DE60034846T2

DE60034846T2 - Laserstruktur mit chiraler verdrehung sowie filtergerät und verfahren

Info

Publication number: DE60034846T2
Application number: DE60034846T
Authority: DE
Inventors: Victor Il'ich Flushing KOPP; Azriel Zelig New York GENACK
Original assignee: Chiral Photonics Inc
Current assignee: Chiral Photonics Inc
Priority date: 1999-02-04
Filing date: 2000-02-04
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2020-02-05
Also published as: EP1070235B1; EP1070235A1; CA2327662A1; CA2327662C; DE60034846D1; EP1070235A4; JP2002536827A; WO2000046578A1; US6396859B1; ATE362612T1; AU2982400A

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft allgemein Laser, Detektoren und Filter, die auf chiralen Strukturen beruhen, und insbesondere Laser, Filter und Detektoren, die mehrere cholesterische Flüssigkristallelemente mit Defekten verwenden, die zu lokalisierten Photonenbandabstandszuständen führen, wobei die Defekte durch Verdrehung einer chiralen Struktur relativ zur anderen bewirkt werden.
Hintergrund der Erfindung
Halbleiterlaser haben in den letzten Jahren zahlreiche industrielle und kommerzielle Anwendungsmöglichkeiten gefunden. Beispielsweise werden Laser in der Telekommunikationstechnik, in Abtasteinrichtungen für optisch lesbare Medien, die in CD-Wiedergabegeräten, CD-ROM-Laufwerken und DVD-Wiedergabegeräten verwendet werden, bei medizinischer Bilderzeugung und in Videoanzeigen verwendet. Bisher bekannte Halbleiterlaser haben jedoch zahlreiche Nachteile. Beispielsweise emittieren traditionelle Halbleiterlaser, z. B. solche, die in CD-Wiedergabegeräten verwendet werden, Licht von der Kante eines Chips, so daß es notwendig ist, einen Wafer in Chips zu spalten und den Chip zu kapseln, bevor bekannt ist, ob der Laser einwandfrei funktioniert. Andere Typen von Laserquellen, z. B. LEDs, haben nicht die Leistungsfähigkeit, die für bestimmte Anwendungen notwendig ist.
Senkrecht zur Resonatoroberfläche emittierende Laser (nachstehend als "VCSELs" bezeichnet) sind bisher entwickelt worden, um dem Bedarf an einem höher entwickelten, qualitativ besseren Laser, der in vielen verschiedenen Anwendungen gut funktionieren kann, zu entsprechen. VCSELs kombinieren die Vorteile der Leistungsfähigkeit von LEDs und von kantenemittierenden Lasern bei Kosten, die LSD-Lösungen vergleichbar sind. VCSELs emittieren Licht vertikal von der Waferoberfläche, wie LEDs, was besagt, daß ihre Herstellung und Testung vollständig mit dem standardmäßigen IC-Verfahren und Ausrüstungen kompatibel sind, und was außerdem bedeutet, daß VCSEL-Arrays möglich sind. Zusätzlich sind VCSELs viel schneller, effizienter und erzeugen einen divergenzärmeren Strahl als LEDs.
Die VCSEL-Struktur führt zu einer Menge von Leistungsvorteilen gegenüber herkömmlichen Halbleiterlasern:

1) geringe Größe,
2) geringe Leistungsaufnahme,
3) Möglichkeiten zweidimensionaler Arrays.

Im Gegensatz zu herkömmlichen kantenemittierenden Halbleiterlasern hat der oberflächenemittierende VCSEL ein radialsymmetrisches Gaußsches Nahfeld, was die Kopplung mit optischen Elementen oder Fasern stark vereinfacht. Außerdem ermöglicht die VCSEL-Technologie die Herstellung von zweidimensionalen Laser-Arrays.
VCSELs sind jedoch mit einer Anzahl von Nachteilen behaftet. Die Herstellung von VCSELs erfordert eine hochentwickelte und teure Mikrostrukturherstellung. Da die Durchgangsverstärkung in Dünnschicht-Halbleiterlasern gering ist, enthalten VCSELs hochreflektierende dielektrische Stapel, die in den Laser als Bragg-Reflektoren integriert sind. Diese bestehen aus alternierenden Schichten von dielektrischem Material, das unter Verwendung von Molekularstrahlepitaxy-(MBE-)Verfahren gezogen ist. Dies stellt eine große Übereinstimmung der Atomgitterstrukturen benachbarter Schichten sicher. Schichten von Materialien mit alternierender atomarer Ordnung mit verschiedenen elektronischen Kennwerten werden dadurch erzeugt. Die Grenzflächen zwischen den Schichten müssen digital abgestuft und dotiert sein, um den elektrischen Widerstand zu reduzieren.
Sehr viel Arbeit ist bisher geleistet worden, um die Leistungsfähigkeit von VCSELs zu verbessern, indem die Anzahl der Schichten und/oder die Dielektrizitätsdifferenz zwischen alternierenden Schichten erhöht wurde. Dieser Ansatz macht jedoch die Herstellung teurer und schwieriger. Es gibt auch eine Grenze bezüglich der Anzahl von Schichten, die durch die Absorption in diesen Schichten bestimmt wird. Obwohl VCSELs in zweidimensionalen Arrays hergestellt werden können, hat es bisher große Schwierigkeiten bei der Erreichung einer gleichförmigen Struktur über große Flächen und bei der Herstellung großflächiger Arrays gegeben. Die Materialien, die normalerweise für VCSELs verwendet werden, haben nicht die gewünschte niedrige Absorption und den hohen Brechungsindexkontrast über einen breiten Frequenzbereich. Insbesondere ist es schwierig, einen hohen Reflexionsgrad im Kommunikationsband um 1,5 μm zu erreichen.
Außerdem können VCSELs nicht frequenzabgestimmt werden, da ihre Perioden nicht geändert werden können. Die Dichte der Photonenmodi wird bei Verwendung eines brechungsindexkontrastarmen mehrschichtigen Bragg-Refektors nicht erheblich verändert, und die Leistung kann in einem VCSEL-System im Vergleich zu der in einem normalen Laserresonator nicht verbessert werden. Außerdem muß eine externe Vorrichtung verwendet werden, um die Polarisation des Lichts zu steuern.
Andere Vorrichtungen, die in den Hochtechnologie-Industriezweigen verbreitet sind, sind u. a. elektromagnetische (nachstehend bezeichnet als "EM"-)Filter zum Sperren ausgewählter Lichtfrequenzen oder zum Sperren aller Frequenzen mit Ausnahme einer sehr kleinen Gruppe von Frequenzen in einem engen Bereich. Solche Filter sind besonders nützlich in Telekommunikationsanwendungen, z. B. in digitalen Vermittlungseinrichtungen. Andere weit verbreitete EM-Vorrichtungen sind u. a. schmalbandige EM-Detektoren zum Detektieren von Licht mit ausgewählten Wellenlängen.
In den letzten Jahren sind chirale Materialien, z. B. cholesterische Flüssigkristalle, in vielen verschiedenen Laser-, Filter- und anderen Anwendungen verwendet worden, um den verbreiteten Nachteilen von standardmäßigen Halbleitervorrichtungen, z. B. VCSELs, zu begegnen. Beispielsweise offenbart eine gleichzeitig anhängige, auf denselben Anmelder übertragene US-B-6 404 789 mit dem Titel "Chiral Laser Apparatus and Method" von Knopp et al. einen Laser mit einer mehrschichtigen chiralen Struktur mit einem Defekt, der durch eine lichtemittierende Materialschicht ausgebildet ist. Obwohl dieser Ansatz für die bisher bekannten Techniken vorteilhaft ist, kann es schwierig sein, eine mehrschichtige Struktur mit einer genauen lichtemittierenden Materialdicke aufzubauen, die erforderlich ist, um einen Defekt zu erzeugen (die erforderliche Dicke muß einer Wellenlänge des Lichts in dem Medium, geteilt durch 4, entsprechen). Was wichtiger ist, die Position des lokalisierten Zustands, der durch den Defekt verursacht wird, kann nicht ohne weiteres gesteuert werden, da die Dicke des lichtemittierenden Materials nicht mehr geändert werden kann, nachdem die Vorrichtung hergestellt worden ist. Entsprechend funktionieren bisher bekannte chirale Filter nur bei vordefinierten Frequenzen.
Es wäre also erwünscht, ein Gerät und ein Verfahren zur Herbeiführung eines variablen Defekts in einer chiralen Struktur bereitzustellen. Es wäre auch erwünscht, ein abstimmbares chirales EM-Filter und -Verfahren bereitzustellen. Es wäre auch erwünscht, einen chiralen EM-Detektor und -Verfahren mit einem abstimmbaren Detektionsband bereitzustellen. Es wäre ferner erwünscht, ein abstimmbares chirales Lasergerät und -verfahren bereitzustellen, das vorteilhafte Eigenschaften hat, die ähnlich den VCSELs sind, aber noch besser, und die keinen der Nachteile der VCSELs haben.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung betrifft die Verwendung chiraler Strukturen mit einem in diesen definierten Defekt. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Defekt, der einen lokalisierten Zustand bewirkt, in einer chiralen Struktur, die aus mehreren chiralen Elementen besteht, herbeigeführt werden, indem ein Element der chiralen Struktur in bezug auf andere Elemente entlang einer gemeinsamen Längsachse verdreht wird, so daß Direktoren der Molekülsschichten der Elemente, die in Kontakt miteinander sind, in einem bestimmten "Verdrehungswinkel" zwischen ihnen angeordnet sind, wobei der Verdrehungswinkel grö ßer ist als der Verschiebungswinkel zwischen Direktoren aufeinanderfolgender Schichten.
Die chirale Verdrehungsstruktur kann vorteilhafterweise in vielen verschiedenen Anwendungen genutzt werden. In einer Ausführung der Erfindung kann die chirale Verdrehungsstruktur als EM-Filter verwendet werden, um von einer externen Lichtquelle emittiertes Licht mit bestimmten Wellenlängen und zirkularen Polarisationen zu filtern. Unter Zusatz einer Abstimmvorrichtung kann der Verdrehungswinkel der chiralen Verdrehungsstruktur geändert werden, was zur Änderung der Betriebswellenlänge und der Wellenlängenbereiche des Filters führt – wodurch im wesentlichen ein leicht abstimmbares EM-Filter entsteht.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die chirale Verdrehungsstruktur als EM-Detektor zur Detektion bestimmter Wellenlängen des Lichts verwendet werden, das von einer externen Lichtquelle emittiert wird. Der EM-Detektor ist wie das EM-Filter konfiguriert, außer daß ein Sensorelement an der Stelle der Verdrehung positioniert und mit einer externen Detektorverbindung verbunden ist. Unter Zusatz einer Abstimmvorrichtung kann der Verdrehungswinkel der chiralen Verdrehungsstruktur verändert werden, was zu einer Änderung der Betriebswellenlänge des Filters und des Detektors führt – wodurch im wesentlichen ein leicht abstimmbares Filter oder ein Detektor entsteht.
In noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die chirale Struktur als Laser konfiguriert und weist eine verstärkungserzeugende lichtemittierende Materialschicht auf, die mit einer Anregungsquelle verbunden ist, die die lichtemittierende Schicht anregt, Laserstrahlung in einer vordefinierten Wellenlänge zu erzeugen. Unter Zusatz der Abstimmvorrichtung kann der Verdrehungswinkel der chiralen Verdrehungsstruktur geändert werden, was zur Veränderung der Betriebswellenlänge und der Wellenlängenbereiche des Detektors führt – wodurch im wesentlichen ein leicht abstimmbarer chiraler Laser entsteht. In einer Variante der chiralen Laserausführungsform können die chiralen Elemente, anstatt einer getrennten licht emittierenden Materialschicht, mit anregbaren lichtemittierenden Materialien dotiert sein.
Erfindungsgemäß können mehr als zwei chirale Elemente verwendet werden, um ein Filter, einen Detektor oder einen Laser mit der Fähigkeit für gleichzeitigen Betrieb mit mehr als einer abstimmbaren Wellenlänge oder einem Wellenlängenbereich zu konfigurieren. Die chirale Verdrehungsstruktur kann auch in einer Postkonfiguration mit Transversaldimensionen angeordnet sein, die kleiner sind als ihre Höhe.
