具有用于各向異性發射的等離子體天線陣列的固態光照設備的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及光照設備。特別地，本發明涉及具有改進的發射性質的光照設備。
【背景技術】
[0002]對于用于使用在照明應用中的發光二極管(LED)而言，合期望的是提供具有與由白熾照明產生的色溫近似相當的色溫的基本上白色光。
[0003]來自LED的白色光通常通過使用發射具有大約450nm波長的藍光的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或多個波長轉換材料來將藍色光的部分轉換成更長的波長。通過將經轉換的光與未被吸收的藍色光組合，可以獲得被感知為白色光的合理寬帶頻譜。
[0004]當前，在大多數商業應用中，波長轉換材料直接應用在LED上。另外，波長轉換材料應當是散射性的以便獲得顏色在角度上的低變化。這意味著藍色光還將散射回到二極管中，這造成LED中的吸收損失。而且，波長轉換材料的活性成分(通常為磷光體)是各向同性發射體，這意味著在所有方向上發射相同量的經波長轉換的光。這造成進一步損失，因為僅一部分光通過發光設備的輸出表面逸出。
[0005]減少損失的問題已經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色光的量。然而，來自磷光體的各向同性發射仍然存在。
[0006]離開發光設備的光的量還可以通過引入其中可以修改發射方向的光子帶隙材料來增加。然而，為了能夠控制發射方向，光子帶隙材料需要由具有高折射率對比度的材料制成，必須圖案化和形成高縱橫比的孔或柱，尺寸控制是非常嚴格的并且材料必須是發光的，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)實際有效。
[0007]相應地，所建議的用于增加發光設備的發射效率的方案遭受難以克服的固有缺陷。
【發明內容】
[0008]鑒于以上提到的發光設備的期望性質以及以上提到的和其它的現有技術缺陷，本發明的一個目的是提供一種改進的發光設備。
[0009]根據本發明的第一方面，提供了一種光照設備，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單個天線元件，等離子體天線陣列配置成支持由單個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處的表面晶格共振；配置成以第一波長發射光子的光子發射體，光子發射體布置成緊密接近于等離子體天線陣列使得所發射的光子的至少一部分由包括所述光子發射體和所述等離子體天線陣列的耦合系統發射，其中等離子體天線陣列配置成包括面外非對稱的等離子體共振模式，使得從等離子體天線陣列發射的光具有各向異性角度分布。
[0010]等離子體的場是指小傳導結構(典型地，金屬結構)與光的相互作用，其中金屬結構的尺寸類似于光的波長。金屬中的傳導電子響應于外部電場并且電子云以驅動光學頻率振蕩，留下更加帶正電的區域，其將電子拉回。由于金屬結構的小尺寸，共振可以達到可見光的頻率。作為結果，金屬結構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烈相互作用。
[0011]已經發現，規則陣列展現出在發射方向性方面的強烈增強，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]光學天線的有序陣列支持集體共振。當輻射波長近似于陣列的周期性時，衍射級(diffracted order)可以在陣列的平面中福射。這樣，由各個顆粒維持的局域表面等離子體極化聲子可以經由衍射耦合，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照明中所要求的來自分布在大體積之上的發射體的發射的集體增強。
[0013]在此，使用表現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，其允許波長轉換材料中的磷光體的共振激發，增強光的轉換。另一方面，集體等離子體共振使得能夠對發射的角度圖案成形，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，方向增強被解釋為波長轉換介質的激發中的增加的效率與磷光體的發射到陣列中的擴展等離子體-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的組合。
[0014]等離子體天線陣列的功能的更加詳細的描述可以在W02012/098487中找到。
[0015]本發明是基于以下認識: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稱的共振模式并且緊密接近于天線陣列而布置光子發射體來實現。在本上下文中，面外非對稱意指共振模式的電磁場在從關于天線陣列平面的相反方向激發時是不同的，其進而造成從天線陣列發射的光的非對稱角度分布。由此，發射各向異性可以配置成使得相比于在朝向光子發射體的方向上，從天線陣列發射的光的較大部分在遠離光子發射體的方向上發射，使得所生成的光子的較大部分可以從光照設備逸出。因此，減少了再吸收并且實現了較高效率，因為由光子發射體產生的更多光從光照設備發射。另外，各向異性角度分布使得還控制由天線陣列發射的光的方向性是可能的，使得絕大部分光在關于天線陣列的平面的相對窄的角度范圍中發射。這在其中期望將所發射的光定向在預確定的期望的方向上的應用中可能特別有利。因此，等離子體天線陣列可以集成在照明設備中充當高效且緊湊的次級準直光學器件。等離子體天線陣列因而對于取代準直光學器件可以是有用的。
[0016]用于增加所發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調諧的光子晶體的益處。
[0017]本發明的特定優點在于通過布置光子發射體使得混合耦合的LSPR的空間擴展和等離子體天線陣列的光子模式與光子發射體重疊，發生所發射的光子與等離子體天線陣列之間的耦合，使得所發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，對于布置成使得耦合發生在光子發射體與等離子體天線陣列之間的光子發射體，所發射的光子可以被視為從包括光子發射體和等離子體天線陣列的耦合系統發射。一般而言，處于激發態的光子發射體可以直接發射光子，或者通過其中耦合發生在光子發射體與等離子體天線陣列的模式之間的耦合發射而發射。
[0019]在其中使用光子發射體的全體并且其中各個光子發射體具有不同的發射波長的應用中，等離子體天線陣列可以配置成使得增強特定波長的方向性，從而使得還控制從光照設備發射的所得到的頻譜是可能的，至少對于由天線陣列確定的特定發射角度范圍而言。
[0020]光子發射體應當理解為任何原子、分子、顆粒或結構，其能夠通過能量的添加而在能量方面提升到激發狀態，并且其中松弛到較低能量狀態通過光子的發射而發生。
[0021]—般而言，定義為通過在沒有陣列的情況下的相同光子發射體的光致發光所歸一化的、從沉積在陣列之上的光子發射體測量的光致發光強度的光致發光增強(PLE)計及發生在光子發射體的發射頻率處和激發處的現象。一方面，其取決于激發波長處的局部場和光子發射體位于其中的定位。另一方面，發射由于(i)發射體可以衰減至其而在發射波長處發射輻射的光學狀態的局部密度；以及(ii )該發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，對于磷光體發射體，除了方向性增強之外，由于發射體的發射頻率處的共振，等離子體還提供發射體的增強的激發效率/吸收橫截面，這是由于栗浦頻率處的共振激發的緣故。
[0023]另外，天線陣列形成為展現出長范圍對稱性的天線元件的規則晶格。然而，可以允許天線陣列的一定程度的非對稱性而同時仍舊實現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、幾何結構)、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，可以通過調諧前述參數來實現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應于幾個納米的波長范圍的共振頻率。然而，考慮到顏色再現，較寬的共振(高達30nm FWHM)在LED應用中可以是有利的。
[0025]根據本發明的一個實施例，光子發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所發射的光子通過包括所述光子發射體和所述等離子體天線陣列的耦合系統發射。當耦合發生在所發射的光子與等離子體天線陣列的混合模式之間時，光子的能