CN103370803B - 光照设备 - Google Patents

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Abstract

提出了一种光照设备（100），包括诸如LED或激光二极管之类的光源（110）、诸如磷光体之类的波长转换介质（120）以及由诸如金属之类的高度可极化材料制成的周期性天线阵列（300）。光源发射初级波长光，该初级波长光至少部分地由波长转换介质转换成次级波长光。周期性天线阵列被定位成紧邻波长转换介质并且用来通过将入射初级波长光或者发射的次级光耦合到由阵列的各天线中的局部化表面等离子体激元偏振子的衍射耦合引起的表面晶格共振而增强波长转换介质中的吸收和/或发射过程的效率。这对于形成适合于用在投影系统中的低展度光照设备，或者对于控制次级波长光的定向性、偏振和/或颜色是特别有利的。

Description

光照设备
技术领域
本发明涉及一种光照设备。特别地，本发明涉及应用了波长转换介质的这样的设备。这样的设备用于例如光照系统、投影系统和激光系统中。
背景技术
所阐述种类的光照设备的一个实施例可从US7709811获悉。该文献公开了一种光照设备，其包括蓝色LED（例如GaN或InGaN）光源、内部光学元件、波长转换材料和外部光学元件（例如塑料或玻璃透镜）。波长转换材料（例如有机染料或无机磷光体）施加到内部元件的背离LED的侧面。内部光学元件为矩形或者金字塔形状的棱镜，并且用来将LED发射的初级光定向到波长转换材料。而且，它用来将波长转换材料在后向方向上（即朝向LED）发射的次级光重定向到前向方向（即远离LED）。外部光学元件用来限定由初级光和次级光的混合物组成的特定于应用的光照分布。
如US7709811所公开的设备表现出限制其有用性的若干困难，例如热管理问题、效率问题和发射方向性问题。
例如，许多光照应用规定了提供大约数瓦特的功率水平的基于LED的系统。当把具有这样的功率水平的光聚集在相对较小体积的磷光体材料中时，波长转换过程固有的斯托克斯损耗导致高的局部散热。对于大多数磷材料常见的0.1-10WK-1m-1的典型传导率，热传输在实现激发初级波长光的充分吸收所必需的磷光体层的典型地施加的厚度（~100μm）下变成一个限制因素。这导致可能容易地超过200-300℃的磷光体的温度水平缓解。在这样的水平下，磷光体的转换效率显著地下降，从而潜在地导致附加的功率损耗以及不受控制的进一步加热。
而且，这样的光照设备的总体效率取决于波长转换材料中的激发和发射过程的效率。激发效率取决于磷光体在LED发射的初级波长光处的吸收强度。发射效率受吸收的能量（即初级波长光）转换成发射的能量（即次级波长光）的程度以及该发射的能量在前向方向上耦合出设备的程度二者的影响。关于吸收效率，许多波长转换材料表现出相对较低的吸收系数（在400-480nm范围内激发时典型地为10-100cm-1）。这意味着需要100-1000μm厚的波长转换材料层以便充分地或者甚至完全地吸收激发辐射。这样的相对较大的厚度尤其是在与激光光源结合使用时可能导致发光区域的扩展的尺寸，并且因而导致诸如低展度光源之类的设备在例如作为射束器或汽车头灯的投影应用中的有限使用。
此外，波长转换材料的平坦发射表面引起朗伯型发射分布图。虽然已知光束定形光学元件对于实现特定于应用的光照分布是有用的，但是这些光学元件通常体积庞大，需要与LED和/或波长转换材料的精确对齐，并且典型地基于不允许不同光颜色的不同光束定形和光束定向的弱色散材料（例如玻璃、塑料）。
Pompa等人的文章“Fluorescence enhancement in colloidal semiconductornanocrystals by metallic nanopatterns”, Sensors and Actuator B: Chemical,Vol. 126, Issue 1, 20 Sept 2007, Elsevier, pp187-192描述了胶体半导体纳米晶体（例如CdSe/ZnS量子点或者CdSe纳米棒）的光致发光借助于金属纳米图案而显著地提高。
发明内容
本发明具有提供所阐述种类的光照设备的目的，在该光照设备中，上面提到的问题中的至少一个被缓解。该目的利用被设计成提供特定于应用的光照分布的光照设备来实现，该光照设备包括：
（i）光源，其被布置成发射初级波长的光，
（ii）波长转换介质，其被布置成与光源处于光接收关系并且被设计成将初级波长光的至少一部分转换成次级波长光，以及
（iii）周期性天线阵列，其紧邻波长转换介质而设置并且被布置成使得该天线阵列支持由各天线中的局部化表面等离子体激元共振的衍射耦合引起的表面晶格共振，以便允许实现特定于应用的光照分布。有利的是，本发明提供了一种允许使用更薄的波长转换介质的光照设备，因为波长转换过程（激发和/或发射）的效率被增强。而且，该设备允许通过周期性天线阵列的适当设计控制发射的光的颜色、定向性和偏振，以及允许增加发射的光的强度。