Weitere Aufgaben und Merkmale der Erfindung gehen aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen hervor. Es versteht sich jedoch, daß die Zeichnungen lediglich Darstellungszwecken und nicht einer Definition der Grenzen der Erfindung dienen, weswegen auf die beigefügten Ansprüche verwiesen wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten gleiche Elemente:
1A ist eine schematische Darstellung, die eine Molekülschichtorientierung zweier benachbarter Elemente einer bekannten chiralen Struktur zeigt, wobei die chiralen Elemente eine kontinuierliche Orientierung von einem Element zum anderen haben;
1B ist eine schematische Darstellung, die die Molekülschichtorientierung zweier benachbarter Elemente einer erfindungsgemäßen chiralen Struktur zeigt, wobei die chiralen Elemente zueinander verdreht sind;
2A ist eine schematische Darstellung einer Postkonfiguration einer erfindungsgemäßen chiralen Struktur mit zwei verdrehten Elementen;
2B ist eine Darstellung, die einen Verdrehungswinkel zwischen den Direktoren der chiralen Elemente gemäß 2A zeigt;
3 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines ersten chiralen Verdrehungsfilters, die zwei chirale Elemente verwendet;
4 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines chiralen Verdrehungsdetektors;
5 ist eine schematische Darstellung einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform eines chiralen Verdrehungslasers;
6 ist eine schematische Darstellung einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform eines chiralen Verdrehungslasers;
7 ist eine schematische Darstellung einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform eines chiralen Verdrehungsfilters, die mehr als zwei chirale Elemente verwendet;
8 ist eine schematische Darstellung einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform eines chiralen Verdrehungslasers, die mehr als zwei chirale Elemente verwendet;
9 ist ein Diagramm des Transmissionsgrads von einfallendem Licht als Funktion der Wellenlänge in Verbindung mit einer ersten bestimmten experimentellen Implementierung der erfindungsgemäßen Ausführungsformen gemäß 2B bis 6; und
10 ist ein Diagramm des Transmissionsgrads von einfallendem Licht als Funktion der Wellenlänge in Verbindung mit einer zweiten bestimmten experimentellen Implementierung der erfindungsgemäßen Ausführungsformen gemäß 2B bis 6.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die Erfindung wird mit Bezug auf cholesterische Flüssigkristallmaterialien lediglich anhand von Beispielen beschrieben – es versteht sich, daß das erfindungsgemäße Gerät und Verfahren mit jeglichem chiralen Material mit Eigenschaften verwendet werden kann, die cholesterischen Flüssigkristallen gleichen, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, wie in den beigefügten Ansprüchen definiert. Ferner werden viele verschiedene aktive oder lichtemittierende Materialien in Verbindung mit der Erfindung beschrieben. Es versteht sich, daß, wenn nichts anderes angegeben ist, jegliches elektrisch oder optisch anregbare Material, das Photonen emittiert, je nach Wahl der Ausführung verwendet werden kann, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
Vor einer ausführlicheren Beschreibung der Erfindung wäre es hilfreich, Definitionen bekannter Begriffe darzulegen, die auf dem Gebiet der dielektrischen Laser- und Filtertechnik verwendet werden. "Chirale" Materialien sind auf einer Molekülebene nicht symmetrisch – d. h. Moleküle chiraler Materialien sind nicht mit ihren Spiegelbildern identisch. Cholesterische Materialien, z. B. cholesterische Flüssigkristalle (nachstehend als "CLCs" bezeichnet) haben mehrere Molekülschichten, wobei Moleküle in den verschiedenen Schichten im Mittel in einem sehr kleinen Winkel relativ zu den Molekülen in anderen Schichten orientiert sind. Moleküle in aufeinanderfolgenden Schichten sind relativ zu denen in der vorhergehenden Schicht geringfügig gedreht. Somit dreht sich die mittlere Richtung der Moleküle, die als "Direktor" bezeichnet wird, spiralförmig durch das gesamte cholesterische Material. Zum Zwecke der Beschreibung der Erfindung wird der Winkel zwischen Direktoren von aufeinanderfolgenden Schichten als "Verschiebungswinkel" bezeichnet. Eine Steigungshöhe eines cholesterischen Materials ist definiert als Dicke des Materials, in dem der Direktor sich um volle 360° dreht. Cholesterische Strukturen haben auch eine Eigenschaft, die als "Händigkeit" bezeichnet wird – sie können rechtshändig oder linkshändig sein, in Abhängigkeit von der Drehrichtung der Moleküle von Schicht zu Schicht. Die Händigkeit der cholesterischen Struktur bestimmt die zirkulare Polarisation und Amplitude des Lichts, das durch die Struktur tritt.
CLCs haben ein bestimmtes Reflexionsband (nachstehend als "Photonensperrband" bezeichnet), das ein Ergebnis ihrer periodischen Struktur ist – ein Bereich von Wellenlängen, bei dem es infolge von Reflexion keine Lichttransmission durch die Struktur gibt. An der Kante des Photonensperrbandabstands besteht eine Serie von schmalen Photonenzuständen (oder Modi), an deren Spitze die Lichttransmission eins erreicht. Die Spektralbreite dieser Zustände ist proportional dem Kehrwert der Verweilzeit für die Photonen innerhalb des CLC-Mediums. Die lange Verweilzeit von Photonen in spektral schmalen Zuständen fördert die Laserstrahlung mit der Frequenz dieser Modi in aktivierten Materialien, da emittierte Photonen eine bessere Gelegenheit erhalten, Emission zu stimulieren, bevor sie aus dem CLC-Medium auftauchen. Da die Photonenlebensdauer bei dem Zustand, der dem Photonensperrbandrand am nächsten ist, am längsten ist und mit der Zustandszahl von der Kante schnell abfällt, tritt Laserstrahlung mit der Wellenlänge entsprechend dem ersten Zustand oder entsprechend einigen wenigen Zuständen auf, die der Photonensperrbandkante am nächsten sind. Dies ist eine Lehre aus der auf denselben Anmelder übertragene US-A-2002/0003827 "Stop Band Laser apparatus and method" von A.Z. Genack et al., veröffentlicht am 10. Januar 2002, die offenbart, daß eine im allgemeinen homogene CLC-Struktur-Laserstrahlung aufgrund der höheren Dichte von Photonenzuständen und der entsprechend längeren Verweilzeit in diesen vorteilhaft an den Kanten des Photonensperrbands auftritt.
Wenn ein Defekt, z. B. ein Abstand oder eine zusätzliche Schicht einer Fremdsubstanz in eine CLC-Struktur eingeführt wird, dann kann ein zusätzlicher lokalisierter Photonenzustand oder eine Anzahl von Photonenzuständen in das Photonensperrband eingeführt werden. Laserstrahlung mit maximaler Effizienz tritt bei der Frequenz des lokalisierten Zustands auf. Ein Beispiel eines solchen lokalisierten Zustands im Zentrum des Photonensperrbands ist in einem Diagramm in 9 gezeigt.
Erfindungsgemäß kann ein Defekt, der einen lokalisierten Zustand bewirkt, in eine chirale Struktur, die aus mehreren chirale Elementen besteht, eingeführt werden, indem ein Element der chiralen Struktur in bezug auf die anderen Elemente entlang einer gemeinsamen Längsachse verdreht wird, so daß die Direktoren der Molekülschichten der Elemente, die in Kontakt miteinander sind, in einem bestimmten "Verdrehungswinkel" zwischen sich angeordnet sind, wobei der Verdrehungswinkel größer ist als der Verschiebungswinkel.
Wenn wir zunächst 1A betrachten, so weist eine bekannte chirale Struktur 10 darstellungsgemäß zwei chirale Elemente 20 und 22 auf. Mehrere Molekülschichten sind in jedem Element 20, 22 dargestellt, wobei Direktoren jeder Schicht in einem vorbestimmten Verschiebungswinkel von Schicht zu Schicht verschoben sind. Um einen lokalisierten Zustand im Photonensperrband der Struktur 10 zu erzeugen (wie in 9 dargestellt), müßte ein Defekt, z. B. ein Abstand oder eine Fremdsubstanz, in den Bereich 24 eingeführt werden. Dadurch ist eine solche Struktur etwas schwierig herzustellen, und der Charakter des Defekts kann nicht geändert werden – somit kann der lokalisierte Zustand, der durch einen typischen Defekt eingeführt wird, nicht mehr geändert werden, wenn die Struktur 10 ausgebildet ist.
Mit Bezug auf 1B ist eine erfindungsgemäße chirale Struktur 12 dargestellt. Um einen Defekt in der Struktur 12 zu erzeugen und somit den gewünschten lokalisierten Zustand im Photonensperrband einzuführen, wird das chirale Element 22 in einem Winkel von 90° in bezug auf das chirale Element 20 an einer Position 26 verdreht. Die chiralen Elemente 20, 22 sind darstellungsgemäß voneinander beabstandet, um die Änderung der Molekülorientierung vom chiralen Element 20 zum Element 22 darzustellen. In Wirklichkeit sind die chiralen Elemente 20 und 22 in Kontakt miteinander.
Wenn wir nunmehr 2A betrachten, so ist eine chirale Struktur 14 darstellungsgemäß in einer Postkonfiguration, wobei die Transversaldimensionen der Struktur 14 kleiner sind als ihre Höhe. Eine chirale Struktur 14 weist das chirale Element 20 mit einem Direktor A an seiner Kontaktfläche und das chirale Element 22 mit einem Direktor B an seiner Kontaktfläche auf. Mit Bezug auf 2B ist ein Verdrehungswinkel T vorzugsweise zwischen den Direktoren A und B in 2A definiert. Somit ist der Verdrehungswinkel T der Winkel zwischen den Direktoren der Kontaktflächen von zwei oder mehr chiralen Elementen. Da ein Verschiebungswinkel (nicht dargestellt) bereits zwischen den Direktoren jeder Molekülschicht in jedem chiralen Element 20, 22 besteht, ist der Verdrehungswinkel T tatsächlich gleich dem gewünschten Winkel zwischen den Direktoren A und B plus dem Verschiebungswinkel. Wenn beispielsweise der Verschiebungswinkel 2° und der gewünschte Winkel zwischen den Direktoren A und B 90° ist, dann ist T gleich 88°. Der Einfachheit halber wird jedoch der Verdrehungswinkel T als repräsentativ für den gewünschten Winkel zwischen den Direktoren bezeichnet – wenn man annimmt, daß der Verschiebungswinkel zum Winkel T addiert ist. Um den durch Verdrehung herbeigeführten lokalisierten Zustand im Photonensperrband zu zentralisieren, wird der Winkel T vorzugsweise auf etwa 90° gesetzt. Wenn T auf einen kleineren Wert als 90° gesetzt wird, verschiebt sich der lokalisierte Zustand proportional in Richtung abnehmender Wellenlängen, und wenn T auf einen Winkel höher als 90° gesetzt wird, dann verschiebt sich der lokalisierte Zustand proportional in Richtung zunehmender Wellenlängen. Die chiralen Strukturen 12, 14 in 1B und 2A sind in vielen verschiedenen Anwendungen nützlich, z. B. in Filtern, Lasern und Detektoren. Verschiedene Ausführungsformen solcher Anwendungen sind in 3 bis 8 dargestellt.
Man beachte, daß zwar ein Defekt, der lediglich durch eine chirale Verdrehung erzeugt wird, von sich aus sehr effektiv ist, aber in bestimmten chiralen Strukturen dennoch ein physikalischer Defekt bestehen kann – beispielsweise in einem lichtemittierenden Material zwischen zwei chiralen Elementen in einem chiralen Laser. In diesem Fall kann die chirale Verdrehung vorteilhaft zusammen mit einem physikalischen Defekt, z. B. einem Abstand, verwendet werden. Die optimale Dicke des physikalischen Defekts zur Erzeugung eines lokalisierten Zustands in der Mitte eines Bandabstands ohne eine Verdrehung ist die Wellenlänge des Lichts im chiralen Medium, geteilt durch 4 – dies entspricht einem T von 90°. Um den lokalisierten Zustand im Photonensperrband zu zentralisieren (und somit die Effizienz zu maximieren), kann der Verdrehungswinkel T so reguliert werden, daß er den physischen Defekt ergänzt. Wenn beispielsweise der physische Defekt eine Dicke einer Wellenlänge geteilt durch 8 hat, dann muß T auf 45° gesetzt werden, um den lokalisierten Zustand in seiner vorteilhaftesten zentralen Position im Photonensperrabstand zu halten.
