专利名称：单用激光器的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及垂直腔有机激光器领域，且尤其涉及利用非常规泵浦束光子源产生激光发射的有机激光器。更具体地说，本发明涉及利用自给的光子源的激光器，其中用于产生光子的能源是化学的、放射性的和生物等反应产生的。
背景技术：
激光产生装置具有无数的应用，包括通信、导航系统、勘查、紧急救援和军事等方面的应用。目前的激光系统需要复杂、昂贵且脆弱的电子电路、元件和电池或是其它电源。在这些系统的构建中需要金属，并且由于金属的含量，这些金属易于检测。这些系统还产生会干扰其它电子/电气系统的剩余电辐射。
自八十年代中期以来已经开发研制出了基于无机半导体如AlGaAs)的垂直腔面发射激光器(VCSEL)(见Susumu Kinoshita等人论文，发表于1987年6月的IEEE Journal of Quantum Electronics，Vol.QE-23，No.6，第882-888页)。它们达到了这样一点，即由多个公司制造的发射850nm的AlGaAs基VCSEL，并且寿命在100年以上(KentD.Choquette等人论文，发表于1997年11月的Proceeding of the IEEE85，Vol.85，No.11，第1730-1739页)。随着这些近红外激光器的成功。近年来的注意力已经转向其它的无机材料系统以生产发射可见光波段的VCSEL(C.Wilmsen等人所著“Vertical-cavity Surface-EmittingLasers”，Cambridge University Press，Cambridge，2001)。可见光激光器有很多潜在的用途，如显示器、光学存储读取/写入、激光打印和采用塑料光纤的短距离电信装置(T.Ishigure等人论文，发表于1995年3月16日的Electronics Letters，Vol.31，No.6，第467-469页)等。尽管有很多工厂和大学实验室的广泛努力，但仍要完成很多工作以制造出产生横跨可见光谱的光输出的实用的激光二极管(边缘辐射体或VCSELs)。
在制造可见光波长VCSEL的尝试中，放弃基于无机的系统而着重于基于有机的激光系统是有利的，因为基于无机的增益材料较之基于无机的增益材料在可见光谱上可以具备很多优点。例如，典型的基于有机的增益材料具有较低的非泵浦漫射/吸收损耗和高量子效率的特性。与无机激光系统相比，有机激光器的制造不很昂贵，可以在整个可见光范围内发射，可以做成任意大小的比例，并且最重要的是能够从单个芯片发射多种波长(如红、绿和兰)。最后，有机激光器有极宽的增益带宽，尤其是与无机激光器相比。在过去的几年里，人们对制造无机固体激光器的兴趣增大。激光增益材料既可以是聚合物也可以是小分子材料，并且采用多种不同的共振腔结构，如微共振腔(见Kozlov等人公开于2000年12月12日的美国专利第6160828号，其名称为“Organic Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser”)、波导、环形微型激光器和分布式反馈激光器(见G.Kranzelbinderet等人论文，该论文发表于2000年的Rep.Prog.Phys.63，第729-762页，以及M.Diaz-Garcia等人公开于1999年3月9日、名称为“Conjugated PolymersAs Materials For Solid State Laser”的美国专利第5,881,083号)。这些结构的问题在于要实现其激光作用，需要通过利用另一个激光源的光泵浦来激活共振腔。优选电泵浦激光共振腔，因为一般这样导致更紧凑更易于调制的结构。
对实现电泵浦有机激光器的一个主要障碍是有机材料的低载流子迁移率，该参数典型地处于10-5cm2/(V-s)量级。这种低载流子迁移率导致很多问题。具有低载流子迁移率的装置一般被限制在使用薄层以免较大的电压降和欧姆发热。这些薄层导致激光模穿透进有损耗阴极和阳极，造成激光阈值大幅提高(见V.G.Kozlov等人论文，其发表于1998年10月15日的Journal of Appl.Physics，Vol.84，No.8，第4096-4108页)。因为由Langevin复合主导有机材料中电子-空穴的复合(其复合率随载流子迁移率而变化)，低载流子迁移率导致在量级上电荷载流子多于单态激发性电子-空穴对；这样的一个后果是电荷感应的(极化子)吸收可以成为一种严重的损耗机理(N.Tessler等人论文，其发表于1999年3月10日的Applied Physics Letters，Vol.74，No.19，第2764-2766页)。假设激光装置具有5％的内量子效率，利用迄今最低的激光阈值～100W/cm2(M.Berggren等人论文，其发表于1997年10月2日的Nature，Vol.389，第466-469页)，并忽略上述损耗机理，可将下限设为1000A/cm2的电泵浦激光阈值。包括这些损耗机理在内，可将激光阈值设为高于1000A/cm2，该数据是迄今报道的最高电流密度，可以由有机器件支持(Nir Tessler论文，发表于1998年10月的Advanced Materials，No.1，第64-68页)。
