光学设备的制作方法

光学设备的制作方法
【专利摘要】提供一种被布置成与电磁源耦合的设备。该设备包括被布置成增加处于预先确定的光学波长的辐射强度的光学超材料。该光学超材料具有周期性反射组件，该周期性反射组件具有不大于预先确定的波长的维度。
【专利说明】光学设备
[?σοι] MM
[0002] 本公开涉及用于增强电磁源的输出的设备。尤其地，本公开涉及用于增加来自源 的处于预定波长的辐射强度的设备。更具体地，本公开涉及用于增加光源的功效的设备。
[0003] 置量
[0004] 当今在家庭/消费层存在被广泛使用的三种主要类型的光源：白炽灯、紧凑型荧 光（CFL)和发光二极管（LED)。
[0005] 可以在不同光源的发光功效方面测量这些不同光源的光效率，发光功效具有每瓦 流明（lm/W)的单位。这是针对馈入到该设备的给定墙插坐（wall-plug)电功率的由光源 所发射的流明量。蜡烛具有〇. 31m/W的发光功效（这是该规模的低端），而理想的单色绿 激光具有6831m/W左右的发光功效。这样的激光是最1?效的光源，并占据功效规|旲的1?端。 光源所需的足以照亮小房间的发光功率量为1000流明左右。高效光源的目标是达到该发 光功率量，同时消耗最小可能的电功率。
[0006] 白炽灯泡是曾经发明的、并将电转换成光的第一种灯泡。其主要技术取决于以非 常高的温度加热金属灯丝（通常为钨）直到它发光。该技术在200年之前被首次开发出， 并在19世纪后期仍被供应市场。它提供一种对人类眼睛非常舒适的光（光谱）类型，因为 它与我们的眼睛最习惯的太阳发出的光谱类似。这是黑体辐射物的光谱。
[0007] 然而，白炽灯泡是非常低效的光源，因为其功率消耗对于其产生的光输出而言非 常高。例如，60瓦的白炽灯泡具有151m/W左右的发光功效，因此发出900流明左右的光。 白炽灯泡的功效如此低是因为发生的加热过程。大多数输入电功率（90%左右）作为处于 红外频率的热量被释放，而不是作为有用的可见光被释放。
[0008] 紧凑型荧光灯被设计来替代白炽灯泡，并基于发光现象操作，其将紫外（UV)光转 换成可见光。CFL通常包含惰性气体，诸如水银和氩气。当在包含这些气体的灯管的端部供 电时，它迫使该气体中的水银离子复合以便以UV波长发出能量。该UV光被灯管的特殊化 学涂层吸收并通过荧光重新发光为可见光。该化学涂层由一种或多种类型的荧光体组成， 每一种突光体负责以不同的波长范围发光。
[0009] 该方法不涉及加热，因此CFL的发光功效为701m/W，其效率比白炽灯高4倍以上。 同时，其使用寿命比白炽灯长10倍。然而，CFL的光质任何地方都不接近白炽灯所发出的 光的光质。这是因为相比白炽灯所产生的更为自然的光，CFL所发出的光的光谱完全不同。 [0010] 可用的最新类型的光灯泡是LED。这些LED是当在其端子上施加小直流（DC)电 压时发光的固态设备。该技术已用了几十年，并且低功率LED光已惯常地被用在某些市场 中，诸如不总是需要亮白光的电子产品。在过去的十年内，LED已作出了朝向消费照明产品 的推动，这些LED在不久的将来可能变成最被认可的照明技术。这是因为LED的发光功效 可达到理论最大值3001m/W，其比白炽灯高20倍，并比CFL高5倍以上。同时，LED具有可 达到30年的使用寿命，因此从消费者的观点来看购买好的LED灯是一种安全的长期投资。 [0011]当今可用的消费LED灯已被限于低瓦数，一般限于"40瓦的当量"。这意味着这样 的LED灯将发出与40瓦的白炽灯相同的光（发光度），即使它将只消耗约5-10瓦的电功 率。当前实用的LED灯的典型发光功效为70-1001m/W左右，这堪比CFL的发光功效。所有 的LED都是定向的，这是为什么厂商必须添加反射器和各种光漫射涂层或树脂壳以制成光 散射器以供在家庭或其他照明应用中使用的原因。