Wenn wir nunmehr 3 betrachten, so ist dort ein EM-Filter 30 dargestellt. Das Filter 30 filtert Licht, das von einer polarisierten Lichtquelle 32 emittiert wird. Die polarisierte Lichtquelle 32 kann ein Laser oder eine andere gerichtete elektromagnetische Strahlungsquelle sein, die mit einem Polarisator gekoppelt ist. Das Filter 30 weist zwei chirale Elemente 34 und 36 auf, die beispielsweise cholesterische Flüssigkristalle (CLCs) sein können, die entlang ihrer Längsachse zueinander verdreht sind, so daß die Direktoren der Kontaktflächen jedes chiralen Elements 34, 36 an einem Kontaktpunkt 37 in einem Verdrehungswinkel T zueinander stehen (siehe 2A und 2B).
Eine Länge L jedes chiralen Elements 34, 36 ist von äußerster Wichtigkeit bei der Definition der Kennwerte des Filters 30. Die Funktionalität des Filters 30 hängt auch von der Polarisationsrichtung des Lichts, das in das Filter 30 von der Lichtquelle 32 eintritt, und von der Händigkeit der chiralen Elemente 34, 36 sowie vom Doppelbrechungswert der Elemente ab.
Wenn in einer ersten Ausführungsform des Filters 30 die Lichtquelle 32 rechtszirkular polarisiertes ("RCP"-)Licht zum Filter 30 emittiert und die chiralen Elemente 34, 36 rechtshändige Strukturen sind, dann reflektiert das Filter 30 einen Bereich von Wellenlängen des Lichts, der hindurchtritt, mit Ausnahme eines sehr schmalen Bereichs von Wellenlängen im lokalisierten Zustand, der durch den Defekt bewirkt wird, der durch die Verdrehung entsteht – wenn man annimmt, daß L kleiner ist als ein vorbestimmter Schwellwert X. Der Schwellwert X hängt vom Doppelbrechungskennwert der chiralen Elemente 34, 36 ab. Wenn beispielsweise die Doppelbrechung 0,06 beträgt, dann beträgt X annähernd 11 bis 13 μm. Wenn also RCP-Licht in das Filter 30 eintritt und L kleiner als X ist, reflektiert das Filter 30 alle Wellenlängen innerhalb des Photonensperrbands, außer in der Wellenlänge des lokalisierten Zustands 8_L, (siehe 9).
Wenn in einer zweiten Ausführungsform des Filters 30 die Lichtquelle 32 linkszirkular polarisiertes ("LCP"-)Licht zum Filter 30 emittiert und die chiralen Elemente 34, 36 rechtshändige Strukturen sind, dann läßt das Filter 30 alle Frequenzen des Lichts durch, die durch die chiralen Elemente 34, 36 hindurchtreten, mit Ausnahme eines sehr schmalen Bereichs von Frequenzen im lokalisierten Zustand, der durch den Defekt bewirkt wird, der durch die Verdrehung entsteht, und der reflektiert wird – wenn man annimmt, daß L größer ist als der Schwellwert X. Wenn also LCP-Licht in das Filter 30 eintritt lind L größer als X ist, dann läßt das Filter 30 alle Wellenlängen mit Ausnahme eines schmalen Bereichs von Wellenlängen in der Wellenlänge des lokalisierten Zustands 8_B durch (siehe 10).
Die chiralen Elemente 34, 36 können mit einem vorbestimmten Verdrehungswinkel T hergestellt werden, wobei dann das Filter 30 für bestimmte definierte Wellenlängen des Lichts sowohl in der ersten als auch in der zweiten Ausführungsform funktionieren würde. Als Alternative kann das Filter 30 eine optionale Abstimmvorrichtung 38 aufweisen, die mit einem der chiralen Elemente 34 oder 36 verbunden ist, zum Verdrehen des damit verbundenen chiralen Elements, das zu dem anderen chiralen Element verdreht ist, und somit zum Ändern des Verdrehungswinkels T. Die Abstimmvorrichtung 38 kann eine mechanisch oder elektronisch betätigte Vorrichtung sein, die für eine genaue Drehung eines chiralen Elements in bezug auf das andere chirale Element angepaßt ist. Wenn bewirkt wird, daß die Abstimmvorrichtung 38 den Verdrehungswinkel T ändert, kann das Filter 30 abgestimmt werden, um die Betriebswellenlängen 8_L, (der ersten Ausführungsform des Filters 30) und 8_B der zweiten Ausführungsform des Filters 30 zu verschieben. Wenn T verringert wird, werden beide Wellenlängen 8_L und 8_B ebenso proportional verringert und umgekehrt. Für ein optimales Verhalten des Filters 30 wird T vorzugsweise auf 90° gesetzt. Man beachte auch, daß, wenn die chiralen Elemente 34, 36 linkshändige Strukturen sind, die Funktionalität der ersten und zweiten Ausführungsform des Filters 30 dann umgekehrt ist in bezug auf die Richtung des polarisierten Lichts, das in das Filter 30 eintritt – die erste Ausführungsform funktioniert mit LCP-Licht, während die zweite Ausführungsform mit RCP-Licht funktioniert.
Wenn wir nunmehr 4 betrachten, so ist dort ein EM-Detektor 40 gezeigt. Der Detektor 40 detektiert bestimmte Wellenlängen von polarisiertem Licht, die von einer Lichtquelle 42 emittiert werden. Die Lichtquelle 42 kann ein Laser oder eine andere gerichtete elektromagnetische Strahlungsquelle sein. Der Detektor 40 weist zwei chirale Elemente 44 und 46 auf, die beispielsweise cholesterische Flüssigkristalle (CLCs) sein können, die entlang ihrer Längsachse zueinander verdreht sind, so daß die Direktoren der Kontaktflächen jedes chiralen Elements 44, 46 an einem Kontaktpunkt 47 in einem Verdrehungswinkel T zueinander liegen (siehe 2A und 2B). Der Detektor 40 weist auch ein Erfassungselement 48 auf, das am Kontaktpunkt 47 positioniert ist, das der Position eines lokalisierten Zustands entspricht. Das Erfassungselement 48, das eine dünne Halbleiterschicht sein kann, wandelt absorbierte Photonen in elektrische Energie um. Durch Positionierung des Erfassungselements 48 an der Stelle, wo der lokalisierte Zustand besteht, wird die Empfindlichkeit des Detektors 40 maximiert. Das Erfassungselement 48 ist mit dem Detektor 52 verbunden, zur Verarbeitung der erfaßten elektrischen Energie und somit zur Erfassung von Licht mit verschiedenen Wellenlängen. Beispielsweise kann der Detektor 52 ein Strom- oder Spannungsmesser sein.
Wie bei dem Filter 30 ist eine Länge L jedes chiralen Elements 44, 46 von äußerster Wichtigkeit bei der Definition der Kennwerte des Detektors 40. Die Funktionalität des Detektors 40 hängt auch von der Polarisationsrichtung des Lichts, das von der Lichtquelle 42 in den Detektor 40 eintritt, und von der Händigkeit der chiralen Elemente 44, 46 sowie vom Doppelbrechungswert der Elemente ab.
Wenn in einer ersten Ausführungsform des Detektors 40, die dafür konfiguriert ist, RCP-Licht mit ausgewählten Wellenlängen zu detektieren, die Lichtquelle 42 RCP-Licht zum Detektor 40 emittiert und die chiralen Elemente 44, 46 rechtshändige Strukturen sind, ignoriert der Detektor 40 einen Bereich von Wellenlängen des Lichts, der hindurchtritt, mit Ausnahme eines sehr schmalen Bereichs von Wellenlängen im lokalisierten Zustand, der durch den Defekt bewirkt wird, der durch die Verdrehung (und/oder die Dicke des Erfassungselements 48) entsteht, und der vom Detektor 40 erfaßt wird – wenn man annimmt, daß L kleiner als ein vorbestimmter Schwellwert X ist. Der Schwellwert X hängt vom Doppelbrechungskennwert der chiralen Elemente 44, 46 ab. Wenn beispielsweise die Doppelbrechung 0,06 beträgt, dann ist X annähernd 11 bis 13 μm. Wenn also RCP-Licht in den Detektor 40 eintritt und L kleiner als X ist, ignoriert der Detektor 40 alle Wellenlängen innerhalb des Photonensperrbands mit Ausnahme der Wellenlänge des lokalisierten Zustands 8_L (siehe 9).
Wenn in einer zweiten Ausführungsform des Detektors 30 die Lichtquelle 42 linkszirkular polarisiertes ("LCP"-)Licht zum Detektor 40 emittiert und die chiralen Elemente 44, 46 rechtshändige Strukturen sind, detektiert der Detektor 40 alle Frequenzen des Lichts, die durch die chiralen Elemente 44, 46 hindurchtreten, mit Ausnahme eines sehr schmalen Bereichs von Frequenzen im lokalisierten Zustand, der durch den Defekt bewirkt wird, der durch die Verdrehung entsteht, und der ignoriert wird – wenn man annimmt, daß L größer ist als der Schwellwert X. Wenn also LCP-Licht in den Detektor 40 eintritt und L größer als X ist, ignoriert der Detektor 40 alle Wellenlängen mit Ausnahme eines schmalen Bereichs von Wellenlängen in der Wellenlänge des lokalisierten Zustands 8_B (siehe 10).
Die chiralen Elemente 44, 46 können mit einem vordefinierten Verdrehungswinkel T hergestellt werden, wobei dann der Detektor 40 bei bestimmten definierten Wellenlängen des Lichts sowohl in der ersten als auch in der zweiten Ausführungsform funktionieren würde. Als Alternative kann der Detektor 40 eine optionale Abstimmvorrichtung 50 aufweisen, die mit einem der chiralen Elemente 44 oder 46 verbunden ist, zum Verdrehen des damit verbundenen chiralen Elements in bezug auf das andere chirale Element und somit zum Ändern des Verdrehungswinkels T. Die Abstimmvorrichtung 50 kann eine mechanisch oder elektronisch betätigte Vorrichtung sein, die für eine genaue Drehung eines chirale Elements in bezug auf das andere chirale Element angepaßt ist. Wenn bewirkt wird, daß die Abstimmvorrichtung 50 den Verdrehungswinkel T ändert, kann der Detektor 40 abgestimmt werden, um die Betriebswellenlängen 8_L (der ersten Ausführungsform des Detektors 40) und 8_B der zweiten Ausführungsform des Detektors 40 zu verschieben. Wenn T verringert wird, werden sowohl Wellenlängen 8_L als auch 8_B ebenso proportional verringert und umgekehrt. Um ein optimales Verhalten des Detektors 40 zu erreichen, wird T vorzugsweise auf 90° gesetzt.
Man beachte auch, daß, wenn die chiralen Elemente 44, 46 linkshändige Strukturen sind, die Funktionalität der ersten und zweiten Ausführungsform des Detektors 40 dann umgekehrt ist in bezug auf die Richtung des polarisierten Lichts, das in den Detektor 40 eintritt – die erste Ausführungsform funktioniert mit LCP-Licht, während die zweite Ausführungsform mit RCP-Licht funktioniert.
Der chirale Detektor 40 ist besonders vorteilhaft, da durch eine Positionierung eines allgemein bekannten Erfassungselements 48 mit einer Absorption von 0,2% an der Stelle der Verdrehung, die Empfindlichkeit beinahe um das 200-fache erhöht wird, da die Menge der absorbierten Energie aus dem einfallenden Licht im lokalisierten Defektzustand annähernd 40% beträgt.