避免这些困难的一种方式是用晶体有机材料代替非晶有机材料作为激光介质。这种方法近来得到采用(J.H.Schon论文，发表于2000年7月28日的Science，Vol.289，第599-601页)，其中的法布里-珀罗谐振器利用单晶并四苯作为增益材料构成。通过利用晶体并四苯，可以获得大的电流密度，可以采用较厚的层(因为载流子迁移率处于2cm2/(V-s)的量级)，并且极化子吸收大幅降低。利用晶体并四苯作为增益材料可产生室温下近似为1500A/cm2的激光阈值电流密度。
对有机激光器而言，电泵浦的另一种方法是通过非相干光源光源进行光泵浦，非相干光源光源例如是发光二极管(LED)，其可以是无机的(参见M.D.McGehee等人论文，该论文发表于1998年3月30日的Applied Physics Letters，Vol.72，No.13，第1536-1538页)也可以是有机的(参见Berggren等人的美国专利第5,881,089号，该专利公开于1999年3月9日，名称为“Article Comprising An Organic Laser”)。这种可能性是非泵浦的有机激光系统的结果，该系统在激光波长处有大大减少的合并漫射和吸收损耗(～0.5cm-1)，尤其当采用主发光体-掺杂物(host-dopant)组合物作为激活介质时更是如此。甚至利用这种小损耗的优点，根据光导激光器设计，迄今报道的有机激光器的最小光泵浦阈值是100W/cm2(M.Berggren等论文，其发表于1997年10月2日的Nature 389，第466-469页)。因为现有的无机LED只可以提供高达～20W/cm2的功率密度，所以必须采取不同的方式以便能够通过非相干光源进行光泵浦。另外，为了降低激光阈值，必须选择可将增益量减为最小的激光器结构。
从LED会发出不希望有的电噪声，并且还要求外部电源与电子元件/电路一起工作。这些电路通常是金属的，可以在转换状态下检测。外部的电磁辐射会造成对这些LED和支持电路的损坏。
我们需要的是一种可靠、强健的激光产生装置，能够在极端环境下产生激光发射，对于向激光产生装置提供电能的常规电源以及支持电路没有前述的限制。
发明内容
在本发明的一个实施例中，通过提供一种有机激光共振腔装置而满足了上述需求，该装置包括第一电介质层，用于接收和透射泵浦光束，并在预定的波长范围内反射激光束，本质上具有低的光激发阈值；一个有机激活区，用于接收所透射的泵浦光束和来自第一电介质层的激光并发射激光；第二电介质层，用于将所透射的泵浦光束和来自有机激活区的激光反射回有机激活区，其中第一和第二电介质层以及有机激活区组合而输出激光；泵浦光束的外部自给的光子源与有机激光共振腔协同工作，用于在低阈值下进行光激发。
本发明的优点在于能够产生激光发射，没有剩余电磁辐射，无需高金属含量的组件、电池和其它电源以及电子电路和组件。其它的优点包括长寿命的激光发射、较大的无活性存储能力、强健的物理结构、极少的组件需求和可变的激光发射结构。另外，本发明具有利用声频信号如人的声音调制激光发射的能力。
通过下面结合附图所作说明，本发明的上述及其它目的、特点和优点将变得更加清晰，其中在可能情况下以相同的参考编号表示附图中共有的相同特征，其中图1是根据本发明制造的垂直腔有机激光装置的示意性剖视图；图2是根据本发明另一实施例制造的垂直共振腔有机激光装置的示意性剖视图；图3是一锁相有机激光阵列的示意性剖视图；图4是根据本发明制造的化学能量激光闪光装置处于非激活状态的示意性剖视图；图5是根据本发明制造的化学能量激光闪光装置处于激活状态的示意性剖视图；图6是根据本发明制造的带有可互换安装接头的化学能量激光闪光装置处于非激活状态的示意性剖视图；图7是根据本发明制造的模块化结构的化学能量激光闪光装置处于激活状态的示意性剖视图，该装置配备有时间延迟激励器；图8是根据本发明制造的火箭形结构的化学能量激光闪光装置处于非激活状态的示意性剖视图，该装置带有可互换安装接头；图9是根据本发明制造的模块化构造的化学能量激光闪光装置处于非激活状态的示意性剖视图，该装置配备有时间延迟激励器；图10a是根据本发明制造的模块化火箭形结构的化学能量激光闪光装置的第一部分处于非激活状态的示意性剖视图；图10b是根据本发明制造的模块化箭形结构的化学能量激光闪光装置的第二部分处于非激活状态的示意性剖视图；图10c是根据本发明制造的模块化箭形结构的化学能量激光闪光装置的制导叶片组件的示意性剖视图；图11是根据本发明制造的模块化火箭形结构的化学能量激光闪光装置处于非激活状态的示意性剖视图，该装置配备有时间延迟激励器；图12是根据本发明制造的模块化火箭形结构的化学能量激光闪光装置处于激活状态的示意性剖视图，该装置配备有时间延迟激励器且该时间延迟激励器处于启动状态；图13a是根据本发明制造的化学能量激光闪光装置处于非激活状态的示意性剖视图，该装置带有受到屏蔽的激光阵列；图13b是根据本发明制造的火箭形结构的化学能量激光闪光装置处于非激活状态的示意性剖视图，该装置带有受到屏蔽的激光阵列；图13c是根据本发明制造的火箭形结构的化学能量激光闪光装置处于非激活状态的示意性剖视图，