专利名称：具有介质波导的等离子体灯的制作方法
本申请要求在2000年7月31日申请、名称为“等离子体灯”、系列号为No.60/222028的美国临时专利申请和在2001年3月15日申请、名称为“具有介质波导的等离子体灯”、系列号为No.09/809718的美国申请的优先权，在这里引证这两篇文献供参考。
发明的背景1、发明的领域本发明的领域涉及用于产生光的装置和方法，特别涉及无电极等离子体灯。
2、背景技术无电极等离子体灯提供点状、明亮的白光光源。由于它们不使用电极，因此无电极等离子体灯的使用寿命通常比其它灯长。现有技术中的无电极等离子体灯包含某些共同的特征。例如在授予Lynch等人的美国专利No.4954755、授予Lynch等人的美国专利No.4975625、授予Ury等人的美国专利No.4978891、授予Walter等人的美国专利No.5021704、授予Simpson等人的美国专利No.5448135、授予Simpson等人的美国专利No.5594303、授予Simpson等人的美国专利No.5841242、授予Simpson等人的美国专利No.5910710以及授予Simpson等人的美国专利No.6031333中，等离子体灯将微波能引导到充气腔中，该充气腔封闭含有能点燃、形成等离子体和发光的物质的混合物的灯泡，在这里引证这些文献供参考。
在这些专利中所述的等离子体灯是为了提供比有电极灯更明亮、寿命更长、光谱更稳定的光源。然而，对于很多应用来说，都希望提供一种更明亮、体积更小、更便宜、更可靠并具有长使用寿命的光源，但是至今仍不能得到这种光源。这种应用包括例如街灯和应急车辆。因此，存在着对低成本、非常明亮、耐用光源的需求。
在现有技术中，无电极等离子体灯的充气腔通常部分地由金属网构成。使用金属网是因为它能将微波能限制在充气腔内，同时最大量地输出可见光。微波能通常由磁控管或固态电子器件产生并通过一个或多个波导引入充气腔中。在充气腔中，选择频率的微波能产生谐振，其中谐振的实际频率取决于腔的形状和尺寸。虽然可用于给灯供电的频率有容限，实际上，电源的微波频率被限制在1-10GHz范围内。
由于需要在充气腔中建立谐振条件，因此充气腔通常不小于用于驱动灯的微波能的波长的一半。因此充气腔以及等离子体灯本身的尺寸有一个下限。然而，对于很多应用来说，例如高分辨率监视器、明亮灯和投影TV，这些尺寸仍然保持太大。因此存在对不限于现有技术所述的最小腔尺寸的等离子体灯的需求。
在现有技术中，灯泡通常位于充气腔中由微波能产生的电场最大的位置上。优选灯泡的支撑结构的尺寸和组成不干扰谐振微波，因为对微波的任何干扰都将降低灯的效率。因此灯泡通常由石英制成。但是，由于等离子体温度可能是几千摄氏度，这将导致石英壁温在1000℃左右，因此容易损坏石英灯泡。此外，石英灯泡的长期机械稳定性以及光学和电学性能不稳定。因此，存在对克服上述问题并且其长期光谱特性稳定的光源的需求。
在现有技术的等离子体灯中，灯泡通常含有与发光物质组合的惰性气体、第二元素或通常包括硫、硒、含硫或硒的化合物的化合物、或大量金属卤化物的任何一种。将灯泡中的物质暴露于高强度微波能，将使惰性气体变成等离子体。等离子体中的自由电子激发灯泡内的发光物质。当发光物质返回到低电子状态时，发射辐射。发射光的光谱取决于灯泡内的发光物质的性能。通常，选择发光物质以发射可见光。
上述类型的等离子体灯频繁需要高强度微波以起动点燃惰性气体使其成为等离子体。然而，用于产生和维持等离子体的一半以上的能量通常都作为热量损失了，因此产生了散热问题。可能在灯泡上形成热点，使灯泡上出现斑点，并由此降低灯效率。已经提出了通过旋转灯以便在灯中更好地分配等离子体和通过给灯吹恒定的气流来减少热点的方法。然而，这些方案都给灯增加了结构，由此增加了灯的尺寸和成本。因此，存在着对这样等离子体灯的需求，其需要较少能量来点燃和维持等离子体并且包括用于有效散热的最少量附加结构。
发明的概述在一方面，本发明一般提供产生明亮、光谱稳定的光的装置和方法。
