실시예를 나타낸다.
도 18은 제1 파장을 보다 짧은 파장인 제2 파장으로 상향전환하는데 사용하는 본 발명의 실시예를 나타낸다.
도 19는 매질을 레이저의 눈 보호를 제공하는 안경 렌즈위에서 하나의 코팅으로 사용하는 본 발명의 실시예를 나타낸다.
도 20a 내지 20c는 비선형 라만(Raman) 산란실시예에서 매질을 사용하는 것을 나타낸다.
도 21은 입력 펌프 빔에 의해 받는 힘으로 인해 가속되는 상기 이득 매질을 포함하는 입자를 나타낸다.
도 22는 줄이지 않은(not to scale) 본 발명에 의해 가능해지는 방사의 확장과 이동으로부터 이득을 얻으며 폴리머를 베이스로 하고 전기적으로 광을 방사하는디바이스의 단면도이다.
도 23은 줄이지 않은 본 발명의 레이저 다이오드 실시예의 단면도이다. 여기서 이득매질은 상기 레이저 다이오드의 근본적 방사파장과는 다른 파장에서 레이저와 같은 방사를 제공하기 위해 상기 레이저 다이오드의 방사면에 코팅으로 적용된다.
도 24a는 줄이지 않은 본 발명의 실시예에 의한 정면도이다. 그리고 도 24b는 줄이지 않은 본 발명의 실시예를 나타내는 평면도이다. 여기서 본 발명의 상기 이득 매질은 펌프 파장을 제2 이득매질에 동조시키기 위해서 염료 용액이나 레이저 봉(rod)과 같은 제2 이득 매질을 펌핑하는데 사용된다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 물체내의 구조물 존재를 검색하는 방법에 있어서, 상기 물체의 한 표면영역에 다상의 이득매질을 제공하는 단계로서, 상기 다상의 제1의 상은 여기에 반응하여 자발적으로 전자기 복사를 방사하고 유도방사에 의해 상기 방사된 전자기 복사를 증폭시키는 수단으로 구성되고, 제2의 상은 상기 제1의 상내에서 상기 전자기복사의 존재시간을 증가시키기 위해 상기 방사되어 증폭된 전자기 복사를 산란시키는 수단으로 구성되며, 상기 다상 이득매질은 상기 제1 파장과는 다른 제2 파장을 가지는 파장밴드내에 속하는 파장들로 전자기 복사를 방사하는 제1 파장을 가지는 전자기 복사에 반응하는 그러한 단계와, 상기 제1 파장을 가지는 복사의 제1 펄스로 상기 이득매질을 조사하는 단계와, 상기 물체에 상기 제2 파장을 가지는 상기 방사된 복사를 전파하는 단계와, 상기 구조물과 관련되는 굴절율의 변화와 마주치는 상기 전파복사에 반응하여 상기 전파되는 복사의 일부를 상기 물체의 표면으로 되 반사시키는 단계와, 제2 펄스와 동시에 상기 다상 이득 매질에 들어가는 상기 반사된 복사에 반응하여 상기 제2 파장을 가지는 상기 파장밴드에 속하는 파장으로 상기 전자기 복사의 방사를 강화하는 단계와, 상기 강화된 방사를 검색하는 단계 및 상기 구조물에서 상기 물체의 표면까지의 적어도 한 거리를 결정하기 위해 상기 제1 및 제2 펄스의 출현사이의 시간과 상기 검색된 강화된 방사를 서로 관련시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 물체 안의 구조물의 존재를 검색하는 방법을 제공한다.
상술한 문제와 다른 문제들은 본 발명의 제1 특징에 따라서 다상시스템(multi-phase system)인 이득 매질에 의해 해결된다. 여기서 제1의 상은 전자기 복사방사와 증폭상이고 제2의 상은 전자기복사 산란상이며, 제3의 상은 투명한 메트릭스(matrix) 상이다. 예를 들면, 상기 방사상은 염료분자들로 구성될 수 있다. 상기 산란상은 알루미늄 입자(Al2O3)로 구성할 수 있다. 그리고 상기 메트릭스 상은 메탄올과 같은 솔벤트로 구성할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에서 상기 방사 및 산란상은 반도체입자들을 사용할 때와 같이 동일한 상일 수 있다. 상기 이득 매질을 포함하는 물체의 가장 작은 치수는 상기 산란상과 연합된 산란 길이보다 작을 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서 상기 메트릭스 상은 이득 예컨대, 폴리머 PPV를 가지며 산란목적으로 입자들을 첨가한다.
본 발명의 특정 실시예에서 레이저와 같은 작용은 로다민(rhodamine)과 같은 염료와 산화 티타늄(TiO2) 또는 Al2O3와 같은 높은 인덱스 콘트라스트 나노파티클(nanoparticle)을 포함하는 레이저 여기된 메탄올 용액에서 일어난다. 상기 이득 매질은 효과적인 레이저 소오스의 많은 특성을 나타내며, 거의 문턱이 없는 입력-출력 행태를 가진다. 레이저와 같은 작용은 적절히 한정된 여기에 의해 상기 방사의 출력선폭이 좁아지는 어떤 조건을 포함하도록 의도된다. 특히, 종래 기술에 내재해 있는 치수적 제한이 극복된다. 레이저와 같은 작용은 상기 이득매질이 그 매질내에서 포톤의 산란길이보다 단지 약간 크거나 같을 때 또는 비록 작은 치수일 때도 일어난다는 것을 알 수 있다. 앞서 기술한 것처럼 Letokhov 등에의해 예견된 치수적 요건과 분명한 대조를 이룬다.
본 발명의 실시예에서 문턱이 거의 없는 레이저와 같은 작용은 콜로이드 상의 TiO2또는 Al2O3나노파티클을 포함하는 광학적으로 펌핑된 염료-메탄올 용액을 강하게 산란시켜서 달성한다. 광학적으로 펌핑된 높은 이득의 콜로이드 매질로 부터의 방사는 임계 펌프 펄스 에너지보다 높은 선형 입출력 특성의 기울기의 변화를 나타내도록 도시된다. 기울기의 변화는 어떤 염료들과 함께 높은 펌퍼 에너지에서 나타나는 두가지 색채의 스펙트럼과 함께 상기 출력 스펙트럼 선폭의 상당한 좁아짐을 동반된다. 532nm에서 80피코초 펄스로 상기 콜로이드 매질을 여기하면 광학적 검출 시스템의 300 피코초 시간 해상도 보다 짧은 따라서 단지 형광적인 형태가 아니라 레이저와 같은 행태의 발생을 실체화하는 방사를 초래하는 것으로 판명되었다.
본 발명의 다수의 신규한 실시예를 상세히 기술하기 위해 본 발명의 매질의 실시예의 바람직한 신규한 성질을 분명하게 기술하는 실험결과 설명서를 먼저 만든다.
실험 설명서
실험은 산화 티타늄(TiO2(금홍석)) 또는 Al2O3(알파(α) 상) 나노파티클중 어느 하나의 양을 변화시키면서 메탄올내에 1×10-3M 에서 2.5×10-3M농도의 로다민(rhodamine) 640 염료를 포함하는 용액에서 실시하였다. 상기 TiO2파티클들은 지름이 평균 250nm이고 상기 Al2O3파티클들은 지름이 280nm 또는 33nm 이었다. 상기 TiO2파티클이 면상침전(flocculation)되는 것을 막기 위하여 Al2O3층으로 코팅하였다.
입자크기와 밀도를 기초로 해서 이들 콜로이드는 1cm의 길이에 대해서 각각 14.2시간, 6.6시간 및 882시간의 침전시간을 나타내는 것으로 측정되었다. 이들 시간은 30분에서 1시간정도인 실험시간보다 매우 길었다.
더욱이, 나노파티클에 대한 염료분자들의 흡수에 사용가능한 총 표면적이 측정되었다. 특히, 상기 TiO2입자들은 염료분자들을 수용하기 위해 13.4 m2/gram의 유효 표면적을 갖고 있음이 판명되었다. 이 값은 ρ∼1010/cm3의 입자밀도에서 2.5×10-3M의 염료분자들의 1%정도가 상기 나노파티클 표면에 수용될 수 있다는 것을 의미한다. 이와 같은 상한으로 인해 표면효과가 관측된 상기 콜로이드 용액의 레이저와 같은 성질에 중요한 역할을 한다는 가능성이 효과적으로 제거된다.
상기 나노파티클의 광 산란 성질은 미에(Mie) 기간에 있었다. ∼617nm의 피크 염료방사파장에서 산란 단면적은 완전히 미에 해(Mie solution)를 사용하여 계산하였으며 어떤 형태학적 공명(morphological resonances)을 나타내기에는 너무 작은 것으로 판명되었다. 근본적으로 이것은 작은 크기 파라미터(parameter) x = ka (여기서 k는 메탄올에서의 방사 파벡터이고 a는 입자의 반경이다)때문인 것으로 믿어진다. TiO2, Al2O3및 메탄올에 대한 굴절율 2.62, 1.77 및 1.33을 사용하여 상기 TiO2와 두개의 상기 Al2O3입자들의 사이즈에 대해서 각각 1.86 ×10-9cm2, 1.13×10-9cm2및 1.0×10-13cm2의 산란 단면적을 측정하였다.
도 7에 도시한 바와 같이 투명한(관심있는 파장에서) 셀(10)은 10-3M범위안의 농도에서 로다민 640 과 염소산 염(percholrate)이 함유된 나노파티클 메탄올 콜로이드를 갖는 용액(12)을 포함했다. 상기 셀(10)은 1cm×1cm×1cm의 공칭(nominal) 치수를 갖는다. 이들 셀 치수는 실험을 실시하는데 편의상 선택한 것이다. 즉, 아래에 기술되지만, 이들 셀 치수는 본 발명의 실시에 대한 제한을 의미하지는 않는다.
