CN105409015A - 具有用于各向异性发射的等离子体天线阵列的固态光照设备 - Google Patents

Abstract

提供了一种光照设备（100,150,200,300），包括：周期性等离子体天线阵列（114），其包括布置在天线阵列平面中的多个单个天线元件（106），等离子体天线阵列配置成支持由单个天线元件中的局域表面等离子体共振的衍射耦合引起的、第一波长处的表面晶格共振；配置成以第一波长发射光子的光子发射体（152），光子发射体布置成紧密接近于等离子体天线阵列使得所发射的光子的至少一部分由包括所述光子发射体和所述等离子体天线阵列的耦合系统发射，其中等离子体天线阵列配置成包括面外非对称的等离子体共振模式，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。

Description

具有用于各向异性发射的等离子体天线阵列的固态光照设备

技术领域

本发明涉及光照设备。特别地，本发明涉及具有改进的发射性质的光照设备。

背景技术

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。

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。通过将经转换的光与未被吸收的蓝色光组合，可以获得被感知为白色光的合理宽带频谱。

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。这造成进一步损失，因为仅一部分光通过发光设备的输出表面逸出。

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。

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。

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

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。

根据本发明的第一方面，提供了一种光照设备，包括：周期性等离子体天线阵列，其包括布置在天线阵列平面中的多个单个天线元件，等离子体天线阵列配置成支持由单个天线元件中的局域表面等离子体共振的衍射耦合引起的第一波长处的表面晶格共振；配置成以第一波长发射光子的光子发射体，光子发射体布置成紧密接近于等离子体天线阵列使得所发射的光子的至少一部分由包括所述光子发射体和所述等离子体天线阵列的耦合系统发射，其中等离子体天线阵列配置成包括面外非对称的等离子体共振模式，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。

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。金属中的传导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。

已经发现，规则阵列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。

光学天线的有序阵列支持集体共振。当辐射波长近似于阵列的周期性时，衍射级（diffractedorder）可以在阵列的平面中辐射。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。

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，方向增强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到自由空间辐射的随后出耦合的增强的组合。

等离子体天线阵列的功能的更加详细的描述可以在WO2012/098487中找到。

本发明是基于以下认识：各向异性光分布可以通过配置等离子体天线阵列使得其支持面外非对称的共振模式并且紧密接近于天线阵列而布置光子发射体来实现。在本上下文中，面外非对称意指共振模式的电磁场在从关于天线阵列平面的相反方向激发时是不同的，其进而造成从天线阵列发射的光的非对称角度分布。由此，发射各向异性可以配置成使得相比于在朝向光子发射体的方向上，从天线阵列发射的光的较大部分在远离光子发射体的方向上发射，使得所生成的光子的较大部分可以从光照设备逸出。因此，减少了再吸收并且实现了较高效率，因为由光子发射体产生的更多光从光照设备发射。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充当高效且紧凑的次级准直光学器件。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。

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。

本发明的特定优点在于通过布置光子发射体使得混合耦合的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。

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。

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。

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。

一般而言，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中的定位。另一方面，发射由于（i）发射体可以衰减至其而在发射波长处发射辐射的光学状态的局部密度；以及（ii）该发射到特定立体角中的自由空间辐射的出耦合的组合效果而被修改。

而且，对于磷光体发射体，除了方向性增强之外，由于发射体的发射频率处的共振，等离子体还提供发射体的增强的激发效率/吸收横截面，这是由于泵浦频率处的共振激发的缘故。

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。

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。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。然而，考虑到颜色再现，较宽的共振（高达30nmFWHM）在LED应用中可以是有利的。

根据本发明的一个实施例，光子发射体布置在距所述等离子体天线阵列一定距离处使得绝大多数所发射的光子通过包括所述光子发射体和所述等离子体天线阵列的耦合系统发射。当耦合发生在所发射的光子与等离子体天线阵列的混合模式之间时，光子的能量转移到阵列并且所得到的发射的方向由阵列的性质支配。所发射的光到共振模式中的高耦合效率是合期望的。特别地，合期望的是最大化发射体与等离子体混合模式之间的耦合效率。通过足够靠近于等离子体天线阵列来选择性地定位光子发射体，可以增加耦合效率，而不进入到强发射体-天线耦合的状况中。