当在本文中使用时，术语“紧邻”是指周期性天线阵列与波长转换介质之间的比大约初级光和/或次级光的波长更小的距离。对于典型的光照设备而言，该距离因此应当小于700nm，优选地小于300nm，甚至更优选地小于100nm。紧邻因此也包括这样的情形，其中天线阵列施加到波长转换介质的表面上。它也包括这样的情形，其中天线阵列由波长转换介质包围。
依照权利要求2的本发明的实施例提供了这样的优点：通过将入射初级波长光或者发射的次级光耦合到由所述阵列的各天线中的局部化表面等离子体激元偏振子的衍射耦合引起的表面晶格共振，改进了波长转换过程。
依照本发明的一个实施例，天线阵列的周期达到初级或次级波长光的程度。有益的是，这允许光激发表面晶格共振。
依照权利要求4的光照设备的实施例有益地允许控制该设备的光照分布的修改。发射的光分布从朗伯型到更受限的立体角的这种修改对于诸如射束器和汽车前照明中的投影之类的低展度照明应用尤其有意义。
权利要求5的本发明的实施例有利地允许初级和/或次级波长光与所述阵列的天线和表面晶格共振的更好的耦合。
在依照权利要求6的实施例中，拉伸可控衬底允许主动控制光照设备的发射效率、发射的定向性和发射的波长。
在依照权利要求7-10的实施例中，两个子阵列允许适当地设计天线阵列以便适应若干光学现象，诸如例如一个子阵列增强波长转换介质的激发，而另一个子阵列增强次级波长光的发射并且限定次级波长光的方向。
权利要求11-14的实施例有利地允许设计分布式反馈发光设备，例如分布式反馈激光器。
本发明的这些和其他方面根据以下描述的实施例将是清楚明白的，并且将参照这些实施例进行阐述。然而，应当理解的是，这些实施例不可以被视为限制了用于本发明的保护范围。
附图说明
在以下结合附图对于示例性和优选的实施例的描述中公开了本发明的另外的细节、特征和优点。
图1示意性地示出了依照本发明实施例的光照设备。
图2A概略地示出了周期性天线阵列。
图2B示出了通过图2A的天线阵列的透射比与平行于阵列平面的波矢量和频率的函数关系。
图3示意性地示出了天线阵列参数的调节对于光照设备的发射特性的影响。
图4示意性地示出了天线阵列的实施例。
图5示意性地示出了依照本发明实施例的光照设备。
图6A示出了光通过图5的一个实施例的天线阵列的消光与平行于阵列平面的波矢量和光频率的函数关系。
图6B示出了针对在~1.2°角度下入射的光，光通过图5的另一个实施例的天线阵列的消光与光频率和天线长度的函数关系。
图7A示意性地示出了依照本发明实施例的表现出波导结构的光照设备的部分。
图7B示出了光通过图7A的波导结构的消光。
具体实施方式
图1示出了依照本发明的光照设备100。光照设备100包括光源110，例如诸如（无机或有机）发光二极管（LED）、共振腔发光二极管之类的半导体光源，诸如垂直腔激光二极管或者边缘发射激光二极管之类的激光二极管（LD）。当前在制造这样的能够在可见光谱中操作的半导体光源中令人感兴趣的材料体系包括III-V族半导体。特别地，也称为III族氮化物材料的镓、铝、铟和氮的二元、三元和四元合金是令人感兴趣的。典型地，III族氮化物半导体光源通过经由金属有机化学气相沉积、分子束外延或者其他外延技术在蓝宝石、碳化硅、III族氮化物或者其他适当的衬底上外延生长不同组成和掺杂剂浓度的半导体层的叠层而制造。所述叠层经常包括（i）在衬底上方形成的掺杂有例如Si的一个或多个n型层，（ii）在所述一个或多个n型层上方形成的发光或有源区，以及（iii）在有源区上方形成的掺杂有例如Mg的一个或多个p型层。通常，III族氮化物半导体光源在诸如蓝宝石之类的绝缘衬底上制造，两个接触在设备的同一侧。安装这样的光源，从而光通过接触（称为外延向上设备）或者通过与接触相对的光源表面（称为倒装芯片设备）而被提取。光源110被布置成发射初级波长光111。取决于上面讨论的应用到半导体光源中的合金，初级波长光范围从近UV（~365nm）到近IR（~1000nm）。
此外，光照设备100包括波长转换介质120。波长转换介质可以例如包括磷光体、量子点、有机荧光染料分子等等。光源110发射的初级波长光111至少部分地由波长转换介质120转换成次级波长光122。对于本领域中已知的许多实际的波长转换介质而言，由半导体设备发射的匹配这些介质的激发谱的初级波长光范围从~400nm到~490nm。