상기 용액(12)은 1.064mm에서 발진하는 진동수 중복된 Nd:YAG레이저(14)로부터 나오는 선형적으로 편광된 532nm의 복사를 사용하여 광학적으로 이축(off-axis) 펌핑된다. 실험은 단일 7나노초 펄스을 발진하는 큐-스위칭된(Q-switched) 레이저나 9개의 80 피코초 길이의 펄스들은 포함하는 125나노초 길이의 파열(train)을 발진하는 큐 스위치된 그리고 모드잠긴(mode-locked)레이저을 사용하여 실시한다. 상기 532nm복사는 매탄올에서 2.5×10-3M의 순수 염료용액으로 50㎛의 작은 신호투과깊이를 갖는 것으로 판명되었다. 그것은 상기 실험들중 어떤 실험에 사용된 가장짧은 광 산란 길이(1s)보다 작다. 상기 셀(10)의 입사면(10a)에서 레이저 스폿(spot:16)의 면적은 7나노초의 펄스에 대해서는 2.5×10-2cm2이고, 80피코초의여기에 대해서는 7.85×10-3cm2인 것으로 측정되었다. 상기 긴 펄스를 사용한 측정은 5Hz의 반복비(repetition ratio)에서 실시하였다. 반면, 상기 80피코초 펄스의 측정은 25Hz의 큐 스위치 율로 실시하였다. 이러한 낮은 반복비는 상기 발명의 실시를 제한하기 위한 것이 아니라 염료의 열화 효과(degradation effect)를 피하기 위해 사용하였다. 상기 실험에 대해서 펄스당 최대에너지는 긴 펄스와 짧은 펄스에 대해서 각각 10mJ과 0.12mJ정도였다. 상기 셀(10)의 면(10a)으로부터의 출력은 렌즈(18)를 사용하여 모아져서 액체질소 냉각된 CCD 어레이(22)를 갖는 광학 다채널 분석기(20)로 보내어졌다. 뿐만 아니라 단색채기(monochromator:24)를 거쳐서 패스트(fast) 포토다이오드(26)와 300피코초의 전체 시간해상도를 갖는 오실로스코우프(28)에도 보내어진다.
실시예
실험의 제1 시리즈는 상기 셀(10)의 메탄올 용액에서 2.5×10-3M 로다민 640 과 염소산 염을 펌핑시키는 7나노초길이의 펄스를 사용하여 실시하였다.
순수 염료용액의 여기는 도 1의 궤적 "a"에 도시된 바와 같은 스펙트럼을 발생시켰다. 이 스펙트럼은 640nm에서 견부(shoulder)를 갖고 610nm에서 메인피크를 나타내었다. 이 스펙트럼은 10mJ의 전체펌프펄스에너지 범위에 대해서 일정한것으로 판명되었다. 펌프에너지의 함수로서 파장의 집중된 형광은 0.26mJ의 포화에너지에서 포화작용을 나타내었고 도 2에서 중공원(○)으로 도시하였다. 상기 스폿사이즈와 펌프 펄스의 지속과 함께 포화에너지는 I SUB S ∼ hν/σ sub p τsub sp =0.7MW/cm sup 2 에 의해 주어지는 포화여기와 일치한다. 여기서 σp는 532nm(σp∼1.33×10-16cm2)에서 펌프흡수 횡단면이고, τsp는 S1S0의 자발적 수명(4나노초)이다.
유사한 광학적 펌핑실험이 2.8×1010/cm3의 TiO2나노 파티클을 포함하는 메탄올-염료 용액으로 실시 하였다. 이들 실험의 결과는 현저하게 달랐다. 순수 염료 용액의 36nm의 폭과 비교해서 가장 낮은 여기에서 스펙트럼은 76nm의 선폭을 나타내었다. 여기 펄스의 에너지가 증가할 때, 도 1의 궤적 "b"에 도시한 바와 같이 λ∼617nm에서 편향되지 않은 방사가 급속히 증가되었다가 좁아졌다. 펌프에너지가 훨씬 증가함에 따라 두가지 색채(bichromatic)의 스펙트럼이 관측되었다. 상기 두가지 색채의 스펙트럼은 강하게 드라이브(drive)된 링 염료 레이저에서 보고된 것과 유사한 것으로 판명되었다.
640nm의 방사는 단지 100㎛보다 두꺼운 셀 에서 관측되었다. 그리고 보다 약한 전자진동 전이에서의 유도방사와 관련되어 있다. 도 2의 중실원(●)은 펌프에너지의 함수로서 파장 집적된 방사를 나타낸다.
TiO2나노파티클을 포함하는 콜로이드 용액은 순수염료용액에서 관찰된 강한 포화작용을 나타내지 않는다는 것은 주목할 만하다. 즉, 본 발명의 매질을 사용함으로써 고도의 단색 광 에너지의 비 포화 소오스(non-saturable source)가 제공된다.
도 3에 도시한 바와 같은 여러가지의 나노파티클 밀도에 대한 펌프에너지에서 λ∼617nm의 피크방사의 의존성은 주목할 필요가 있다. 구체적으로 도 3은 모든 파티클 농도에 대해서 617nm에서 기울기 효율의 변화에 대한 잘 한정된 문턱을 나타낸다. 이 데이타가 로그눈금으로 그려질 때 그 결과는 도 3에 삽입된 그림으로 도시한 바와 같이 레이저 작용에 대해서 특이한 s형 곡선이 된다. 상기 곡선은 모든 자발적 방사모드가 레이저 광을 발생시킬 수 있을 때 직선에 접근하는 거의 문턱이 없는 레이저 작용의 매우 완만한(gentle) 곡률 특성을 보인다. 이러한 직선형태의 데이타 분석에 의하면, 입.출력작용에서 기울기의 변화가 측정되는 동일한 펌프에너지에서 방사선폭은 4nm로 급격하게 작아지는 것을 보이고 있다.
도 4a 내지 4c는 방사의 최대치의 절반에서의 완전한 선폭을 세 종류의 TiO2나노 파티클 농도에 대해서 펌프 펄스 에너지의 함수로 그린 도면을 보여준다. 도 4a는 하나의 기준으로 순수염료의 선폭을 나타낸다(○으로 도시함). 도 4에 도시된 결과는 상기 매질(12)에서 일어나는 준 안정 상태의 레이저 작용을 분명하게 보여준다. 이와 같은 준 안정상태(qusi-steady state)의 레이저 작용은 통상적인 염료 레이저 시스템에 대한 경우와 같이 공진기 구조(resonant cavity structure)안에 위치하지 않은 광학적으로 펌핑된 용액에서 일어난다는 것을 주목하는 것은 중요하다.
여러가지의 나노파티클 밀도에 대해 수집된 데이타는 상기 나노파티클 농도에 대한 레이저의 기울기 효율, ξ,의 상대적 의존성을 측정하는데 사용하였다. 이결과는 임계값 ρc가 5×1010/cm3이 될 때까지 ρ에 대한 ξ의 선형 의존성을 밝혔다. 여기서 파티클 밀도의 증가는 λ∼617nm에서의 방사된 광 출력에 대한 기울기 효율의 눈에 띄는 증가는 없었다. 유사한 결과가 비교할 수 있을 정도의 산란 평균 자유 경로에 대응하는 밀도에서 다른 두 입자크기로 관측되었다. 게다가 산란 효율도 1×10-3M 에서 5×10-3M 범위에 걸쳐서 염료 농도와는 무관함이 판명되었다.
더 많은 실험에서, 상기 셀(10)로부터 방사된 광은 서로 다른 파장에서의 방사의 일시적인 특성을 측정하기 위하여 상기 단색채기(monochromator)(24)를 거쳐서 상기 패스트 포토다이오드(26)과 오실로스코우프(28)로 보내졌다.
도 5a 내지 5c는 순수 염료, 강렬한 617nm의 방사 및 640nm의 방사피크의 펄스 여기(7나노초 길이)당 3mJ에 대해서 기록된 궤적을 나타낸다. 이들 결과를 보면, 상기 순수염료와 640nm의 방사는 모두 펌프펄스가 있은 후에 피크가 나타난다. 반면, 617nm복사는 펌프 펄스의 피크가 있기 전에 최대에 도달한다.
80피코초 펄스들의 열을 이용한 여기 또한 콜로이드 염료/메탄올/나노파티클 용액(12)의 일시적인 특성에서 문턱 작용을 보였다. 펌프 펄스 에너지가 레이저 작용을 일으키는데 필요한 것 보다 낮을 때, 614nm에서 피크방사는 상기 순수염료용액에서 관측된 것과 동일한 모든 펌프에너지에서 긴 4나노초의 붕괴를 나타냈다. 더욱이 상기 펄스가 매13.15나노초, 거의 상기 여기를 완화시킬 수 없는 펄스 반복비에 도달된 이후 큰 백 그라운드 신호가 관측되었다. 그러나 펌프 펄스 에너지가 문턱 점을 넘어서도록 증가되었을 때, 상기 오실로스코우프(28)의 300피코초 해상보다 지속시간이 짧은 것으로 판명된 날카로운 스파이크가 나타났다. 에너지를 더욱 증가시키면 단지 날카로운 스파이크만이 생기고 모드 잠긴(mode locked)것과 큐 스위치된 파열의 펄스들 사이에 거의 완전한 복구가 일어난다. 이러한 결과는 도 6의 오실로스코우프 궤적에서 볼 수 있다.
도 1 내지 도 6를 참조하여 상술한 데이타에서 레이저 또는 레이저와 같은 작용은 상기 매질(12)에서 일어난다는 것을 분명히 알 수 있다. 이것은 (a)잘 한정된 펌프에너지에서 관찰된된 기울기의 변화; (b)문턱의 아래 위에서 선형 입-출력 작용; (c)잘 한정된 펌프 에너지 보다 위에서 좁아지는 스펙트럼 선; 및 (d)문턱 여기 위에서의 일시적인 축소 때문이라고 말할 수 있다. 이 데이타와 상기 순수 염료 화합물에 대해서 얻은 결과를 비교하면 레이저 작용의 측정을 강화할 수 있다.
도 8a는 임계의 횡 구경(aperture) 크기를 염료 농도의 함수로 나타낸 도면이다. 도 8b는 3.5×10-3M 염료 농도를 갖는 이득 매질에 대해서 구경 사이즈(microns)대 피크 세기를 나타낸 도면이다. 도 8c는 3.5×10-3M 염료 농도를 갖는 이득 매질에 대해서 구경 사이즈(미크론)대 방사선폭(나노미터)을 나타내는 도면이다. 그리고 도 8d는 상기 이득 매질의 얇은(두께 0.5mm) 모노리틱(monolithic) 솔리드 샘플에 대해서 파장에 대한 방사 세기를 나타낸 도면이다.