为了实现高耦合效率，光子发射体与等离子体天线阵列的一个或多个天线元件之间的距离优选地在5微米以下，更优选地在2微米以下。光子发射体与天线阵列之间的合适距离还可以根据针对折射率修正的有效波长来定义。距离然后可以高达10个有效波长，并且在另一实施例中高达6个有效波长。可替换地或此外，距离可以有利地大于10纳米以便避免猝熄。

在本发明的一个实施例中，光子发射体可以有利地是由外部能量源激发的点发射体，点发射体选自包括稀土离子、染料分子和量子点的组。原则上，其中激发可以导致光子的发射的任何点发射体可以使用在本上下文中。

根据本发明的一个实施例，外部能量源可以有利地包括电子发射体、x射线发射体或伽马射线发射体。原则上，任何外部能量源可以用于激发点发射体，诸如具有足够高的能量的电子、x射线或伽马辐射、热量、电子-空穴对的注入等。电子可以例如由阴极射线管（CRT）发射，x射线和伽马射线可以例如从真空管提供，例如用于X射线的计算机断层扫描术（CT）和用于伽马射线的正电子发射断层扫描术（PET）。

在本发明的一个实施例中，光子发射体可以有利地是发光二极管（LED）或固态激光器。当例如棒式激光器用作光子发射体时，所发射的光子的方向可以控制成发射到激光棒的期望波导模式中，使得激光阈值降低。对于LED，所发射的光子在半导体的逸出锥体内，从而增强设备的光提取效率并且允许增加的亮度。此处的优点在于较少的光被反射回到LED中，其造成减少的损失。

在本发明的一个实施例中，天线阵列可以配置成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，使得在垂直于天线阵列平面的第一方向上发射的光的第一部分大于在垂直于天线阵列平面的第二方向上发射的光的第二部分，第二方向是第一方向的相反方向。通过选择面外非对称性的配置，可能的是控制来自发光设备的光的所得到的发射，使得相比于在相反方向上发射的光，所生成的光子的较大部分在离开设备的方向上发射，或者反之亦然。在垂直于平面的第一方向上发射的光应当解释为在以垂直于平面的法线为中心的角度范围中发射的光。

另外，在本发明的一个实施例中，等离子体天线阵列可以配置成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，使得在关于天线阵列平面的第一方向上的第一角度分布不同于在关于天线阵列平面的第二方向上的第二角度分布，第二方向是第一方向的相反方向。由此，可以控制光分布，例如如果期望特定射束形状或图案的话。各向异性角度分布可以有利地与涉及光子的量的角度分布中的前述差异组合，使得绝大多数所发射的光子在合期望的方向上发射，在所述方向上所发射的光具有取决于天线阵列的配置的射束形状。

根据本发明的一个实施例，天线元件可以布置在具有第一折射率的第一层上，并且天线元件还可以嵌入在具有不同于第一折射率的第二折射率的第二层中。实现前述面外非对称共振模式的一种方式是将天线元件布置在具有非对称介电性质的环境中。由于材料的频率相关介电常数与材料的折射率有关，因此可以选择具有适合用于使用在照明应用中的不同折射率的材料，使得天线阵列通过介电常数中的差异而经历非对称电磁环境。另外，颗粒阵列中的辐射耦合可以通过在阵列平面中传播的衍射级和光子结构所支持的引导模式来增强。后者包括薄介电层中的引导模式与引导层附近的天线元件的LSPR的混合。这些混合模式要求波导结构，即引导层的折射率必须高于周围材料。

在本发明的一个实施例中，天线元件可以布置在第一层上并且嵌入在第二层中并且由其覆盖，并且其中第三层可以布置在第二层上，第三层具有与第二层的折射率不同的折射率。

非对称介电环境可以以许多不同方式实现，并且具有不同介电性质的材料层的交替布置可以用于实现所期望的非对称性。例如，可以使用不同材料的叠层。原则上，不同层的边界关于天线元件的精确定位不是关键的，因为共振模式将经历涉及其模式分布图（profile）的介电性质的平均。

模式分布图涉及电场的空间分布。通过互作用，来自波长转换层中的特定波长转换分子的一定方向上的发射强度等于由于从所提到的方向入射在阵列上的平面波所致的该发射体位置处的局部场强度。这已经通过数值三维时域有限差分（FDTD）模拟示出。特别地，已经观察到，该共振的电场增强在聚合物层之上延伸，造成在阵列平面的法线方向上的光-物质相互作用的增强。另外，对于特定几何结构，波长转换层中的电场增强在从衬底侧而不是从相对侧光照结构时可能更大。局部场强度增强的各向异性行为将引起在前向到后向发射中的非对称性。

