具有用于各向異性發(fā)射的等離子體天線陣列的固態(tài)光照設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光照設(shè)備。特別地，本發(fā)明涉及具有改進(jìn)的發(fā)射性質(zhì)的光照設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]對(duì)于用于使用在照明應(yīng)用中的發(fā)光二極管(LED)而言，合期望的是提供具有與由白熾照明產(chǎn)生的色溫近似相當(dāng)?shù)纳珳氐幕旧习咨狻?br>[0003]來自LED的白色光通常通過使用發(fā)射具有大約450nm波長(zhǎng)的藍(lán)光的pn 二極管來提供，其中使用布置在二極管的頂部上或在其鄰域中的一個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料來將藍(lán)色光的部分轉(zhuǎn)換成更長(zhǎng)的波長(zhǎng)。通過將經(jīng)轉(zhuǎn)換的光與未被吸收的藍(lán)色光組合，可以獲得被感知為白色光的合理寬帶頻譜。
[0004]當(dāng)前，在大多數(shù)商業(yè)應(yīng)用中，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料直接應(yīng)用在LED上。另外，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料應(yīng)當(dāng)是散射性的以便獲得顏色在角度上的低變化。這意味著藍(lán)色光還將散射回到二極管中，這造成LED中的吸收損失。而且，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料的活性成分(通常為磷光體)是各向同性發(fā)射體，這意味著在所有方向上發(fā)射相同量的經(jīng)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的光。這造成進(jìn)一步損失，因?yàn)閮H一部分光通過發(fā)光設(shè)備的輸出表面逸出。
[0005]減少損失的問題已經(jīng)例如通過使用較不散射的磷光體來解決以減少被背向散射并且由二極管吸收的藍(lán)色光的量。然而，來自磷光體的各向同性發(fā)射仍然存在。
[0006]離開發(fā)光設(shè)備的光的量還可以通過引入其中可以修改發(fā)射方向的光子帶隙材料來增加。然而，為了能夠控制發(fā)射方向，光子帶隙材料需要由具有高折射率對(duì)比度的材料制成，必須圖案化和形成高縱橫比的孔或柱，尺寸控制是非常嚴(yán)格的并且材料必須是發(fā)光的，這將招致散射損失。另外，光子帶隙材料僅在垂直于材料表面的平面中(即在平行于孔或柱的方向上)實(shí)際有效。
[0007]相應(yīng)地，所建議的用于增加發(fā)光設(shè)備的發(fā)射效率的方案遭受難以克服的固有缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]鑒于以上提到的發(fā)光設(shè)備的期望性質(zhì)以及以上提到的和其它的現(xiàn)有技術(shù)缺陷，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種改進(jìn)的發(fā)光設(shè)備。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種光照設(shè)備，包括:周期性等離子體天線陣列，其包括布置在天線陣列平面中的多個(gè)單個(gè)天線元件，等離子體天線陣列配置成支持由單個(gè)天線元件中的局域表面等離子體共振的衍射耦合引起的第一波長(zhǎng)處的表面晶格共振；配置成以第一波長(zhǎng)發(fā)射光子的光子發(fā)射體，光子發(fā)射體布置成緊密接近于等離子體天線陣列使得所發(fā)射的光子的至少一部分由包括所述光子發(fā)射體和所述等離子體天線陣列的耦合系統(tǒng)發(fā)射，其中等離子體天線陣列配置成包括面外非對(duì)稱的等離子體共振模式，使得從等離子體天線陣列發(fā)射的光具有各向異性角度分布。