상기 이득매질(12)로부터의 방사는 상기 매질(12)의 관련된 산란 길이보다 작거나 산란길이 정도인 적어도 한개의 치수(구경사이즈나 횡 치수)를 가지는 영역에 대해서 일어날 수 있다는 것을 볼 수 있다. 이것은 광범위한 적용이 가능하다는 점에서 본 발명의 중요한 특징이다. 여기서 상기 매질(12)을 작은 체적내에 제공하거나 얇은 코팅이나 층으로서 마련하는 것이 바람직하다.
다음의 분석은 본 발명을 질적으로 이해하는데 도움을 주기위한 것이다. 그렇지만, 지금 제시되는 이론에 의해 본 발명의 범위를 제한하려는 의도는 없다. 이 이론은 정확하고 관측할 수 있는 사실들과 받아들여진 과학적 원리와 일치한다고 생각된다.
현재, 광학적으로 펌핑된 콜로이드 이득 매질의 관측된 레이저와 같은 작용에 대한 설명은 완전히 이해되지 않았다. 일견하여 포톤의 확산의 관점으로 보면 높은 이득 레이저 염료에 대해서 일종의 비 공명 피드백을 제공하는 것으로 생각이 되기 쉽다. 상술한 실험에서 명백해진 수도 캐버티(pseudo-cavity)의 원천으로서 광 확산공정을 불러일으키는 것과 관련한 주요 문제들 중의 하나는 그 효과가 상기 산란매질의 최소치수는 상기 광 산란길이와 비교해서 커야 한다는 것이다. 그러나 상술한 실험의 경우에서 레이저 광을 발하는 파장에서 산란길이는 상기 포톤의 확산시간이 의미있는 개념이 되도록 상기 샘플의 모든 치수가 수밀리 미터정도일 필요가 있는 전형적으로 200㎛정도이었다. 도 8a 내지 8d와 관련하여 상술한 바와 같이 레이저와 같은 작용은 100㎛두께의 샘플에서 관측되었다. 후속된 시리즈의 실험에서 선폭의 감소는 30㎛ 또는 산란길이의 1/6만큼 작은 셀 두께에서 관측되었다. 이 결과들은 Letokhov에 의해 예견된 확산 유형의 모델은 가장 단순한 형태에서는 상기 이득매질(12)에서 관측된 레이저 작용을 설명하기는 적합하지 않다는 것을 암시한다. 산란길이보다 작은 모든 치수를 가질 뿐만 아니라 굴절율이 경계에 매치되는 샘플들을 사용하는 실험들에서 레이저와 같은 작용을 나타낸다.
상기 매질(12)의 산란길이보다 작은 치수를 가지는 영역안에서 선폭의 감소는 염료분자 집단의 복사붕괴의 이전에 관찰되지 않았거나 인식되지 않았던 유형 때문일 것으로 생각된다. 통상적으로, 염료분자들의 집단은 일관성이 없는 붕괴를 나타낸다. 여기서 방사된 복사의 총 파워는 각 염료분자의 파워의 합 또는 power = ΣA SUB i sup 2 이다. 대신, 본 발명의 상기 매질(12)에서 관찰된 효과는 일관된 붕괴메카키즘의 작용을 나타내는 것으로 보인다. 여기서 방사된 파워는 (ΣA SUB i sup 2 )로 대신 주어진다.
예를 들면, 종래의 두개의 염료분자 시스템에서 총 방사된 파워는 2일 것이다. 반면, 상기 본 발명의 매질(12)의 경우 총 방사된 파워는 4이다. 이 결과는 단지 수백 마이크로미터이하인 가장 작은 치수를 가지는 실질적으로 높은 세기나 밝기를 갖는 단색광 영역으로부터의 방사이다.
지금까지는 상기 본 발명의 매질(12)의 물리적 및 광학적 특성을 기술하였지만 이제부터는 상기 매질(12)을 사용하는 본 발명의 많은 실시예에 대한 설명을 제공할 것이다. 이들 실시예들중 어떤 것에서는 상기 매질(12)은 페인트나 크림(cream)과 유사한 하나의 코팅이나 층으로 주어진다. 실시예중 어떤 경우에는 염료분자와 산란입자는 적당히 투명한(해당 파장에서) 접착제(binder)나 폴리머와 같은 매트릭스 물질과 함께 공급된다. 즉, 상기 염료분자들과 산란입자들은 상기 매트릭스안에 고정된다. 또한, 다음 기술에서 본 발명의 가르침은 단지 염료분자를사용하는 것으로 한정되지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다. 예를 들면, 본 발명은 입력되는 광학적 또는 전기적 에너지에 반응하여 광을 방사하기에 알맞는 타입의 반도체의 작은 입자들(예컨대, CdSe)과 더불어 실시할 수도 있다. 이러한 실시예에서, 상기 반도체입자들은 상술한 산란입자들과 함께 사용할 수 있다. 또는 그들을 산란입자로 역할할 수도 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에서 이득매질과 매트릭스는 동일하다. 그리고 완전히 분산된 산란입자들을 가지고 있다. 예를들면, 이득/매트릭스 물질은 폴리페닐렌 비닐렌(polyphenelyne vinelyn:PPV)과 같은 폴리머를 포함하고 있다. 그리고 산란입자들은 PPV로 분산된 Al2O3및/또는 TiO2의 나노파티클이다. 또한, 예를 들면, 셀렌 카드뮴(CdSe)입자들이 폴리머 PMMA에제공될 수도 있고, PPV입자들이 PMMA에 제공될 수도 있다.
도 9a는 본 발명의 실시예를 나타내는데, 그 중에 상기 매질(12)은 디스플레이장치의 복수 픽셸들을 형성하기 위해 사용한다. 상기 픽셸들은 사용하는 동안에 레이저에 의해 조사된다. 특히, 디스플레이 시스템(30)은 표면위나 안에 형성된 복수 개의 픽셸들(32a)를 구비하는 투명한 기판(33)을 포함하는 픽셸판(32)을 포함한다. 각 픽셸(32a)은 그 각각이 상기 매질(12)로 구성되는 복수 개의 서브 픽셸(32b)을 포함할 수도 있다. 상기 각 서브 픽셸(32b)은 100㎛이하의 치수를 가질 수 있다. 상기 매질(12)은, 단지 예로서, 각각이 산란입자와 함께 다른 타입의 염료분자를 포함하는 여섯개의 픽셸로서 제공된다. 상기 보여진 실시예에서, 상기 영역들중 두개(R1과 R2)는 스펙트럼의 적색부분에 속하는 파장을 방사한다. 상기 영역들중 두개(G1과 G2)는 상기 스펙트럼의 녹색 부분에 속하는 파장을 방사한다.그리고 상기 영역들중 두개(B1과 B2)는 상기 스펙트럼의 청색부분에 속하는 파장을 방사한다. 한 실시예에서 LCD어레이(34)는 상기 스크린표면이나 픽셸판(32)의 표면근처에 위치한다. 상기 LCD 어레이(34)는 상기 서브 픽셸들(32b)중 하나 이상으로부터 방사된 복사가 한 관찰자에게까지 관통하는 것을 선택적으로 허용하도록 조절신호에 의해 조절된다. 스캐닝 레이저(36)는 비디오 스캔신호의 조절하에 상기 픽셸어레이(32)를 스캔하기 위하여 제공된다. 상기 픽셸어레이의 스캐닝은 스캐닝된 픽셸(32a)은 비 포화 서브 픽셸들(32b)의 각각이 구성요소인 염료분자들에 의해 결정되는 밴드폭이 좁은 파장을 방사하도록 한다. 상기 산란입자들이 존재하기 때문에 주어진 서브 픽셸(32b)의 출력은 한 관찰자에게는 작고 밝은 점, 실제로는 단색광으로 보인다. 상기 광은 각 픽셸의 산란성질로 인해 콜리메이트되지 않는다. 따라서 각의 범위는 좁게 제한되지 않는다. 상기 서브 픽셸(32b)의 조명과 동시에 상기 LCD어레이(34)의 하나이상의 요소들을 선택적으로 "오픈"시켜서 상기 서브 픽셸들(32b)중 하나 이상으로부터 방사된 파장이 상기 관찰자에게까지 통과되도록 허용한다. 상기 픽셸 어레이가 비디오 율(vedio rates)로 스캔될 때, 시각적효과는 포화없는 밝은 색상(色像)을 형성하여 먼 거리에서도 볼 수 있도록 한다. 대개 6개 정도의 서브 픽셸(32b)이 주어진 픽셸(32a)에 사용될 수 있다는 것을 알아야 한다. 6개의 서브 픽셸(32b)을 사용하면, 각각 기본 색의 2개의 다른 음영이 발생되게 할 수 있다(예컨대, 빨강의 경우 620nm와 640nm). 또한, 헥사고널(hexagonol) 서브 픽셸 패턴이 형성되는데 그것은 효과적인 패킹(packing) 밀도를 제공한다. 다른 실시예에서는 빨강, 녹색 및 파랑에 대해서 각 하나씩 3개의 서브 픽셸이 주어진다.다른 실시예에서는 두개의 서브 픽셸, 예컨대, 빨강과 녹색이 주어진다. 그리고 상기 픽셸들은 푸른색을 제공하는 레이저로 조사된다. 상기 레이저(36)는 후면으로부터 상기 픽셀어레이를 조명하도록 위치하거나 측면에서 상기 픽셸 어레이를 조명하도록 위치할 수 있다. 이렇게 하여 디스플레이 전체깊이를 줄일 수 있다.
도 9b는 그 표면상에 배치된 복수 개의 픽 셸들(35)을 구비하는 기판(33)의 일부를 나타낸다. 상기 픽셸들(35)은 액체형태로 침적시킬 수 있다. 그리고 이어서 경화시키거나 건조시킬 수 있다. 상기 각 픽셸은 본 발명의 상기 광학적 이득매질로 구성된다. 도 9b의 실시예에서 복수 개의 광 가이드(37)는 상기 기판(33)의 표면위나 표면안에 설치된다. 그리고 상기 기판(33)의 가장자리를 따라 배치된 레이저(도시하지 않음)로부터 제1 파장이 공급된다. 만일 상기 광가이드(37)가 광섬유이면, 입력파장의 누설은 근처의 픽셸들을 광학적으로 펌핑시키는데 사용된다. 만약 그 대신 상기 광 가이드(37)가 광 도파관(waveguide)타입의 구조이면, 상기 도파관으로부터의 섬세한 복사의 커플링은 근처에 있는 픽셸들을 광학적으로 펌핑시키는데 사용된다.