根据这里所述的一个实施例，用于产生光的装置包括电磁能源、具有由介质材料形成的主体的波导、和灯泡。优选，波导连接到该能源上，用于从该能源接收电磁能。波导建立和含有电磁能。耦合到波导的灯泡从波导接收电磁能。被接收的电磁能点燃填充气体并形成等离子体和优选在可见光谱范围内发光。
在一个优选实施例中，灯泡构形为可以通过其窗口向外反射光。电磁能源优选是有效地耦合到波导并优选与波导热绝缘的微波能源。此外，波导的外表面、优选除了灯泡腔之外用材料涂覆，以便在波导内容纳微波能。形成波导的介质材料优选具有高介电常数、高介电强度和低损耗角正切值。这就允许在波导内产生高功率密度。散热片优选固定于波导的外表面上以散热。
根据第一替换实施例，灯以谐振腔模式工作。在这个模式中，导入波导中的微波能的频率能使其在波导内谐振。微波馈送装置和灯泡优选相对于波导定位，并对应谐振频率的电场最大值的位置。
根据第二替换实施例，灯在介质振荡器模式下工作。在这个模式下，在一个实施例中能量反馈装置或探针在对应能量最大值的位置耦合到介质波导。探针在耦合点检测波导内的电场幅度和相位。用探针信号提供反馈，即使随着在灯泡中产生等离子体而使谐振频率改变和/或即使介质波导由于产生的热量而经受热膨胀，该灯也可以在谐振腔模式下连续工作。探针给微波源提供反馈并且微波源调整其输出频率以动态维持谐振状态。
在附图中还说明和示出了其它实施例、改型和改进，包括上述实施例的组合及其特点。
附图的简要说明
图1表示根据优选实施例的等离子体灯的剖视图。
图2A和2B表示等离子体灯的替换实施例的剖视图。
图3A和3B表示等离子体灯的替换实施例的剖视图，其中灯泡与介质波导热绝缘。
图4A-D表示在矩形棱柱形波导内的不同谐振模式。
图5A-C表示采用圆柱棱柱形的圆柱波导内的不同谐振模式。
图6表示采用反馈装置给微波源提供反馈以维持谐振工作模式的装置的实施例。
优选实施例的详细说明下面参照附图，图1表示介质波导一体的等离子体灯101(DWIPL)的优选实施例。DWIPL101优选包括电磁辐射、优选为微波辐射的源115、具有由介质材料形成的主体的波导103、以及将辐射源115耦合到波导103的馈送部件117。如这里使用的，术语“波导”一般指具有至少部分地限制电磁能的特性和目的的任何器件。DEIPL101还包括优选设置在波导103的相反侧的灯泡107，其含有优选包括惰性气体和发光物质的气体填充物，当接收在特殊频率和强度的电磁能时发光物质将形成等离子体并发光。
在优选实施例中，微波辐射源115经过馈送部件117将微波能输送给波导103。波导包含微波能并将其引导到优选设置在与馈送部件117相反的波导103一侧的腔105中。设置在腔105中的是含有气体填充物的灯泡107。微波能优选被引入封闭的腔105中，并进而引入灯泡107中。这种微波能通常从它们的正常状态释放电子并由此将惰性气体转变成等离子体。惰性气体的自由电子激励发光物质。发光物质的去激励导致光发射。很显然，这里公开的DWIPL的不同实施例与现有技术的等离子体灯相比具有明显的优点，如产生更明亮和光谱更稳定的光的能力、更高的能量效率、更小的灯总尺寸以及更长的使用寿命跨度。
图1中示意性地示出了作为固态电子装置的微波源115，但是，能在0.5-30GHz范围内工作的、在本领域中公知的其它装置也可用做微波源，包括但不限于速调管和磁控管。用于微波源的最佳范围是从约500MHz到10GHz。
根据微波源115的热灵敏度，微波源115可以与灯泡107热绝缘，在工作期间灯泡107优选达到约700℃和约1000℃之间的温度。灯泡107与源115热绝缘具有的优点是可以避免源115退化。微波源115的附加热绝缘可以通过本领域中的大量公知方法的任何一种方法来实现，包括但不限于采用绝缘材料或占据源115和波导103之间的任选空间116的真空间隙。如果选择后者，应当采用适当的微波馈送部件以将微波源115耦合到波导103。