[0010]等離子體的場(chǎng)是指小傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)(典型地，金屬結(jié)構(gòu))與光的相互作用，其中金屬結(jié)構(gòu)的尺寸類似于光的波長(zhǎng)。金屬中的傳導(dǎo)電子響應(yīng)于外部電場(chǎng)并且電子云以驅(qū)動(dòng)光學(xué)頻率振蕩，留下更加帶正電的區(qū)域，其將電子拉回。由于金屬結(jié)構(gòu)的小尺寸，共振可以達(dá)到可見光的頻率。作為結(jié)果，金屬結(jié)構(gòu)可以具有大的散射橫截面，其允許與入射在它們上的任何光或緊密接近于金屬顆粒生成的光的強(qiáng)烈相互作用。
[0011]已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，規(guī)則陣列展現(xiàn)出在發(fā)射方向性方面的強(qiáng)烈增強(qiáng)，這歸因于混合耦合LSPR (局域表面等離子體共振)和光子模式。
[0012]光學(xué)天線的有序陣列支持集體共振。當(dāng)輻射波長(zhǎng)近似于陣列的周期性時(shí)，衍射級(jí)(diffracted order)可以在陣列的平面中福射。這樣，由各個(gè)顆粒維持的局域表面等離子體極化聲子可以經(jīng)由衍射耦合，從而造成被稱為表面晶格共振(SLR)的集體、晶格誘導(dǎo)的混合光子-等離子體共振。這些非定域化模式在若干單位晶胞之上延伸，使得可能獲得如在固態(tài)照明中所要求的來自分布在大體積之上的發(fā)射體的發(fā)射的集體增強(qiáng)。
[0013]在此，使用表現(xiàn)為集體納米天線的納米顆粒的周期性陣列。這樣的陣列維持集體等離子體共振。一方面，金屬納米顆粒具有大的散射橫截面，其允許波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料中的磷光體的共振激發(fā)，增強(qiáng)光的轉(zhuǎn)換。另一方面，集體等離子體共振使得能夠?qū)Πl(fā)射的角度圖案成形，將大部分光成束(beam)到所定義的方向上的非常窄的角度范圍中。因此，方向增強(qiáng)被解釋為波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換介質(zhì)的激發(fā)中的增加的效率與磷光體的發(fā)射到陣列中的擴(kuò)展等離子體-光子模式的出耦合效率和到自由空間輻射的隨后出耦合的增強(qiáng)的組合。
[0014]等離子體天線陣列的功能的更加詳細(xì)的描述可以在W02012/098487中找到。
[0015]本發(fā)明是基于以下認(rèn)識(shí):各向異性光分布可以通過配置等離子體天線陣列使得其支持面外非對(duì)稱的共振模式并且緊密接近于天線陣列而布置光子發(fā)射體來實(shí)現(xiàn)。在本上下文中，面外非對(duì)稱意指共振模式的電磁場(chǎng)在從關(guān)于天線陣列平面的相反方向激發(fā)時(shí)是不同的，其進(jìn)而造成從天線陣列發(fā)射的光的非對(duì)稱角度分布。由此，發(fā)射各向異性可以配置成使得相比于在朝向光子發(fā)射體的方向上，從天線陣列發(fā)射的光的較大部分在遠(yuǎn)離光子發(fā)射體的方向上發(fā)射，使得所生成的光子的較大部分可以從光照設(shè)備逸出。因此，減少了再吸收并且實(shí)現(xiàn)了較高效率，因?yàn)橛晒庾影l(fā)射體產(chǎn)生的更多光從光照設(shè)備發(fā)射。另外，各向異性角度分布使得還控制由天線陣列發(fā)射的光的方向性是可能的，使得絕大部分光在關(guān)于天線陣列的平面的相對(duì)窄的角度范圍中發(fā)射。這在其中期望將所發(fā)射的光定向在預(yù)確定的期望的方向上的應(yīng)用中可能特別有利。因此，等離子體天線陣列可以集成在照明設(shè)備中充當(dāng)高效且緊湊的次級(jí)準(zhǔn)直光學(xué)器件。等離子體天線陣列因而對(duì)于取代準(zhǔn)直光學(xué)器件可以是有用的。