依照一个实施例，将包括磷光体的波长转换介质120形成到在这里称为“发光陶瓷”的陶瓷板中。这样的陶瓷板通常是与光源110分开形成的自支撑层。随后，将它们附接到完成的（半导体）光源，或者定位成与光源处于光接收关系。陶瓷层可以是半透明的或者透明的。在后一情况下，可以相当程度地降低与不透明波长转换介质关联的散射损耗。此外，由于发光陶瓷层为固体，因此与诸如天线阵列300之类的附加光学元件进行光学接触可能更容易。可以形成到发光陶瓷层中的磷光体的实例包括铝石榴石磷光体，其具有通式(Lu1-x-y-a-bYxGdy)3(Al1-zGaz)5O12:CeaPrb，其中0 < x < 1，0 < y < 1，0 <z ≤ 0.1，0 < a≤ 0.2并且0 < b ≤ 0.1，例如发射黄绿色范围的光的Lu3Al5O12:Ce3+和Y3Al5O12:Ce3+；以及(Sr1-x-yBaxCay)2-zSi5-aAlaN8-aOa:Euz 2+，其中0 ≤ a < 5，0 < x ≤ 1，0 ≤ y ≤ 1且0 < z≤ l，例如发射红色范围的光的Sr2Si5N8:Eu2+。适当的Y3Al5O12:Ce3陶瓷板可以从北卡罗来纳州夏洛特的Baikowski国际公司购买。其他的绿色、黄色和红色发射磷光体也可能是适当的，包括：(Sr1-a-bCabBac)SixNyOz:Eua 2+（a = 0.002 – 0.2, b = 0.0 – 0.25, c = 0.0 –0.25, x = 1.5 – 2.5, y = 1.5 – 2.5, z = 1.5 – 2.5），其包括例如SrSi2N2O2:Eu2+；(Sr1-u-v-xMguCavBax)(Ga2-y-zAlyInzS4):Eu2+，其包括例如SrGa2S4:Eu2+；Sr1-xBaxSiO4:Eu2+；以及(Ca1-xSrx)S:Eu2+，其中0 < x ≤ 1，其包括例如CaS:Eu2+和SrS:Eu2+。
依照一个实施例，波长转换介质120可以包括量子点。这些量子点可以包括CdS、CdSe、CdTe、ZnS或ZnSe，并且可选地可以涂敷有包括ZnS、ZnSe、CdS、CdSe、CdTe或MgSe的材料。量子点可以进一步涂敷有对于它们嵌入其中的主体基质具有亲和性的材料，例如与主体基质的聚合物成分有关的单体。有利的是，这样的涂层使得量子点能够无絮凝地散布在主体基质中。主体基质可以是诸如聚苯乙烯、聚酰亚胺或者环氧树脂之类的聚合物，硅玻璃或者硅胶。
依照一个实施例，波长转换介质120可以包括溶解在主体基质中的有机荧光分子。例如，主体材料中的BASF Lumogen染料，比如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）。
而且，光照设备100包括周期性天线阵列300，该天线阵列紧邻波长转换介质120设置，即周期性天线阵列与波长转换介质之间的距离小于大约初级光和/或次级光的波长。该阵列可以如图1中所指示的设置在波长转换介质120面向光源110的侧面。可替换地，周期性天线阵列300可以置于波长转换介质背离光源的侧面。周期性天线阵列300由包括高度可极化材料（例如金属）的天线301（参见图2A）形成。举例而言，天线可以包括诸如金、银、铜、铂和钯之类的贵金属。可替换地，它们可以包括诸如镍或铝之类的金属。所提到的金属的合金也是可能的。可替换地，天线301可以由两个金属层组成：用于粘附目的的薄的下层，例如铬；以及包括上面描述的金属或合金的更厚的上层。
因此，在一个实施例中，周期性天线阵列可以使用例如衬底共形压印光刻术沉积在诸如石英、蓝宝石或者未掺杂陶瓷板之类的（透明）衬底140上。该技术使用由薄玻璃衬底上的两个橡胶层组成的戳。图案模制在坚硬的硅橡胶中，并且薄玻璃片在平面外方向上是柔性的。该柔性允许制成共形接触，从而致使在非常大的表面区域上方精确复现纳米级特征，而不管可能存在缺陷或者表面污染。利用这种技术可以容易地制成尺寸与12英寸晶片一样大的阵列，其包括具有250x40nm2的典型尺寸并且具有200-600nm范围内的周期的天线。包括量子点的波长转换介质120（具有或者没有适当的主体基质）可以例如旋涂在天线阵列300上方。可替换地，可以将适当主体基质中的有机荧光分子旋涂在天线阵列上方。由于有利的是将天线嵌入到可选地均质的介质中，因而优选地主体基质/波长转换介质具有与衬底140相同或者基本上相似的有效折射率。这样的均匀光学周围环境允许初级和/或次级波长光与所述阵列的天线和表面晶格共振的更好的耦合，因为波长转换介质120中的散射的光于是可以与衬底140中的光同相地传播。在此上下文中，表面晶格共振的波长处基本上相似的有效折射率意味着Δn小于0.5，优选地小于0.3，更优选地小于0.05。通常，更小的天线301需要更对称的环境。可替换地，当周期性天线阵列300沉积在未掺杂陶瓷板上时，可以将该板键合到掺杂的陶瓷板，形成波长转换介质120。将周期性天线阵列300布置成夹在包括相同的主体晶体的掺杂的和未掺杂的陶瓷板之间是特别有利的，因为这些板具有相同的折射率。这两个板与天线阵列之间的空间可以填充有具有与这两个板的折射率匹配的折射率的材料（例如流体、聚合物或者溶胶凝胶），以便进一步增强阵列的环境的光学均匀性。