该装置带有暴露式的激光阵列；图13d是根据本发明制造的火箭形结构的化学能量激光闪光装置处于非激活状态的示意性剖视图，该装置带有半球形的激光阵列；图13e是根据本发明制造的火箭形结构的化学能量激光闪光装置处于非激活状态的剖视图，该装置带有多面体激光阵列；图13f是根据本发明制造的火箭形结构的化学能量激光闪光装置处于非激活状态的示意性剖视图，该装置带有柱形的激光阵列；图14a是一个处于非激活状态的盘状化学能量光源的示意性正面剖视图，该光源与根据本发明制造的激光阵列一起使用；图14b是一个处于非激活状态的盘状化学能量光源的示意性侧面剖视图，该光源与根据本发明制造的激光阵列一起使用；图15a是一个处于非激活状态的环形化学能量光源的示意性侧面剖视图，该光源与根据本发明制造的激光阵列一起使用；图15b是一个处于非激活状态的环形化学能量光源的示意性侧面剖视图，该光源与根据本发明制造的激光阵列一起使用；图16a是一个处于非激活状态的盘状化学能量光源的示意性侧面剖视图，该光源连结到根据本发明制造的激光阵列，其中该激光阵列部分地受到一个掩模的遮挡；图16b是一个处于非激活状态的盘状化学能量光源的示意性侧面剖视图，该光源连结到根据本发明制造的激光阵列；图16c是一个处于非激活状态的盘状化学能量光源的示意性正视剖视图，该光源连结到根据本发明制造的激光阵列，其中该激光阵列部分地受到一个掩模的遮挡；图17a是一个处于非激活状态的环形化学能量光源的示意性正面剖视图，该光源连结到根据本发明制造的激光阵列，其中该激光阵列与障板和锥体/反射镜组件相组合，而该锥体/反射镜组件可以被声音振动；图17b是一个处于非激活状态的环形化学能量光源的示意性侧面剖视图，该光源连结到根据本发明制造的激光阵列，其中该激光阵列与障板和锥体/反射镜组件相组合，而该锥体/反射镜组件可以被声音振动从而调制激光发射；图18a是根据本发明制造的激光器信号装置处于关闭的未激活状态的立体图；图18b是根据本发明制造的以化学能量照明的激光器信号装置处于开启的激活状态的立体图；图19是根据本发明的以化学能量照明的柔性片状激光发射器的立体图；
图20a是根据本发明的以化学能量照明的柔性片状激光发射器的示意性侧面剖视图；图20b是根据本发明的以化学能量照明的柔性片状激光发射器的示意性侧面剖视图；图21是根据本发明的辐射照明的柔性片状激光发射器的立体图；图22是根据本发明的辐射照明的柔性片状激光发射器处于非激活状态的示意性侧面剖视图；图23是根据本发明的辐射照明激光发射器的立体图图24是根据本发明的辐射照明激光发射器的示意性侧面剖视图；图25是辐射照明的多波长激光发射器的示意性侧面剖视图。
具体实施例方式
为了便于理解，采用相同的标号表示各附图中共有的相同元件。
基于VCSEL的微共振腔激光器满足低激光阈值的标准。利用基于VCSEL的有机激光共振腔应能使光泵浦的功率密度阈值处于5W/cm2以下。其结果是可以通过用各种易于得到的非相干光源、如自给的光子源所进行的光泵浦来驱动实际的有机激光装置。此处，自给的光子源是一种用于发射光的能量源为化学、辐射和生物反应直接产生光子的光子源。这些自给的光子源无需以外部的电连接用于其工作。
没有电噪声特性的几类自给的光子产生过程可包括白炽发光(incandescence)、发光、生物发光、热发光、荧光、磷光和辐射发光光子过程。
辐射发光(RL)是以发光介质吸收来自放射性粒子衰变的能量、从而产生光子的过程。因为RL通过放射性同位素的衰变得到能量，外部电源不是必需的。
荧光定义为由分子或原子的受激单能态发射的光。荧光是一种本身暴露于电磁辐射、尤其是光的物质所发射的光。入射光使电子激发到达更高的电子能级并随后返回到基态，产生荧光。一种普通的荧光物质是荧光素，其为一种表现出强绿荧光的染料。加入到洗涤品中的荧光“增白”剂通过将照射到其上的紫外入射光转变成可见光而起作用。荧光与磷光的不同之处在于荧光在激励停止时大约1微秒内停止，而磷光可以持续几分钟。
磷光定义为由分子或原子的受激三能态发射的光。荧光从受激电子能级发出，使得向系统未激发态或基态的跃迁被“禁止”。这种禁止特性导致远为缓慢的光发射速率。
生物发光的产生是氧化反应(或称“燃烧反应”)的结果，涉及到化学化合物、萤光素和有助于氧化过程的特定的酶，即萤光素酶。萤光素是一种发光化合物，该化合物可由有机体通过内部合成方式或通过以食物从外部取得的方式而获得。它是水溶性化合物，产生于有机体的细胞中，被称为是胞间发光(intercellular luminescence)，或者它也可以是在细胞外以胞外发光方式产生。萤光素可以储存在发光器官中透明角质层区域之下，其中在萤光素之后可以发现有一层致密的组织起到反射镜的作用。
为了在化学反应中产生光，萤光素应优选借助于天然酶即萤光素酶而氧化，萤光素酶是一种加氧酶(将氧加入到化合物中)，该加氧酶需要基质(萤光素)和氧(还可能需要盐)来激发电子，使得电子跃迁到更高的能级轨道。这些电子在回到它们的初始基态时发光。对应于生物发光的反应可表示为