본 발명의 다른 실시예에서 픽셸들(35)의 각각은 여기될 때, 전하운반자들을 상기 픽셸로 주입시키는 관련된 박막 트랜지스터로 연결될 수 있다. 이 실시예에서 상기 전하운반자들은 여기 소오스로 사용되어 상기 픽셸이 적절한 파장을 방사하도록 한다. 디스플레이 장치에 관한 모든 실시예에서 상기 픽셸들은 사실상 비 포화되도록 작동하며 그리고 좁은 밴드의 파장내에서 전자기 복사를 방사하도록 작동한다. 따라서 본 발명의 픽셸은 텔레비젼과 비디오 모니터등과 같은 것에 통상적으로사용되는 기존의 포스포(phosphor) 형 픽셸과 쉽게 구별된다.
도 10a는 본 발명의 한 실시예를 나타내는데 여기서 상기 매질(12)은 어떤 입력파장에 반응하여 복수 개의 서로 다른 출력파장을 동시에 공급하기 위해 투명기판의 표면상에 복수 개의 영역을 형성하는데 사용된다. 구체적으로, 하나 이상의 영역을 구비하는 투명기판(42)이나 각각이 상기 매질(12)로 이루어진 층들(44a - 44d)을 구비하는 구조물(40)의 단면도를 나타낸다. 각 층(44a- 44d)은 적당한 레이저 소오스(도시하지 않음)으로부터 공급된 입력파장(λin)에 반응하여 원하는 출력파장(λ1- λ4)을 공급하기 위해 선택된 염료분자들을 포함한다. 상기 층들(44a- 44d)이 동시에 조명되면 그 때는 복수 개의 출력파장이 동시에 방사된다.
상기 구조물(40)에 대한 하나의 유용한 응용은 바람직하지 않은 피부색소 예컨대, 포트와인(portwine) 얼룩과, 문신등을 제거할 때 피부표면에 복수 개의 서로 다른 파장을 공급하는 것이다. 이 경우에 상기 층들(44a- 44d)은 제거하고자 하는 색소영역의 형태로 형성되는데, 각 층은 아래에 놓이는 색소에 의해 강하게 흡수되는 파장을 방사하도록 선택된 예컨대, 염료분자나 반도체입자를 포함한다.
바람직하기로는 상기 기판(42)은 몸체부분의 외형윤곽에 맞도록 유연하게 만든다. 비록 최초에 상기 층들(44a-44d)을 원하는 패턴으로 적층하고자할 때 유용할 뿐만 아니라 상기 매질(12)과 피부의 접촉을 막는데 유용하기는 하지만, 상기 기판(42)의 존재는 선택적이다. 각각이 특정의 매우 좁은 밴드의 파장을 방사하는 잘 한정된 공간영역들을 제공하는 대신 방사된 파장을 서로 섞기 위하여 저각(lowangle) 확산을 사용하는 것도 본 발명의 범위에 속한다.
다층배열에서 두개 이상의 이득매질을 갖는 기판들을 하나씩 적층으로 쌓는 것도 본 발명의 범위에 속한다. 이 경우에 상기 기판들중의 위쪽기판들로부터 방사된 파장들은 보다 낮은 기판들의 투명한(관심있는 파장에서)부분을 통해서 방해받지 않고 통과할 수 있다. 또는 위쪽 기판으로부터 방사된 파장은 보다 낮은 기판상의 이득매질영역을 펌핑시키는데 사용될 수도 있다. 일반적인 이들 두 경우는 도 10b에 전체적으로 도시되어 있다. 여기서 λ1과 λ4는 다층구조물을 관통한다. 그리고 λ2는 보다 낮은 이득 매질영역을 광학적으로 펌핑시켜서 λ3을 발생시키는데 사용한다.
도 11은 본 발명의 한 실시예를 나타내는데, 여기서 상기 매질은 작은 구(50)내에 들어있다. 예로서, 상기 구(50)는 임계지름의 직경이나 층을 갖는다. 상기 구(50)는 상기 매질(12)을 포함하는 외부면(52)과 내부영역(54)을 가지고 있다. 제1 파장의 조명에 반응하여 상기 매질(12)은 산란입자들과 함께 구성요소인 이득매질에 의해 결정되는 것과 같은 제2 파장을 방사한다. 사용에 있어서, 복수 개의 상기 구들(50)은 도로나 활주로의 표면이나 그에 인접한 표면과 같은 표면을 덮는데 사용할 수 있다. 레이저 조명에 반응하여 상기 구(50)를 포함하는 부분의 표면은 밝은 거의 단색광을 방사하며, 이것에 의해 상기 표면의 특별한 부분을 눈이나 적당한 검출기로 손쉽게 식별되게할 수 있다. 이점에 관해서는 상기 매질(12)은 안개속이나 비 속을 훨씬 쉽게 투과할 수 있는 적외선이나 근 적외선파장에 반응하는 염료분자를 포함할 수 있다. 이러한 응용에 적합한 염료로는 이 기술분야에서 IR144가 널리 알려져 있다.
적합한 광학 구경측정을 위한 대기 표시기와 같은 것으로 사용하기 위해 상기 작은 이득매질의 물체들을 대기에 달아두는 것도 본 발명의 범위에 속한다. 이 경우에 상기 작은 이득매질물체들은 그라운드 베이스되거나(ground-based) 그라운드 베이스되지 않은 레이저 소오스로 광학적으로 펌핑시킬 수 있다.
상기 이득매질은 번개와 같은 자연적인 펌핑소오스로 펌핑되는 것도 역시 본 발명의 범위에 속한다. 후레쉬 램프로 상기 이득매질을 펌핑시키는 것도 또한 본 발명의 범위에 속한다.
더욱이 본 발명의 이와 같은 실시예에 따라 상기 구(50)를 배의 후미에 검출할 수 있는 항적을 남기도록 물위에 부을 수 있다. 예를 들면, 이것은 항공모함이 돌아오는 비행기가 추적할 수 있는 검출할 수 있는 항적을 남기게 할 수 있다. 이 예에서 각 비행기는 물의 표면을 조명하기 위한 적절한 레이저 소오스와 방사된 파장을 검출하기 위한 IR 이메이징 어레이(imaging array)와 같은 적절한 검출기를 갖춘다. 어떤 주어진날 이나 임무를 위해 특별한 파장의 선택은 보안등급을 제공하도록 선택될 수 있다. 즉, 상기 비행기는 특정한 파장을 검출하기를 기대한다. 그리고 기대한 파장을 검출하기 위해 대응하는 필터나 검출기를 구비할 수 있다.
더욱이 이점에서 상기 매질(12)은 상기 방사된 파장에 반응하는 센서를 가지는 오디넌스(ordinance)에 대해서 타겟을 식별하기 위해 예를 들면 에어로졸이나 액체로서 분배되는 코팅으로 사용될 수 있다. 일반적으로, 상기 매질(12)은 피아(彼我) 식별시스템에서 사용한다. 예를 들면, 전시상황에서 모든 탈것들은 정해진 파장을 방사하도록 선택된 염료분자들을 포함하는 상기 매질(12)로 코딩된 일부분을 갖는다. 레이저 소오스에 의해 조명될 때, 상기 코팅된 탈것들만이 기대된 파장을 방사한다. 조명을 받을 때 어떠한 파장도 방사하지 않거나 정해진 파장을 방사하지 않는 것들은 수상한 것이다.
상기 매질(12)은 한 물체에 직접 바르는 코팅으로 상기 물체에서 교체가능한 부분 예컨대, 제거가능한 패널위에 직접 바르는 코팅으로 저가로 공급할 수 있다. 예를 들면, 탈 것에는 한개의 특정한 패널이 정해진 시간동안 사용하기위해 특정되도록 외부면에 손쉽게 장착되는 한벌의 플라스틱패널을 구비할 수 있다. 각 패널은 산란입자를 가진 이득 매질의 코팅을 포함할 수 있다. 또는 각 패널자체가 상기 이득매질과 산란입자 예컨대, PPV와 TiO2를 포함하는 물체로 이루어질 수도 있다.
비록 상기 도 11의 구(50)는 한 부피의 상기 매질(12)을 포함하고 있는 것으로 도시되어 있지만, 원하는 염료분자와 산란입자들로 함침된 폴리머로 구성하는 것은 본 발명의 범위에 속한다. 대안으로 상기 구는 산란입자를 포함하는 PPV와 같은 폴리머의 작은 입자일 수도 있다. 어떤 유리나 솔겔과 같은 다공성물질을 상기 이득매질로 함침시키는 것도 본 발명의 범위에 속한다.
예를 들어, 호스트(host) 물질의 세공들과 갈라진 틈에 포함된 염료분자와 산란상으로서 둘러싸는 호스트물질 그 자체사이에서 굴절률 대비를 사용하는 것도 본 발명의 범위에 속한다. 이경우에 상기 염료분자들은 상기 호스트물질들이 매트릭스와 산란상을 형성하는 동안 광학적 이득상을 제공한다. 본 발명의 특징에 따라알맞게 여기되어 레이저와 같은 작용을 나타내는 동안 적어도 호스트/염료물체의 한 치수는 매우 작을 것이다.(예컨대, 두께나 지름이 수십 또는 수백 마이크로미터)
도 12a는 본 발명의 실시예를 나타내는데, 입력파장(λ1)에 반응하여 다수의 서로 다른 출력파장(λ2-λ5)들 중 하나를 제공하기 위하여 옮길 수도 있고 투명한 기판(60)의 표면 상에 복수 개의 영역(62a 내지 62d)을 형성하기 위하여 매질(12)이 사용된다. 도시된 실시예에서 기판(12)은 상기 영역(62a 내지 62d)를 갖는 부분이 레이저(64)로부터 출력된 빔 내에 위치할 수 있도록 회전축을 가지고 있다. 상기 빔 내에 위치한 영역들중 주어진 한 영역으로부터 방사된 파장은 입력연결기(66a)와 출력연결기(66b)를 구비하는 광 섬유(66)에 연결된다. 광학적으로, 상기 출력 연결기(66b)에 복사 수신기(68)가 연결되어 있다. 조절기(70)는 상기 방사된 파장들중 서로 다른 파장들을 상기 수신기(68)에 제공하기 위해 상기 기판(60)을 회전시키기 위하여 상기 기판(60)에 기계적으로 연결된다. 상기 조절기(70)는 또한 파장이 현재 상기 기판(60)으로부터 방사된다는 것을 상기 수신기(68)에 알리기 위해 상기 수신기(68)에 전기적으로 연결된다(70b). 이러한 배열은 보안통신 시스템을 구성할 수 있게한다. 여기서 상기 레이저(64)는 전송된 정보와 함께 변조된다. 그리고 상기 방사된 파장은 상기 기판(60)의 회전에 따라 주기적이고 무작위적으로 변화된다.