Wenn wir nunmehr 5 betrachten, so ist eine erste Ausführungsform eines chiralen Verdrehungslasers 60 dargestellt. Der chirale Verdrehungslaser 60 weist zwei chirale Elemente 62 und 64 auf, die beispielsweise cholesterische Flüssigkristalle (CLCs) sein können, die entlang ihrer Längsachse zueinander verdreht sind, so daß die Direktoren der Kontaktflächen jedes chiralen Elements 62, 64 an einem Kontaktpunkt 67 in einem Verdrehungswinkel T zueinander liegen (siehe 2A und 2B). Der chirale Verdrehungslaser 60 weist auch eine aktive lichtemittierende Materialschicht 66 zur Erzeugung einer Verstärkung auf, z. B. eine lichtemittierende Diode (z. B. eine GaAs-Diode), die am Kontaktpunkt 67 positioniert ist. Das lichtemittierende Material 66 kann folgendes aufweisen, ohne darauf beschränkt zu sein: seltenerddotiertes Material, gelatgebundenes seltenerddotiertes Material, Halbleitermaterialien, organische lichtemittierende Materialien, konjugierte Polymere, farbstoffdotiertes Material, Materialien, die Farbzentren enthalten, Laserfarbstoffe oder ein beliebiges Medium, in dem Elektronenlochrekombination im aktiven Material auftritt. Eine EM-Quelle 70 regt lichtemittierendes Material 66 an, um Licht in einer vorbestimmten Wellenlänge zu emittieren. Die EM-Quelle 70 kann eine Elektronenpumpe zum Anlegen von Spannung an das lichtemittierende Material 66 sein, wenn das lichtemittierende Material 66 elektrisch anregbar ist, oder als Alter native kann die EM-Quelle 70 eine optische Pumpe zum Anlegen von Licht an das lichtemittierende Material 66 sein, wenn das lichtemittierende Material 66 optisch anregbar ist.
In beiden Fällen führt die Anregung des lichtemittierenden Materials 66 durch die EM-Quelle 70 zur Emission von elektromagnetischer Strahlung, die mittels stimulierter Emission polarisierte Laserstrahlung mit einer vordefinierten Laserwellenlänge bewirkt. Das lichtemittierende Material 66 hat eine Dicke D. Wenn, wie bereits ausgeführt, die Dicke D einen bestimmten Wert überschreitet, kann das lichtemittierende Material 66 selbst als physikalischer Defekt fungieren, was zu einem lokalisierten Zustand führt. In diesem Fall muß der Verdrehungswinkel T zwischen den chiralen Elementen 62, 64 reguliert werden, um den lokalisierten Zustand in seiner optimalen Position zu halten. Wenn also beispielsweise D gleich der Wellenlänge innerhalb des Mediums geteilt durch 8 ist, dann sollte T auf annähernd 45° gesetzt werden.
Eine Länge L jedes chiralen Elements 62, 64 ist von äußerster Wichtigkeit bei der Definition von Kennwerten des chiralen Verdrehungslasers 60. Die Funktionalität des chiralen Verdrehungslasers 60 hängt auch von der Händigkeit der chiralen Elemente 62, 64 sowie vom Doppelbrechungswert der Elemente 62, 64 ab.
Wenn in einer primären Ausführungsform des chiralen Verdrehungslasers 60, der dafür konfiguriert ist, RCP-Laserstrahlung mit einer ausgewählten Laserwellenlänge bereitzustellen, das lichtemittierende Material 66 durch die EM-Quelle 70 angeregt wird und die chiralen Elemente 62, 64 rechtshändige Strukturen sind, arbeitet der chirale Verdrehungslaser 60 in Abhängigkeit von der Größe L in verschiedenen Modi:

1) Wenn L kleiner als ein vorbestimmter Schwellwert X ist, emittiert der chirale Verdrehungslaser 60 RCP-Laserstrahlung;
2) wenn L annähernd gleich dem vorbestimmten Schwellwert X ist, emittiert der chirale Verdrehungslaser 60 senkrecht polarisierte Laserstrahlung; und
3) wenn L größer als der vorbestimmte Schwellwert X ist, emittiert der chirale Verdrehungslaser 60 LCP-Laserstrahlung.

Der Schwellwert X hängt vom Doppelbrechungskennwert der chiralen Elemente 62, 64 ab. Wenn beispielsweise die Doppelbrechung 0,06 beträgt, dann ist X annähernd 11 bis 13 μm. Somit würde der chirale Verdrehungslaser 60 bei verschiedenen Werten von L folgendermaßen funktionieren:

1) Wenn L kleiner als annähernd 10 μm ist, emittiert der chirale Verdrehungslaser 60 RCP-Laserstrahlung;
2) wenn L zwischen etwa 10 μm und etwa 12 μm ist, emittiert der chirale Verdrehungslaser 60 senkrecht polarisierte Laserstrahlung; und
3) wenn L größer als annähernd 12 μm ist, emittiert der chirale Verdrehungslaser 60 LCP-Laserstrahlung.

Die Länge L beeinflußt auch die Breite des lokalisierten Zustands, der durch den Verdrehungsdefekt bewirkt wird, und beeinflußt somit direkt den Laserstrahlungsschwellwert des chiralen Verdrehungslasers 60. Je höher L ist, um so schmaler ist die Breite des lokalisierten Zustands und um so niedriger ist der Laserstrahlungsschwellwert. Die Erhöhung von L führt zu einer Verminderung von Rückläufen, bis ein Sättigungspunkt an einem Sättigungswert Y von L erreicht ist. Wenn bei dem obigen Beispiel die Doppelbrechung der chiralen Elemente 62, 64 0,06 beträgt, beträgt der Sättigungswert Y annähernd 15 μm.
Die chiralen Elemente 62, 64 können mit einem vordefinierten Verdrehungswinkel T hergestellt werden, wobei dann der chirale Verdrehungslaser 60 mit einer bestimmten definierten Laserwellenlänge funktionieren würde. Als Alternative kann der chirale Verdrehungslaser 60 eine optionale Abstimmvorrichtung 68 aufweisen, die mit einem der chiralen Elemente 62 oder 64 verbunden ist, zum Verdrehen des damit verbundenen chiralen Elements in bezug auf das andere chirale Element, und somit zum Ändern des Verdrehungswinkels T. Die Abstimmvorrichtung 68 kann eine mechanisch oder elektronisch betätigte Vorrichtung sein, die für eine genaue Drehung eines chiralen Elements in bezug auf das andere chirale Element angepaßt ist. Wenn bewirkt wird, daß die Abstimmvorrichtung 68 den Verdrehungswin kel T ändert, kann der chirale Verdrehungslaser 60 abgestimmt werden, um die Laserwellenlänge 8_L zu verschieben, beispielsweise um verschiedenfarbiges Licht bereitzustellen. Wenn T verringert wird, wird die Laserwellenlänge 8_L ebenso proportional verringert und umgekehrt. Man beachte auch, daß, wenn die chiralen Elemente 62, 64 linkshändige Strukturen sind, dann die Richtung der emittierten Laserstrahlung umgekehrt ist – der chirale Verdrehungslaser 60 emittiert dann LCP-Licht mit einem L, das kleiner als X ist, und RCP-Licht bei einem L größer als X.
Wenn wir nunmehr 6 betrachten, so ist eine zweite Ausführungsform des chiralen Verdrehungslasers 80 dargestellt. Der chirale Verdrehungslaser 80 weist zwei chirale Elemente 82 und 84 auf, die beispielsweise cholesterische Flüssigkristalle (CLCs) sein können, die entlang ihrer Längsachse zueinander verdreht sind, so daß die Direktoren der Kontaktflächen jedes chiralen Elements 82, 84 an einem Kontaktpunkt 87 in einem Verdrehungswinkel T zueinander liegen (siehe 2A und 2B). Vorzugsweise sind die chiralen Elemente 82, 84 mit einem lichtemittierenden elektrisch oder optisch anregbaren Material dotiert, z. B. mit Materialien, die im lichtemittierenden Material 66 von 5 verwendet werden. Der chirale Verdrehungslaser 80 unterscheidet sich also vom chiralen Verdrehungslaser 60 darin, daß anstelle eines gesonderten verstärkungserzeugenden lichtemittierenden Materials 66 das verstärkungserzeugende Material überall in jedem chiralen Element 82, 84 verteilt ist. Der chirale Laser 80 arbeitet ansonsten wie der chirale Verdrehungslaser 60 in bezug auf die EM-Quelle 88, die Länge L und die Abstimmvorrichtung 86.
Bereits beschriebene Ausführungsformen der Erfindung von 3 bis 6 zeigen chirale Strukturen mit zwei chiralen Elementen, man beachte, daß mehr als zwei aufeinanderfolgende chirale Elemente in einer erfindungsgemäßen chiralen Verdrehungsstruktur je nach Wahl der Ausführung verwendet werden können.
Wenn wir nunmehr 7 betrachten, so ist eine chirale Verdrehungsstruktur 100 dargestellt, die als EM-Filter oder EM-Detektor verwendet werden kann. Die chirale Verdrehungs- Struktur 100 weist drei chirale Elemente 102, 104 und 106 auf, wobei jedes Element zu einem anderen radial verdreht ist, die Elemente 102 und 104 mit einem Verdrehungswinkel T₁ zwischen ihren Kontaktflächendirektoren A und B und die Elementen 104 und 104 mit einem Verdrehungswinkel T₂ zwischen ihren Kontaktflächendirektoren C und D. Die chirale Verdrehungsstruktur 100 arbeitet wie das chirale Verdrehungsfilter 30 oder der chirale Verdrehungsdetektor 40, außer daß zwei Defekte zwei lokalisierte Zustände in dem Photonensperrband hervorrufen, so daß das Filter 30 und der Detektor 40 gleichzeitig mit zwei verschiedenen Wellenlängen arbeiten, wobei jede Arbeitswellenlänge einem Defekt an der Verdrehung zwischen den chiralen Elementen 102 und 104 und den Elementen 104 bzw. 106 entspricht. Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft, wenn die Verdrehungswinkel T₁ und T₂ durch eine Abstimmvorrichtung 108 abstimmbar sind, da es möglich ist, ein Filter 30 oder einen Detektor 40 aufzubauen, der mit zwei verschiedenen abstimmbaren Wellenlängenbereichen arbeitet.
Wenn wir nunmehr 8 betrachten, so ist ein chiraler Verdrehungslaser 200 mit mehreren chiralen Elementen dargestellt. Der chirale Verdrehungslaser 200 weist drei chirale Elemente 202, 204 und 206 auf, wobei jedes Element mit Verdrehungswinkeln T₁ und T₂ radial zueinander verdreht ist, wie die chirale Verdrehungsstruktur 100 in 7. Lichtemittierende Materialien 208 und 210 befinden sich zwischen den Elementen 202 und 204 bzw. den Elementen 204 und 206. Die lichtemittierenden Materialien 208, 210. sind im wesentlichen mit den lichtemittierenden Materialien 66 in 5 identisch. Anregungsquellen 212 und 214 können selektiv aktiviert werden, um entsprechende jeweilige lichtemittierende Materialien 208 oder 210 anzuregen, um Laserstrahlung mit verschiedenen Wellenlängen zu erzeugen. Dies ist vorteilhaft, da durch Änderung jedes der Verdrehungswinkel T₁ und T₂ der chirale Verdrehungslaser 200 dafür konfiguriert werden kann, Laserstrahlung mit verschiedenen Wellenlängen gleichzeitig bereitzustellen.
Während also grundsätzliche neuartige Merkmale der Erfindung so dargestellt, beschrieben und erläutert worden sind, wie sie auf die bevorzugten Ausführungsformen angewendet wer den, versteht es sich, daß verschiedene Weglassungen und Ersetzungen und Änderungen in Form und Detail der dargestellten Vorrichtungen und Verfahren und ihres Betriebs durch den Fachmann möglich sind, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise ist ausdrücklich beabsichtigt, daß alle Kombinationen dieser Elemente und/oder Verfahrensschritte, die im wesentlichen die gleiche Funktion auf im wesentlichen die gleiche Weise ausführen, um die gleichen Ergebnisse zu erzielen, im Schutzbereich der Erfindung liegen. Die Erfindung ist daher lediglich so weit eingeschränkt, wie es der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche besagt.

