来自用于固态照明的等离子体耦合发射体的增强发射的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光照设备。特别地，本发明涉及具有改进的发射效率的光照设备。
【背景技术】
[0002]对于用于使用在照明应用中的发光二极管(LED)而言，合期望的是提供具有与由白炽照明产生的色温近似相当的色温的基本上白色光。
[0003]来自LED的白色光通常通过使用发射具有大约450nm波长的蓝光的pn 二极管来提供，其中使用布置在二极管的顶部上或在其邻域中的一个或多个波长转换材料来将蓝色光的部分转换成更长的波长。连同未被吸收的蓝色光一起，可以获得被感知为白色光的具有合理宽带频谱的光。
[0004]当前，在大多数商业应用中，波长转换材料直接应用在LED上。另外，波长转换材料应当是散射性的以便获得颜色在角度上的低变化。这意味着蓝色光还将散射回到二极管中，这造成LED中的吸收损失。而且，波长转换材料的活性成分(通常为磷光体)是各向同性发射体，这意味着在所有方向上发射相同量的经波长转换的光，从而造成进一步损失，因为仅一部分光到达发光设备的表面。
[0005]减少损失的问题已经例如通过使用较不散射的磷光体来解决以减少被背向散射并且由二极管吸收的蓝色光的量。然而，来自磷光体的各向同性发射仍然存在。
[0006]离开发光设备的光的量还可以通过引入其中可以修改发射方向的光子带隙材料来增加。然而，为了能够控制发射方向，光子带隙材料需要由具有高折射率对比度的材料制成，必须图案化和形成高纵横比的孔或柱，尺寸控制是非常严格的并且材料必须是发光的，这将招致散射损失。另外，光子带隙材料仅在垂直于材料表面的平面中(即在平行于孔或柱的方向上)实际有效。
[0007]相应地，所建议的用于增加发光设备的发射效率的方案遭受难以克服的固有缺陷。
【发明内容】
[0008]鉴于以上提到的发光设备的期望性质以及以上提到的和其它的现有技术缺陷，本发明的一个目的是提供一种改进的发光设备。
[0009]根据本发明的第一方面，因此提供了一种光照设备，包括:配置成激发光子发射体使得光子发射体可以在返回到松弛状态时发射光子的能量源；第一波长转换层，包括配置成将第一波长范围内的光转换成第二波长范围内的光的第一波长转换介质；以及第二波长转换层，包括配置成将第二波长范围内的光转换成第三波长范围内的光的第二波长转换介质；其中第一波长转换层和第二波长转换层中的至少一个包括周期性等离子体天线阵列，其包括布置在天线平面中的多个单个天线元件；并且其中等离子体天线阵列布置在其中的波长转换层中的波长转换介质包括布置成紧密接近等离子体天线阵列的光子发射体使得从波长转换层发射的光子的至少一部分由包括光子发射体和等离子体天线阵列的耦合系统发射；等离子体天线阵列配置成支持对应于等离子体天线阵列布置在其中的层中的光子发射体的波长范围的频率范围处的等离子体-光子晶格共振，使得从等离子体天线阵列发射的光具有各向异性角度分布。
[0010]等离子体的场是指小传导结构(典型地，金属结构)与光的相互作用，其中金属结构的尺寸类似于光的波长。金属中的自由电子响应于外部电场并且电子云以驱动光学频率振荡，留下更加带正电的区域，其将电子拉回。由于金属结构的小尺寸，共振可以达到可见光的频率。作为结果，金属结构可以具有大的散射横截面，其允许与入射在它们上的任何光或紧密接近于金属颗粒生成的光的强烈相互作用。
[0011]已经发现，位于规则阵列附近的转换材料展现出在发射方向性方面的强烈增强，这归因于混合耦合LSPR (局域表面等离子体共振)和光子模式。
[0012]光学天线的有序阵列支持集体共振。当发射波长近似于阵列的周期性时，衍射级(diffracted order)可以在阵列的平面中福射。这样，由各个颗粒维持的局域表面等离子体极化声子可以经由衍射耦合，从而造成被称为表面晶格共振(SLR)的集体、晶格诱导的混合光子-等离子体共振。这些非定域化模式在若干单位晶胞之上延伸，使得可能获得如在固态照明中所要求的来自分布在大体积之上的发射体的发射的集体增强。