[0012] 这些类型的光源中的每一种光源都具有其缺点。白炽灯具有非常低的功效并消耗 与其光输出相比不成比例的大量功率。CFL具有改善的功效，然而这是通过牺牲光质实现 的，从而导致延长曝光之后的不适。LED具有优良的功效，然而其绝对发光功率与其他类型 的光源的发光功率相比较低。
[0013] 本公开涉及解决传统光源的当前局限性。
[0014] 概述
[0015] 本发明的各方面在所附独立权利要求中限定。
[0016] 提供被布置成与电磁源偶合的设备，诸如白炽灯或发光二极管（LED)。该设备包括 至少一种光学超材料，该光学超材料包括周期性反射组件，诸如反射元件的规则阵列或规 则网格。该周期性反射组件具有亚波长维度。
[0017] 特别地，提供可与已知的电磁源耦合、接收已知的电磁源或与已知的电磁源啮合 以增强输出（诸如增加效率或功效）的设备。在可选的进一步的改进中，该设备可被布置 成形成空腔。有利地，该设备可被调谐以便以特定波长或波长带谐振。更有利地，该设备是 无源的，由此增加能量效率。
[0018] 附图简沭
[0019] 现在将参考附图对发明的实施例进行描述，其中：
[0020] 图1示出了周期性反射组件的一些示例单位晶胞，该周期性反射组件包括具有Lx 乘Ly的边的矩形或具有直径L的圆形盘；
[0021] 图2示出了根据本公开的示例光学超材料，该光学超材料包括在X维度和y维度 中分别具有空间周期Dx和Dy的周期性2D阵列布置的各单位晶胞；
[0022] 图3示出了平面光超材料表面，该表面被放置在以下辐射源近旁：位于全反射表 面近旁的辐射源（左）以及位于不存在超材料的反射表面近旁的辐射源（右）；
[0023] 图4是包括被放置在基板上的、被球形布置中的各反射元件包围的LED管芯的示 例球形空腔，其中这些反射元件被放置在透明支撑材料的顶部；
[0024] 图5示出了包括被放置在基板上的、被圆柱状布置中的各反射元件包围的LED管 芯的示例圆柱状空腔；
[0025] 图6示出了包括被放置在基板上的、被平面布置中的各PRS元件围绕的LED管芯 的示例平面空腔；
[0026] 图7A是示出反射器/基板和反射元件阵列之间的间隔距离S的示例平面空腔的 侧视图；
[0027] 图7B是包括多层超材料的示例平面空腔的侧视图；
[0028] 图8A是平面超材料晶胞的不例圆柱状阵列；
[0029] 图8B示出图8A的进一步细节；
[0030] 图9示出圆柱状空腔的示例圆柱状阵列；
[0031] 图10示出圆柱状空腔的示例圆柱状阵列；
[0032] 图IlA示出圆柱状晶胞的示例平面阵列；
[0033] 图IlB示出平面晶胞的示例平面阵列；
[0034] 图12A示出球形空腔的示例平面阵列；以及
[0035] 图12B示出平面空腔的示例球形阵列。
[0036] 在这些附图中，相同的参考标记指示相同的部分。
[0037] 附图的详细描沭
[0038] 超材料是人造材料，其可以实现自然界不存在的电磁性质，比如负的折射率或电 磁隐身。尽管超材料的理论性质是在20世纪60年代被首次描述的，但是在过去的10 - 15 年中，这样的材料的设计、工程和制造已经存在显著发展。超材料一般由大量单位晶胞（即 多个单独的元件）组成，所述单位晶胞每个都具有比操作波长小得多的大小。这些单位晶 胞在微观上是从诸如金属和介电质之类的常规材料中构建的。然而，它们确切的形状、几 何、大小、取向和布置可以在宏观上以非常规方式影响光，比如产生共振或针对宏观介电常 数和磁导率的不寻常值。
[0039] 可用超材料的一些示例是负折射超材料、手性（chiral)超材料、等离子超材料、 光子超材料等。由于它们的亚波长特征，在微波频率下操作的超材料具有几毫米的典型单 位晶胞大小，而在光谱的可见光部分操作的超材料具有几纳米的典型单位晶胞大小。超材 料可以以某些窄频率范围来强烈地吸收光。