여기서 사용된 바와 같이 본 발명의 어떤 실시예는 상기 이득매질(12)과 광학적 여기 소오스사이의 상대적 운동을 이용한다. 상기 운동은 일반적으로 선형이거나 회전운동이고 상기 이득물질(12)과 상기 광학적 여기중 어느 한 쪽이나 양쪽을 물리적으로 움직여서 이룰 수 있다.
도 12b는 통신 시스템의 다른 실시예를 나타낸다. 여기서 기판(61)은 복수 개의 영역(63)(도 9b에 나타낸 픽셸들과 유사한)을 포함한다. 한 묶음의 광 섬유 도선(65)은 상기 영역(63)으로부터 방사된 광을 상기 연결기(66a), 광 섬유(66), 연결기(66b) 그리고 수신기(68)로 운반한다. 본 실시예에서 레이저(도시하지 않음)는 주사된 빔에 대한 정보를 변조하는 동안에 소정의 스캐닝 알고리즘에 따라 상기 영역(63)의 서로 다른 영역들을 스캔한다. 그에 따라 상기 픽셸들 중 하나이상으로부터의 방사가 상기 수신기(68)로 전송된다. 상기 수신기(68)가 상기 레이저 소오스에 의해 사용된 스캐닝 알고리즘인 것을 알아차린다면, 송신기와 수신기 사이에는 조절을 위한 연결이 필요하지 않다는 것을 알 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서 상기 기판(60 또는 61)은 예컨대, 크로마토그래피기구나 레이저 칼라프린터분야에서 사용하기 위해 단일 파장에 반응하여 복수 개의 서로 다른 파장을 선택적으로 제공하는 광 소오스의 한 부분으로 사용될 수 있다.
도 13a는 본 발명의 한 실시예를 나타내는데 여기서 상기 매질(12)은 국소영역에 원하는 파장(λ2)을 제공하기 위하여 광 섬유(72)의 끝 부분(74) 예컨대, 클래딩(cladding)층 안에 들어 있다. 레이저(76)는 제1 파장을 상기 광 섬유(72)의 제2 말단에 주입하기 위해 사용한다. 중요하지만 본 발명을 제한하지 않는 본 발명의이번 실시예에 대한 한 가지 응용은 조직(tissue)의 국소화된 영역에 정해진 파장을 갖는 복사를 제공하는데 있다. 본 발명의 이번 실시예의 중요한 면은 비록, 더 지향성 있는 빔을 제공하도록 포커싱 렌즈를 포함하는 것이나 셀프 포커싱 타입의 광 섬유를 사용하는 것이 본 발명의 범위에 속하지만, 성취될 수 있는 전방향 복사패턴이다.
도 13b는 다른 실시예를 나타내는데 여기서 섬유(72b)는 상기 광 섬유(72)의 클래딩 층내에 분포되어 있는 산란입자들을 포함하는 이득매질을 가진다. 정맥(73)과 같은 구조물 안에 카테터같은 것을 삽입할 때 그리고 레이저(76)로 연결기(72a)를 경우하여 펌핑할 때, 상기 카테터는 상기 정맥(73)이 실질길이를 따라 정해진 범위의 파장안에서 전자기 복사를 제공할 수 있다. 이것은 광 소오스를 환자안에 직접 제공하는데 유용하다. 상기 복사는 조직을 제거하기 위해, 부식시키기 위해 또는 다수 개의 바람직한 의료과정에서 어떤 것을 제거하기 위해 선택할 수 있다. 본 실시예에서 장점의 하나는 단일 레이저 소오스(76)를 상기 신규한 카테터와 함께 다수 개의 서로 다른 원하는 파장중 어느 하나를 제공하는데 사용할 수 있다. 더욱이 상기 카테터의 출력은 원래 전(全) 방향이다. 따라서 상기 정맥(73) 또는 다른 구조물의 내표면 또는 표면의 중요한 부위를 동시에 비출 수 있다.
본 실시예에서 상기 광섬유(72b)의 코아(core)로부터 상기 클래딩으로 연결되는 상기 복사는 상기 클래딩층안에 있는 상기 이득매질(12)로부터 방사를 유도하는데 사용된다.
상기 카테터의 말단에 반사기를 설치하여 레이저복사를 상기 카테터의 길이를 따라 뒷쪽으로 반사시켜 원하는 파장 발생의 효율을 개선하는 것도 본 발명의 범위에 속한다.
도 13c는 본 발명의 실시예를 나타낸다. 여기서 상기 클래딩층의 한 부분만이 상기 본 발명의 이득매질을 갖고 있어서 둘러싸고 있는 구조물의 한 부분만을 선택적으로 조명한다. 대안으로서는 상기 클래딩 층의 길이의 중요한 부분은 도 13b에 도시한 바와 같이 상기 이득매질(12)을 포함할 수 있고 따라서 상기 광 섬유 카테터의 표면은 λ2에서의 방사가 한 군데 이상의 정해진 위치에서만 일어나도록 선택적으로 마스크된다.
도 13c와 13d에서, TB는 전체적으로 조직의 경계를 나타낸다. 도 13d는 본 발명의 실시예를 나타내는데, 여기서 상기 이득매질(12)은 광학적 연결기(72a)에 들어 있다. 이 경우에 파장λ2는 상기 조직 경계에서 외부에 발생되어 상기 광 섬유(72b)로 보내어 진다. 본 실시예에 대해서 공통소오스와 광 섬유 카테터를 사용한다. 그리고 원하는 파장은 특수한 연결기(72a)를 광 경로안으로 둠으로써 주어진다.
도 13e는 본 발명의 실시예를 나타내는데, 여기서 상기 광 섬유(72b)의 말단에는 펌핑파장 λ1과 λ2의 일부를 변환시키기위하여 그리고 상기 복사를 원하는 방향으로 지향시키기 위해서 구조물(73)이 마련되어 있다. 본 실시예에서 상기 구조물(73)은 서로에 대해서 그리고 상기 광섬유 카테터(72b)의 말단과 정해진 각으로 배치된 제1 부분(73a)과 제2 부분(73b)을 포함한다. 상기 제1 부분(73a)의 표면은상기 이득 물질(12)의 층이나 코팅을 포함한다. 반면, 상기 제2 부분(73b)의 표면은 원한다면 반사면으로 만들 수 있다.
도 13f는 본 발명의 다른 실시예를 나타내는데, 여기서 상기 광 섬유 카테터(72b)의 말단부분에는 광택이 없는 그렇지 않으면, 파장 λ2에서의 출력복사가 상기 말단부분에서 전 방향으로 방사되도록하는 영역(78)이 있다.
일반적으로 상기 발명은 조직을 선택적으로 치료하거나 제거하는 많은 유용한 의료적 응용을 제공한다. 예를 들면, 발생된 파장을 조직을 잘라내기 위해 사용하는 외과용 메스와 유사한 방법으로 사용할 수 있다.
상기 광 섬유(72b)가 어떤 구조물내에 삽입되는 것이 필요하지 않고 그 표면의 일부를 비추는데 사용될 수도 있다는 것을 알아야 한다. 예를 들어 도 13d의 실시예를 참조하면, 상기 광 섬유(72)는 적당한 지지구조물 또는 동일한 것이 손에 쥐어질 수 있게하는 재킷안에 위치하게 된다. 따라서 의사는 상기 말단으로부터 방사되는 파장λ2를 조직의 국소영역 예컨대, 피부에 또는 외과적 과정동안에 내부조직에, 적용할 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시예를 나타내는데, 상기 매질(12)로 균일하게 또는 선택적으로 코팅된 스크린(82)을 구비하는 투영 시스템(projection system:80)을 보여준다. 예를 들면 영역들(86a, 86b)만이 상기 매질(12)로 코팅된다. 상기 스크린(82)위에 상, 예컨대, 동화상을 전송하는 광(84a)을 투사하는데 통상적인 프로젝터(84)가 사용된다. 시스템(80)은 상기 스크린(82) 특히, 상기 영역들(86a,86b)위에 선택적으로 제1 파장(λ1)을 가지는 빔(88a)을 투사하고 신속히 스캔하는 레이저 스캐너(88)를 포함하고 있다. 상기 영역들(86a, 86b)은 상기 빔(88a)에 의해 스캔될 때, 밝은 실질적으로 단색광을 방사하는데, 이 광은 시청자가 볼 수 있다. 결과적으로, 상기 스크린(82)의 국소화된 영역은 특별한 효과를 제공하기 위해 조명된다. 상기 스캔조정신호는 상기 상(84a)을 투사하는데 사용되는 상기 필름이나 다른 상(image) 저장매체의 트랙상에 스캔 조정신호를 기록함으로써 상기 프로젝터(84)로부터 제공될 수 있다. 예를 들면, Al2O3와 함께 상기 염료 쿠마린(coumarin) 120이 코팅이나 층으로 표면위에 있을 수 있다. 그리고 실질적으로는 적당한 여기 소오스로 조명될 때 까지 관찰자에게 보이지 않을 것이다. 조명이 될 때, 상기 쿠마린(coumarin)/산란입자층의 일부분은 밝은 푸른 비포화광을 방사한다.
본 발명의 다른 실시예에서 상기 스크린(82)은 그 위에 인쇄된 광고 메시지를 가지고 있는 광고게시판이다. 그리고 상기 레이저 스캐너는 상기 광고 메시지의 선택된 부분이 밝은 실질적으로 한개 이상의 파장(λ2와 λ3)을 가지는 단색광을 방사하도록 상기 선택된 영역들(86a, 86b)에서 상기 광고게시판을 스캐닝하기 위해 장착된다.
일반적으로 상기 매질(12)은 많은 옥외 응용에 사용할 수 있는데, 여기서 쉽게 볼 수 있거나 검출할 수 있는 마킹이나 영역을 제공하는 것이 바람직하다. 이러한 응용은 제한적인 것은 아니지만, 응급표시기, 도로의 바리케이드, 로봇을 이용하는 탈것을 위해 정해진 길을 표시하는 것 그리고 보행자 또는 조깅하는 사람들을 위한 안전복에 적용할 수 있다. 매질(12)은 도로차선 표시와 도로표시판 인쇄에 사용되는 페인트의 성분으로서도 채용될 수 있다. 이와 같은 응용에 대해서 자동차들, 스클버스와 같은 것은 상기 매질(12)을 포함하는 표시들을 비추기에 적합한 소오스를 갖출 수 있다.