该反应的反应物可以集中混合成一种光蛋白(photoprotein)，并且可以被钙离子(Ca2+)(22)触发而发光。还应注意到，氧化萤光素复原成萤光素以便重复发光的过程，并且虽然热是该反应的一种副产品，但从与人工发光方法有关的上述反应中极少有热发出。例如，萤火虫被认为是最有效发光系统中的一种虽然暗淡，但萤火虫的发光效率近似90.0％，在热量上有至少3.0％的能量损失。但灯泡的平均发光效率仅约为3.0％，在热量上有高达97％的能量损失。
生物发光反应由活有机体如萤火虫(萤科)产生；其它产生生物发光的有机体包括但不限于四十种以上目或类群的不同物种，包括细菌、真菌、腰鞭毛虫(dinoflagellellate)、水母、鱿鱼、棘皮动物(海星)、心形蠕虫、软体动物、节肢动物(蟹和虾)、鱼(浅水或深海)、甲虫和萤火虫。已经观察到细菌与一些种类的鱼或水母形成共生关系，这些鱼或水母因之变为发光的(发光器官)。但是，有一些有机体通过利用包含光胞(photocyst)的发光器官以及内部产生发光所需的化学物质而成为自发光的。生物发光是深海鱼和其它有机体的一般特性。已经发现深海中有70％以上的物种发光以弥补它们在深水中不能接收到太阳光的缺陷。昆虫是最普通的陆地栖居动物，拥有自身发光的能力，这种能力可以简单地表现为带有伪装鳞片的皮肤，或复杂地表现为具备反射体、色素细胞滤光器和透镜。在发光动物学课题中，即生物发光和化学发光中，最特别的发现可以认为是活有机体在低温下不产生大量热而随意或不随意地发射可见光，这是由细胞所产生的化学化合物即荧光素的放能氧化过程的结果，其中能量转化为光。第二类发光也可以认作是光致发光、荧光或磷光有机体取决于对包括紫外波长的光的先前吸收而随意发光。
赛卢姆发光棒(Cyalume lightstickTM)可展示化学发光反应，该发光棒也称为化学发光闪光装置。此化学发光闪光装置由一种包含薄壁玻璃管的可弯曲塑料管制成。在玻璃管内部是一种溶解在酞酸酯中的过氧化氢即H2O2溶液。在玻璃管外是一种含有苯草酸酯(phenyl oxalateester)和荧光染料的溶液。(在黄绿色发光棒中，该染料是9，10-双(苯乙炔基)蒽(9，10-bis(phenylethynyl)anthracene))。当发光棒弯曲时，薄壁玻璃管破裂，而其中所包含物质就与外部溶液混合。然后，H2O2与苯草酸酯反应。在反应期间，形成一种将能量转移给染料分子的中间产物。被激活的染料分子将此能量释放为可见光。能量直接从化学反应中释放出来成为光的过程称作化学发光。
图1中示出了垂直腔有机激光装置10的简图。衬底20既可以是光可透射的也可以是不透明的，这取决于光泵浦和激光发射的预定方向。光可透射的衬底可以是透明玻璃、塑料或诸如蓝宝石的其它透明材料。另外，不透明衬底包括但不限于半导体材料(如硅)或陶瓷材料，其可以应用于光泵浦和发射发生于同一平面的情况。在衬底20上沉积一个底部电介质层30，之后再沉积一个有机激活区40。然后沉积一个顶部电介质层50。泵浦光束60光泵浦垂直腔有机激光装置10。泵浦光源65可以发射非相干泵浦光束60，如从发光二极管(LED)发射。或者，泵浦光束60可以从一相干激光源发出。图1展示出从顶部电介质层50发射的激光70。或者，可以通过适当设计电介质层的反射率，令透过衬底20的发射激光穿过顶部电介质层50而使激光装置被光泵浦。在诸如硅的不透明衬底的情况下，光泵浦和激光发射均在穿过顶部电介质层50时发生。
有机激活区40的优选材料是小分子量的有机主发光体-掺杂物化合物，其典型地是通过高真空热蒸发沉积。这些主发光体-掺杂物化合物是有益的，因为它们对增益介质产生极小的非泵浦漫射/吸收损耗。优选的是，有机分子具有小分子量，因为真空沉积材料可以比旋涂的聚合材料更均匀地沉积。优选的还有，选择在本发明中所运用的主发光体材料，令其可充分吸收泵浦光束60并可通过Frster能量传递机制转移而将其大部分激励能量传递给掺杂物材料。本领域技术人员熟悉Frster能量传递的原理，它包括在主发光体和掺杂物分子之间无辐射的能量传递。用于发射红光的激光器的一个有用的主发光体-掺杂物化合物的例子是作为主发光体的三铝(8-羟基喹啉铝)(aluminumtris(8-hydroxyquinoline))(Alq)和作为掺杂物的[4-(二氰亚甲基)-2-t-丁基-6(1，1，7，7-四甲基久洛尼定-9-enyl)-4H-吡喃]([4-(Dicyanomethylene)-2-t-butyl-6-(1，1，7，7-tetramethyljulolidyl-9-enyl)-4H-pyran])(DCJTB)(体积比为1％)。其它的主发光体-掺杂物化合物可以用于其它波长的发射。例如，在绿光波长，有用的化合物是Alq作为主发光体，而[10-(2-苯并噻唑基)-2，3，6，7-四氢化-1，1，7，7-四甲基-1H，5H，11H-[1]苯并吡喃[6，7，8ij]喹嗪-11-1]([10-(2-Benzothiazolyl)-2，3，6，7-tetrahydro-1，1，7，7-tetramethyl-1H，5H，11H-(1)-benzopyropyrano(6 ，7-8-i，j)quinolizin-11-one])(C545T)作为掺杂物(体积比为0.5％)。其它的有机增益区材料可以是Wolk等人在2001年2月27日公开的、名称为“Thermal Transfer Element And Process For Forming OrganicElectroluminescent Device”美国专利第6,194,119号中所指出的聚合物，例如聚亚苯基亚乙烯基(polyphenylenevinylene)衍生物、diakoxy-聚亚苯基亚乙烯基(diakoxy-polyphenylenevinylenes)、聚-对-次苯基(poly-para-phenylene)和聚芴(polyfluorene)衍生物，该专利在此引为参考。