仍然可替换地，天线阵列300可以夹在两个波长转换介质120之间。例如，天线阵列300可以设置在第一波长转换介质120上，而第二波长转换介质覆盖天线阵列。在一个实施例中，第一和第二波长转换介质由两个掺杂的陶瓷板形成。在另一个实施例中，第一波长转换介质由天线阵列沉积于其上的掺杂的陶瓷板形成，并且第二波长转换介质包括旋涂在阵列上方的量子点。在这些实施例中，波长转换介质120包围天线阵列300。可选地，波长转换介质120可以包括具有截然不同的发射谱或颜色的两种（或者更多种，例如三种或四种）材料。这样的多种材料可以形成基本上均质的波长转换介质。可替换地，例如在上面描述的夹于中间的实施例中，这些材料可以在物理上分离。
周期性天线阵列300被布置成使得它支持由各天线301中的局部化表面等离子体激元共振的衍射耦合引起的表面晶格共振。局部化表面等离子体激元共振为经由天线301中的传导电子与诸如初级波长光111和/或次级波长光122之类的电磁场的耦合而激发的非传播表面模式。电磁场驱动传导电子在天线301内部振荡，导致根据其形状因子从天线发出的偶极或多极场。而且，驱动的电子在天线表面处的电荷累积将导致天线内部的去极化场。局部化表面等离子体激元共振在电子的响应表现出相对于驱动电磁场的π/2相位滞后时发生。谱位置（即共振发生的频率或波长）以及共振的特征由天线301的材料组成、尺寸、几何结构和周围环境确定。而且，它们由电磁场的偏振并且由天线间耦合确定。通过适当地控制这些参数，初级波长光111可以与局部化表面等离子体激元共振共振，从而允许增强波长转换介质120的激发。有利的是，本发明提供了一种光照设备100，其允许使用更薄的波长转换介质120，因为波长转换过程的效率被增强。而且，尤其是在使用激光器（二极管）作为光源110时，用作次级光源的更薄的波长转换介质120提高了光照设备100作为低展度发光设备的适合性。此外，可以针对初级波长光111到天线阵列300的平面的任何入射角激发局部化表面等离子体激元共振，从而有利地允许使用非准直LED。
激发效率可以通过将入射初级波长光111耦合到由各局部化表面等离子体激元共振的衍射耦合引起的表面晶格共振而进一步增强。有利的是，可以对初级波长光111准直以便优化到表面晶格共振的耦合。因此，光照设备100可以包括可选的准直光学器件160，例如透镜或者复合抛物面准直器（参见图1）。此外，光照设备可以包括可选的偏振器（例如与准直光学器件160集成）以便控制初级波长光111相对于天线301取向的偏振。在通过将初级波长光111耦合到周期性天线阵列300的表面晶格共振增强激发效率之外或者代替它的是，次级波长光122可以耦合到这样的晶格共振。由于该耦合的原因，次级波长光122可以在预先限定的立体角Ω内以相对于光照设备的光轴200的预先限定的角度α从光照设备100发射。形成对照的是，在缺少周期性天线阵列300的情况下，次级光将基本上从波长转换介质120发射，具有朗伯型分布。发射的光分布从朗伯型到更受限的立体角的这种修改对于诸如射束器和汽车前照明中的投影之类的低展度照明应用尤其有意义。因此，依照本发明实施例的周期性天线阵列300的应用在这样的应用中通过增加激发的波长转换介质120进入掠过（graze to）天线阵列300的晶格模式中的衰减并且经由通过阵列中的散射将这些模式耦合到自由空间辐射而有效地增强光照设备100的有用发射。与没有应用天线阵列的情况下获得的朗伯型发射分布图相比，该增强在特定波长-角度区内可以达到10、20或者甚至超过50的倍数。
上面描述的两种效应——泵增强和发射修改——可以根据天线301的几何结构和尺寸及其在阵列300中的空间配置而进行组合或者独立地应用。因此，由于耦合的强度取决于波长和偏振，并且次级波长光122的发射的定向性密切地与表面晶格共振的角色散相似，因而可以通过适当地设计周期性天线阵列300而实现特定于应用的光照分布，包括颜色（色调、饱和度、色点、色温）、方向和偏振。
当天线301周期性地布置在阵列300中，具有与散射的（初级和/或次级）光的波长同延的晶格常数时，可以有效地激发表面晶格共振。这些共振由被阵列300相干地散射的迟滞场对于与单个天线301的局部化表面等离子体激元共振关联的阻尼的部分消除所产生。表面晶格共振出现在其中衍射级在特性上从辐射改变为倏逝的能量附近（通常有点红移），即在瑞利异常附近。出现瑞利异常的波长主要由晶格常数以及包围天线阵列300的介质的折射率确定。对于由k// = 2π/λ sin(θin)ŷ给出的平行于平面或阵列300的波矢量分量而言，它是以下方程的解：
。
在这里，(m 1,m 2)为限定衍射级的整数，并且kout和kin分别为散射的和入射的波矢量。光相对于天线阵列300平面法线的入射角由θin表示（假设φin =0—参见图2A），并且ax和ay限定阵列在各自方向上的周期。