Claims

Chirale Struktur (12, 14) mit: einem ersten chiralen Element (20, 102) mit einer ersten Vielzahl von Molekülschichten, wobei jede aus der ersten Vielzahl von Schichten einen eindeutigen ersten Direktor (A) hat, der im allgemeinen eine Orientierung von Molekülen in der Schicht darstellt, wobei jedes Paar der mehreren ersten Direktoren einen Verschiebungswinkel zwischen sich hat, und einer ersten Kontaktschicht mit einem ersten Kontaktdirektor; und einem zweiten chiralen Element (22, 104) mit einer zweiten Vielzahl von Molekülschichten, wobei jede aus der zweiten Vielzahl von Schichten einen eindeutigen zweiten Direktor (B) hat, der im allgemeinen eine Orientierung von Molekülen in der Schicht darstellt, wobei jedes Paar der mehreren zweiten Direktoren einen Verschiebungswinkel zwischen sich hat, und einer zweiten Kontaktschicht mit einem zweiten Kontaktdirektor, wobei das erste und zweite chirale Element sequentiell zueinander positioniert sind, so daß: a) die erste Kontaktschicht in wesentlichem Kontakt mit der zweiten Kontaktschicht ist, b) das erste und zweite chirale Element in bezug zueinander um eine gemeinsame Achse senkrecht zu den ersten und zweiten mehreren Molekülschichten in einem Verdrehungswinkel (T, T₁) verdreht sind, wobei die Verdrehung einen Defekt in der chiralen Struktur bewirkt, wobei der Defekt einen lokalisierten Photonenzustand in einem Photonensperrband der chiralen Struktur bei einer Wellenlänge proportional einer Größe des Verdrehungswinkels aufweist.
Chirale Struktur nach Anspruch 1, ferner mit: einer Abstimmeinrichtung (38, 108), die mit mindestens einem des ersten und zweiten chiralen Elements verbunden ist, zum selektiven Ändern des Verdrehungswinkels, um eine Position des induzierten Defekts in dem Photonensperrband zu verändern.
Chirale Struktur nach Anspruch 1, ferner mit: einer Abstimmvorrichtung (38, 108), die mit mindestens einem des ersten und zweiten chiralen Elements verbunden ist und betriebsfähig ist, den Verdrehungswinkel selektiv zu ändern, um eine Position des induzierten Defekts in dem Photonensperrband zu verändern.
Chirale Struktur nach Anspruch 1, wobei das erste und zweite chirale Element jeweils eine vordefinierte Länge und eine vordefinierte Transversaldimension haben, wobei die vordefinierte Transversaldimension im wesentlichen kleiner ist als die vordefinierte Länge.
Chirale Struktur nach Anspruch 1, wobei der Verdrehungswinkel annähernd 90 Grad plus der Verschiebungswinkel ist, so daß der lokalisierte Zustand im wesentlichen in dem Photonensperrband zentriert ist.
Chirales Filter (30) zum Filtern elektromagnetischer Strahlung mit: einem ersten chiralen Element (34, 102) mit einer vordefinierten Länge (L) mit einer ersten Vielzahl von Molekülschichten, wobei jede aus der ersten Vielzahl von Schichten einen eindeutigen ersten Direktor hat, der im allgemeinen eine Orientierung von Molekülen in der Schicht darstellt, wobei jedes Paar der mehreren ersten Direktoren einen Verschiebungswinkel zwischen sich hat, und einer ersten Kontaktschicht mit einem ersten Kontaktdirektor; einem zweiten chiralen Element (36, 104) mit der vordefinierten Länge L mit einer zweiten Vielzahl von Molekülschichten, wobei die zweite Vielzahl von Molekülschichten einen eindeutigen zweiten Direktor hat, der im allgemeinen eine Orientierung von Molekülen in der Schicht darstellt, wobei jedes Paar der mehreren zweiten Direktoren einen Verschiebungswinkel zwischen sich hat, und einer zweiten Kontaktschicht mit einem zweiten Kontaktdirektor, wobei das erste und zweite chirale Element sequentiell zueinander positioniert sind, so daß: (a) die erste Kontaktschicht in wesentlichem Kontakt (37) mit der zweiten Kontaktschicht ist und (b) das erste und zweite chirale Element in bezug aufeinander um eine gemeinsame Achse senkrecht zu den ersten und zweiten mehreren Molekülschichten mit einem Verdrehungswinkel (T) verdreht sind, wobei die Verdrehung einen Defekt in der chiralen Struktur bewirkt; und einer externen Lichtquelle (32) zum Dirigieren von polarisiertem Licht durch das erste und zweite chirale Element, wobei: wenn das polarisierte Licht eine erste Polarisationsrichtung hat und die vordefinierte Länge im wesentlichen unter einem vordefinierten Schwellwert ist, das chirale Filter alle Wellenlängen des polarisierten Lichts in seinem Photonensperrband außer Wellenlängen in einem durch den Defekt induzierten lokalisierten Photonenzustand reflektiert, wobei der Photonenzustand in einer Wellenlänge proportional zu einer Größe des Verdrehungswinkels zentriert ist, und wenn das polarisierte Licht eine zweite Polarisationsrichtung hat und die vordefinierte Länge im wesentlichen über einem vordefinierten Schwellwert ist, das chirale Filter alle Wellenlängen des polarisierten Lichts außer Wellenlängen in einem durch den Defekt induzierten lokalisierten Photonenzustand, die reflektiert werden, durchläßt, wobei der Photonenzustand in einer Wellenlänge proportional zu einer Größe des Verdrehungswinkels zentriert ist.
Chirales Filter nach Anspruch 6, ferner mit: einer Abstimmeinrichtung (38, 108), die mit mindestens einem des ersten und zweiten chiralen Elements verbunden ist, zum Abstimmen einer Betriebswellenlänge des chiralen Filters durch selektives Ändern des Verdrehungswinkels, um eine Wellenlänge des induzierten Defekts zu verändern.
Chirales Filter nach Anspruch 6, wobei jedes des ersten und zweiten chiralen Elements einen vordefinierten Doppelbrechungswert hat und wobei der vordefinierte Schwellwert proportional zu dem Doppelbrechungswert ist.
Chirales Filter nach Anspruch 8, wobei der vordefinierte Doppelbrechungswert annähernd 0,06 ist und der vordefinierte Schwellwert annähernd zwischen 11 und 13 μm ist.
Chirales Filter nach Anspruch 6, wobei jedes des ersten und zweiten chiralen Elements eine rechtshändige Struk tur ist und wobei die erste Polarisationsrichtung eine rechtszirkulare Polarisation ist und die zweite Polarisationsrichtung eine linkszirkulare Polarisation ist.
Chirales Filter nach Anspruch 6, wobei jedes des ersten und zweiten chiralen Elements eine linkshändige Struktur ist und wobei die erste Polarisationsrichtung eine linkszirkulare Polarisation ist und die zweite Polarisationsrichtung eine rechtszirkulare Polarisation ist.
Chirales Filter nach Anspruch 6, wobei der Verdrehungswinkel annähernd 90 Grad plus der Verschiebungswinkel ist.
Chiraler Detektor (40) zum Erfassen elektromagnetischer Strahlung mit: einem ersten chiralen Element (44) mit einer vordefinierten Länge (L) mit einer ersten Vielzahl von Molekülschichten, wobei jede aus der ersten Vielzahl von Schichten einen eindeutigen ersten Direktor hat, der im allgemeinen eine Orientierung von Molekülen in der Schicht darstellt, wobei jedes Paar der mehreren ersten Direktoren einen Verschiebungswinkel zwischen sich hat, und einer ersten Kontaktschicht mit einem ersten Kontaktdirektor; einem zweiten chiralen Element (46) mit der vordefinierten Länge (L) mit einer zweiten Vielzahl von Molekülschichten, wobei jede aus der zweiten Vielzahl von Schichten einen eindeutigen zweiten Direktor hat, der im allgemeinen eine Orientierung von Molekülen in der Schicht darstellt, wobei jedes Paar der mehreren zweiten Direktoren einen Verschiebungswinkel zwischen sich hat, und einer zweiten Kontaktschicht mit einem zweiten Kontaktdirektor, wobei das erste und zweite chirale Element sequentiell zueinander positioniert sind, so daß: (a) die erste Kontaktschicht in wesentlichem Kontakt (47) mit der zweiten Kontaktschicht ist und (b) das erste und zweite chirale Element in bezug aufeinander um eine gemeinsame Achse senkrecht zu den ersten und zweiten mehreren Molekülschichten in einem Verdrehungswinkel verdreht sind, wobei die Verdrehung einen Defekt in der chiralen Struktur bewirkt; einer Erfassungseinrichtung (48), die zwischen der ersten und zweiten Kontaktschicht angeordnet ist, zum Umwandeln von erfaßtem Licht in einen elektrischen Strom, der eine Wellenlänge des erfaßten Lichts anzeigt; einer Detektoreinrichtung, die mit der Erfassungseinrichtung verbunden ist, zum Messen des elektrischen Stroms; und einer externen Lichtquelle (42) zum Dirigieren von Licht durch das erste und zweite chirale Element, wobei: wenn das Licht eine erste Polarisationsrichtung hat und die vordefinierte Länge im wesentlichen unter einem vordefinierten Schwellwert ist, der chirale Detektor nur Wellenlängen in einem von dem Defekt induzierten lokalisierten Photonenzustand detektiert, wobei der Photonenzustand in einer Wellenlänge proportional zu einer Größe des Verdrehungswinkels zentriert ist; und wenn das Licht eine zweite Polarisationsrichtung hat und die vordefinierte Länge im wesentlichen über einem vordefinierten Schwellwert ist, der chirale Detektor alle Wellenlängen des Lichts außer Wellenlängen in einem von dem Defekt induzierten lokalisierten Photonenzustand, die reflektiert werden, detektiert, wobei der Photonenzustand in einer Wellenlänge proportional zu einer Größe des Verdrehungswinkels zentriert ist.
Chiraler Detektor nach Anspruch 13, ferner mit: einer Abstimmeinrichtung (50), die mit mindestens einem des ersten und zweiten chiralen Elements verbunden ist, zum Abstimmen einer Betriebswellenlänge des chiralen Detektors durch selektives Ändern des Verdrehungswinkels, um eine Wellenlänge zu verändern, in der der induzierte Defekt zentriert ist.
Chiraler Detektor nach Anspruch 13, wobei jedes des ersten und zweiten chiralen Elements einen vordefinierten Doppelbrechungswert hat und wobei der vordefinierte Schwellwert proportional zu dem Doppelbrechungswert ist.
Chiraler Detektor nach Anspruch 15, wobei der vordefinierte Doppelbrechungswert annähernd 0,06 ist und der vordefinierte Schwellwert annähernd zwischen 11 und 13 μm ist.
Chiraler Detektor nach Anspruch 13, wobei jedes des ersten und zweiten chiralen Elements eine rechtshändige Struk tur ist und wobei die erste Polarisationsrichtung eine rechtszirkulare Polarisation ist und die zweite Polarisationsrichtung eine linkszirkulare Polarisation ist.
Chiraler Detektor nach Anspruch 13, wobei jedes des ersten und zweiten chiralen Elements eine linkshändige Struktur ist und wobei die erste Polarisationsrichtung eine linkszirkulare Polarisation ist und die zweite Polarisationsrichtung eine rechtszirkulare Polarisation ist.
Chiraler Detektor nach Anspruch 13, wobei der Verdrehungswinkel annähernd 90 Grad plus der Verschiebungswinkel ist.