在本发明的一个实施例中，波长转换材料可以包括在前述第三层中。由此，波长转换材料不围绕天线元件。另外，第二层可以在每一个天线元件上方延伸至少10nm，使得确保波长转换材料完全不与天线元件接触。这可以是有利的，因为波长转换材料可能干扰天线元件的共振模式。

根据本发明的一个实施例，多个天线元件中的每一个可以有利地具有非对称形状。实现所要求的面外非对称等离子体共振模式的可替换方式是使天线元件非对称。由此，所得到的针对每一个天线元件的共振模式变成非对称的，其进而造成非对称光发射性质。天线元件的非对称形状是指这样的元件在平行于天线元件的纵轴的平面中的横截面的非对称性，即“直立的”天线元件的竖直平面中的横截面。

在本发明的一个实施例中，多个天线元件中的每一个可以有利地具有棱锥、截头棱锥、圆锥或截头圆锥的形状。天线元件的锥度对于发射的各向异性是重要的。特别地，各向异性是基于天线元件中的电和磁共振的同时激发。如以下将进一步解释的，其主要是通过破坏的对称性被增强的磁和磁-电（交叉耦合）响应。磁响应是天线元件对入射光的磁场的响应，而磁-电是指入射的磁场对电场的激发，并且反之亦然。

从电动力学得知，耦合到单个磁偶极子的单个电偶极子可以取决于偶极子的相对相位来定制前向/后向散射比。典型地，大多数材料不具有光学频率处的磁响应，因此对于光而言几乎找不到该效应。然而，金属纳米结构可以设计成维持与其电激发强度相当的磁激发强度。而且，这两种不同的激发可以交叉耦合，从而造成磁-电响应。

增加天线元件的锥度（其中锥度是指底部处的直径与顶部处的直径之比）增加磁和磁-电响应二者。因此，通过增加锥度，两个响应可以被增强并且可以设计展现出增强的各向异性的天线阵列。还要指出的是，来自这些结构的发射的各向异性依赖于它们具有类似幅度的电和磁激发。

在本发明的一个实施例中，截头棱锥形状的天线元件可以具有100至300nm范围中的底部边长和30至150nm范围中的顶部边长，并且截头圆锥形状的天线元件可以具有100至300nm范围中的底部直径和30至100nm范围中的顶部直径。

另外，天线元件可以有利地具有50至400nm范围中的高度，优选地在100至200nm范围中。一般而言，参照前述尺寸范围，相比于更多地朝向可见频谱的红色端共振的较大天线元件，基于较小天线元件的阵列更多地朝向可见频谱的蓝色端共振。

天线元件的总体尺寸对于局域等离子体共振是重要的。基底和顶部支持局域化模式，其中顶部和底部尺寸中的差异扩宽天线的组合局部共振。

存在针对截头天线元件的顶部和底部的不同共振，并且顶部和底部共振可以耦合到彼此。然后，天线元件的高度将引入相位延迟并且支配共振的耦合，从而确定各向异性，这部分地归因于部分地由于电和磁共振导致的迟滞。

根据本发明的一个实施例，天线元件可以有利地包括金属，特别地天线元件可以有利地包括Ag、Al、Ga或Au。天线元件由其形成的材料应当优选地支持对应于可见光的频率处的局域等离子体。一般而言，Au更加适合于频谱的红色到近红外部分，Ag更适合于频谱的绿色到红色部分，并且Al允许延伸超出频谱的可见区而到紫外中的等离子体共振。

还将可能的是使用由介电材料制成的天线元件。然而，包括介电天线元件的这样的天线阵列将提供具有相比于包括金属天线元件的天线阵列更窄的带宽的共振。

根据本发明的一个实施例，光照设备可以有利地包括光照设备的第一部分中的第一周期性等离子体天线阵列和光照设备的第二部分中的第二周期性等离子体天线阵列，其中第一周期性等离子体天线阵列配置成包括第一波长范围中的面外非对称等离子体共振模式，并且第二周期性等离子体天线阵列配置成包括不同于第一波长范围的第二波长范围中的面外非对称等离子体共振模式。为了提供其中光可以在宽范围的波长中各向异性地发射的光照设备，可以有利的是提供针对不同波长范围中的发射定制的两个或更多单独的等离子体天线阵列。相比于如果一个天线阵列用于提供宽波长范围中的光（诸如例如可见频谱），可以使这样的光照更高效。