충돌방지를 위해, 사용된 자동차에 장착된 레이저 거리 탐지 시스템의 작용을 강화하기위해 상기 표시들을 자동차에 사용할 수도 있다. 즉, 상기 표시들은 적절한 레이저거리 탐색기에 의해 조명될 때 자동차로부터 강하고 쉽게 탐지할 수 있는 반송(return)을 제공한다. 게다가 다른 종류의 탈 것에는 다른 파장을 사용하면 타겟의 식별을 쉽게할 수 있다.
도 15a는 본 발명의 실시예를 나타내는데, 여기서 복수 개의 물체들(92a, 92b)각각은 상기 매질(12)이 포함된 코팅영역(93a-93b)을 포함하고 있다. 레이저(90)는 상기 물체(92)를 조명하기 위하여 제1 파장(λ1)을 방사한다. 검색기(94)는 상기 코팅된 영역들에서 방사된 파장들(λ2와 λ3)중 적어도 하나를 검색하기 위해 위치시킨다. 도시된 예에서 상기 물체들(92a)은 모두 동일하고 동일한 파장(λ2)을 방사한다. 상기 물체(92b)는 파장λ3에서 방사한다. 예를 들면 이와 같은 배열은 어떤 집단으로부터 유사하지 않은 물체들을 검색하고 제거하여 물체들의 동종집단을 제공하는 것이 바람직한 분류 및 질 관리작업에 유용하다.
예를 들어 단지 상기 물체(92a)만 제공하고자 하는 어떤 정해진 동작에 대해서 상기 검출기(94)는 필터나 단지 상기 파장λ3만을 통과시키는 어떤 다른 수단을 제공할 수도 있다. 상기 검출기(94)의 출력은 상기 파장λ3의 검출에 반응하여 출력신호를 발생하는 조절유닛(96)에 연결된다. 상기 출력신호는 듣거나 보이는 경보신호를 발생시키는데 사용할 수 있다. 또는 자동적으로 상기 물체(96b)를 제거하기 위한 전환기 메카니즘을 작동시키는데 사용할 수 있다. 각 아이템은 1개 이상의 보다 큰 선택성을 부여하는 코팅영역(예를 들어, 각각은 이들 영역을 포함할 수 있다.)으로 암호화될 수 있다.
도 15b는 다른 실시예를 나타내는데, 여기서 로보트 조작기(manipulator)팔(98)은 세트(92)를 포함하고 복수 개의 보울트와 같은 물체들을 파지하기 위해 끝에 작동체(effector)부분(98a)을 구비하고 있다. 본 발명의 이와 같은 실시예에서 레이저(90) 예컨대, 레이저 다이오드는 상기 말단의 작동체근처에 배치된 물체들을 조명하기 위해 말단 작동체 부분(98a)이나 근처에 마련된다. 다른 방법으로는 상기 레이저(90)는 멀리 이격되어 제공되어 광섬유를 통해서 상기 말단 작동체부분(98a)까지 그 출력을 전송할 수도 있다. 유사하게, 상기 레이저(90)에 의해 조명되는 상기 물체들로부터 방사된 복사를 검색하기 위해 상기 검출기(94)를 배치한다. 상기 실시예에서 제1 길이의 보울트들은 제1 파장의 복사를 방사하도록 상기 매질(12)을 함유한 코팅영역을 포함한다. 반면, 제2 길이의 보울트들은 제2 파장의 복사를 방사하도록 상기 매질(12)로 된 코팅영역을 포함한다. 조작기 컨터롤러(도시하지 않음)는 검색된 복사에 반응하여 특정의 파장을 방사하는 물체를 선택하거나 피한다.
본 발명의 상기 실시예는 물체들을 서로 식별하기 위해 복잡한 상처리 소프트웨어를 필요로하지 않는다는 것을 알 수 있다. 그 대신에 상기 물체들은 각각 방사하는 파장 때문에 본래 식별할 수 있다.
도 16은 본 발명의 한 실시예를 나타는데, 여기서 상기 매질(12)은 증인(證印)을 형성하는데 사용한다. 구체적으로, 물체(102)의 표면에 바코드(104)를 형성하는데 사용한다. 레이저(100)에 의한 파장λ1의 조명에 반응하여, 상기 바코드(104)는 실제적으로 파장 λ2의 밝은 거의 단색광을 방사한다. 검출기(106)는 상기 방사된 광에 반응하는데, 통상의 바코드 판독기(도시하지 않음)에 연결된다. 본 발명의 이와 같은 실시예는 우수한 시각적 콘트라스트를 갖는 바코드를 제공한다. 게다가 본 발명의 이 실시예는 상기 바코드의 정보를 파장으로 암호화할 수 있게 한다. 즉, 바코드정보의 전체 또는 일부는 제1 파장에서 하나의 의미를 가질수 있고 제2 파장에서는 수정된 또는 완전히 다른 의미를 가질 수 있다. 이 경우에, 상기 바코드 판독기는 바람직하기로는 상기 방사된 파장을 역시 식별하고 검색하기 위한 파장 식별수단 예컨대, 필터 및/또는 그레이팅을 포함한다. 조명이 되지 않을 때 "볼 수 없는(invisible)"바 코딩을 제공하도록 관찰자에게는 거의 보여지지 않는 매질(12)을 선택할 수 있는데, 이 또한, 본 발명의 범위에 속한다.
도 17은 본 발명의 실시예를 나타내는데, 여기서 , 상기 매질(12)은 상기 코팅(114)에 의해 방사되는 파장 또는 파장들을 내부적으로 투과시킬 수 있는물체(110)에 코팅(114)으로 사용된다. 실시예는 상기 매질(12)의 짧은 펄스와 빠른 반응시간을 이용한다. 파장 λ1을 방사하는 펄스레이저 소오스에 반응하여, 상기 코팅(114)은 파장이 λ2인 광을 방사한다. 상기 방사된 광은 상기 물체(110)안으로 전달된다. 상기 물체(110)안에 위치되어 있는 물체(112)와 같은 불연속성(굴절율 변화)에 반응하여, 상기 파장λ2의 일부는 상기 코팅(114)을 갖는 상기 표면으로 되반사된다. 상기 코팅(114)을 지나는 상기 반사된 부분은 상기 코팅(114)내에 포함된 상기 염료분자들을 씨드(seed)한다. 이에 따라 상기 펄스 레이저 소오스로부터의 펄스로써 동시에 조명될 때, 파장λ2에서 상기 코팅(114)의 출력은 강화된다. 상기 파장λ2에서 리턴펄스의 진폭을 검출하기 위해 검출기(116)를 설치한다. 상기 리턴펄스는 상기 물체(110)의 내부구조에 관한 시간적 공간적 정보를 전송한다. 예를 들면, 본 발명의 이와 같은 실시예는 인체내에 있는 물체를 검색하는 것이 바람직한 단층 촬영분야에 사용될 수 있다. 서로 다른 표면영역들에 복수 개의 코팅(114)을 사용하는 것과 상기 물체(112)를 정확하게 위치시키기 위해 삼각측량기술을 사용하는 것도 본 발명의 범위에 속한다.
도 10의 실시예에서 처럼, 상기 코팅(114)은 상기 물체(110)의 표면에 적용하기 전에 투명한 기판(도시하지 않음)에 적용할 수 있다. 또한, 상기 코팅(114)은 각각 서로 다른 파장을 방사하는 복수 개의 다른 영역을 포함할 수도 있다. 예를 들면, 이 경우에 상기 검출기(116)는 적절한 필터 및/또는 그레이팅의 사용으로 상기 다른 파장들에 반응하게 한다.
일반적으로, 상기 방사된 파장(λ2)을 검출하는데 있어서의 지연과 함께 상기 입력 펄스들사이의 공간간격(TD)은 상기 물체(110)의 표면으로부터 상기 물체(112)의 깊이 및/또는 위치에 관한 정보를 제공한다.
도 18은 본 발명의 실시예를 나타내는데, 여기서 상기 매질(12)은 상기 제1 파장(λ1)을 보다 짧은 제2 파장(λ2)으로 상향 전환시키는데 사용된다. 예를 들면, 상기 매질(12)은 얇은 박막 또는 체적(120)으로 주어지고 강하고 공명적으로 향상된 두개의 포톤 흡수공정에 의해 동작한다. 이와 같은 응용을 위한 적당한 염료는 상술한 바와 같은 산란입자와 공동으로 사용된 DCM이다. 735nm의 파장으로 펌핑될 때, 상기 매질(12)은 630nm의 파장을 방사한다.
도 19는 본 발명의 실시예를 나타내는데, 여기서 상기 매질(12)은 레이저 눈보호기(130)의 렌즈물질위나 안에 주어진다. 본 실시예는 비포화 시력보호를 제공한다. 여기서 입사 레이저복사는 제2 파장에서 광 신호로 바뀐다. 상기 매질(12)이 얇은 층으로 주어질 때, 방사된 에너지의 상당한 부분은 상기 층내에서 횡으로 지향된다. 그 결과 상기 입력에너지의 상당한 부분은 상기 눈으로부터 멀어져 가는 방향으로 지향한다.
상기 산란입자들의 존재로 인해 상기 매질(12)의 체적은 거의 불투명하게 보일 것이다. 그러나 본 발명의 특징에 따라 얇은 층으로 사용될 때, 상당한 광량이 이 층을 관통할 수 있다. 매질(12)의 얇은 코팅이나 층들로 사용하는 이러한 능력은 최소의 치수가 상기 산란길이보다 훨씬 클 것을 요구했다면 이루기 어렵거나 불가능했을 다수의 응용에 적합한 매질(12)을 사용하게 한다. 예를 들면, 기판재료는 상기 매질(12)로 처리되는 직물일 수 있다. 예를 들면, 적의 있는(hostile) 소오스로부터의 입사레이저 복사에 반응하여, 입사복사의 파워의 상당부분은 하나이상의 다른 파장들에서 방사로 전환된다. 이것은 상기 직물을 입는 사람들을 적대적인 레이저복사 소오스로 인한 상처로부터 어느 정도 보호해준다.