Chiraler Laser (60) mit: einem ersten chiralen Element (62) mit einer vordefinierten Länge (L) mit einer ersten Vielzahl von Molekülschichten, wobei jede aus der ersten Vielzahl von Schichten einen eindeutigen ersten Direktor hat, der im allgemeinen eine Orientierung von Molekülen in der Schicht darstellt, wobei jedes Paar der mehreren ersten Direktoren einen Verschiebungswinkel zwischen sich hat, und einer ersten Kontaktschicht mit einem ersten Kontaktdirektor; einem zweiten chiralen Element (64) mit der vordefinierten Länge (L) mit einer zweiten Vielzahl von Molekülschichten, wobei jede aus der zweiten Vielzahl von Schichten einen eindeutigen zweiten Direktor hat, der im allgemeinen eine Orientierung von Molekülen in der Schicht darstellt, wobei jedes der mehreren zweiten Direktoren einen Verschiebungswinkel zwischen sich hat, und einer zweiten Kontaktschicht mit einem zweiten Kontaktdirektor; einem erregbaren lichtemittierenden Element (66), das zwischen der ersten Kontaktschicht und der zweiten Kontaktschicht angeordnet ist, wobei das erste und zweite chirale Element sequentiell zueinander positioniert sind, so daß das erste und zweite chirale Element in bezug aufeinander um eine gemeinsame Achse senkrecht zu den ersten und zweiten mehreren Molekülschichten mit einem Verdrehungswinkel (T) verdreht sind, wobei die Verdrehung einen Defekt im chiralen Laser bewirkt, wobei der Defekt einen lokalisierten Photonenzustand in einem Photonensperrband der chiralen Struktur in einer Wellen länge proportional zu einer Größe des Verdrehungswinkels induziert; und einer Erregungseinrichtung (70), die auf das lichtemittierende Element angewendet wird, um zu bewirken, daß das lichtemittierende Element elektromagnetische Strahlung emittiert, wobei: wenn die vordefinierte Länge im wesentlichen unter einem vordefinierten Schwellwert ist, im wesentlichen rechtszirkular polarisiertes Lasern mit einer Laserwellenlänge entsprechend einer Position des von dem Defekt induzierten lokalisierten Photonenzustands auftritt, wobei der Photonenzustand in einer Wellenlänge proportional zu einer Größe des Verdrehungswinkels zentriert ist, wenn die vordefinierte Länge im wesentlichen gleich dem vordefinierten Schwellwert ist, im wesentlichen senkrecht polarisiertes Lasern mit einer Laserwellenlänge entsprechend der Position des von dem Defekt induzierten lokalisierten Photonenzustands auftritt, wobei der Photonenzustand in einer Wellenlänge proportional zu einer Größe des Verdrehungswinkels zentriert ist, und wenn die vordefinierte Länge im wesentlichen größer ist als der vordefinierte Schwellwert, im wesentlichen linkszirkular polarisiertes Lasern mit einer Laserwellenlänge entsprechend der Position des durch den Defekt induzierten lokalisierten Photonenzustands auftritt, wobei der Photonenzustand in einer Wellenlänge proportional zu einer Größe des Verdrehungswinkels zentriert ist.
Chiraler Laser nach Anspruch 20, ferner mit: einer Abstimmeinrichtung (68), die mit mindestens einem des ersten und zweiten chiralen Elements verbunden ist, zum Abstimmen der Laserwellenlänge des chiralen Filters durch selektives Ändern des Verdrehungswinkels, um eine Wellenlänge zu verändern, in der der induzierte lokalisierte Zustand zentriert ist.
Chiraler Laser nach Anspruch 20, wobei jedes des ersten und zweiten chiralen Elements einen vordefinierten Doppelbrechungswert hat und wobei der vordefinierte Schwellwert proportional zu dem Doppelbrechungswert ist.
Chiraler Laser nach Anspruch 20, wobei der vordefinierte Doppelbrechungswert annähernd 0,06 ist und der vordefinierte Schwellwert annähernd zwischen 11 und 13 μm ist.
Chiraler Laser nach Anspruch 20, wobei der Verdrehungswinkel annähernd 90 Grad plus der Verschiebungswinkel ist.
Chiraler Laser nach Anspruch 20, wobei das lichtemittierende Element aus einem Material ist, das dafür angepaßt ist, bei Einwirkung einer elektromagnetischen Welle auf dieses elektromagnetische Strahlung zu emittieren, und wobei die Erregungseinrichtung eine Quelle für elektromagnetische Wellen aufweist, die dafür konfiguriert ist, die elektromagnetische Welle der Schichtstruktur zuzuführen, um die mittlere lichtemittierende Schicht zur Emission von elektromagnetischer Strahlung anzuregen.
Chiraler Laser nach Anspruch 20, wobei die Quelle für elektromagnetische Wellen eines von folgendem ist: ein Laser, eine Blitzlampe, fokussiertes Sonnenlicht, eine lichtemittierende Diode und ein elektrisch gepumptes Elektrolumineszensmaterial, das in das lichtemittierende Element eingebettet ist.
Chiraler Laser nach Anspruch 20, wobei das lichtemittierende Element eines von folgendem aufweist: seltenerddotiertes Material, chelatgebunden seltenerddotiertes Material, Halbleitermaterialien, organische lichtemittierende Materialien, konjugierte Polymere, farbstoffdotiertes Material und Materialien, die Farbzentren enthalten.
Chiraler Laser (80) mit: einem ersten chiralen Element (82) mit einer vordefinierten Länge (L) mit einer ersten Vielzahl von Molekülschichten, wobei jede aus der ersten Vielzahl von Schichten einen eindeutigen ersten Direktor hat, der im allgemeinen eine Orientierung von Molekülen in der Schicht darstellt, wobei jedes Paar der mehreren ersten Direktoren einen Verschiebungswinkel zwischen sich hat, und einer ersten Kontaktschicht mit einem ersten Kontaktdirektor; einem zweiten chiralen Element (84) mit der vordefinierten Länge (L) mit einer zweiten Vielzahl von Molekül schichten, wobei jede aus der zweiten Vielzahl von Schichten einen eindeutigen zweiten Direktor hat, der im allgemeinen eine Orientierung von Molekülen in der Schicht darstellt, wobei jedes Paar der mehreren zweiten Direktoren einen Verschiebungswinkel zwischen sich hat, und einer zweiten Kontaktschicht mit einem zweiten Kontaktdirektor, wobei das erste und zweite chirale Element mit einem aktiven erregbaren lichtemittierenden Material dotiert und sequentiell zueinander positioniert sind, so daß: (a) die erste Kontaktschicht in wesentlichem Kontakt mit der zweiten Kontaktschicht ist und (b) das erste und zweite chirale Element in bezug aufeinander um eine gemeinsame Achse senkrecht zu den ersten und zweiten mehreren Molekülschichten mit einem Verdrehungswinkel (T) verdreht sind, wobei die Verdrehung einen Defekt im chiralen Laser bewirkt; und einer Erregungseinrichtung (88), die auf das erste und zweite chirale Element einwirkt, um zu bewirken, daß darin dotierte lichtemittierende Materialien elektromagnetische Strahlung emittieren, wobei: wenn die vordefinierte Länge im wesentlichen unter einem vordefinierten Schwellwert ist, im wesentlichen rechtszirkular polarisiertes Lasern mit einer Laserwellenlänge entsprechend einer Position des von dem Defekt induzierten lokalisierten Photonenzustands auftritt, wobei der Photonenzustand in einer Wellenlänge proportional zu einer Größe des Verdrehungswinkels zentriert ist, wenn die vordefinierte Länge im wesentlichen gleich dem vordefinierten Schwellwert ist, im wesentlichen senkrecht polarisiertes Lasern mit einer Laserwellenlänge entsprechend der Position des von dem Defekt induzierten lokalisierten Photonenzustands auftritt, wobei der Photonenzustand in einer Wellenlänge proportional zu einer Größe des Verdrehungswinkels zentriert ist, und wenn die vordefinierte Länge im wesentlichen größer ist als der vordefinierte Schwellwert, im wesentlichen linkszirkular polarisiertes Lasern mit einer Laserwellenlänge entsprechend der Position des durch den Defekt induzierten lokalisierten Photonenzustands auftritt, wobei der Photo nenzustand in einer Wellenlänge proportional zu einer Größe des Verdrehungswinkels zentriert ist.
Chiraler Laser nach Anspruch 28, wobei das lichtemittierende Material dafür angepaßt ist, bei Einwirkung einer elektromagnetischen Welle auf dieses elektromagnetische Strahlung zu emittieren und wobei die Erregungseinrichtung eine Quelle für elektromagnetische Wellen aufweist, die dafür konfiguriert ist, der Schichtstruktur die elektromagnetische Welle zuzuführen, um die mittlere lichtemittierende Schicht zur Emission elektromagnetischer Strahlung anzuregen.
Chiraler Laser nach Anspruch 28, wobei die Quelle für elektromagnetische Wellen eines von folgendem ist: ein Laser, eine Blitzlampe, fokussiertes Sonnenlicht, eine lichtemittierende Diode und ein elektrisch gepumptes Elektrolumineszensmaterial, das in das lichtemittierende Element eingebettet ist.
Chiraler Laser nach Anspruch 28, wobei das lichtemittierende Material eines von folgendem ist: Seltenerdmaterial, chelatgebundenes Seltenerdmaterial, Halbleitermaterialien, organische lichtemittierende Materialien, konjugierte Polymere, farbstoffdotiertes Material und Materialien, die Farbzentren enthalten.
Chirale Struktur (100) nach Anspruch 1, wobei das zweite chirale Element eine dritte Kontaktschicht mit einem dritten Kontaktdirektor aufweist, wobei die dritte Kontaktschicht der zweiten Kontaktschicht des zweiten chiralen Elements gegenüberliegt, wobei die chirale Struktur ferner aufweist: ein drittes chirales Element (106) mit einer dritten Vielzahl von Molekülschichten, wobei jede aus der dritten Vielzahl von Schichten einen eindeutigen dritten Direktor hat, der im allgemeinen eine Orientierung von Molekülen in der Schicht darstellt, wobei jedes Paar der mehreren dritten Dirketoren einen Verschiebungswinkel zwischen sich hat, und einer vierten Kontaktschicht mit einem vierten Kontaktdirektor, wobei das zweite und dritte chirale Element sequentiell zueinander positioniert sind, so daß: a) die dritte Kontaktschicht in wesentlichem Kontakt mit der vierten Kontaktschicht ist, b) das zweite und dritte chirale Element in bezug aufeinander um eine gemeinsame Achse senkrecht zu den ersten, zweiten und dritten mehreren Molekülschichten mit einem zweiten Verdrehungswinkel (T₂) verdreht sind, der eine zweite Verdrehung bildet, die einen zweiten Defekt in der chiralen Struktur bewirkt, wobei der zweite Defekt einen zweiten lokalisierten Photonenzustand in einem Photonensperrband der chiralen Struktur in einer zweiten Wellenlänge proportional zu einer Größe des zweiten Verdrehungswinkels induziert.
Chirale Struktur nach Anspruch 32, wobei der erste (T₁) und der zweite (T₂) Verdrehungswinkel verschieden sind.
Chirale Struktur nach Anspruch 32, ferner mit: einer Abstimmvorrichtung (108), die mit mindestens einem des ersten, zweiten und dritten chiralen Elements verbunden ist und betriebsfähig ist, mindestens einen des ersten und zweiten Verdrehungswinkels zu ändern, um mindestens eines von folgendem zu verändern: eine erste Position des ersten induzierten Defekts in dem Photonensperrband und eine zweite Position des zweiten induzierten Defekts in dem Photonensperrband.
Chirale Struktur nach Anspruch 32, ferner mit: einem ersten erregbaren lichtemittierenden Element (208), das zwischen der ersten Kontaktschicht und der zweiten Kontaktschicht angeordnet ist; einem zweiten erregbaren lichtemittierenden Element (210), das zwischen der dritten Kontaktschicht und der vierten Kontaktschicht angeordnet ist; und einer Erregungseinrichtung (212, 214), die selektiv auf mindestens eines des ersten und zweiten lichtemittierenden Elements angewendet wird, um zu bewirken, daß die lichtemittierenden Elemente darin elektromagnetische Strahlung emittieren, um Laserstrahlung in mindestens einer der ersten und zweiten Wellenlänge zu bewirken.
Chirale Struktur (12, 14) mit: einem ersten chiralen Element (20) mit einer vordefinierten Länge (L) mit einer ersten Vielzahl von Molekülschichten, wobei jede aus der ersten Vielzahl von Schichten einen eindeutigen ersten Direktor hat, der im allgemeinen eine Orientierung von Molekülen in der Schicht darstellt, wobei jedes Paar der mehreren ersten Direktoren einen Verschiebungswinkel zwischen sich hat, und einer ersten Kontaktschicht mit einem ersten Kontaktdirektor; einem zweiten chiralen Element (22) mit der vordefinierten Länge (L) mit einer zweiten Vielzahl von Molekülschichten, wobei jede aus der zweiten Vielzahl von Schichten einen eindeutigen zweiten Direktor hat, der im allgemeinen eine Orientierung von Molekülen in der Schicht darstellt, wobei jedes Paar der mehreren zweiten Direktoren einen Verschiebungswinkel zwischen sich hat, und einer zweiten Kontaktschicht mit einem zweiten Kontaktdirektor; einem physischen Defekt, der zwischen der ersten Kontaktschicht und der zweiten Kontaktschicht angeordnet ist, wobei das erste und zweite chirale Element sequentiell zueinander positioniert sind, so daß das erste und zweite chirale Element in bezug aufeinander um eine gemeinsame Achse senkrecht zu den ersten und zweiten mehreren Molekülschichten mit einem Verdrehungswinkel (T) verdreht sind, wobei die Verdrehung einen Verdrehungsdefekt in der chiralen Struktur bewirkt, wobei die physischen und die Verdrehungsdefekte einen lokalisierten Photonenzustand in einem Photonensperrband der chiralen Struktur in einer Wellenlänge proportional einer Größe des Verdrehungswinkels und einer Dicke des physischen Defekts induzieren.