优选通过常规的电子束沉积分别沉积底部电介质层30和顶部电介质层50，并且这两层可以包括交替的高折射率材料和低折射率材料，分别例如为TiO2和SiO2。其它材料如Ta2O5也可以用作高折射率层。底部电介质层30在大约240℃的温度下沉积。在顶部电介质层50的沉积过程中，温度维持在70℃左右以免溶化有机激活物质。在本发明的另一实施例中，通过沉积一个金属反射层代替顶部电介质层50。典型的金属是银或铝，泵浦光束60和发射的激光70都将穿过衬底20。根据垂直腔有机激光装置10的理想发射波长，底部电介质层30和顶部电介质层50均在预定的波长范围内反射激光。
以极高细度使用垂直微共振腔，允许有极低阈值(在0.1W/cm2功率密度以下)的激光跃迁。此低阈值使非相干光源能够被用于泵浦，以代替其它激光系统中常规使用的激光二极管的聚焦输出。泵浦源的一个例子是UV LED，或是UV LED的阵列，其例如为出自Cree公司的产品(具体地说是XBRIGHT900 Ultraviolet Power ChipLED)。这些光源发射中心接近405nm波长的光，并且公知在晶片中产生20W/cm2量级的功率密度。因而，甚至考虑到由于器件封装以及LED的扩展角度发射轮廓而对利用率的限制，LED的亮度也足以以高于激光发光阈值多倍的水平来泵浦激光腔。
激光器的效率利用图2所示的对垂直腔有机激光器80的激活区设计而得到进一步的提高。有机激活区40包括一个或多个周期增益区100和设置在周期性增益区100任一侧上的有机间隔层110，有机激活区40被布置成使周期性增益区100与所述装置的驻波电磁场120的波腹103对齐。此情形示于图2，图中示意性地绘制了有机激活区40中激光器的驻波电磁场的图案120。因为受激发射在波腹103处最高，而在电磁场的波节105处可以忽略，所以一个固有的优点是形成图2所示的激活区40。有机间隔层110不经历受激的或自发的辐射，并且基本上既不吸收激光发射70、也不吸收泵浦光束60。有机间隔层110的一个例子是有机材料1，1-二-(4-二(甲基-苯基)-胺-苯基)-环己烷(1，1-Bis-(4-bis(4-methyl-phenyl)-amino-phenyl)-cyclohexane)(TAPC)。TAPC可以很好地用作间隔材料，因为它基本不吸收激光发射或泵浦光60的能量，另外，它的折射率稍低于大部分有机主材的折射率。这种折射率的差异是很有用的，因为它有助于使电磁场的波腹112与周期性增益区100的重叠达到最大。如以下对于本发明的说明，用周期性增益区100代替大体积(bulk)增益区导致功率转换的效率更高而无用的自发辐射显著减少。周期性增益区100的位置通过利用光学元件的标准矩阵法来决定(见Scott W.Corzine等人论文，其发表于1989年6月的IEEE Journal of Quantum Electronics，Vol.25，No.6，第1513-1524页)。为了达到好的结果，需要周期性增益区100的厚度等于或低于50nm以避免无用的自发辐射。可以增大此激光器面积，同时利用图3所示的锁相有机激光阵列190维持空间相干性。为了形成二维锁相激光阵列190，需要把被像素间区域210所分开的激光像素200限定在VCSEL的表面上。为实现相位锁定，优选在激光像素20之间交换强度和相位信息。这最好通过利用少量的内部折射率(built-in index)或增益导引、例如调制其中一个反射镜的反射率，将激光发射弱约束于像素区而获得。在一个实施例中，通过利用标准的光刻和蚀刻技术在底部电介质层30中进行图案化加工并形成蚀刻区220而实现反射率调制，由此在底部电介质层30的表面上形成圆柱221的二维阵列。有机激光器微共振腔结构的其余部分沉积在如上所述的图案化的底部电介质层30上。在一个实施例中，激光像素的形状为圆形；但也可以是其它像素形状，如矩形。像素间区域210处于0.25-4μm范围内。对较大的像素间区域210，同样有锁相阵列操作；但这导致光泵浦能量的不充分利用。形成蚀刻区220的蚀刻深度优选为200至1000nm。通过正好在奇数层上蚀刻到底部电介质层30，可以在偏离增益介质峰值的蚀刻区中实现纵模波长的显著平移。因此，激光效应受到抑制并且在像素间区域210中显著减少自发辐射。形成蚀刻区220的最终结果在于使激发辐射被弱约束到激光像素200，没有激光从像素间区域210发出，并且由阵列190发射相干锁相激光。
有机VCSEL装置、以下也称作有机激光共振腔装置(这两种名称可互换)的其它优点在于它们可以容易地制作成可单独寻址的像元阵列。在此阵列中，每个像元可以与相邻的像元不相干，并由单独的泵浦源(如LED或LED组)泵浦。依据应用需要，所述阵列既可以是一维的(线性)，也可以是二维的(面)。阵列中的像元也可以包括多种主发光体-掺杂物组合/或多种共振腔设计，从而可以由单个阵列产生多种波长。