在图1中，从微波源115向波导103输送微波的馈送部件117优选包括同轴探针。然而，也可使用本领域中公知的几种不同类型的微波馈送部件的任一种，如微带线或鳍形线结构。
由于机械和其它方面的考虑，如热、振动、老化或冲击，当将微波信号引入到介质材料中时，优选采用刚性接触机构121保持馈送部件117和波导103之间的接触。接触机构121在馈送部件117和波导103之间提供恒定的压力，以便使微波能通过馈送部件117反射回来而不传输到波导103的概率最小化。在提供恒定压力时，接触机构121补偿了可能由于受热或机械振动产生的微波馈送部件117和波导103的小尺寸变化。接触机构可以是如图1中所示的弹性承载装置、风箱型装置、或本领域公知的能维持用于连续和稳定传输微波能的恒定压力的任何其它装置。
当馈送部件117耦合到波导103时，优选通过直接在波导103上、在与馈送部件117接触的位置上淀积金属材料123形成紧密接触。金属材料123消除了可能妨碍耦合的间隙，并优选由金、银或铂构成，但也可使用其它导电材料。可以使用本领域中公知的几种方法的任一种淀积金属材料123，如作为液体淀积金属材料123，然后在炉子中煅烧以提供坚固接触。
在图1中，波导103优选是矩形棱柱的形状，然而，波导103也可以具有圆柱棱柱形状、球形、或任何其它形状，包括复杂、不规则形状，其谐振频率优选通过电磁模拟工具来确定，并能从馈送部件117有效地将微波能引入灯泡107。波导的实际尺寸可能改变，这取决于使用的微波能的频率和波导103主体的介电常数。
在一个优选实施例中，波导主体约为12，500mm3，介电常数约为9，工作频率约为2.4GHz。这个尺度的波导主体比现有技术的等离子体灯中的波导小很多。因此，在优选实施例中的波导比现有技术更优越，因为较小的尺寸允许波导可用于很多应用，其中波导尺寸以前禁止了这种使用或者根本不能实现这种使用。对于大介电常数来说，可以实现甚至更小的波导尺寸。除了通过减小尺寸得到的明显优点之外，尺寸的减小还导致更高的功率密度、更低的损耗，因此更容易点燃灯。
不管其形状和尺寸怎样，波导103优选具有包括介质材料的主体，例如优选该介质材料呈现以下特性(1)介电常数优选高于约2；(2)损耗角正切值优选小于约0.01；(3)由优选高于约200℃的故障温度定量的抗热震能力；(4)DC击穿阈值电压优选高于约200千伏/英寸；(5)热膨胀系数优选小于约10-5/℃；(6)介电常数的零或稍微负值的温度系数；(7)在优选从约-80℃到约1000℃的最佳温度范围上的化学计量的稳定性和(8)导热率优选约为2W/mK(瓦每毫开尔文)。
某些陶瓷，包括氧化铝、氧化锆、钛酸盐和变体或这些材料的组合以及硅油可满足上述很多要求，并且由于它们的电学和热机械特性而可以使用它们。在任何情况下，应该注意到这里所述的实施例不限于呈现所有或大部分前述特性的波导。
在这里所述的波导的各种实施例中，如在上述限定的例子中，波导优选提供基本上热质量，以便有效地帮助热量的分布和分散并提供灯和微波源之间的热绝缘。
在图2A-B中示出了DWIPL200、220的替换实施例。在图2A中，灯泡207和灯泡腔205设置在波导203的一侧上，优选设置在与馈送部件209相反的一侧，并且更优选与馈送部件209处于同一平面，而且在微波能的电场为最大值的位置。在波导203中提供一个以上的电场最大值，灯泡207和灯泡腔205可以设置在一个最大值处，并且馈送部件209设置在另一个最大值处。通过将馈送部件209和灯泡207放在电场为最大值的位置，可以分别输送和截获最大量的能量。灯泡腔205在波导203的主体中为凹形。
如图2B所示，波导223的主体任选地以凸形从波导203的主体的主要部分向外突出，以便形成灯泡腔205。与图2A中一样，在图2B中，灯泡227优选与馈送部件221相对设置。然而，在波导203中提供一个以上的电场最大值，灯泡207、227可设置在馈送部件209、221的平面以外的平面中。
