能够产生激光。
[0167]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 女口，利用在大于10微米下的抽运（例如，在10. 6微米的C02激光器），提供了小于lOOOnm 的激光发射（例如，在980nm下的镜激光器）。
[0168]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福射波长更短的波长。
[0169]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福射转换到在 较短波长的激光福射，例如，W提供UV或软X射线激光器。作为实例，发射器可W是已 知UV发射器的一种。通常用于近368至371纳米发射峰的英光体是馆惨杂的氣测酸餓 (S巧4O7F:化"）或馆惨杂的测酸餓（S巧4〇7:Eu")，而用于产生大约350至353nm的峰值的英 光体是铅惨杂的娃酸顿炬aSi2〇e:Pb+)。另外可W改性隶W产生UVA、UVB发射。
[0170]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，W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。
[0171]在本发明的示例性实施方式中，在禪合于纤维的球体中，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。
[0172]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。
[0173]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。
[0174]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 波长激光禪合于本体，然后将该些极化激元禪合于在狭窄的、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，第二禪合使用稀±作为禪合 齐u。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。
[0175]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福射得到证实。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烙化和/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。
[0176]本发明的一个方面的一些实施方式涉及从福射产生电力的方法，其中在一个波长 下将福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。
[0177]在详细解释本发明的至少一种实施方式W前，应当理解的是，本发明不一定将其 申请限于在W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W各种方式加W实践或进行。
[017引示例性方案
[0179]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。
[0180]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，可各种方式来提供能量，包括，例如，废热、化学产生的热、光、激光福 射、其它电磁福射、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W有用地，甚至同时地，转换各种各样的热量。
[0181]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 女口，在能量源福射109被禪合的波长下，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。
[0182]在206,能量足W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或通过惨杂本体304的全部或部分（例如，表面部分），来提供此窗口。惨 杂可W包括，例如，稀±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W在该样的峰下影响的材料。上述窗口可W是，例如，亚 纳米半高全宽窄带发射（化11wi化hhalfmaxnarrowemission),如图所示或高于ly半 高全宽最大发射宽度。还可W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,但黑体福射状态并不如此重叠。
[0183] 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。
[0184]可选地，系统300包括隔热层307W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。
[0185] 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W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。
[0186] 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0)2 激光，被集中在Si〇2本体304上，W及层306是在Si02光纤的尖端上的镜惨杂，被烙化形 成球体，该球体作为用于激光发射的光腔。
[0187] 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,提供的能量禪合于在本体304中的声子和/或禪合于表面声子极化激元。在226， 例如，通过惨杂/涂布306,将声子和/或极化激元转换成光子并发射（228)。在该样的情 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）之间的直接非线性禪合。
[018引可能的假设
[0189] 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W更有用地优 化用于本发明的一些实施方式的参数。然而，虽然该些假设可W用来定义用于本发明的一 些实施方式的参数，但一种或多种该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。
[0190] 在一种用来说明允许低赌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W下方法可能是建设性的：相干光束可W被认为具有接近零的赌，因而接近 无穷大的温度。该允许C02激光束被聚焦W产生最大光子通量，其加热Si02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H能级纲图或四能级纲图（t虹eeorfourenergylevelsscheme)的常规激光发 射介质中红移抽运光子，在3500K的黑体可W用作用于在1微米的激光发射的抽运源。在 该样的描述中，在可见光生成抽运光子的效率类似于通过福射过程的其它加热如太阳热， 其可W接近1。
[0191] 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，该是因为大多数的黑体抽运光子能量一定超过在ly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Si02时，远高于本体304 的1600K的烙点，甚至远高于本体304的2400K的蒸发点。
[0192] 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 Si02和镜之间的发射率的巨大差异。Si02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，按照热福射的基尔霍夫定律化irchhoffslaw)，其伴有在该范围的微不足 道的发射率。另一方面，镜具有在1微米下接近1的发射率，其连同空腔的可选的巧塞耳效 应（Purcelleffect) -起导致有效的镜发射。当比较没有空腔的镜发射和黑体发射（在 600K)时，可W检验该种解释。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 镜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w是由黑体 福射所预测的振幅的不止2倍的振幅发射。