[0016]用于增加所發(fā)射的光的方向性的等離子體天線陣列還提供鑒于例如要求層厚度和尺寸的仔細(xì)調(diào)諧的光子晶體的益處。
[0017]本發(fā)明的特定優(yōu)點(diǎn)在于通過布置光子發(fā)射體使得混合耦合的LSPR的空間擴(kuò)展和等離子體天線陣列的光子模式與光子發(fā)射體重疊，發(fā)生所發(fā)射的光子與等離子體天線陣列之間的耦合，使得所發(fā)射的光子的方向由等離子體天線陣列以如以上討論的相同方式來控制。
[0018]因此，對(duì)于布置成使得耦合發(fā)生在光子發(fā)射體與等離子體天線陣列之間的光子發(fā)射體，所發(fā)射的光子可以被視為從包括光子發(fā)射體和等離子體天線陣列的耦合系統(tǒng)發(fā)射。一般而言，處于激發(fā)態(tài)的光子發(fā)射體可以直接發(fā)射光子，或者通過其中耦合發(fā)生在光子發(fā)射體與等離子體天線陣列的模式之間的耦合發(fā)射而發(fā)射。
[0019]在其中使用光子發(fā)射體的全體并且其中各個(gè)光子發(fā)射體具有不同的發(fā)射波長(zhǎng)的應(yīng)用中，等離子體天線陣列可以配置成使得增強(qiáng)特定波長(zhǎng)的方向性，從而使得還控制從光照設(shè)備發(fā)射的所得到的頻譜是可能的，至少對(duì)于由天線陣列確定的特定發(fā)射角度范圍而言。
[0020]光子發(fā)射體應(yīng)當(dāng)理解為任何原子、分子、顆?；蚪Y(jié)構(gòu)，其能夠通過能量的添加而在能量方面提升到激發(fā)狀態(tài)，并且其中松弛到較低能量狀態(tài)通過光子的發(fā)射而發(fā)生。
[0021]—般而言，定義為通過在沒有陣列的情況下的相同光子發(fā)射體的光致發(fā)光所歸一化的、從沉積在陣列之上的光子發(fā)射體測(cè)量的光致發(fā)光強(qiáng)度的光致發(fā)光增強(qiáng)(PLE)計(jì)及發(fā)生在光子發(fā)射體的發(fā)射頻率處和激發(fā)處的現(xiàn)象。一方面，其取決于激發(fā)波長(zhǎng)處的局部場(chǎng)和光子發(fā)射體位于其中的定位。另一方面，發(fā)射由于(i)發(fā)射體可以衰減至其而在發(fā)射波長(zhǎng)處發(fā)射輻射的光學(xué)狀態(tài)的局部密度；以及(ii )該發(fā)射到特定立體角中的自由空間輻射的出耦合的組合效果而被修改。
[0022]而且，對(duì)于磷光體發(fā)射體，除了方向性增強(qiáng)之外，由于發(fā)射體的發(fā)射頻率處的共振，等離子體還提供發(fā)射體的增強(qiáng)的激發(fā)效率/吸收橫截面，這是由于栗浦頻率處的共振激發(fā)的緣故。
[0023]另外，天線陣列形成為展現(xiàn)出長(zhǎng)范圍對(duì)稱性的天線元件的規(guī)則晶格。然而，可以允許天線陣列的一定程度的非對(duì)稱性而同時(shí)仍舊實(shí)現(xiàn)各向異性光分布的期望效果。
[0024]天線陣列的共振頻率和帶寬由天線元件的分布(即天線元件的晶格、幾何結(jié)構(gòu))、天線元件由其形成的材料以及天線陣列附近的層的材料和配置所支配。由此，可以通過調(diào)諧前述參數(shù)來實(shí)現(xiàn)期望的共振頻率和帶寬。在本上下文中，窄頻率帶可以理解為對(duì)應(yīng)于幾個(gè)納米的波長(zhǎng)范圍的共振頻率。然而，考慮到顏色再現(xiàn)，較寬的共振(高達(dá)30nm FWHM)在LED應(yīng)用中可以是有利的。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，光子發(fā)射體布置在距所述等離子體天線陣列一定距離處使得絕大多數(shù)所發(fā)射的光子通過包括所述光子發(fā)射體和所述等離子體天線陣列的耦合系統(tǒng)發(fā)射。當(dāng)耦合發(fā)生在所發(fā)射的光子與等離子體天線陣列的混合模式之間時(shí)，光子的能