如图2A中所示，天线301可以具有长度为L、宽度为W和高度为H的矩形形状因子，并且置于具有周期ax和ay的矩形阵列中。L的范围可以是从50nm至400nm，W的范围可以是从20nm至200nm，并且H的范围可以是从10nm至70nm。阵列300的周期ax典型地范围从150nm至600nm或者~1.5xL至~2xL，而周期ay典型地范围从100nm至300nm或者~1.5xW至~3xW。举例而言，配置在具有常数ax=350nm和ay=200nm的矩形晶格中、沉积在石英衬底上并且覆盖有200nm厚的CdSe/CdS核心壳量子点涂层、具有尺寸LxWxH = 250x70x20nm3、包括银的天线301的阵列300，对于具有与天线的短轴平行的偏振的484nm[ω/c=2π/λ]的光得到局部化表面等离子体激元共振以及587nm附近的表面晶格共振（参见图2B）。该图绘出了（右手侧的相对刻度）光通过阵列/量子点结构的透射比。如可以观察到的，大约484nm处的局部化表面等离子体激元共振对于所有k//值几乎保持恒定（再一次地：φin = 0），这表明它们的非传播或局部化行为。这也表明该共振可以由具有基本上任何入射角的光激发，从而允许实现来自非准直光源110的初级波长光111的增强的吸收。局部化表面等离子体激元共振的衍射耦合导致k//=0处（即法向入射）587nm附近透射的光的光学上窄得多的减少。在这种情况下，衍射耦合沿着与偏振垂直的方向，即沿着x方向发生。瑞利异常的位置由黑色曲线指示。
天线301不一定必须为矩形：它们可以选自包括圆形、椭圆形和多边形——例如三角形、正方形、矩形、五边形和六边形——形状的组。再者，阵列300的周期可以选自包括正方形阵列、矩形阵列、三角形阵列、六边形阵列和准晶体阵列的组。准晶体构成具有诸如5倍或10倍对称性之类的禁止的晶体对称性的阵列类别。各天线301的形状以及阵列300的周期二者影响由光照设备100发射的光的对称性和方向。例如，更圆的形状和更方的周期性导致具有更对称的特性的光照分布。可替换地，具有诸如三角形或者基本上三角形（梨状）形状之类的非对称形状的天线导致非对称光照分布。后者在需要这样的非对称光分布（例如汽车前照明中的近光或通过光束）的照明应用中可能是有益的。
举例而言，圆环或环型光照分布通过应用两个或更多天线阵列300而成为可能。例如，具有矩形晶格的两个或更多阵列可以取向成使得一个阵列中的天线301的长轴相对于另一个阵列旋转。考虑例如相对于彼此旋转90度的具有镜像对称性的两个相同阵列的情况。如果这些阵列仅仅沿着一个方向维持表面晶格共振并且仅仅与磷光体的大角度的发射重叠，那么发射将仅仅在大角度下由天线301增强。一个阵列因此将增强朝向+/-x方向的发射，而另一个阵列将增强朝向+/-y方向的发射，在这两种情况下均仅仅在大角度下增强。通过进一步添加如上面所提到的相对于彼此旋转的阵列，可以创建圆环形状的光束。这些阵列可以位于一个平面内，从而它们基本上可以被视为形成超级阵列的交织的子阵列。可替换地，可以将这些阵列置于堆叠的配置中，其中第一天线阵列可以紧邻波长转换介质120面向光源110的侧面，并且第二天线阵列可以紧邻背离光源的侧面。在一个实施例中，这样的堆叠的配置可以包括彼此交替的多个天线阵列和波长转换介质，例如配置阵列1-介质1-阵列2-介质2-阵列3中的三个天线阵列和两个波长转换介质。这样的堆叠的配置可以利用更多的阵列和介质扩展，其中这些阵列中的每一个可以包括不同的天线材料，可以包括子阵列，或者可以具有不同的周期，并且其中波长转换介质可以全部包括单一材料，可以每一个包括不同的材料，或者可以包括波长转换材料的混合物。
图3定性地解释了天线阵列300的设计对于光照设备100的发射特性的影响，假设阵列300被设计成在次级波长光122处支持表面晶格共振。绘出的是垂直轴上的光谱与平行于阵列平面的适当波矢量。曲线400绘出了波长转换介质120的发射谱的谱强度。曲线410和420分别绘出了第一阵列和第二阵列的表面晶格共振的色散关系。通常，阵列的更小形状因子天线和更低周期将相应的局部化表面等离子体激元共振和表面晶格共振分别移动到谱的蓝色部分。再者，银天线的共振相对于具有相同几何特性和周期的金天线蓝移。因此，例如在示出的配置中，第一天线（曲线410）比第二天线（曲线420）更密集。光学增强发生在曲线410和420与磷光体的发射谱400重叠（粗线段）的地方。由于曲线420和400的重叠更小，因而光照设备100的发射在应用第二阵列时可以具有更饱和的颜色。再者，有利的是，与应用第一阵列时的更小的角度α1相比，光将在相对于阵列300平面法线的更大的角度α2下发射。假设阵列被定位成垂直于光照设备的光轴200，那么这些角度与发射角α（参见图1）相应。然而，阵列的确一定必须被定位成垂直于光轴。
在一个实施例中，周期性天线阵列300置于波长转换介质120面向光源110的侧面。这样的配置例如在波长转换介质具有延伸到与阵列的相互作用长度之外的厚度，即比大约初级光和/或次级光的波长更大的厚度的情况下是有其有益的。波长转换设备120于是可以被认为包括第一部分和第二部分。紧邻天线阵列300的第一部分将表现出由如上所述与阵列的相互作用确定的发射特性（辐射增强、修改的发射分布等等）。第二部分将表现出“经典”的发射特性，其中次级波长光跨4π发射，即在前向和后向方向上（即朝向光源110）发射。在后向方向上发射的光现在可以通过表面晶格共振与阵列300相互作用。该后向定向的光的部分可以由天线阵列反射，从而通过降低次级波长光122在后向方向上的损耗而增强设备的发射效率。