两个或更多等离子体天线阵列可以在影响发射波长的一个或多个前述参数中不同，这样的参数包括天线元件的材料、几何结构和形状、阵列的晶格几何结构、介电环境等。

在本发明的一个实施例中，光照设备可以有利地包括不重叠并且布置在相同平面中的第一和第二周期性等离子体天线阵列。包括在相同天线阵列平面中重叠的金属天线元件的两个不同天线阵列可能干扰彼此，使得发射各向异性的效率降低，因此可能有利的是在覆盖光照设备的不同区域部分的相同平面中彼此邻近地布置两个这样的阵列。然而，包括金属天线元件的第一天线阵列可以有利地与其中天线元件包括介电材料的第二天线阵列重叠。来自介电阵列的窄带共振可以被调谐成不重叠并且从而不干扰金属天线阵列的等离子体共振。相反，介电阵列可以有利地用于金属阵列的泵浦增强。发射过程涉及两个不同频率：发射频率和激发频率。因此，总体发射增强可以因而因式分解成两种贡献：发射增强和激发增强或泵浦增强。发射波长转换层的吸收和因而其发射可以通过波长转换分子位于其中的空间区中的泵浦频率处的总电近场强度的增强而增加。由于金属纳米颗粒由于其传导性而呈现固有损失，因此要求最大化波长转换层中的光学吸收而同时最小化吸收在金属中的功率。该问题可以通过使用由介电材料制成的纳米颗粒而完全克服，因为电介质可以选择成不呈现泵浦频率处的任何寄生吸收。

在本发明的一个实施例中，第一和第二周期性等离子体天线阵列可以有利地布置在不同平面中。通过在不同平面中布置经不同配置的天线阵列，即通过提供阵列的叠层，可以从特定设备提供较宽波长范围中的各向异性发射。

本发明另外的特征和优点将在研究随附权利要求和以下描述时变得显而易见。本领域技术人员认识到，本发明的不同特征可以组合以创建除在下文中描述的那些之外的实施例，而不脱离于本发明的范围。

附图说明

现在将参照示出本发明的示例实施例的附图来更加详细地描述本发明的这些和其它方面，其中：

图1a-c示意性地图示了根据本发明的实施例的光照设备；

图2a和2b示意性地图示了根据本发明的可替换实施例的光照设备；

图3示意性地图示了根据本发明的可替换实施例的光照设备；

图4a-d示意性地图示了根据本发明的实施例的光照设备的元件；

图5a-b示意性地图示了根据本发明的实施例的光照设备；以及

图6示意性地图示了根据本发明的实施例的光照设备。

具体实施方式

现在将在下文参照附图更加全面地描述本发明，在附图中示出本发明的示例性实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式体现并且不应当解释为限于本文所阐述的实施例；而是，这些实施例为了透彻性和完整性而提供，并且向本领域技术人员全面地传达本发明的范围。相同的参考标号自始至终是指相同的元件。

图1a是光照设备150的示意性图示，其包括布置成紧密接近于包括布置在如图1c图示的天线阵列平面中的多个单个天线元件106的周期性等离子体天线阵列114的多个光子发射体152。天线阵列114在此布置在衬底108上，其被图示为包括光子发射体102。

光子发射体与等离子体天线阵列的一个或多个天线元件之间的距离优选地在5微米以下，在另一实施例中在10个有效波长以下并且在又一实施例中在6个有效波长以下。此外或可替换地，距离可以有利地大于10纳米以便避免猝熄。光子发射体与等离子体天线阵列之间的距离一般可以使用已知的制造方法来非常良好地控制。光子发射体与天线阵列的（多个）天线元件之间的距离可以从任何方向测量，例如到（多个）天线元件的顶部、侧部或底部。

光子发射体102在此被示出为点发射体，其能够由外部能量源激发。点发射体例如可以是稀土离子、染料分子或量子点。用于激发点发射体的外部能量源可以例如是电子发射体、x射线发射体或伽马射线发射体，或者点发射体可以通过电子-空穴对的注入来激发。