再参见图1，除了形成灯泡腔105的那些表面之外，波导103的外表面优选用薄金属涂层119涂敷以反射微波。涂层119的总反射率确定了包含在波导103中的能量水平。可以存储在波导103中的能量越多，灯101的总效率越高。涂层119还优选抑制瞬时辐射泄漏。一般情况下，涂层119优选大大消除了任何杂散微波场。
通过使腔105优选比用于操作灯101的微波波长小很多可大大衰减通过灯泡腔105的微波泄漏。例如，窗口的对角线的长度优选显著小于使用的微波波长(在自由空间中)的一半。
灯泡107设置在灯泡腔105中，并优选包括外壁109和窗口111。在一个最佳实施例中，波导103的主体的腔壁用做灯泡107的外壁。灯泡107的成分优选包括一种或多种介质材料，如陶瓷和蓝宝石。在一个实施例中，灯泡中的陶瓷与波导103中使用的材料相同。灯泡107优选采用介质材料，因为灯泡107最好被波导103的介质主体包围并且介质材料有助于确保微波能有效地耦合于灯泡107中的气体填充物。
外壁109优选采用密封113耦合到到窗口111上，由此确定灯泡壳(bulb envelope)127，其含有包括等离子体形成气体和发光物质的气体填充物。等离子体形成气体优选是能形成等离子体的惰性气体。发光物质优选是由目前本领域公知的大量元素或化合物中的任一种如硫、硒、含有硫或硒的化合物、或者大量金属卤化物中的任一种如溴化铟(InBr3)形成的蒸汽。
为帮助限制灯泡107中的气体填充物，密封113优选包括气密密封。外壁109优选包括氧化铝，因为其白颜色、温度稳定性、低孔隙率和热膨胀系数。然而，也可以采用通常提供一个或多个这些性能的其它材料。外壁109还优选具有一定构形以通过窗口111最大量地将光反射到腔105的外面。例如，外壁109可以具有抛物线形轮廓以通过窗口111将灯泡107内产生的光反射到外面。然而，也可以采用便于通过窗口111向外面引导光的其它外壁轮廓或配置。
窗口111优选包括用于透射光的蓝宝石，因为其热膨胀系数与氧化铝很好地匹配。窗口111也可采用具有相同光透射率和热膨胀系数的其它材料。在替换实施例中，窗口111可包括透镜以收集发射的光。
如前所述，在工作期间，灯泡107可达到约1000℃的高温。在这些条件下，在一个实施例中波导103用做灯泡107的散热片。通过减少DWIPL101的各个元件的热负载和热感应应力，DWIPL101的使用寿命通常增加到超过传统无电极灯的寿命跨度。通过优选在波导103的外表面周围放置散热片125可有效地散热，如图1所示。在图2B所示的实施例中，通过远离波导223的主体的主要部分延伸的腔225，可有利地采用DWIPL220，以便通过靠近灯泡227放置散热片222可更有效地散热。
在另一实施例中，波导103的主体包括介质，如钛酸盐，其在高温下通常不稳定。在这个实施例中，优选通过在波导103的主体和灯泡107之间放置热阻挡器来屏蔽波导103不受到灯泡107中的热的影响。在替换实施例中，外壁109通过包括具有低热膨胀系数的材料如NZP而用做热阻挡器。也可以采用其它合适的材料用做热阻挡器。
图3A和3B表示DWIPL300的替换实施例，其中真空间隙用做热阻挡器。如图3A所示，DWIPL300的灯泡313设置在灯泡腔315中并通过间隙317与波导311分开，间隙的厚度优选根据用于波导311的主体的材料的微波传播特性和材料强度而变化，间隙317优选真空，以使灯泡313和波导311之间的热传递最小化。
图3B表示DWIPL300的灯泡313、灯泡腔315和真空间隙317的放大图。真空间隙317的边界由波导311、灯泡支架319、和灯泡313形成。灯泡支架319可密封到波导311上，支架319在灯泡腔315的边缘的上面延伸并包括优选具有高导热率以帮助从灯泡313散热的材料如氧化铝。
嵌入支架319中的是入口密封321，用于在灯泡313就位时在间隙317中形成真空。灯泡313优选由灯泡支架319支撑并气密密封到其上。一旦在间隙317中形成真空，优选基本上减少了灯泡313和波导311之间的热传递。