在一个实施例中，周期性天线阵列300包括两个交织的子阵列（图4）。第一子阵列310包括第一天线311，并且第二子阵列320包括第二天线322。每个子阵列可以具有其自己的周期并且可以适当地选择每个子阵列的天线的形状因子和材料组成以便为希望的光效调整。例如，第一天线可以包括金并且具有矩形形状，而第二天线可以包括银并且具有基本上三角形形状。代替如图4中所绘的天线的三角形形状在阵列平面内的是，三角形形状可以在平面外，如例如由金字塔、脊或者四面体形状的天线形成。有利的是，第二子阵列320可以被设计成使得初级波长光111激发局部化表面等离子体激元共振以便增强波长转换材料120的激发，而第一子阵列310可以被设计成在次级波长光122处，即在波长转换介质120的发射谱内支持表面晶格共振。可替换地，波长转换介质120可以包括两种材料，例如两种磷光体或者两种类型的量子点，其分别具有第一发射波长范围和第二发射波长范围。周期性天线阵列300现在可以被设计成使得第一子阵列310在第一发射波长范围内的次级波长122处支持由各第一天线311中的局部化表面等离子体激元共振的衍射耦合引起的表面晶格共振。而且，第二子阵列320可以在第二发射波长范围内的次级波长122处支持由各第二天线322中的局部化表面等离子体激元共振的衍射耦合引起的表面晶格共振。这允许在方向和颜色二者方面控制光照设备100的发射特性。特定于应用的光照分布可以包括在相对于光照设备100的光轴200的第一角度α1和第一立体角Ω1内发射的具有第一色点或色温的光，以及在第二角度α2和第二立体角Ω2内发射的具有第二色点或色温的光。举例而言，车辆的低光或近光光束可以有益地包括朝向道路中间的具有更黄色的色点的光以及朝向路边的具有更蓝色的色点的光。有利的是，这样的光分布将降低对于即将来临的司机的不舒适，同时允许汽车司机更好地查看路边/人行道上的标志或人——因为人眼在暗光条件下在可见光谱的蓝色部分更敏感。
在一个实施例中，衬底140被布置成拉伸可控。举例而言，表现出压电效应的诸如铌酸锂（LiNbO3）或者磷酸氧钛钾（KTP）之类的光学透明材料可以用于形成衬底140。这样的材料的电可控膨胀和收缩允许在单个（x或y）方向上或者在这两个方向上调节天线阵列300的周期。由于表面晶格共振发生的光学频率除别的以外由阵列的周期确定，因而这允许主动控制光照设备100的发射效率、发射的定向性和发射的波长。可替换地，天线阵列300可以沉积在可变形聚合物衬底140上，该衬底例如是包括可机械拉伸至超过30%的聚二甲基硅氧烷（PDMS）的衬底。机械拉伸可以通过使用微机电系统（MEMS）而是电可控的，或者可以为热和湿度诱导的。在另一个实施例中，天线阵列300可以沉积在包括经受相变而变形的液晶聚合物的衬底上。后者可以是电可控的。
在依照图5的本发明实施例中，光照设备500被设计成提供特定于应用的光照分布，并且包括：光源510，其被布置成发射初级波长511的光；波长转换介质520，其被布置成与光源处于光接收关系并且被设计成将初级波长光的至少一部分转换成次级波长光522；以及周期性天线阵列530，其紧邻波长转换介质设置，并且被布置成使得天线阵列例如在波长转换介质的发射谱的峰值波长处或者在发射谱的侧翼的波长处支持发射谱内的频率间隙。在另一个实施例中，天线阵列530在从光照设备500发射的次级波长光522处支持发射谱内的电磁感应透明。在又一个实施例中，天线阵列530支持频率间隙和电磁感应透明。
图6A示出了布置在具有常数ax=600nm和ay=300nm的晶格中、置于玻璃衬底上（参见插入的SEM图像）、具有尺寸450x120x38nm3的3x3mm2金天线阵列530的消光。消光谱被显示为降低的频率ω/c以及入射波矢量到阵列平面上的投影的函数。光的偏振沿着y方向设置，其探测天线的短轴。消光显示了若干共振。首先，中心在~9mrad/nm处的宽且无色散的峰相应于局部化表面等离子体激元共振的激发。(±1,0)瑞利异常由上倾斜和下倾斜暗线指示。可以观察到上倾斜和下倾斜晶格共振稍微红移到瑞利异常。表面晶格共振的来源是局部化表面等离子体激元到前述瑞利异常的耦合。可以观察到，下面的(-1,0)晶格共振在k//=0附近消失，引起天线阵列的色散图中的频率间隙。有利的是，这样的频率间隙允许形成分布式反馈激光器500。