[0193] 一种可能的假设是如下。通过本体304的振动模式，相干C02激发法激发单（或许 多的）声子。目P，在有效的高温下，W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Si02是透明的，因此，Si02中声子散射导致的多声子上转换的 可能性较弱。另一方面，镜具有在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中用作惨杂剂的Yb03分子处完成将离散的激发声子直接转换成光子。 将残余的非福射能量散射到许多声子。由于许多模式被激发，所W系统移向热力学平衡并 且温度可W被限定和设定于600K。换句话说，由于相比于Si02的镜的增强的发射率，镜激 发速率优于Si02加热（散射太多声子）。
[0194] 在本发明的示例性实施方式中，所做的是使用低赌的能量源W允许低能光子（在 长波长下）加热本体至该样的高温：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W在强发射器波长下从本体福射。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。
[0195] 用来说明有效能量转移到镜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禪合于福射激发W克服动量失配。在C〇2激发下 的Si化吸收截面非常高，从而导致在比波长更短的长度下的激发吸收。在该样的短距离， 可W消除在光子和激发声子之间的动量失配，该允许将表面声子禪合于自由空间福射。在 接近C〇2发射的光谱中，SiO2具有高密度的表面声子极化激元模式（S化巧，因此预计，大量 能量禪合于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，其通过巧塞耳效应增强镜发射。在空腔谐振模所在的表面上的能量的SPhP 守恒会增强转移到镜发射的总能量。根据该种解释，有可能不能对该种非平衡镜发射指定 (assign)温度，W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福射、RF、超声波接触加热和/或对流加热。
[0196] 应该注意的是，Dye-ZoneA.Chan[PhDthesisMrr2007]已经表明，由于表面模 式，介电材料如Si〇2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Si化中，该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W 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W提供大于100倍，如200倍、5000倍或更大倍。除非通过棱镜或光 栅来禪合到自由空间，否则该样的模式一般不是福射的。
[0197] 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Si02空腔支 持回音壁声子模式[Carmon,andV址ala,化ys.Rev.Lett. 98, 123901 (2007)]。可选地，空腔 增强SPhP振幅达它的Q因数。可选地，在镜和SPhP之间的直接禪合会在镜中经由非线性 过程激发它的1微米发射。在该种情况下，由于在镜处的上转换，可W忽略曲线112。可W 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（intermediatefactor)。
[019引示例性材料
[0199] 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，W具有W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W加热本体 304,从而大部分的黑体福射与形成为例如峰或形成为更宽发射窗口的低发射W及一个或 多个高发射区108。
[0200] 在上述实例中，惨杂有镜的Si02提供该种所期望的混合物。
[0201] 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。
[0202] 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。
[0203] 任选按照所期望的发射波长来选择区108。
[0204] 如可W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。
[0205] 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108W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W是适宜的。除了别的W外，它们还包括；YAG(纪铅石恼石）、YV04 (正饥酸纪）、KY(W04) 2 双鹤酸钟、NaGd(W04)2(四方晶系双鹤酸盐）、
[0206] 在本发明的示例性实施方式中，本体304惨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±、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）W及在更长波长的低发射率。通过添加少量的该些材料，就可W增强可见光发射率 和吸收，同时维持在透明窗口的透明性（W及由此的低发射率）。该样的添加可队例如，增 强太阳福射到热的转换W及因此到1微米发射的转换（例如，如下所述）。
[0207] 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，W及在接近波长距离也吸收的有机和量子点。
[020引用于吸收和/或发射的一些示例性惨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（NanoscapeVolume2,Issue 1，Spring2005);尺寸为几纳米的量子点如〔(156/2]15_核/壳_量子点（孤）在可见光下是 良好的吸收剂并在近红外下是透明的（AppliedPhysicsLetters89, 1911242006)。
[0209] 用于可见光和近红外发射的稀±包括化3+，Ce3+:LaP04,Eu:Y203,Nd3+，孔。
[0210] 其它不例性英光体列于化igeo化ionoya(1999)."VI:Phosphorsforcathode ray1:ubes".Phosphorhanclbook.BocaRaton,Fla.:CRCPress.ISBNO-8493-7560-6 和 Jankowiak,Patrick."化thodeRayI\ibePhosphors".Revision20100226. 1844。
[02川应当指出的是，如果峰108在黑体福射曲线112的方向上是平缓的，则将存在相对 较宽范围的发射频率，该可能对于一些应用不是最佳的。例如对于至ly波长的能量转换， 在1.2y的高发射率可能消耗大部分能量W进行1.2y发射。
[021引类似地，如果在区104和曲线112之间存在重叠，则可能在该样的更长地波长下发 射大量的能量。
[0213] 具体参照量子点，存在胶体法来产生许多不同的半导体。典型的量子点由娃二元 合金制成，例如砸化領、硫化領、神化钢、和磯化钢。它们的尺寸通常为2皿至20皿，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W通过尺寸来调谐上述量子点 W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/或用于禪合于发射 器的惨杂剂。
[0214] 此外，尺寸为2nm至lOOnm的金属（如金、银、铜）纳米颗粒在可见