[0040] 对于常规材料，诸如磁导率和介电常数之类的电磁参数产生于构成该材料的原子 或分子对穿过其的电磁波的响应。在超材料的情况下，这些电磁性质不是在原子或分子级 被确定的。相反，这些性质是通过选择和配置构成超材料的较小对象的集合来确定的。尽 管这样的对象集合及其结构在"原子级"看上去不像常规的材料，但是超材料仍然可以被设 计为使得电磁波将穿过该超材料，就好像它穿过常规材料一样。此外，因为超材料的性质可 以从这样的小（纳米级）对象的组成和结构中确定，因此超材料的诸如介电常数和磁导率 之类的电磁性质可以在非常小的尺度上精确地调谐。
[0041] 用于辐射增强的光学轺材料
[0042] 提供周期性反射组件的光学超材料，该周期性反射组件被布置成增加从电磁源发 出的处于预定波长的辐射强度。该周期性反射组件具有少于预定波长的维度。可以说，周 期性反射组件具有"亚波长"维度。
[0043] 在一实施例中，周期性反射组件包括反射元件的规则阵列，其中每一反射元件具 有不大于预定光学波长的第一维度。
[0044] 在一实施例中，周期性反射组件包括单位晶胞的2D周期性阵列。这些单位晶胞 以平面方式布置，并由反射组件101组成，该反射组件具有矩形或圆形形状，例如（参加图 la)。这些单位晶胞不仅包括主要的形状（即，矩形或圆盘），还包括一些周围空间103,该 周围空间由也充当这些反射元件的支撑结构的介电材料组成。这在其中整个阵列都被示出 的图2中被更明显地示出，该阵列由在相对于彼此相距Dx和Dy处放置的Nx乘Ny个元件 201组成。这些几何参数也定义了"填充因子"，该填充因子是该阵列所覆盖的表面积的几 分之一。对于图2中示出的示例而言，这等于f= (DxDyV(LxLy)。
[0045] 在替换实施例中，周期性反射组件包括规则网格，该规则网格在不大于预定光学 波长的一个维度中具有周期性。即，也可利用互补设计，即单位晶胞包括被反射网格107围 绕的介电空间（参加图lb)。即，该阵列的反射组件和介电分量已被互换。
[0046] 反射组件可由包括均质材料（诸如金属）以及复合材料和纳米复合材料（包括 Bragg反射器）的任何反射材料形成。反射组件可以由例如银、金和/或氧化铝、或者支持 光学频率中的等离子共振的任何其他金属制成。
[0047] 反射组件可由本身是反射性（独立的）的材料形成，但可理解该材料在特定百分 比上将是反射性的，例如银片在某一频率处的反射率可以为99. 999%。换言之，该材料表现 得像完美的反射器。技术人员将理解，用于在介电支撑结构上产生纳米级反射组件的任何 合适的技术可以是恰当的。在各实施例中，使用蚀刻或光刻技术，诸如电子束光刻。在其他 实施例中，使用自聚合化学过程。在各实施例中，可将反射组件嵌入在支撑结构中。
[0048] 图1和2仅作为示例示出了矩形元件；任何其他矩形形状都是合适的。
[0049] 在各实施例中，支撑结构是热塑性塑料，诸如普列克斯玻璃或有机玻璃。在其他实 施例中，支撑结构是聚碳酸酯、复合物（诸如SiO2和热塑性塑料）、玻璃或硅石。然而，其他 热稳定材料可同样是合适的。
[0050] 在光学频率处，金属可能非常易损，因此在各实施例中，同时实现低损耗和高热稳 定性的金属介电和/或介电材料和复合物是优选的。
[0051] 通常，根据本公开的Lx和Ly为20纳米到2000纳米，这取决于诸如预定波长等其 他设计参数。反射组件的厚度通常不小于感兴趣的波长的50分之一。在各实施例中，反射 组件具有大于其透入深度的厚度。
[0052] 可理解，超材料具有"填充因子"。即，该超材料的表面积的几分之一是反射性的。 例如，如果该表面积的一半是反射性的，则超材料可具有50%的填充因子。该超材料的总反 射率或透射率由该填充因子确定。因此提供其中超材料的总反射率可通过选择周期性反射 组件的参数来预定布置。
[0053] 本公开的各实施例涉及增强可见波长以改善功效。因此，预定供放大或增强的波 长通常不大于2000纳米。然而，本公开同样适用于在100到30000纳米范围内的波长。
[0054] 有利地，发现当被合适地放置时，根据各实施例的光学超材料增加处于预定波长 的辐射强度。这归功于调谐光学超材料的独特属性的能力。注意，发明人已认识到根据本 公开配置的光学超材料可用于例如放大处于预定波长的来自源的光并增加功效。