图6B示出了当天线的长度（在x方向上）减小，同时所有其他参数（天线宽度、高度、晶格常数等等）保持恒定时小的入射角（~1.2度）下阵列的消光。消光谱局限于其中针对给定入射角发生例如图6A中所描述的表面晶格共振的频率。观察到的消光中的峰与表面晶格共振的激发相应，并且消光中7.07mrad/nm和7.2mrad/nm附近的下陷分别与(1,0)和(-1,0)瑞利异常相应。图6A中所示的消光与450nm长度的天线相应；对于该长度而言，在这样的小入射角下不存在(-1,0)表面晶格共振，即存在单个共振。然而，如图6B中所示，随着天线长度的减小，消光谱从具有单个共振峰改变为两个共振峰。尤其令人感兴趣的是250nm天线长度附近的区域，其中可以在两个峰之间观察到下陷（电磁诱导透明区）。在这种配置中发生消光中的这种下陷的频率等于(-1,0)瑞利异常的频率。然而，天线阵列可以被设计成使得电磁诱导透明发生在其他瑞利异常处，例如发生在(0,-1)、(-1,1)或者(2,1) 瑞利异常处。
因此，在一个实施例中，天线阵列530被布置成使得它在从光照设备500发射的次级波长光522附近支持表面晶格共振，并且瑞利异常在与次级波长光相应的频率处与表面晶格共振交叉。这样的配置可以通过相对于阵列的周期适当地设计天线几何形状因子（LxWxH）而布置。
尽管结合在7mrad/nm（与~888nm的波长相应）附近显示诱导透明的阵列描述了上文，但是阵列参数的适当调节允许设计可见光谱中任何地方的透明。例如，配置在具有常数ax=350nm和ay=200nm的矩形晶格中、具有尺寸250x70x20nm3的银天线阵列在λ=483nm处对于天线的短轴将得到局部化等离子体激元共振，并且在λ=587nm附近导致表面晶格共振。而且，将天线的宽度从70nm减小到40nm将把局部化等离子体激元共振进一步移动到蓝色中；而将晶格常数ax=350nm减小到比如ax=250nm，将表面晶格共振蓝移到450nm附近。
有益的是，电磁诱导透明允许制造如图5中绘出的分布式反馈表面偏振子照明设备500。这样的设备可以进一步包括可选的腔体560，该腔体嵌入或者跨越波长转换介质520和天线阵列530。腔体560由镜561和562形成。镜561对于初级波长光511是透明的，同时对于次级波长光522是反射性的。镜562对于次级波长光至少部分地是反射性的。有利的是，紧邻天线阵列530的波长转换介质520的发射将被增强，因为到共振天线的耦合增加了用于波长转换介质中的发射体的衰减率。尽管存在该发射增强，但是天线阵列530在波长转换介质520的发射频率处由于电磁诱导透明的原因而保持对于远场消光透明。同时的发射增强和远场透明的可能性由天线阵列530的不同的近场和远场行为产生。因此，这允许照明设备500不仅用作（超荧光）LED，而且用作激光器。可替换地，也可以利用具有如图6A中所示的色散，即没有电磁诱导透明的天线阵列530创建分布式反馈激光器。在这样的设备中，产生激光在频带边缘处，即在其中两个表面晶格共振在频率上彼此接近的频率间隙附近，是可能的。在次级波长处具有电磁诱导透明的主要优点存在于这样的可能性中：将天线阵列530嵌入到例如图5中绘出的腔体560中，同时具有同时的发射的共振增强以及反馈光在腔体内的可忽略的损耗。重要的是认识到，没有该诱导透明，在腔体内循环利用的任何次级波长光很可能被天线阵列530吸收或散射，因为天线在次级波长522处共振。
在又一个实施例中，光照设备包括如图7A中绘出的被定位成与其光源处于光接收关系的波导结构。波导结构包括被布置成紧邻天线阵列730并且由透明衬底740和透明介质760包覆的波长转换介质720。透明衬底740（例如SiO2—n=1.46）和透明介质760（例如空气—n=1）具有比波长转换介质720（例如YAG:Ce—n=1.7）的折射率更低的折射率，以便为后者中的光诱发导模。天线阵列730浸没在被布置成增强阵列周围的环境的光学均匀性的涂层750（例如Si3N4—n=2.0）中，从而允许波长转换介质720中的波导模式的初级和/或次级波长光与天线处的局部化表面等离子体激元共振和天线阵列730中的表面晶格共振的更高效的耦合。局部化表面等离子体激元共振与波导模式之间的强耦合导致由相对较长的寿命和大的质量因子表征的偏振子混合模式，从而允许增强和定制由光照设备发射的光。
波导结构中的天线阵列730允许将光照设备的光源的远场入射初级光耦合到波导720的导模中，所述导模在别的情况下由于动量失配的原因而不可由远场光照访问。波长转换介质720典型地具有50nm-5µm之间、更优选地100nm-1µm之间、甚至更优选地200nm-800nm之间的厚度。包围天线的涂层750具有5nm-50nm之间、优选地10nm-40nm之间、例如20nm的厚度。它可以通过首先在波长转换介质720上沉积例如Si3N4层，之后使用衬底共形压印光刻术定位天线阵列而施加，并且由通过等离子体增强化学气相沉积封装天线的第二例如Si3N4层结束。作为一个附加的优点，涂层750保护天线阵列免受氧化的有害后果。