参见图4，图中示出了未激活的化学照明激光闪光装置240的剖视图。可以配置此未激活的化学照明激光闪光装置240以将其用于瞄准武器系统，或作为信号、搜索和营救以及通信装置。由于化学发光且没有电子元件及处理，未激活的化学照明激光闪光装置240在非使用或使用状态下都没有电磁信号。另外，因为未激活的化学照明激光闪光装置240可以用几乎所有非金属材料制作，所以很难用常规的金属探测装置对其进行探测。所述化学反应通过使两种通常被隔膜280彼此密封隔离开的液态化学成份混合而触发。该液态化学成份装在一个用作闪光装置外壳250的分室容器中。闪光装置外壳250可以根据所需的用途为透明或不透明，并且可以具有一种镜面内表面以增大可用光。激活剂溶液260是溶解在苯酞酯中的H2O2，化学发光溶液270是苯基草乙酸酯和萤光染料。可以对可弯曲的波纹管手动施加力，例如使其落下数英尺，例如将其从飞机上投下，或例如以气动和爆破型武器使其在一个表面上被推动。图5中所示的收缩波纹管330是处于收缩状态的波纹管290。收缩波纹管330增大对激活剂溶液260的压强，导致破裂的隔膜320。激活剂溶液260与化学发光溶液270混合并开始发光。化学产生的光通过一个漫射滤光片300，该滤光片可以是透明材料，如聚氨基甲酸酯、塑料或玻璃。漫射滤光片300也可以与烧结的光纤束、分光镜或彩色滤光片组合。一般地，漫射滤光片300去除光子源光束中无用波长的光，并且可以提供对有机共振腔的均匀照明。漫射滤光片300与锁相有机阵列190接近。可以用邻近的间隔物或光学粘合剂(图中未示)使漫射滤光片300处于适当的位置。所述装置可以选择性地包含光学护罩310以限制激光辐射的视角。本领域技术人员会意识到锁相有机阵列190可以用图1和2中所示的垂直腔有机激光装置10或80代替。另外有利的是，还可以采用有机激光共振腔装置的多波长阵列。作为化学发光、生物发光和辐射发光过程的结果，这种阵列的使用将能够产生更多波长的光。
图5示出了激活的化学照明激光器245。在收缩波纹管330上已施加了力。混合的激活剂260和化学发光溶液270形成被激活的化学发光溶液340。由此反应产生的光子穿过漫射滤光片300并穿过锁相有机阵列190，形成激光辐射70。
图6示出了未使用的激光闪光装置240，其带有可互换接头组件350，该接头组件具有多个可选接头，包括尖锐接头360、有倒钩的接头370和大头棒式接头380。由于激光辐射70的视角狭窄，当激光闪光装置240被激活时，可将其固定在一个固定位置。可选接头根据条件提供不同的安装选择。例如，如果激光闪光装置240是以手动方式激活并固定到坚硬的结构如建筑物的房顶或大树上，则可以使用尖锐接头360；如果是令激光闪光装置240从一定高度落到一个自然表面如地面或沙地，在碰撞作用下使其处于使用状态，则可以使用大头棒式接头380。
图7展示出带有模块连结装置420的模块化激光闪光装置400，其中模块连结装置420可以、但不限于连结到时间延迟激励器模块410的螺丝型连结装置。模块410的组件包括一个充有液体丙酮的膜盒，其中液体丙酮用于与苯乙烯致动棒470发生反应并腐蚀苯乙烯致动棒470。反应时间可以由所使用的丙酮浓度来预定，其范围可以从数小时到数日。还包括可互换的接头组件350、密封的丙酮膜盒430、丙酮膜盒撞针440、致动弹簧450和致动管460，其中接头组件350带有吸盘/支座接头390。
图8展示出构造成飞行火箭480的激光闪光装置，其具有锥形的激励器部分485和可连结导向翼组件490，该导向翼组件用于确保锥形激励器部分485与预定目标或表面接触。类似地，图9表示带有时间延迟致动模块410和导向翼组件490的模块化激光闪光装置400。图10a、10b和10c表示同一个模块化激光闪光装置的拆卸开的各组件，包括第一和第二部分(分别见图10a和10b)和导向翼组件(10c)。化学反应可以通过最初的撞击来触发，或者可以利用化学的或机械的计时器来延迟时间。
图11用于说明时间延迟激励器模块410，其中该模块已经吸收了手动产生的或由移动丙酮膜盒撞针440撞击产生的致动力，其使得密封的丙酮膜盒430(同样清楚地显示于图7和图9)破裂，释放液体丙酮并使膜盒435塌陷。丙酮开始与完好的苯乙烯致动器470反应。苯乙烯致动器470保持致动管460和收缩的致动弹簧450的位置。苯乙烯致动器470开始随时间而腐蚀。
图12表示激活的模块化激光闪光装置405。其中苯乙烯致动棒475已经被腐蚀，其释放了扩展的致动弹簧455的压力，致动管460移动使得激励器波纹管330收缩，隔膜阀320破裂。激活剂溶液260与化学发光溶液270混合(如图11所示)，形成导致激光辐射70的激活的化学发光溶液。可选择手动移除苯乙烯制动棒470以即刻激励本装置。
图13a至13f展示锁相有机激光阵列190的各种物理结构，每种结构具有不同的视角特性。图13a展示带有视角限制护罩310的标准结构的激光闪光装置。图13b展示带有锥形激活部分485和导向翼组件490的激光闪光装置。图13c展示安装在表面上的锁相有机激光阵列500。图13d展示半球形激光阵列510。图13e展示多面体激光阵列520。图13f展示柱形激光阵列530。