由此所述的DWIPL的实施例优选在0.5-10GHz范围内的微波频率工作。该工作频率优选激励由波导的尺寸和形状支持的一个或多个谐振模式，由此在波导内建立一个或多个电场最大值。当用做谐振腔时，波导的至少一个尺寸优选是半波长的整数倍。
图4A-C表示在不同谐振模式工作的DWIPL410、420和430的三个替换实施例。图4A表示在第一谐振模式411工作的DWIPL410，其中矩形棱柱形波导417的一个轴的长度是使用的微波能的波长的一半。图4B表示在谐振模式421工作的DWIPL420，其中矩形棱柱形波导427的一个轴的长度等于使用的微波能的一个波长。图4C表示在谐振模式431工作的DWIPL430，其中矩形棱柱形波导437的一个轴的长度是使用的微波能的波长的1.5倍。
在每个DWIPL中和图4A-C中所示的对应模式中，并且对于在任何更高模式工作的DWIPL，灯泡腔415、425、435和馈送部件413、423、433、434优选相对于波导417、427和437设置在电场为工作最大值的位置上。然而，灯泡腔和馈送部件不是必须位于同一平面。
图4C表示DWIPL430的另外的实施例，其中两个馈送部件433和434用于给波导437输送能量。两个馈送部件433、434可耦合到单个微波源或多个微波源(未示出)上。
图4D表示另一实施例，其中一个能量馈送部件443将能量输送到具有多个灯泡腔415、416的波导447中，每个灯泡腔相对于波导447设置在电场为最大值的位置上。
图5A-C表示具有圆柱棱柱形波导517、527、537的DWIPL510、520、530。在图5A-C中所示的实施例中，圆柱的高度优选小于其直径，直径优选接近于能在波导517、527和537中谐振的能量的最低级半个波长的整数倍。用这个尺寸限制圆柱的结果是最低谐振模式与圆柱的高度无关。因此圆柱的直径优选指示在波导517、527、537内的能量的基本模式。因此对于其它要求如尺寸和散热性，可使圆柱的高度最优化。在图5A中，馈送部件513优选与灯泡腔515直径相对设置，并优选激励第零阶贝塞尔(zeroeth order Bessel)模式511。
也可以在圆柱棱柱形波导内激励其它模式。例如，图5B表示在其中圆柱527的直径优选接近于使用的微波能的一个波长的谐振模式中工作的DWIPL520。
作为另一个实施例，图5C表示在其中圆柱537的直径优选接近于使用的微波能的半个波长的谐振模式中工作的DWIPL520。图5C附加地表示了DWIPL530的实施例，由此使用两个馈送部件533、534给圆柱形波导537输送能量。作为DWIPL的另一个实施例，在具有圆柱形波导的DWIPL中，灯泡腔515、525、535和馈送部件513、523、533、534优选相对于波导517、527、537设置在电场为最大值的位置上。
采用介质波导具有几个明显的优点。第一，如上所述，波导可以用于帮助散去灯泡内产生的热量。第二，可以在介质波导中实现比本领域中目前使用的具有充气腔的等离子体灯中可能实现的更高的功率密度。介质波导的能量密度比充气腔等离子体灯的能量密度更大，这取决于用于波导的材料的介电常数。
参见图1的DWIPL101，对应波导的高Q值(其中Q是工作频率与谐振频率宽度的比)的波导103中的高谐振能量将导致微波能的高瞬息泄漏进入灯泡腔105中。灯泡腔105中的高泄漏导致灯泡127中的惰性气体的准静态击穿，由此产生第一自由电子。自由电子的振荡能量的尺度为1λ2，其中1是微波能的传播强度，λ是能量的波长。因此，微波能越高，自由电子的振荡能量越大。通过使振荡能量比气体的电离电位高，电子-中性粒子碰撞导致建立了有效的等离子体密度。
一旦在DWIPL中形成等离子体和吸收了引入功率，由于等离子体的导电性和吸收性能使波导的Q值下降。Q值的下降通常是由于波导的阻抗变化引起的。形成等离子体之后，在腔中存在等离子体使灯泡腔可吸收谐振能量，由此改变波导的总阻抗。阻抗的这个变化有效地减小了波导的总反射率。因此，通过匹配接近于波导的减小反射率的馈送部件的反射率，即使在形成等离子体之后也能获得足够高的Q值以便维持等离子体。因而，可实现相对小的往回反射到能源的低净回反射。