图7B示出了光通过图7A的波导结构的消光。可以观察到三个明显不同的特征。首先，可以识别各天线处的独立于入射角、介于大约500-550nm之间的局部化表面等离子体激元共振。此外，可以识别两个共振结构。大约760nm处针对0°入射角的第一个可以归因于上面结合图5和图6描述的瑞利异常和表面晶格共振。大约700nm处针对0°入射角的第二个共振结构可以与强耦合波导模式的偏振子混合模式和局部化表面等离子体激元共振关联。这些共振结构在消光和发射（未示出）二者中的谱和角位置可以根据天线的尺寸、形状和材料、天线阵列的周期、波导和涂层的存在性和厚度以及透明衬底740和介质760的折射率来调整。这允许由光照设备提供的特定于应用的光照分布的多功能设计。例如，省略天线730周围的涂层750对于发生的表面晶格共振引起太大的光学非均质性。可替换地，将衬底740和材料760的折射率增加到波长转换材料720的折射率或者以上将阻止出现波导模式。
因此，提出了一种被设计成提供特定于应用的光照分布的光照设备，该光照设备包括：（i）光源，其被布置成发射初级波长的光，（ii）波导结构，其包括被布置成与光源处于光接收关系并且被设计成将初级波长光的至少一部分转换成次级波长光的波长转换介质，以及周期性天线阵列，该天线阵列紧邻波长转换介质设置并且被布置成使得天线阵列支持各天线中的局部化表面等离子体激元共振与波导模式的耦合以便允许实现特定于应用的光照分布。在一个实施例中，天线阵列利用用于增加天线环境的光学均质性的涂层封装，以便支持由各天线中的局部化表面等离子体激元共振的衍射耦合引起的表面晶格共振。
尽管参照上面描述的实施例阐述了本发明，但是明显的是，可替换的实施例可以用来实现相同的目的。因此，本发明的范围并不限于上面描述的实施例。相应地，本发明的精神和范围仅仅由权利要求及其等效物限制。

Claims (15)

1.一种被设计成提供特定于应用的光照分布的光照设备（100），包括：
光源（110），其被布置成发射初级波长的光（111），
波长转换介质（120），其被布置成与光源（110）处于光接收关系并且被设计成将初级波长光的至少一部分转换成次级波长光（122），以及
周期性天线阵列（300），其紧邻波长转换介质（120）而设置并且被布置成使得该天线阵列支持由各天线（301，311，321）中的局部化表面等离子体激元共振的衍射耦合引起的表面晶格共振，以便允许实现特定于应用的光照分布。
2.依照权利要求1的光照设备，其中天线阵列（300）至少在初级波长光（111）和次级波长光（122）之一处支持表面晶格共振。
3.依照权利要求1的光照设备，其中周期性天线阵列（300）的周期达到初级波长或次级波长光的程度。
4.依照权利要求1的光照设备，其中周期性天线阵列（300）的周期被布置成使得次级波长光（122）在预先限定的立体角Ω内在相对于光照设备（100）的光轴（200）的预先限定的角度α下发射。
5.依照权利要求1的光照设备，其中周期性天线阵列（300）嵌入到衬底（140）与波长转换介质（120）之间，其中衬底和波长转换介质具有基本上相同的折射率，其中所述折射率之间的差值小于0.5。
6.依照权利要求5的光照设备，其中衬底（140）被布置成拉伸可控以便调节周期性天线阵列（300）的周期。
7.依照前面的权利要求中任何一项的光照设备，其中周期性天线阵列（300）包括第一天线（311）的第一子阵列（310）和第二天线（322）的第二子阵列（320），其中第一和第二子阵列交织。
8.依照权利要求7的光照设备，其中第一天线（311）和第二天线（322）具有选自包括圆形、椭圆形和多边形形状的组的形状。
9.依照权利要求7的光照设备，其中第一子阵列（310）和第二子阵列（320）选自包括正方形阵列、矩形阵列、三角形阵列、六边形阵列和准晶体阵列的组。
10.依照权利要求7的光照设备，其中波长转换介质（120）包括具有第一发射波长范围的第一磷光体和具有第二发射波长范围的第二磷光体，并且其中第一子阵列（310）被布置成使得它在第一发射波长范围内的次级波长光处支持由各第一天线（311）中的局部化表面等离子体激元共振的衍射耦合引起的表面晶格共振，并且其中第二子阵列（320）被布置成使得它在第二发射波长范围内的次级波长光处支持由各第二天线（322）中的局部化表面等离子体激元共振的衍射耦合引起的表面晶格共振。
11.依照权利要求1的光照设备（500），其中周期性天线阵列（530）被布置成使得该天线阵列支持波长转换介质（520）的发射谱内的频率间隙。
12.依照权利要求1或11的光照设备（500），其中周期性天线阵列（530）被布置成使得该天线阵列在次级波长光（522）处支持电磁诱导透明。
13.依照权利要求12的光照设备（500），其中周期性天线阵列（530）被布置成使得它在次级波长光（522）附近支持表面晶格共振，并且瑞利异常在与次级波长光相应的频率处与表面晶格共振交叉。
14.依照权利要求11的光照设备，其中该设备进一步包括嵌入波长转换介质（520）和天线阵列（530）的腔体（560）。
15.依照权利要求1的光照设备，其中光源（110）包括发光二极管（LED）或者激光二极管（LD）。
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