图14a展示出盘状的化学发光器，其包含外壳250、激活剂溶液260、波纹管290、隔膜阀280和化学发光溶液270。这种形状是任选的，用于表明本装置可以依据特定用途而有多种尺寸和形状。
图14b是带有集成的漫射器/滤光片300的盘状化学发光器的侧视图。
图15a是包含外壳250、激活剂溶液260、波纹管290、隔膜阀280和化学发光溶液270的盘状化学发光器。这种形状是任选的，用于表明本装置可以依据特定用途而有多种尺寸和形状。
图15b是带有集成的漫射器/滤光片300的盘状化学发光器的侧视图。
图16a是盘状激光闪光装置240的侧视剖视图，该装置具有锁相有机激光阵列190和信号模板540。信号模板540用于选择性地屏蔽激光辐射70(图中未示)。
图16b是未屏蔽的激光闪光装置，该装置产生大面积激光辐射。
图16c展示如何用信号模板540产生可视图案，如字母字符、形状、指示等。
图17a是包括一个不透明外壳600的音频调制的激光闪光装置550的剖面侧视图。化学方法产生的光穿过漫射滤光片300，从反射镜580反射，经光障板560投射到锁相有机激光阵列190上。反射镜580固定到挠性锥体570上。当用户(图中未示)通过保护性的栅网590讲话时，声音振动就导致挠性锥体570和反射镜580振动。挠性锥体570由一种挠性材料薄膜制成，该挠性材料例如为橡胶或聚氨基甲酸酯。振动的反射镜580改变光到达锁相有机激光阵列190的强度，由此调制所产生的激光辐射。
图17b是音频调制的激光闪光装置550的剖面正视图，其展示出环形的化学光源和大面积的锁相有机激光阵列190。
图18a是非使用状态音频调制激光闪光装置550的立体图，该装置带有闭合的保护盖610和伸展的波纹管290。
图18b是激活的音频调制激光闪光装置550的立体图，该装置带有开启的保护盖610和收缩的波纹管330。安装钉620用于把音频调制激光闪光装置550固定到一个稳定的结构上，铰链630同样用于定位。
图19是柔性化学照明激光片640的立体图，该激光片由多层组成，包括柔性的激活剂囊650、柔性的化学发光囊660、柔性的漫射器6-0和柔性的衬底锁相有机激光阵列680。
图20a是带有密封隔膜阀280的柔性化学照明激光片640的剖面侧视图。密封隔膜阀280防止激活剂溶液260接触化学发光溶液270，该隔膜阀直到被打开为止。
图20b是柔性化学照明激光片640的剖面侧视图。当对该组件施加压力时，密封阀320被打开，允许激活剂溶液260与化学发光溶液270混合，形成可发光的激活的化学发光溶液340，所发出的光穿过透过柔性的漫射滤光片670，导致柔性的衬底锁相有机激光阵列680产生激光辐射70。
图21是柔性的辐射照明激光片690的立体图，该激光片由多层组成，包括柔性的辐射发光器700、柔性的漫射器670和柔性的衬底锁相有机激光阵列680，其中发光器材料例如为镭颜料(radium paint)或镭乳剂(radium emulsion)。
图22是柔性的辐射照明激光片690的立体图，该激光片由多层组成，包括柔性的辐射发光器700、柔性的漫射器670和柔性的衬底锁相有机激光阵列680，其中发光器材料例如为镭颜料或镭乳剂。柔性辐射发光器700发出的恒定光子源透过柔性漫射器670，导致柔性衬底锁相激光阵列680产生激光辐射70。只要辐射发光器700发射光子，本装置可提供连续的激光辐射。本装置的反应和激光辐射可持续数年。
图23是带有辐射发光器720、漫射滤光片30和锁相激光阵列190的辐射照明激光发射器10的立体图。安装钉620用于把激光发射器710固定到一个目标上，如汽车上或一固定位置。也可以采用前述的其它安装方式。
图24是辐射照明激光发射器710的剖面侧视图。从辐射发光器720产生的光子通过漫射滤光片300，导致锁相激光阵列190产生激光辐射70。
图25是辐射照明激光发射芪710的剖面侧视图。从辐射发光器720产生的光子通过漫射滤光片300，导致多波长激光阵列725产生激光辐射730和740。
以下简单总结本发明内容，本发明提供了一种有机激光共振腔装置，其特征在于外部自给的光子源由化学发光反应所激活。
所述的有机激光共振腔装置，其特征在于外部自给的光子源由辐射发光反应所激活。
所述的有机激光共振腔装置，其特征在于外部自给的光子源由生物发光反应所激活。
所述的有机激光共振腔装置，其特征在于外部自给的光子源通过混合化学发光溶液与激活剂溶液而触发。
所述的有机激光共振腔装置，其特征在于外部自给的光子源是一种化学发光闪光装置。
所述的有机激光共振腔装置，其特征在于外部自给的光子源由磷光反应所激活。
所述的有机激光共振腔装置，其特征在于自给的光子源由氧化反应所激活。
所述的有机激光共振腔装置，其特征在于自给的光子源由放射性反应所激活。
所述的有机激光共振腔装置，其特征在于放射性反应由镭产生。
有机激光共振腔装置14，进一步包括一个漫射滤光片，用于产生该有机激光共振腔的均匀照明。