Chirale Struktur nach Anspruch 36, wobei der physische Defekt eines von folgendem aufweist: Abstand und ein Fremdmaterial.
Chirale Struktur nach Anspruch 36, ferner mit: einer Abstimmeinrichtung (38), die mit mindestens einem des ersten und zweiten chiralen Elements verbunden ist, zum selektiven Ändern des Verdrehungswinkels, um eine Position des induzierten Verdrehungsdefekts in dem Photonensperrband zu verändern.
Chirale Struktur nach Anspruch 36, wobei das erste und zweite chirale Element jeweils eine vordefinierte Länge und eine vordefinierte Transversaldimension haben, wobei die vordefinierte Transversaldimension im wesentlichen kleiner als die vordefinierte Länge ist.
Verfahren zur Erzeugung eines Defekts in einer chiralen Struktur (12, 14) mit den Schritten: (a) Bereitstellen eines ersten chiralen Elements (20, 102) mit einer ersten Vielzahl von Molekülschichten, wobei jede aus der ersten Vielzahl von Schichten einen eindeutigen ersten Direktor hat, der im allgemeinen eine Orientierung von Molekülen in der Schicht darstellt, wobei jedes Paar der mehreren ersten Direktoren einen Verschiebungswinkel zwischen sich hat, und einer ersten Kontaktschicht mit einem ersten Kontaktdirektor; und (b) Bereitstellen eines zweiten chiralen Elements (22, 104) mit einer zweiten Vielzahl von Molekülschichten, wobei jede aus der zweiten Vielzahl von Schichten einen eindeutigen zweiten Direktor hat, der im allgemeinen eine Orientierung von Molekülen in der Schicht darstellt, wobei jedes Paar der mehreren zweiten Direktoren einen Verschiebungswinkel zwischen sich hat, und einer zweiten Kontaktschicht mit einem zweiten Kontaktdirektor; (c) Positionieren des ersten und zweiten chiralen Elements sequentiell zueinander, so daß die erste Kontaktschicht in wesentlichem Kontakt mit der zweiten Kontaktschicht ist; und (d) Verdrehen des ersten und zweiten chiralen Elements in bezug aufeinander um eine gemeinsame Achse senkrecht zu den ersten und zweiten mehreren Molekülschichten in einem Verdrehungswinkel (T), wobei die Verdrehung einen Defekt in einer chiralen Struktur bewirkt, die durch das erste und zweite chirale Element gebildet wird, wobei der Defekt einen lokalisierten Photonenzustand in einem Photonensperrband der chiralen Struktur in einer Wellenlänge proportional zu einer Größe des Verdrehungswinkels induziert.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei der Schritt (d) ferner den Schritt aufweist: (e) selektives Ändern des Verdrehungswinkels, um eine Position des induzierten Defekts in dem Photonensperrband zu verändern.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei das erste und zweite chirale Elements jeweils eine vordefinierte Länge und eine vordefinierte Transversaldimension haben, wobei die vordefinierte Transversaldimension im wesentlichen kleiner ist als die vordefinierte Länge.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei der Verdrehungswinkel annähernd 90 Grad plus der Verschiebungswinkel ist, so daß der lokalisierte Zustand im wesentlichen in dem Photonensperrband zentriert ist.
Verfahren zur Verwendung eines chiralen Filters (30) zur Filterung von elektromagnetischer Strahlung mit den Schritten: (a) Bereitstellen eines ersten chiralen Elements (34, 102) mit einer vordefinierten Länge (L) mit einer ersten Vielzahl von Molekülschichten, wobei jede aus der ersten Vielzahl von Schichten einen eindeutigen ersten Direktor hat, der im allgemeinen eine Orientierung von Molekülen in der Schicht darstellt, wobei jedes Paar der mehreren ersten Direktoren einen Verschiebungswinkel zwischen sich hat, und einer ersten Kontaktschicht mit einem ersten Kontaktdirektor; (b) Bereitstellen eines zweiten chiralen Elements (36, 104) mit der vordefinierten Länge (L) mit einer zweiten Vielzahl von Molekülschichten, wobei jede aus der zweiten Vielzahl von Schichten einen eindeutigen zweiten Direktor hat, der im allgemeinen eine Orientierung von Molekülen in der Schicht darstellt, wobei jedes Paar der mehreren zweiten Direktoren einen Verschiebungswinkel zwischen sich hat, und einer zweiten Kontaktschicht mit einem zweiten Kontaktdirektor; (c) Positionieren des ersten und zweiten chiralen Elements sequentiell zueinander, so daß die erste Kontaktschicht in wesentlichem Kontakt (37) mit der zweiten Kontaktschicht ist; (d) Verdrehen des ersten und zweiten chiralen Elements in bezug aufeinander um eine gemeinsame Achse senkrecht zu den ersten und zweiten mehreren Molekülschichten in einem Verdrehungswinkel, wobei die Verdrehung einen Defekt in einer chiralen Struktur bewirkt, die durch das erste und zweite chirale Element gebildet wird; (e) Dirigieren von polarisiertem Licht von einer externen Lichtquelle durch das erste und zweite chirale Element; (f) wenn das polarisierte Licht eine erste Polarisationsrichtung hat und die vordefinierte Länge im wesentlichen unter einem vordefinierten Schwellwert ist, Reflektieren aller Wellenlängen des polarisierten Lichts in einem Photonensperrband außer Wellenlängen in einem von dem Defekt induzierten lokalisierten Photonenzustand, wobei der Photonenzustand in einer Wellenlänge proportional zu einer Größe des Verdrehungswinkels zentriert ist; und (g) wenn das polarisierte Licht eine zweite Polarisationsrichtung hat und die vordefinierte Länge im wesentlichen über einem vordefinierten Schwellwert ist, Durchlassen aller Wellenlängen des polarisierten Lichts außer Wellenlängen in einem von dem Defekt induzierten lokalisierten Photonenzustand, die reflektiert werden, wobei der Photonenzustand in einer Wellenlänge proportional zu einer Größe des Verdrehungswinkels zentriert ist.
Verfahren nach Anspruch 44, wobei der Schritt (d) ferner den Schritt aufweist: (h) selektives Ändern des Verdrehungswinkels, um eine Position des induzierten Defekts in dem Photonensperrband zu verändern.
Verfahren nach Anspruch 44, wobei jedes des ersten und zweiten chiralen Elements einen vordefinierten Doppelbrechungswert hat und wobei der vordefinierte Schwellwert proportional zu dem Doppelbrechungswert ist.
Verfahren nach Anspruch 44, wobei der vordefinierte Doppelbrechungswert annährend 0,06 ist und der vordefinierte Schwellwert annähernd zwischen 11 und 13 μm ist.
Verfahren nach Anspruch 44, wobei jedes des ersten und zweiten chiralen Elements eine rechtshändige Struktur ist und wobei die erste Polarisationsrichtung eine rechtszirkulare Polarisation ist und die zweite Polarisationsrichtung eine linkszirkulare Polarisation ist.
Verfahren nach Anspruch 44, wobei jedes des ersten und zweiten chiralen Elements eine linkshändige Struktur ist und wobei die erste Polarisationsrichtung eine linkszirkulare Polarisation ist und die zweite Polarisationsrichtung eine rechtszirkulare Polarisation ist.
Verfahren nach Anspruch 44, wobei der Verdrehungswinkel annähernd 90 Grad plus der Verschiebungswinkel ist.
Verfahren zur Verwendung eines chiralen Detektors (40), um elektromagnetische Strahlung zu erfassen, mit den Schritten: (a) Bereitstellen eines ersten chiralen Elements (44) mit einer vordefinierten Länge (L) mit einer ersten Vielzahl von Molekülschichten, wobei jede aus der ersten Vielzahl von Schichten einen eindeutigen ersten Direktor hat, der im allgemeinen eine Orientierung von Molekülen in der Schicht darstellt, wobei jedes Paar der mehreren ersten Direktoren einen Verschiebungswinkel zwischen sich hat, und einer ersten Kontaktschicht mit einem ersten Kontaktdirektor; (b) Bereitstellen eines zweiten chiralen Elements (46) mit der vordefinierten Länge (L) mit einer zweiten Vielzahl von Molekülschichten, wobei jede aus der zweiten Vielzahl von Schichten einen eindeutigen zweiten Direktor hat, der im allgemeinen eine Orientierung von Molekülen in der Schicht darstellt, wobei jedes Paar der mehreren zweiten Direktoren einen Verschiebungswinkel zwischen sich hat, und einer zweiten Kontaktschicht mit einem zweiten Kontaktdirektor; (c) Bereitstellen eines Erfassungselements (48), das zwischen der ersten und zweiten Kontaktschicht angeordnet ist, zum Umwandeln von erfaßtem Licht in einen elektrischen Strom, der eine Wellenlänge des erfaßten Lichts anzeigt; (d) Messen des elektrischen Stroms unter Verwendung eines Detektors, der mit dem Erfassungselement verbunden ist; (e) Verdrehen des ersten und zweiten chiralen Elements in bezug aufeinander um eine gemeinsame Achse senkrecht zu den ersten und zweiten mehreren Molekülschichten in einem Verdrehungswinkel, wobei die Verdrehung einen Defekt in einer chiralen Struktur bewirkt, die durch das erste und zweite chirale Element gebildet wird; (f) Dirigieren von Licht von einer externen Lichtquelle durch das erste und zweite chirale Element; (g) wenn das Licht eine erste Polarisationsrichtung hat und die vordefinierte Länge im wesentlichen unter einem vordefinierten Schwellwert ist, durch das Erfassungselement erfolgendes Ermitteln lediglich von Wellenlängen in einem durch den Defekt induzierten lokalisierten Photonenzustand, wobei der Photonenzustand in einer Wellenlänge proportional zu einer Größe des ersten Verdrehungswinkels zentriert ist; und (h) wenn das Licht eine zweite Polarisationsrichtung hat und die vordefinierte Länge im wesentlichen über dem vordefinierten Schwellwert ist, durch das Erfassungselement erfolgendes Ermitteln aller Wellenlängen des Lichts außer Wellenlängen in einem durch den Defekt induzierten lokalisierten Photonenzustand, die reflektiert werden, wobei der Photonenzustand in einer Wellenlänge proportional zu einer Größe des Verdrehungswinkels zentriert ist.
Verfahren nach Anspruch 51, wobei der Schritt (e) ferner den Schritt aufweist: (i) selektives Ändern des Verdrehungswinkels, um eine Position des induzierten Defekts in dem Photonensperrband zu verändern.
Verfahren nach Anspruch 51, wobei jedes des ersten und zweiten chiralen Elements einen vordefinierten Doppelbrechungswert hat und wobei der vordefinierte Schwellwert proportional zu dem Doppelbrechungswert ist.
Verfahren nach Anspruch 51, wobei der vordefinierte Doppelbrechungswert annähernd 0,06 ist und der vordefinierte Schwellwert annährend zwischen 11 und 13 μm ist.
Verfahren nach Anspruch 51, wobei sowohl das erste als auch das zweite chirale Element eine rechtshändige Struktur sind und wobei die erste Polarisationsrichtung eine rechtszirkulare Polarisation ist und die zweite Polarisationsrichtung eine linkszirkulare Polarisation ist.
Verfahren nach Anspruch 51, wobei sowohl das erste als auch das zweite chirale Elemente eine linkshändige Struktur sind und wobei die erste Polarisationsrichtung eine linkszirkulare Polarisation ist und die zweite Polarisationsrichtung eine rechtszirkulare Polarisation ist.
Verfahren nach Anspruch 51, wobei der Verdrehungswinkel annähernd 90 Grad plus der Verschiebungswinkel ist.