被等离子体吸收的大量能量最后以热量的形式表现出来，以使灯的温度达到1000℃。当波导也用做散热片时，如前所述，由于其热膨胀系数，波导的尺寸可能改变。在这种情况下，当波导膨胀时，在波导内谐振的微波频率改变了并且失去谐振。为了维持谐振，波导优选具有至少一个尺寸等于由微波源产生的微波频率的半个波长的整数倍。
补偿这个尺寸变化的DWIPL的一个最佳实施例采用这样的波导，其包括具有用于约等于其热膨胀的温度系数并且符号相反的折射率的温度系数的介质材料。采用这种材料，由于受热造成的尺寸变化导致折射率变化，并使中断腔的谐振模式的电位最小化。这种材料包括钛酸盐。补偿由于受热造成的尺寸变化的第二实施例包括以预定方式使波导的壁成物理锥形。
在另一最佳实施例中，如图6所示，DWIPL610可以在介质谐振振荡器模式中工作。在这个模式中，第一和第二微波馈送部件613、615耦合在可以是前述任何形状的介质波导611和微波能源617之间。能源617优选是具有高增益和高功率输出的带宽并能驱动等离子体发射。
第一馈送部件613通常可如上所述在其它实施例中工作。第二馈送部件615可探测波导611以采样存在的电场(包括其中包含的振幅和相位信息)并将其样品作为反馈信息提供给能源617或放大器的输入端。在探测波导611时，第二馈送部件615还优选用做过滤出杂散频率，只在波导611中留下谐振频率。
在这个实施例中，第一馈送部件613、第二馈送部件615和灯泡腔619每个优选相对于波导611设置在电场为最大值的位置上。采用第二馈送部件615，能源617放大了波导611中的谐振能量。由此能源617调整其输出频率以维持波导611内的一个或多个谐振模式。完成的结构由此形成了谐振振荡器。通过这种方式，可以实现由于等离子体形成和尺寸的热变化以及介电常数造成的频率偏移的自动补偿。
介质谐振振荡器模式还能使DWIPL610在关闭之后具有即刻再点火能力。如前所述，波导611的谐振频率可能由于热膨胀或由工作期间产生的热造成的介电常数的改变而改变。当DWIPL610关闭时，热量慢慢散去，使波导611的谐振频率即刻变化。
然而，如图所示，在谐振振荡器模式中，能源617自动补偿波导611的谐振频率的改变。因此，不管波导611的起动特性怎样，假如能源617具有所需带宽，则能源617将自动补偿以实现波导611内的谐振。能源立即以最佳等离子体形成频率给DWIPL提供功率。
前面已经示出和说明了本发明的实施例和优点，对于本领域技术人员来说很显然在不脱离本发明概念的情况下可以做出各种修改。因此，除了所附权利要求书的精神之外不限制本发明。
权利要求
1.一种电灯，包括(a)具有包括介质材料的主体的波导，所述波导构形为连接到能源，用于接收电磁能；和(b)耦合到波导并含有气体填充物的灯泡，当接收来自波导的电磁能时气体填充物发光。
2.根据权利要求1的电灯，其中波导的主体包括包含导电材料的外涂层。
3.根据权利要求1的电灯，其中灯泡包括在波导的主体中的腔以及耦合并覆盖该腔的窗口。
4.根据权利要求3的电灯，其中窗口对发射的光基本上是透明的。
5.根据权利要求3的电灯，其中窗口由蓝宝石构成。
6.根据权利要求3的电灯，其中窗口包括聚焦透镜。
7.根据权利要求1的电灯，其中波导的主体包括腔，并且灯泡至少部分地定位于该腔中。
8.根据权利要求7的电灯，其中灯泡包括耦合到蓝宝石窗口的陶瓷封闭件。
9.根据权利要求7的电灯，其中波导的主体包括主要部分和从主要部分突出的突起，并且腔位于突起中。
10.根据权利要求3的电灯，其中波导的主体包括主要部分和从主要部分突出的突起，并且腔位于突起中。
11.根据权利要求1的电灯，还包括耦合到波导的第一能量馈送部件，用于接收电磁能。
12.根据权利要求1的电灯，其中光是可见光、红外线或紫外光。