[0055] 反射和透射元件的"亚波长"周期性布置允许周期性反射组件以谐振频率（或波 长）谐振。技术人员将理解，可存在以谐振频率（在该谐振频率处，将发生至少部分谐振） 为中心的窄频率带。自谐振频率取决于入射角。在各实施例中，选择周期性反射组件的参 数，使得超材料将以预定波长谐振；该谐振可被称为该超材料的"自谐振"。在谐振频率处， 将至少部分地在该超材料处"捕获"该谐振频率的辐射，并且放大可例如因相长干涉而发 生。超材料形成一种类型的波导，在该"波导"内部的场受束缚和包含。
[0056] 在谐振频率处，发现周期性反射组件的总反射率可下降0-10% (即，透射率上升 90-100% )，当然除非填充因子为100%。因此，该设备放大来自源的辐射并以谐振频率透 射该辐射。因此，提供被布置成与电磁源耦合并增加处于预定光学波长的辐射强度的设备。 这通过提供具有周期性反射组件的光学超材料来实现，该周期性反射组件具有不大于预定 波长的维度。
[0057] 发明人已发现为了使超材料自谐振，需要单位晶胞的最小数目。有利地，发明人已 发现超材料在一个维度中需要至少2. 5λ的长度（其中单位晶胞是亚波长）。
[0058] 在各实施例中，该设备包括其他超材料层，以例如提供多频带光学性能。即，在一 实施例中，该设备包括具有周期性反射组件的至少第二光学超材料，以便以第二预定波长 来增加来自源的辐射强度。这两种光学超材料可例如通过层叠来组合。在各实施例中，第 二超材料的反射组件的周期性与第一超材料的反射组件的周期性不同。因此，多频带性能 可被实现。在各实施例中，多个不同的光学超材料（具有部分重叠的预定波长）可被组合 以提供伪宽带响应。在各实施例中，该设备可包括被布置成提供增加的功效的多个光学超 材料。
[0059] 在各实施例中，发明人已发现附加的超材料层有利地间隔πιλ/2,其中m是整数。 技术人员将理解，附加的超材料还可与第一超材料相同，以在预定波长的强度方面提供进 一步的增加。
[0060] 该设备可进一步合并荧光材料，诸如例如在空腔内部或外部将紫外光或蓝光转换 成白光的荧光体。荧光体可涂敷该超材料的非反射部分，例如以提供不同的频率响应。荧 光体也可被嵌入在支撑材料中。
[0061] 何括光学轺材料的宇腔
[0062] 注意，发明人已发现预定波长的强度可通过形成至少部分地由光学超材料和反射 器来定界的空腔来进一步增加。
[0063]提供发光设备，包括：至少部分地由光学材料和反射器来定界的空腔；该空腔内 的电磁源；以及其中光学超材料包括被布置成接收来自电磁源的辐射并增加处于预定光学 波长的辐射强度的周期性反射组件。
[0064]在一实施例中，提供"敞开的"平面空腔。在图3中模拟示出了根据这个实施例的 平面空腔的效能，其中在光学超材料被放置在平面配置中的反射器上的源邻近时，电场幅 度被增强。图3 (左）示出了嵌在反射器（在源的左边）和光学超材料（在源的右边）之 间的源。图3(右）中没有光学超材料。各图中示出的灰度水平表示处于预定波长的辐射 强度（白表不商强度）。
[0065]在各实施例中，发现光学材料和反射表面之间的最优距离被给定如下：
[0066]
【权利要求】
1. 一种被布置成与电磁源耦合的设备，所述设备包括被布置成增加处于预定光学波长 的辐射强度的光学超材料，所述光学超材料具有周期性反射组件，所述周期性反射组件具 有不大于所述预定波长的维度。
2. 如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述周期性反射组件包括反射元件的规则 阵列，其中每一反射元件具有不大于所述预定光学波长的第一维度。
3. 如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述周期性反射组件包括规则网格，所述规 则网格在不大于预定光学波长的一个维度中具有周期性。
4. 如任一前述权利要求所述的设备，其特征在于，所述周期性反射组件由介电质支撑。