一种有机激光器共振腔装置，包括a)第一电介质层，用于接收和透射泵浦光束，并在预定的波长范围内反射激光束，本质上具有低的光激发阈值；b)一个有机激活区，用于接收所透射的泵浦光束和来自第一电介质层的激光并发射激光；c)第二电介质层，用于将所透射的泵浦光束和来自有机激活区的激光反射回有机激活区，其中第一和第二电介质层以及有机激活区组合而输出激光；d)泵浦光束的外部自给的光子源，该外部自给的光子源与有机激光共振腔协同工作，用于在本质上低的阈值下进行光激发；和e)用于调制泵浦光束强度的装置。
上述用于调制泵浦光束强度的装置选自机械装置和声学装置。
产生一个或多个激光波长的多种分布的有机激光器共振腔装置，包括第一电介质层，用于接收和透射泵浦光束，并在预定的波长范围内反射激光束，本质上具有低的光激发阈值；b)一个有机激活区，用于接收所透射的泵浦光束和来自第一电介质层的激光并发射激光；c)第二电介质层，用于将所透射的泵浦光束和来自有机激活区的激光反射回有机激活区，其中第一和第二电介质层以及有机激活区组合而输出激光；d)泵浦光束的外部自给的光子源，该外部自给的光子源与有机激光共振腔协同工作，用于在本质上低的阈值下进行光激发。
包括至少一个有机激光器共振腔的激光辐射装置，其特征在于激光辐射通过化学发光溶液和激活剂溶液的混合来触发，而这种化学发光溶液和激活剂溶液的混合能够以人力进行。
激光辐射装置，其特征在于以人力启动对混合化学发光溶液和激活剂溶液的时间延迟。
权利要求
1.一种有机激光器共振腔装置，包括a)第一电介质层，用于接收和透射泵浦光束，并在预定的波长范围内反射激光束，本质上具有低的光激发阈值；b)一个有机激活区，用于接收所透射的泵浦光束和来自第一电介质层的激光并发射激光；c)第二电介质层，用于将所透射的泵浦光束和来自所述有机激活区的激光反射回所述有机激活区，其中第一和第二电介质层以及所述有机激活区组合而输出激光；d)泵浦光束的外部自给的光子源，该外部自给的光子源与有机激光共振腔协同工作，用于在本质上低的阈值下进行光激发。
2.根据权利要求1所述的有机激光器共振腔装置，其特征在于所述外部自给的光子源由化学发光反应所激活。
3.根据权利要求1所述的有机激光共振腔装置，其特征在于所述外部自给的光子源由放射发光反应所激活。
4.根据权利要求1所述的有机激光共振腔装置，其特征在于所述外部自给的光子源由生物发光反应所激活。
5.根据权利要求2所述的有机激光共振腔装置，其特征在于外部自给的光子源通过混合化学发光溶液与激活剂溶液来触发。
6.根据权利要求2所述的有机激光共振腔装置，其特征在于所述外部自给的光子源是一种化学发光闪光装置。
7.根据权利要求1所述的有机激光共振腔装置，其特征在于所述外部自给的光子源由磷光反应所激活。
8.根据权利要求1所述的有机激光共振腔装置，其特征在于所述自给的光子源由氧化反应所激活。
9.根据权利要求1所述的有机激光共振腔装置，其特征在于所述自给的光子源由放射性反应所激活。
10.根据权利要求9所述的有机激光共振腔装置，其特征在于所述放射性反应由镭产生。
11.根据权利要求1所述的有机激光共振腔装置，进一步包括一个漫射滤光片，用于产生所述有机激光共振腔的均匀照明。
12.一种有机激光器共振腔装置，包括a)第一电介质层，用于接收和透射泵浦光束，并在预定的波长范围内反射激光束，本质上具有低的光激发阈值；b)一个有机激活区，用于接收所透射的泵浦光束和来自第一电介质层的激光并发射激光；c)第二电介质层，用于将所透射的泵浦光束和来自有机激活区的激光反射回所述有机激活区，其中第一和第二电介质层以及所述有机激活区组合而输出激光；d)泵浦光束的外部自给的光子源，该外部自给的光子源与有机激光共振腔协同工作，用于在本质上低的阈值下进行光激发；和e)用于调制所述泵浦光束的强度的装置。
13.一种用于调制根据权利要求12所述的泵浦光束的强度的装置，其选自机械装置和声学装置。
14.多个均匀设置的有机激光器共振腔装置，包括a)第一电介质层，用于接收和透射泵浦光束，并在预定的波长范围内反射激光束，本质上具有低的光激发阈值；b)一个有机激活区，用于接收所透射的泵浦光束和来自第一电介质层的激光并发射激光；c)第二电介质层，用于将所透射的泵浦光束和来自所述有机激活区的激光反射回所述有机激活区，其中第一和第二电介质层以及所述有机激活区组合而输出激光；d)泵浦光束的外部自给的光子源，该外部自给的光子源与有机激光共振腔协同工作，用于在本质上低的阈值下进行光激发。
全文摘要
一种有机激光器共振腔装置，包括第一电介质层，用于第一电介质层，用于接收和透射泵浦光束，并在预定的波长范围内反射激光束，本质上具有低的光激发阈值；一个有机激活区，用于接收所透射的泵浦光束和来自第一电介质层的激光并发射激光；第二电介质层，用于将透射的泵浦光束和来自有机激活区的激光反射回到有机激活区，其中第一和第二电介质层以及有机激活区组合而输出激光；泵浦光束的外部自给的光子源与有机激光共振腔协同工作，用于以低阈值进行光发。
文档编号H01S5/00GK1497809SQ200310101939
公开日2004年5月19日 申请日期2003年10月15日 优先权日2003年10月15日
发明者J·A·马尼科, J·P·斯庞豪威尔, D·L·巴顿, E·科瓦南, J A 马尼科, 吣, 巴顿, 斯庞豪威尔 申请人:伊斯曼柯达公司