原则上，任何外部能量源可以用于激发点发射体，诸如具有足够高的能量的电子、x射线或伽马辐射、热量、电子-空穴对的注入等。电子可以例如由阴极射线管（CRT）发射，x射线和伽马射线可以例如从真空管提供，例如用于X射线的计算机断层扫描术（CT）和用于伽马射线的正电子发射断层扫描术（PET）。

然而，光子发射体也可以同样为诸如LED或固态激光器之类的有源组件，其中电能从外部能量源提供以实现来自组件的光子发射。

图1b是光照设备100的示意性图示，其包括被配置成发射第一波长的光的光源102的形式的外部能量源、邻近于光源布置以接收来自光源的光并且将光从第一波长转换到第二波长的波长转换层104。波长转换层104包括以用于将具有第一波长的光转换成具有第二波长的光的分子或颗粒形式的波长转换介质。在此，波长转换介质中的分子或颗粒对应于光子发射体，其在该情况下由来自光源102的光激发。光子发射体与等离子体天线阵列之间的距离可以例如通过控制波长转换层104的厚度或通过控制层内的光子发射体的分布来控制。另外，波长转换层104还可以被称为发射层，其从光照设备100发射光。可以使用本领域技术人员已知的不同类型的波长转换材料。波长转换材料还可以称为荧光材料、磷光体或染料。在该应用中还可能的是使用量子点或稀土离子作为波长转换光子发射体。在此，将光源102图示为光从其发射的区，诸如在形成在半导体衬底108中的半导体发光二极管中。然而，外部能量源102同样可以是分立组件，诸如发光二极管或激光器，其单独地布置并且处于距波长转换材料和距光照设备的其余部分的一定距离处。光照设备100还包括周期性等离子体天线阵列114，其包括如图1b所图示的布置在天线阵列平面中的多个单个天线元件106。天线阵列在此布置在衬底108上和在波长转换层104内以耦合到光子发射体，使得光子可以由包括光子发射体和天线阵列的耦合系统发射。因此，天线阵列配置成支持由单个天线元件中的局域表面等离子体共振的衍射耦合引起的、由光子发射体发射的光子的波长处的表面晶格共振。在图1a-c中，天线元件106被图示为具有方形横截面，然而，天线元件可以同样具有多边形或圆形横截面。而且，等离子体天线阵列配置成包括面外非对称的等离子体共振模式，使得从所述等离子体天线阵列发射的光具有如通过光分布110图示的各向异性角度分布。来自等离子体天线阵列114的各向异性角度分布具有以下效果：由天线阵列114发射的、比朝向衬底发射的更多的光朝向光照设备的发射表面112发射。等离子体天线阵列还可以配置成提供相反效果，即相比于朝向发光表面发射的光，由天线阵列发射的更多的光朝向衬底发射。这可以例如在使用透明衬底时是有用的。而且，可以控制从发光表面112发射的光的角度分布（由角度116图示），使得光在预确定的角度范围内发射。

可以通过将等离子体天线阵列布置在其中的层的折射率选择成不同于衬底108的折射率来实现如图1a至1c中所图示的面外非对称等离子体共振模式。

面外非对称等离子体共振模式还可以通过使用如图2a和2b的光照设备200中所图示的非对称天线元件来实现，其中示出截头圆锥天线元件202。其它非对称形状也是可能的，诸如圆锥、棱锥或具有任何多边形基底的截头棱锥。

图3图示了光照设备300，其中天线元件106布置在衬底108上并且嵌入在波长转换层104布置在其顶部上的中间层302中。在此，中间层302的折射率不同于波长转换层104的折射率，使得面外非对称性通过天线元件106所看到的非对称介电环境来实现。

图4a图示了以铝纳米颗粒的形式的天线元件，其具有130nm直径的基底402、60nm直径的顶部404和130nm的高度406。图4b，4c和4d进一步示出天线元件400的基底402和顶部404如何支持针对不同波长的不同局域共振模式的数值模拟。特别地，可以看到，天线元件400的较小顶部404的共振模式更加朝向波长频谱的蓝色端并且天线元件400的较大基底402的共振模式更加朝向红色端。另外，天线元件的高度对于确定顶部和底部共振模式之间的耦合是重要的。