13.根据权利要求1的电灯，其中介质材料的介电常数大于约2.0。
14.根据权利要求1的电灯，其中电磁能的频率在约0.5-10GHz之间。
15.根据权利要求1的电灯，其中灯泡的壁至少部分地反射光。
16.根据权利要求1的电灯，其中灯泡的壁成形为可向窗口反射光。
17.根据权利要求1的电灯，其中灯泡的壁包括介质材料。
18.根据权利要求1的电灯，其中介质材料是陶瓷。
19.根据权利要求1的电灯，其中灯泡的壁使灯泡与波导热绝缘。
20.根据权利要求1的电灯，其中灯泡的窗口和壁具有近似相等的热膨胀系数。
21.根据权利要求2的电灯，其中波导的外涂层是导热的。
22.根据权利要求1的电灯，还包括连接到波导的外表面的散热片。
23.根据权利要求1的电灯，其中波导具有矩形棱柱形状。
24.根据权利要求1的电灯，其中波导具有圆柱棱柱形状。
25.根据权利要求1的电灯，其中波导为球形。
26.根据权利要求1的电灯，还包括耦合到波导并用于接收电磁能的能量馈送部件，其中刚性力机构保持第一能量馈送部件和波导之间的恒定接触件。
27.根据权利要求1的电灯，其中能源与波导和灯泡热绝缘。
28.根据权利要求1的电灯，其中气体填充物包括惰性气体和金属卤化物。
29.根据权利要求1的电灯，还包括设置在灯泡和波导之间的热隔离层。
30.根据权利要求29的电灯，其中热隔离层包括真空间隙。
31.根据权利要求1的电灯，其中电磁场在波导内谐振并包括至少一个谐振最大值。
32.根据权利要求31的电灯，还包括耦合到波导并用于接收电磁能的第一能量馈送部件，其中灯泡和第一能量馈送部件靠近至少一个谐振最大值之一。
33.根据权利要求31的电灯，还包括耦合到波导并用于接收电磁能的第一能量馈送部件，其中电磁能包括至少两个谐振最大值，第一能量馈送部件设置在至少两个谐振最大值的第一最大值处，并且灯泡设置在至少两个谐振最大值的第二最大值处。
34.根据权利要求31的电灯，还包括耦合到波导并用于接收电磁能的第一和第二能量馈送部件，其中电磁场包括至少一个谐振最大值，并且灯泡和第一能量馈送部件靠近至少一个谐振最大值之一。
35.根据权利要求31的电灯，还包括能源和耦合在波导和能源之间的反馈装置，其中反馈装置采样波导内的电磁场，将该采样的电磁场传输给能源，并且能源调整其电磁场的输送，以使由反馈装置检测的电磁场最大化。
36.根据权利要求35的电灯，还包括耦合在能源和波导之间的第一能量馈送部件，其中电磁能包括至少一个谐振最大值，第一能量馈送部件近似设置在至少一个谐振最大值的最大值处，灯泡近似设置至少一个谐振最大值的最大值处。
37.根据权利要求1的电灯，还包括能源。
38.一种电灯，包括包括介质材料并与能源热绝缘的波导，其构形为可从能源接收电磁能，所述波导具有在限定灯泡腔的第一侧上的突起以及在除了限定突起的表面之外的波导的外表面上导电和导热的外涂层；含有气体填充物的灯泡，在接收电磁能时气体填充物发光，所述灯泡至少部分地设置在灯泡腔中并包括(a)对光基本上是透明的窗口；和(b)外壁，该外壁与窗口气密耦合，并构形为能向窗口引导光，并具有约等于窗口的热膨胀系数的热膨胀系数，其中窗口和外壁限定含有气体填充物的壳体；和(c)耦合到波导的外壁的散热片。
39.根据权利要求38的电灯，其中电磁能在波导内谐振并包括至少一个谐振最大值，并且其中灯泡腔和将电磁能输入到波导的输入端靠近至少一个谐振最大值。
40.一种电灯，包括第一和第二能量馈送部件，用于从能源接收电磁能；具有包括介质材料的主体的波导，所述波导耦合到第一和第二能量馈送部件并从第一和第二能量馈送部件接收电磁能，并具有灯泡腔，所述波导还具有在除了限定腔的表面之外的主体表面上的导电和导热涂层；含有气体填充物的灯泡，所述灯泡设置在灯泡腔内并包括窗口和外壁，该窗口对发射的光基本上是透明的，外壁与窗口气密耦合，并构形为向窗口引导光，并具有约等于窗口的热膨胀系数的热膨胀系数，其中窗口和外壁限定灯泡的壳体以包含气体填充物；和耦合到波导表面的散热片。