비록 지금까지는 주로 레이저 소오스에 의해 조명되거나 비춰지는 산란입자들과 공동으로 하여 레이저 염료에 관한 내용을 기술하였지만, 본 발명의 다른 실시예에서, 화학발광물질을 상기 염료와 산란입자들과 공동으로 사용할 수 있다는 것을 알아야 한다. 상기 화학발광재료가 충분한 에너지를 공급하기만 한다면, 상기 염료분자들은 펌핑시키는데 광 소오스가 사용되어야 한다고 하는 요건을 제거할 수 있다. 어떤 적당한 화학발광 시스템은 알칼로(alkalo)-금속 베이스(예컨대, 수산화 나트륨), 과산화 수소, 비-하이드록실릭(non-hydroxylic) 솔벤트(예컨대, 2 뷰틸 프탈레이트(phthalate)), 수산염 에스터(oxalate ester)(예컨데, bis-trichloroph enyl oxalate) 및 적당한 산란상(나노파티클, 보이드 등)과 공동으로 여기될 레이저 염료(예컨대, 적당한 로다민)를 포함한다.
전기적으로 유도된 이득매질 또한 본 발명의 범위에 속한다. 예를들어, 상기 물질 PPV는 산란입자들과 공동으로 하여 사용될 수 있다. 그에 따라 염료를 제공할 필요가 없게 된다. 상기 PPV는 레이저와 같은 광학적 방사를 제공하거나 상기 PPV방사의 확장과 이동을 주기 위해 전기적으로 구동되거나 광학적으로 구동될 수 있다.
더욱이, 일렉트로 크로믹 염료로 일반적으로 알려진 염료들의 형광은 1kV/cm정도의 전기장을 가하여 조정할 수 있다는 것은 널리 알려져 있다. 그 자체로 산란입자와 공동으로하여 일렉트로크로믹(electrochromic) 염료를 사용하는 것은 상기 방사된 파장을 어떤 범위의 파장에 걸쳐서 조정할 수 있게 한다. 상기 필름의 얇음으로 인해, 본 발명의 특징에 따라 필요한 전기장 퍼텐셜을 발생시키는데 상대적으로 낮은 전기적 퍼텐셜이 요구된다(예컨대, 1volt).
일반적으로, 본 발명의 가르침에 의해 가능해진 이득매질영역의 매우 작은 치수로 인해(예컨대, 수십개의 파장)바라는 거의 단색의 방사를 얻기 위해서 필요한 매질의 부피는 셀 구조물 정도의 크기이다. 이것은 상기 셀 작용을 관찰하고 및/또는 셀 작용에 영향을 미치는데 극히 작은 양의 매질(12)을 사용하는 것을 가능하게 한다.
본 발명의 많은 실시예에 대한 상기 설명을 염두에 두면 이들 실시예에 대한 수정이 있을 수 있고 이러한 수정은 모두 본 발명의 사상범위내에 속한다는 것을 알아야 한다. 예를 들면, 본 발명의 사용은 명시적으로 상술한 몇몇 구체적인 응용에 한정되지 않을 뿐만 아니라 본 발명의 가르침은 단지 앞에서 상세히 기재한 특정의 재료, 농도, 파장등에 한정되지 않는다. 예를 들면, 본 발명은 유도 또는 자발적 라만(Raman) 산란에 의한 비 선형 공정을 통해서 이득을 얻는 한 실시예에서 사용될 수도 있다. 이와 같은 내용은 도 20a 내지 도 20c에 도시되어 있다.
도 20a에서 라만(Raman)산란 시스템은 엔클로져(140)내에 담긴 비 선형 제1 이득매질(매탄이나 CS2와 같은 가스)을 포함한다. 전형적으로, 상기 이득매질에서방사를 유도하기 위해서는 고 입력 파워가 필요하다.
상기 설명한 실시예에서 펌핑 파장(λ1)이 상기 엔클로져(140)로 상기 펌프의 대부분이 향하게하는 복수 개의 거울(142)에 주어진다.상기 펌프 복사의 일부는 상기 매질(12)을 포함하는 셀, 코팅 또는 물체로 전환된다. 상기 매질(12)은 상기 엔클로져(140)안에 담긴 상기 라만(Raman) 산란증폭기의 문턱을 효과적으로 낮추는 씨드(seed)로 작용하는 제2 파장(λ2)을 제공한다. 이것은 선형 이득 메카니즘에 반대되는 비 선형이다.
도 20b의 실시예에서 상기 매질(12)은 상기 엔클로져(140)의 입력면 상에 주어져서 도 20a의 실시예를 단순화한다. 도 20c의 실시예에서 상기 매질(12)은 상기 엔클로져(140)의 뒷면에 주어진다. 이와 같은 배열에서 상기 매질(12)은 상기 씨드복사를 상기 엔클로져(140)로 뒷쪽으로 방사함으로써 펌프 파장에 반응한다. 외부의 이색성 거울이 제2 파장을 원하는 광로로 향하도록한다. 이 실시예에서 상기 라만(Raman) 산란증폭기로부터의 출력빔은 대략 4개의 매우 좁은 (10-2nm)피크를 가지는 나노미터넓이의 스펙트럼을 나타낸다.
본 발명의 유용성에 대한 다른 실시예로서 예컨대, 대략 30미크론정도의 공칭 지름을 갖는 작은 입자 또는 구를 나타낸 도 21을 참조할 수 있다. 상기 구는 그 표면 상이나 안에 또는 상기 구의 체적전체에 분포된 상기 매질(12)을 포함한다. 어떤 여기 소오스는 대략 상기 구의 지름 아래로 촛점이 맞춰지는 제1 파장을 제공한다. 이번 실시예에서 상기 구는 입력파장을 흡수한다. 그리고 상기 매질(12)의 급속한 방사성질 때문에 거의 즉시 제2 파장을 방사한다. 즉, 상기 매질(12)은 실질적으로 비포화라는 점에서 상기 구는 반복해서 입력복사펄스를 수신하는 것을 가능하게 한다. 상기 구로부터의 방사가 등방적이라는 점에서 어떤 의미있는 힘이 이 과정에 의해 상기 구에 작용된다는 것을 되시할 수 있다. 그 자체로 만일 구가 에어로졸이나 액체안에 걸려 있다면 상기 구는 뚜렷한 가열없이 고속으로 입력펌프 빔으로부터 멀어져 갈 것이다.
본 발명의 상기 실시예는 지름 수십㎛정도의 입자들에 대해 하나의 가속기(accelerator)를 제공한다는 것을 이해할 수 있다. 결과적으로 일어나는 입자의 흐름은 절단이나 표면부식과 같은 재료처리에 사용될 수 있다. 결과적으로 일어나는 입자의 흐름은 또한 어떤 물체안의 특정의 영역에 소량의 물질 예컨대 약물을 전달하는데 사용할 수도 있다. 이와 같은 실시예는 상기 입력펌프빔으로부터 받은 에너지를 등방적으로 매우 급속하게 레이저광을 발하기 위하여 상기 매질(12)의 능력을 이용한다.
도 22는 줄이지 않은 폴리머를 베이스로한 적기적 동력을 받으며 본 발명에 의해 가능해지는 상기 방사의 확장과 이동의 이득을 얻는 광 방사 디바이스(150)의 단면도이다. 상기 방사의 확장과 이동의 특징은 도 1의 궤적"a"과 도 1의 궤적"b"를 대조해보면 분명하게 나타난다. 상기 디바이스(150)는 제1 전극(152), 본 발명의 상기 이득매질로 된 영역(153) 및 실질적으로 투명한 제2 전극(154)을 포함한다. 전기적 파워(교류 또는 직류) 소오스는 상기 전극들(152, 154)을 가로질러 연결되는 배터리(156)로서 개략적으로 나타낸다.
상기 영역(153)은 본 발명에 따라 더해진 적당한 치수(예컨대, 30Å∼50Å)의 산란입자들을 구비하는 폴리페닐렌 비닐렌(PPV)과 같은 유기 폴리머 층(대략 1000Å∼5,000Å의 범위에 속하는 두께를 가지는)으로 이루어질 수 있다. 게다가 전극(152)은 스핀코팅된 상기 영역(153)을 가지는 산화알루미늄으로 이루어질 수 있다. 상기 투명한 전극(154)은 인듐-틴-산화물(Indium-Tin-Oxide:ITO)로 이루어질 수 있다.
작업 중, 상기 베터리(156)으로부터의 전하운반자의 주입은 알려진 방식으로 상기 PPV로부터 방사를 일으킨다. 본 발명에 따르면, 산란입자들은 도 1의 궤적"a"로 표시한 바와 같이 상기 PPV방사의 확장과 이동을 일으킨다.
상기 PPV 방사를 흡수하여 재 방사하는 상기 영역(153)에 적당한 염료를 첨가하는 것도 본 발명의 범위에 속한다.
도 23은 축척하지 않은 본 발명의 특징에 따라 구성되고 전기적으로 작동되는 광 소오스(160)의 단면도이다. 여기서, 본 발명의 상기 이득매질(12)은 상기 레이저 다이오드의 기본적인 방사파장(λ1)과는 다른 파장(λ2)에서 방사를 제공하는 반도체 레이저 다이오드(162)의 한 방사면에 코팅(164)으로 사용된다. 베터리(166)로서 개략적으로 나타낸 적당한 전기적 파워소오스는 통상적인 방식으로 상기 레이저 다이오드(162)의 접합을 가로질러 인가된다. 상기 레이저 다이오드(162)는 어떤 이득 스위치 모드(gain switch mode)에서 동작될 수 있고 상술한 바와 같이 횡 방사형이나 수직방사형일 것이다.
본 발명의 이 실시예는 코팅(164)의 선택된 이득매질의 광학적 성질중 한 기능으로서 다수의 서로 다른 원하는 출력파장들 중 하나를 제공하도록 싱글 형 레이저 다이오드를 주문생산될 수 있게 한다.