5. 如任一前述权利要求所述的设备，其特征在于，所述光学超材料基本上是平面。
6. 如任一前述权利要求所述的设备，其特征在于，所述预定光学波长处于电磁光谱的 可见部分中。
7. 如任一前述权利要求所述的设备，其特征在于，所述增加辐射强度是增加发光功效。
8. 如任一前述权利要求所述的设备，其特征在于，所述预定光学波长包括带宽。
9. 如任一前述权利要求所述的设备，其特征在于，所述设备是无源的。
10. 如任一前述权利要求所述的设备，其特征在于，所述光学超材料进一步包括荧光材 料用以将处于所述预定光学波长的辐射转换成另外的光学波长，所述荧光材料可任选地为 磷光体，所述另外的光学波长可任选地为可见波长。
11. 如任一先前权利要求所述的设备，其特征在于，进一步包括反射器。
12. 如权利要求11所述的设备，其特征在于，所述反射器为全反射表面，可任选地为金 属。
13. 如权利要求11或12所述的设备，其特征在于，所述反射器是具有周期性反射组件 的第二光学超材料。
14. 如权利要求11到13中的任一项所述的设备，其特征在于，所述反射器基本上为平 面。
15. 如权利要求11到14中的任一项所述的设备，其特征在于，所述光学超材料和反射 器被相应地布置成形成敞开的或关闭的空腔，所述空腔被布置成接收电磁源。
16. 如权利要求11到15中的任一项所述的设备，其特征在于，所述空腔被布置成以预 定角度Θ将处于所述预定光学波长的辐射发射到所述光学超材料。
17. 如权利要求16所述的设备，其特征在于，所述光学超材料和反射器在空间上相隔 距离S，所述距离S由以下等式定义：
其中，φ(θ)为处于所述预定角度的反射系数相位，λ ^为所述预定波长，且m为整数。
18. 如任一前述权利要求所述的设备，其特征在于，进一步包括层叠有所述第一光学超 材料的另外光学超材料，所述另外光学超材料具有周期性反射组件，所述周期性反射组件 被布置成增加来自所述电磁源的、处于第二预定光学波长的辐射强度。
19. 如权利要求18所述的设备，其特征在于，所述第二光学超材料的周期性反射组件 的周期不同于所述第一光学超材料的周期性反射组件的周期。
20. -种辐射发射设备，包括： 空腔，所述空腔至少部分地由光学超材料和反射器来定界； 所述空腔内的电磁源；并且其中 所述光学超材料包括周期性反射组件，所述周期性反射组件被布置成接收来自所述电 磁源的辐射并增加处于预定光学波长的辐射强度。
21. 如权利要求20所述的辐射发射设备，其特征在于，所述周期性反射组件包括：反射 元件的规则阵列，其中每一反射元件具有不大于所述预定光学波长的第一维度；或规则网 格，所述规则网格在不大于所述预定光学波长的一个维度中具有周期性。
22. 如权利要求20或21所述的辐射发射设备，其特征在于，所述反射器基本上为平面。
23. 如权利要求20到22中的任一项所述的辐射发射设备，其特征在于，所述空腔是平 面、至少部分为球形、半球形或至少部分为圆柱形。
24. 如权利要求20到23中的任一项所述的辐射发射设备，其特征在于，所述设备被布 置成以预定角度将处于所述预定光学波长的光发射到所述光学超材料。
25. 如权利要求20到24中的任一项所述的辐射发射设备的阵列，其特征在于，所述发 光设备被布置在平面阵列或圆柱形阵列中。
26. 如任一前述所述的设备、辐射发射设备或辐射发射设备阵列，其特征在于，所述电 磁源是从包括以下的组中选出的至少一者：白炽灯；发光二极管；紧凑型荧光灯；和激光 器。
27. 基本上如上文参考附图描述的一种设备、辐射发射设备或辐射发射设备的阵列。
【文档编号】G02B1/00GK104380147SQ201380016119
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2013年3月7日 优先权日:2012年3月14日
【发明者】G·帕里卡拉斯, T·卡洛斯 申请人:兰布达防护技术有限公司