41.根据权利要求40的电灯，其中波导构形为含有包括至少三个谐振最大值的谐振电磁能，第一能量馈送部件靠近第一谐振最大值，第二能量馈送部件靠近第二谐振最大值，并且腔靠近第三谐振最大值。
42.一种电灯，包括具有输出口和反馈口的高频电磁能源；耦合到输出口以接收来自能源的电磁能的能量馈送部件；具有包括介质材料的主体的波导，所述波导耦合到能量馈送部件并从能量馈送部件接收电磁能，并具有在主体内的灯泡腔和反射外涂层；耦合在反馈口和波导之间的反馈装置，反馈装置用于采样波导内的电磁能和用于给能源传输电磁能的振幅和相位，能源调节其电磁能输出以使由反馈装置检测的电磁能最大；含有气体填充物的灯泡，当被电磁能激励时，气体填充物发光，所述灯泡设置在腔内；耦合到波导的一侧的散热片。
43.根据权利要求42的电灯，其中波导内的电磁能包括至少一个谐振最大值，能量馈送部件设置在至少一个谐振最大值之一处，设置反馈装置以采样谐振场，并且灯泡腔设置在至少一个谐振最大值之一处。
44.一种电灯，包括至少一个能量馈送部件，用于接收来自能源的电磁能；包括介质材料并耦合到至少一个能量馈送部件上用于接收电磁能的波导，所述波导具有多个分离的腔，并且所述波导具有淀积在除了包括多个灯泡腔的表面之外的介质的外表面上的导电和导热涂层；含有惰性气体和发光物质的多个灯泡，在发光物质被电磁能激励时输出光，其中多个灯泡各设置在多个灯泡腔之一中，并包括对光是透明的窗口和内壁，内壁构形为向窗口引导光并具有约等于窗口的热膨胀系数的热膨胀系数，内壁气密耦合到窗口，该窗口和内壁由此限定其中含有所述材料的壳体；和耦合到波导所有外侧的多个散热片，放置所说多个散热片以从波导散去热量。
45.根据权利要求44的电灯，其中电磁能在波导内谐振并包括多个能量最大值，至少一个能量馈送部件近似设置在多个能量最大值的至少之一处。
46.一种电灯，包括电磁能源；耦合到能源并从能源接收电磁能的能量馈送部件；介质波导与能源热绝缘并耦合到能量馈送部件和从能量馈送部件接收电磁能，所述波导具有腔和在除了限定腔的表面之外的介质材料的外表面上的导电和导热外涂层；给腔做衬里的热隔离层；含有在被电磁能激励时产生光的材料的灯泡，所述灯泡设置在腔中，热隔离层将灯泡与波导分开，并包括窗口和内壁，窗口对光是透明的，内壁气密耦合到窗口并构形为向窗口引导光，并具有约等于窗口的热膨胀系数的热膨胀系数，窗口和内壁限定其中含有材料的壳体；和耦合到波导的外表面的散热片。
47.根据权利要求46的电灯，其中电磁能在波导内谐振并包括至少一个谐振最大值，能量馈送部件和灯泡腔靠近至少一个谐振最大值。
48.根据权利要求46的电灯，其中热隔离层包括真空间隙。
49.根据权利要求46的电灯，其中热隔离层包括第二介质材料。
50.一种产生光的方法，包括以下步骤(a)产生电磁能；(b)将电磁能引入具有腔的介质波导中；(c)将电磁能引入由腔和窗口限定的壳体内，壳体包括气体填充物；和(d)激励气体填充物以产生光。
51.根据权利要求50的方法，还包括通过窗口引导产生的光的步骤。
52.根据权利要求50的方法，还包括通过波导的外表面散去由等离子体产生的热量的步骤。
53.根据权利要求50的方法，包括以下步骤(e)采样波导内的电磁能的级别，和(f)调整产生的电磁能的频率，直到被采样的电磁能处于最大值为止。
54.根据权利要求50的方法，还包括在波导内产生电磁能的步骤。
全文摘要
本发明公开了一种介质波导成一体的等离子体灯，用于给直径为几毫米的小和明亮的灯泡供电。该灯被包含在将微波引导到灯泡的高介电常数材料中，并给驱动电路提供热绝缘，含有微波，提供结构稳定性和容易制造，并在用做介质谐振振荡器时允许有效的能量耦合到灯泡。
文档编号H05B41/24GK1444772SQ01813645
公开日2003年9月24日 申请日期2001年7月27日 优先权日2000年7月31日
发明者F·M·埃斯皮奥, C·J·乔施, 张易安 申请人:勒克西姆公司