도 24a는 줄이지 않은 본 발명의 한 실시예의 정면도이고, 도 24b는 축척하지 않은 본 발명의 실시예의 평면도이다. 여기서 상기 본 발명의 이득매질(12)은 상기 제2 이득매질의 요건에 펌프파장(λ1)을 맞추도록 제2 이득매질(172)(예컨대, 유동하는 염료용액이나 레이저 봉과 같은)을 펌핑시키기 위해 스펙트럼 변환기로 사용된다. 그러므로 상기 펌프소오스(170)는 광학 펌프(176), 예컨대 플레쉬 램프와 상기 제2 이득매질(172) 사이에 개재되는 상기 이득매질(12)의 코팅이나 층(174)을 사용한다. 상기 코팅이나 층(174)은 제2 이득매질(172)에 대해서 최적 또는 거의 최적인 것으로 선택되는 방사파장(λ2)을 제공한다. 그러므로 본 발명의 상기 실시예는 상기 제2 이득매질(172)에 대해서 광학적 펌핑 파장을 가장 효과적으로 활용한다. 그리고 싱글 형 펌프 소오스(176)를 다양한 제2 이득매질과 더불어 사용할 수 있게 한다.
본 발명에 의해 가능하게 된 많은 응용과 실시예들을 고려하면, 본 발명의 가르침은 범위에 있어서 단지 상기 개시된 응용이나 실시예들로 제한되지 않는다는 것을 알 수 있다. 예를 들면, 성능을 개선하기 위하여 상기 이득매질에 하나 이상의 첨가 요소들을 사용하는 것도 본 발명의 범위에 속한다. 또한 예를 들면, 코트(cot)나 헥사트라이엔(hexatrien)과 같은 염료의 3중 냉각기(triplet quencher)가 상기 염료와 산란입자와 공동으로 사용될 수 있다. 이것은 상기매질(12)의 준 연속적인 작동을 가능하게 한다. 또 한 예를 들면, DABCO와 같은 염료의 수명 연장기를 첨가요소로 사용할 수 있다. 역시, ARQUAD와 같은 염료를 용해시키는 첨가물이 사용될 수 있다. 이득매질이 PMMA와 같은 아크릴 플라스틱(acrylic plastic)에 통합되는 시스템에 대해서 용해시키는 첨가물 HEMA를 플라스틱에서 선택된 염료의 용해성을 강화하기 위해서 사용할 수 있다. 본 발명은 다상 시스템인 한 이득매질에 대해 교시하고 있다는 것은 명백하다. 여기서 제1의 상(phase)은 전자기 복사방사와 증폭시키는 상이고 제2의 상은 전자기 복사 산란상이며, 제3의 상은 투명한 매트릭스상이다.
예를 들면, 상기 방사와 증폭상은 하나 이상의 염료분자들 및/또는 반도체 나노 크리스탈 타입을 포함하며 상기 산란상은 Al2O3, TiO2, SiO2,또는 Fe2O3와 같은 산화물입자들 또는 금(Au)이나 은(Ag)과 같은 금속입자들로 이루어질 수도 있다. 그리고 상기 매트릭스상은 메탄올, 에틸렌글리콜, DMSO 또는 물과 같은 액체나 크림, 젤 또는 에폭시와 같은 반액체, 또는 예컨데 PMMA, PPV, 폴리에스터 또는 폴리스티렌으로부터 선택된 폴리머와 같은 고체로 이루어질 수 있다.
일반적으로, 상기 산란상은 산화물, 금속 또는 반도체의 나노파티클과 같은 높은 굴절율 콘트라스트 산란 장소들로 구체화된다. 상기 산란 장소들은 다공성 매트릭스 또는 기판안에 보이드로 구체화 될 수도 있다. 그리고/또는 상기 파티클과 공동으로 또는 단독으로 상기 매트릭스내에서 점 결함과 불연속성으로 구체화될 수도 있다.
반도체 나노파티클의 사용에 관해서는 "거의 단일 분산 CdE(E=S, Se, Te)반도체 나노정자(晶子)의 합성과 특징화(Synthesis and Characterization of Nearly Monodisperse CdE(E=S, Se, Te) Semiconductor Nanocrystallites)"(C, B, Murray et al., J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 8706-8715.)라는 제목의 출판물을 참조할 수 있다. 이것은 본 발명을 실시하는데 적당한 대략 지름 12Å에서 115Å까지의 반도체 나노크리스탈이나 정자를 제조하는 방법을 가르친다.
일반적으로 다공성 실리콘과 같은 간접적 갭 물질을 사용할 수 있는 것처럼 갭 반도체를 가리키는 다수의 Ⅱ-Ⅵ족과 Ⅲ-Ⅴ족을 사용할 수 있다.
본 발명의 어떤 실시예에서 방사와 증폭과 산란상은 반도체입자를 사용할 때 처럼 동일한 상일 수 있다. 상기 이득매질로 이루어진 몸체, 층 또는 영역의 최소크기는 산란상과 관련된 산란길이 정도나 그 보다 작을 것이다. 상기 이득매질은 얇은 층, 블록이나 구와 같은 단일체 또는 한 조각의 구조물내에 구현될 수 있다. 또는 기판위나 안에서 하나 이상의 층이나 영역으로 배치될 수 있다. 적당한 기판으로는 유리나 유전체, 폴리머, 상기 이득매질 자체의 층, 조직, 반도체물질, 직물 및 금속을 포함한다.
본 발명의 다른 특징은 (a) 복수 개의 산란입자들 또는 장소(sites) 그리고 방사파장 밴드에 거의 투명한 매질과 공동으로 하나 이상의 염료분자들이나 폴리머와 같은 광 방사자로 이루어진 샘플을 준비하는 단계; (b) 전류로나 상기 광 방사체로부터 방사를 일으키는데 적합한 파장을 가지는 전자기 복사로써 상기 샘플에 에너지를 주입하는 단계; 및 (c) 산란입자들이나 장소들로 방사를 산란시킴으로서 광 방사자로부터 방사파장의 밴드를 넓이고 이동하는 단계에 의해 염료, 폴리머,반도체 및 다른 방사 소오스로부터의 방사파장 밴드를 확장시키고 이동시키는 방법이다.
히터(heat)소오스로서 상기 이득매질로부터 방사되는 전자기 복사를 사용하는 것도 명백히 본 발명의 범위에 속한다. 더욱이, 앞에서 지적한 바와 같이, 본 발명의 상기 가르침은 상기 매질(12)내에서 레이저와 같은 작용을 일으키는 기본적인 전기-물리-광학적 과정의 구체적 설명, 또는 이론적 원리에 의해 범위를 제한하려는 것이 아니다. 그러므로 본 발명의 사상은 다음에 오는 클레임의 범위에 상응한 범위를 주려고 하는 것이다.
본 발명의 특정 실시예에서 레이저와 같은 작용은 로다민(rhodamine)과 같은 염료와 산화 티타늄(TiO2) 또는 Al2O3와 같은 높은 인덱스 콘트라스트 나노파티클(nanoparticle)을 포함하는 레이저 여기된 메탄올 용액에서 일어난다. 상기 이득 매질은 효과적인 레이저 소오스의 많은 특성을 나타내며, 거의 문턱이 없는 입력-출력 행태를 가진다. 레이저와 같은 작용은 적절히 한정된 여기에 의해 상기 방사의 출력선폭이 좁아지는 어떤 조건을 포함하도록 의도된다. 특히, 종래 기술에 내재해 있는 치수적 제한이 극복된다. 레이저와 같은 작용은 상기 이득매질이 그 매질내에서 포톤의 산란길이보다 단지 약간 크거나 같을 때 또는 비록 작은 치수일 때도 일어난다는 것을 알 수 있다. 앞서 기술한 것처럼 Letokhov 등에 의해 예견된 치수적 요건과 분명한 대조를 이룬다.
본 발명의 실시예에서 문턱이 거의 없는 레이저와 같은 작용은 콜로이드 상의 TiO2또는 Al2O3나노파티클을 포함하는 광학적으로 펌핑된 염료-메탄올 용액을 강하게 산란시켜서 달성한다. 광학적으로 펌핑된 높은 이득의 콜로이드 매질로부터의 방사는 임계 펌프 펄스 에너지보다 높은 선형 입출력 특성의 기울기의 변화를 나타내도록 도시된다. 기울기의 변화는 어떤 염료들과 함께 높은 펌핑 에너지에서 나타나는 두가지 색채의 스펙트럼과 함께 상기 출력 스펙트럼 선폭의 상당한 좁아짐을 동반된다. 532nm에서 80피코초 펄스로 상기 콜로이드 매질을 여기하면 광학적 검출 시스템의 300 피코초 시간 해상도 보다 짧은 따라서 단지 형광적인 형태가 아니라 레이저와 같은 형태의 발생을 실체화하는 방사를 초래하는 것으로 판명되었다. 이러한 이득 매질을 이용함으로써, 물체 내부에 존재하는 구조물의 실체를 보다 용이한 방법으로 보다 명확하게 밝힐 수 있고, 다양한 구조물의 내부 구성을 밝히는데 이용할 수 있다.

Claims (1)

  1. 물체내의 구조물 존재를 검색하는 방법에 있어서,
    상기 물체의 한 표면영역에 다상의 이득매질을 제공하는 단계로서, 상기 다상의 제1의 상은 여기에 반응하여 자발적으로 전자기 복사를 방사하고 유도방사에 의해 상기 방사된 전자기 복사를 증폭시키는 수단으로 구성되고, 제2의 상은 상기 제1의 상내에서 상기 전자기복사의 존재시간을 증가시키기 위해 상기 방사되어 증폭된 전자기 복사를 산란시키는 수단으로 구성되며, 상기 다상 이득매질은 상기 제1 파장과는 다른 제2 파장을 가지는 파장밴드내에 속하는 파장들로 전자기 복사를 방사하는 제1 파장을 가지는 전자기 복사에 반응하는 그러한 단계;
    상기 제1 파장을 가지는 복사의 제1 펄스로 상기 이득매질을 조사하는 단계;
    상기 물체에 상기 제2 파장을 가지는 상기 방사된 복사를 전파하는 단계;
    상기 구조물과 관련되는 굴절율의 변화와 마주치는 상기 전파복사에 반응하여 상기 전파되는 복사의 일부를 상기 물체의 표면으로 되 반사시키는 단계;
    제2 펄스와 동시에 상기 다상 이득 매질에 들어가는 상기 반사된 복사에 반응하여 상기 제2 파장을 가지는 상기 파장밴드에 속하는 파장으로 상기 전자기 복사의 방사를 강화하는 단계;
    상기 강화된 방사를 검색하는 단계; 및
    상기 구조물에서 상기 물체의 표면까지의 적어도 한 거리를 결정하기 위해 상기 제1 및 제2 펄스의 출현사이의 시간과 상기 검색된 강화된 방사를 서로 관련시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 물체 안의 구조물의 존재를 검색하는 방법.
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