Verfahren zum Lasern unter Verwendung einer chiralen Struktur mit den Schritten: (a) Bereitstellen eines ersten chiralen Elements (62) mit einer vordefinierten Länge (L) mit einer ersten Vielzahl von Molekülschichten, wobei jede aus der ersten Vielzahl von Schichten einen eindeutigen ersten Direktor hat, der im allgemeinen eine Orientierung von Molekülen in der Schicht darstellt, wobei jedes Paar der mehreren ersten Direktoren einen Verschiebungswinkel zwischen sich hat, und einer ersten Kontaktschicht mit einem ersten Kontaktdirektor; (b) Bereitstellen eines zweiten chiralen Elements (64) mit der vordefinierten Länge (L) mit einer zweiten Vielzahl von Molekülschichten, wobei die zweite Vielzahl von Schichten einen eindeutigen zweiten Direktor hat, der im allgemeinen eine Orientierung von Molekülen in der Schicht darstellt, wobei jedes Paar der mehreren zweiten Direktoren einen Verschiebungswinkel zwischen sich hat, und einer zweiten Kontaktschicht mit einem zweiten Kontaktdirektor; (c) Bereitstellen eines erregbaren lichtemittierenden Elements (66) zwischen der ersten Kontaktschicht und der zweiten Kontaktschicht; (d) Verdrehen des ersten und zweiten chiralen Elements in bezug aufeinander um eine gemeinsame Achse senkrecht zu den ersten und zweiten mehreren Molekülschichten in einem Verdrehungswinkel, wobei die Verdrehung einen Defekt im chiralen Laser bewirkt, wobei der Defekt einen lokalisierten Photonenzustand in einem Photonensperrband in einer chiralen Struktur, die durch das erste und zweite chirale Element gebildet wird, in einer Wellenlänge proportional zu einer Größe des Verdrehungswinkels induziert; (e) Einwirken einer Erregung (70) in dem lichtemittierenden Element, um zu bewirken, daß das lichtemittierende Element elektromagnetische Strahlung emittiert; (f) wenn die vordefinierte Länge im wesentlichen unter einem vordefinierten Schwellwert ist, Lasern mit im wesentlichen rechtszirkular polarisiertem Licht in einer Laserwellen länge entsprechend einer Position des durch den Defekt induzierten lokalisierten Photonenzustands, wobei der Photonenzustand in einer Wellenlänge proportional zu einer Größe des Verdrehungswinkels zentriert ist; (g) wenn die vordefinierte Länge im wesentlichen gleich dem vordefinierten Schwellwert ist, Lasern mit im wesentlichen senkrecht polarisiertem Licht bei einer Laserwellenlänge entsprechend der Position des durch den Defekt induzierten polarisierten Photonenzustands, wobei der Photonenzustand in einer Wellenlänge proportional zu einer Größe des Verdrehungswinkels zentriert ist; und (h) wenn die vordefinierte Länge im wesentlichen größer ist als der vordefinierte Schwellwert, Lasern mit im wesentlichen linkszirkular polarisiertem Licht in einer Laserwellenlänge entsprechend der Position des durch den Defekt induzierten lokalisierten Photonenzustands, wobei der Photonenzustand in einer Wellenlänge proportional zu einer Größe des Verdrehungswinkels zentriert ist.
Verfahren nach Anspruch 58, wobei der Schritt (d) ferner den Schritt aufweist: (i) selektives Ändern des Verdrehungswinkels, um eine Position des induzierten Defekts in dem Photonensperrband zu verändern.
Verfahren nach Anspruch 58, wobei jedes des ersten und zweiten chiralen Elements einen vordefinierten Doppelbrechungswert hat und wobei der vordefinierte Schwellwert proportional zu dem Doppelbrechungswert ist.
Verfahren nach Anspruch 58, wobei der vordefinierte Doppelbrechungswert annähernd 0,06 ist und der vordefinierte Schwellwert annähernd zwischen 11 und 13 μm ist.
Verfahren nach Anspruch 58, wobei der Verdrehungswinkel annähernd 90 Grad plus der Verschiebungswinkel ist.
Verfahren zum Lasern unter Verwendung einer chiralen Struktur mit den Schritten: (a) Bereitstellen eines ersten chiralen Elements (82) mit einer vordefinierten Länge (L), das mit einem aktiven erregbaren lichtemittierenden Material dotiert ist und eine erste Vielzahl von Molekülschichten hat, wobei jede aus der ers ten Vielzahl von Schichten einen eindeutigen ersten Direktor hat, der im allgemeinen eine Orientierung von Molekülen in der Schicht darstellt, wobei jedes Paar der mehreren ersten Direktoren einen Verschiebungswinkel zwischen sich hat, und einer ersten Kontaktschicht mit einem ersten Kontaktdirektor; (b) Bereitstellen eines zweiten chiralen Elements (84) mit der vordefinierten Länge (L), das mit einem aktiven erregbaren lichtemittierenden Material dotiert ist und eine zweite Vielzahl von Molekülschichten hat, wobei jede aus der zweiten Vielzahl von Schichten einen eindeutigen zweiten Direktor hat, der im allgemeinen eine Orientierung von Molekülen in der Schicht darstellt, wobei jedes Paar der mehreren zweiten Direktoren einen Verschiebungswinkel zwischen sich hat, und einer zweiten Kontaktschicht mit einem zweiten Kontaktdirektor; (c) Verdrehen des ersten und zweiten chiralen Elements in bezug aufeinander um eine gemeinsame Achse senkrecht zu den ersten und zweiten mehreren Molekülschichten in einem Verdrehungswinkel, wobei die Verdrehung einen Defekt im chiralen Laser bewirkt, wobei der Defekt einen lokalisierten Photonenzustand in einem Photonensperrband in einer chiralen Struktur, die durch das erste und zweite chirale Element gebildet wird, in einer Wellenlänge proportional zu einer Größe des Verdrehungswinkels induziert; (d) Einwirken einer Erregung (88) auf das erste und zweite chirale Element, um zu bewirken, daß die darin dotierten lichtemittierenden Materialien elektromagnetische Strahlung emittieren; (e) wenn die vordefinierte Länge im wesentlichen unter einem vordefinierten Schwellwert ist, Lasern mit im wesentlichen rechtszirkular polarisiertem Licht in einer Laserwellenlänge entsprechend einer Position des von dem Defekt induzierten lokalisierten Photonenzustands, wobei der Photonenzustand in einer Wellenlänge proportional zu einer Größe des Verdrehungswinkels zentriert ist; (f) wenn die vordefinierte Länge im wesentlichen gleich dem vordefinierten Schwellwert ist, Lasern mit im wesentlichen senkrecht polarisiertem Licht in einer Laserwellenlänge entsprechend der Position des durch den Defekt induzierten loka lisierten Photonenzustands, wobei der Photonenzustand in einer Wellenlänge proportional zu einer Größe des Verdrehungswinkels zentriert ist; und (g) wenn die vordefinierte Länge im wesentlichen größer als der vordefinierte Schwellwert ist, Lasern mit im wesentlichen linkszirkular polarisiertem Licht in einer Laserwellenlänge entsprechend der Position des durch den Defekt induzierten lokalisierten Photonenzustands, wobei der Photonenzustand in einer Wellenlänge proportional zu einer Größe des Verdrehungswinkels zentriert ist.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei das zweite chirale Element eine dritte Kontaktschicht mit einem dritten Kontaktdirektor aufweist, wobei die dritte Kontaktschicht der zweiten Kontaktschicht des zweiten chiralen Elements gegenüberliegt, wobei das Verfahren ferner die Schritte aufweist: (e) Bereitstellen eines dritten chiralen Elements mit einer dritten Vielzahl von Molekülschichten, wobei jede aus der dritten Vielzahl von Schichten einen eindeutigen dritten Direktor hat, der im allgemeinen eine Orientierung von Molekülen in der Schicht darstellt, wobei jedes Paar der mehreren dritten Direktoren einen Verschiebungswinkel zwischen sich hat, und einer vierten Kontaktschicht mit einem vierten Kontaktdirektor; (f) Positionieren des zweiten und dritten chiralen Elements sequentiell zueinander, so daß die dritte Kontaktschicht in wesentlichem Kontakt mit der vierten Kontaktschicht ist; und (g) Verdrehen des zweiten und dritten chiralen Elements in bezug aufeinander um eine gemeinsame Achse senkrecht zu den ersten, zweiten und dritten mehreren Molekülschichten in einem zweiten Verdrehungswinkel, um eine zweite Verdrehung zu bilden, wodurch ein zweiter Defekt bewirkt wird, wobei der zweite Defekt einen zweiten lokalisierten Photonenzustand in einem Photonensperrband der chiralen Elemente in einer zweiten Wellenlänge proportional zu einer Größe des zweiten Verdrehungswinkels induziert.
Verfahren nach Anspruch 64, wobei der erste und zweite Verdrehungswinkel verschieden sind.
Verfahren nach Anspruch 64, ferner mit den Schritten: (h) selektives Ändern mindestens eines des ersten und zweiten Verdrehungswinkels, um mindestens eines von folgendem zu verändern: eine erste Position des ersten induzierten Defekts in dem Photonensperrband und eine zweite Position des zweiten induzierten Defekts in dem Photonensperrband.
Verfahren nach Anspruch 64, ferner mit den Schritten: (i) Bereitstellen eines ersten erregbaren lichtemittierenden Elements, das zwischen der ersten Kontaktschicht und der zweiten Kontaktschicht angeordnet ist; (j) Bereitstellen eines zweiten erregbaren lichtemittierenden Elements, das zwischen der dritten Kontaktschicht und der vierten Kontaktschicht angeordnet ist; und (k) selektives Einwirken einer Erregung auf mindestens eines des ersten und zweiten lichtemittierenden Elements, um zu bewirken, daß die lichtemittierenden Elemente elektromagnetische Strahlung emittieren, um Laserstrahlung in mindestens einer der ersten und zweiten Wellenlängen zu bewirken.
Verfahren zur Erzeugung eines Defekts in einer chiralen Struktur mit den Schritten: (a) Bereitstellen eines ersten chiralen Elements mit einer ersten Vielzahl von Molekülschichten, wobei jede aus der ersten Vielzahl von Schichten einen eindeutigen ersten Direktor hat, der im allgemeinen eine Orientierung von Molekülen in der Schicht darstellt, wobei jedes Paar der mehreren ersten Direktoren einen Verschiebungswinkel zwischen sich hat, und einer ersten Kontaktschicht mit einem ersten Kontaktdirektor; und (b) Bereitstellen eines zweiten chiralen Elements mit einer zweiten Vielzahl von Molekülschichten, wobei jede aus der zweiten Vielzahl von Schichten einen eindeutigen zweiten Direktor hat, der im allgemeinen eine Orientierung von Molekülen in der Schicht darstellt, wobei jedes Paar der mehreren zweiten Direktoren einen Verschiebungswinkel zwischen sich hat, und einer zweiten Kontaktschicht mit einem zweiten Kontaktdirektor; (c) Einführen eines physischen Defekts, der zwischen der ersten Kontaktschicht und der zweiten Kontaktschicht angeordnet ist; und (d) Verdrehen des ersten und zweiten chiralen Elements in bezug aufeinander um eine gemeinsame Achse senkrecht zu den ersten und zweiten mehreren Molekülschichten in einem Verdrehungswinkel, wobei die Verdrehung einen Verdrehungsdefekt in einer chiralen Struktur bewirkt, die durch das erste und zweite chirale Element gebildet wird, wobei die physischen und die Verdrehungsdefekte einen lokalisierten Photonenzustand in einem Photonensperrband der chiralen Struktur in einer Wellenlänge proportional zu einer Größe des Verdrehungswinkels und zu einer Dicke des physikalischen Defekts induzieren.
Verfahren nach Anspruch 68, wobei der physische Defekt eines von folgendem aufweist: Abstand und ein Fremdmaterial.
Verfahren nach Anspruch 68, wobei der Schritt (d) ferner den Schritt aufweist: (i) selektives Ändern des Verdrehungswinkels, um eine Position des induzierten Verdrehungsdefekts in dem Photonensperrband zu verändern.
Verfahren nach Anspruch 68, wobei das erste und zweite chirale Element jeweils eine vordefinierte Länge und eine vordefinierte Transversaldimension haben, wobei die vordefinierte Transversaldimension im wesentlichen kleiner ist als die vordefinierte Länge.