[0013]在此，使用表现为集体纳米天线的纳米颗粒的周期性阵列。这样的阵列维持集体等离子体共振。一方面，金属纳米颗粒具有大的散射横截面，其允许波长转换材料中的磷光体的共振激发，增强光的转换。另一方面，集体光子-等离子体共振使得能够对发射的角度图案成形，将大部分光成束(beam)到所定义的方向上的非常窄的角度范围中。因此，各向异性发射被解释为波长转换介质的激发中的增加的效率与磷光体的发射到阵列中的扩展等离子体-光子模式的出耦合效率和该发射到自由空间辐射的随后出耦合的增强的组合。
[0014]等离子体天线阵列的功能的更加详细的描述可以在W02012/098487中找到。
[0015]本发明是基于以下认识:有利的是形成包括至少一个等离子体天线阵列的光照设备以提供由设备发射的光的增加的方向性，并且包括等离子体天线阵列的这样的光照设备中的波长转换层的顺序是重要的，因为其影响光照设备的总体效率。另外，各向异性角度分布使得还控制由天线阵列发射的光的方向性是可能的，使得绝大部分光在关于天线阵列的平面的相对窄的角度范围中发射。这在其中期望将所发射的光定向在预确定的期望的方向上的应用中可能特别有利。因此，等离子体天线阵列可以集成在照明设备中作为高效且紧凑的次级准直光学器件。在窄的角度范围内发射的光还可以称为成束的光。
[0016]另外，天线阵列形成为展现出长范围对称性的天线元件的规则晶格。然而，可以允许天线阵列的一定程度的非对称性而同时仍旧实现各向异性光分布的期望效果。
[0017]天线阵列的共振频率和带宽由天线元件的分布(即天线元件的晶格、几何结构)、天线元件由其形成的材料以及天线阵列附近的层的材料和配置所支配。由此，可以通过调谐前述参数来实现期望的共振频率和带宽。一般而言，存在带宽与方向性增强之间的折衷，这意味着，相比于具有更为宽带共振的天线阵列，在窄频率带中具有共振的天线阵列展现出较大的方向性增强。在本上下文中，窄频率带可以理解为对应于几个纳米的波长范围的共振频率。等离子体天线阵列因而对于取代准直光学器件可以是有用的。
[0018]用于增加所发射的光的方向性的等离子体天线阵列还提供鉴于例如要求层厚度和尺寸的仔细调谐的光子晶体的益处。
[0019]本发明的特定优点在于通过在等离子体天线阵列位于其中的波长转换层中布置光子发射体，使得混合耦合LSPR的空间扩展和等离子体天线阵列的光子模式与光子发射体重叠，发生所发射的光子与等离子体天线阵列之间的耦合，使得所发射的光子的方向由等离子体天线阵列以如以上讨论的相同方式来控制。
[0020]因此，对于布置成使得耦合发生在光子发射体与等离子体天线阵列之间的光子发射体，所发射的光子可以被视为从包括光子发射体和等离子体天线阵列的耦合系统发射。一般而言，处于激发态的光子发射体可以直接发射光子，或者通过其中耦合发生在光子发射体与等离子体天线阵列的模式之间的耦合发射而发射。
[0021]在其中使用光子发射体的全体并且其中各个光子发射体具有不同的发射波长的应用中，等离子体天线阵列可以配置成使得增强特定波长的方向性，从而使得还控制从光照设备发射的所得到的频谱是可能的，至少对于由天线阵列确定的特定发射角度范围而言。
[0022]光子发射体应当理解为任何原子、分子、颗粒或结构，其能够通过能量的添加而在能量方面提升到激发状态，并且其中松弛到较低能量状态通过光子的发射而发生。
[0023]—般而言，定义为通过在没有阵列的情况下的相同光子发射体的光致发光所归一化的、从沉积在阵列之上的光子发射体测量的光致发光强度的光致发光增强(PLE)计及发生在光子发射体的发射频率处和激发处的现象。一方面，其取决于激发波长处的局部场和光子发射体位于其