图5a示意性地图示了光照设备500，其包括其中天线元件以具有140nm直径的基底、80nm直径的顶部和150nm的高度的截头圆锥形式提供的天线阵列。天线元件506布置在具有400nm节距的方形阵列中。另外，天线元件506布置在具有1.44的折射率的SiO2层上，并且它们嵌入在包括红色染料并且具有1.58的折射率的波长转换层504中。波长转换层504在与具有折射率1的空气接触的另一侧上。在图5a中，光源未示出。

对于图5a中图示的光照设备500，图5b是示出当光源提供具有442nm波长的光时具有650nm波长的光发射的所得到的极线图，所述光源例如可以是蓝色LED。在图5b中，0°和180°对应于垂直于设备的发光表面112的方向，其中0°是从波长转换层504朝向SiO2层502的方向并且180°是朝向周围空气的垂直于发光表面112的方向。如可以看到的，发射关于在垂直于光照设备表面的相反方向上发射的光的量和关于相应方向上的射束形状二者是各向异性的。还应当指出的是，所图示的角度分布基本上独立于光源的定位，这意味着原则上光源可以放置在图5a中所示的结构的任一侧上。例如通过使用透明衬底，这提供了在光照设备的配置方面的增加的灵活性。

图6图示了示例光照设备600，其中不同等离子体天线阵列602,604布置在光照设备600的不同区域部分上。由此，每个等离子体天线阵列可以定制成发射可以是可见频谱的子集的预确定的波长范围内的光，使得来自光照设备的总体发射被提供为具有由天线阵列的配置所确定的角度分布的白色光的均匀发射。如容易认识到的，任何数目的根据本发明的各种实施例的经不同配置的天线阵列可以组合以实现期望的发射性质。

即便已经参照其具体例示性的实施例描述了本发明，但是许多不同的更改、修改等也将变得对于本领域技术人员而言显而易见。例如，等离子体天线阵列可以以许多不同的方式配置以实现所发射的光的不同非对称角度分布。另外，光照设备还可以配置成发射不同波长或不同波长范围内的光。特别地，尽管主要参照可见光的发射来描述光照设备，但是本发明的各种实施例同样适用于其中可能合期望的是发射紫外或红外频谱中的光的应用。而且，应当指出的是，系统的部分可以省略、互换或以各种方式布置，光照设备仍旧能够执行本发明的功能。

此外，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，通过研究附图、公开内容和随附权利要求，可以理解和实现对所公开的实施例的变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的仅有事实不指示这些措施的组合不能用于获益。

Claims (15)

1.一种光照设备（100,150,200,300），包括：

周期性等离子体天线阵列（114），其包括布置在天线阵列平面中的多个单个天线元件（106），所述等离子体天线阵列配置成支持由所述单个天线元件中的局域表面等离子体共振的衍射耦合引起的、第一波长处的表面晶格共振；

配置成以所述第一波长发射光子的光子发射体（152），所述光子发射体布置成紧密接近于所述等离子体天线阵列使得所述发射的光子的至少一部分由包括所述光子发射体和所述等离子体天线阵列的耦合系统发射，

其中所述等离子体天线阵列配置成包括面外非对称的等离子体共振模式，使得从所述等离子体天线阵列发射的光具有各向异性角度分布。

2.根据权利要求1所述的光照设备，其中所述光子发射体布置在距所述等离子体天线阵列一定距离处，使得绝大多数所发射的光子通过包括所述光子发射体和所述等离子体天线阵列的耦合系统发射。

3.根据权利要求1或2所述的光照设备，其中所述光子发射体是能够由外部能量源（102）激发的点发射体，所述点发射体选自包括稀土离子、染料分子量子点和金属簇的组。

4.根据权利要求3所述的光照设备，还包括以光子发射体、电子发射体、x射线发射体或伽马射线发射体或电子-空穴对的形式的外部能量源。

5.根据权利要求1所述的光照设备，其中所述光子发射体是发光二极管或固态激光器。

6.根据权利要求1所述的光照设备，其中所述等离子体天线阵列配置成使得从所述等离子体天线阵列发射的光具有各向异性角度分布，使得在垂直于所述天线阵列平面的第一方向上发射的光的第一部分大于在垂直于所述天线阵列平面的第二方向上发射的光的第二部分，所述第二方向是所述第一方向的相反方向。

7.根据前述权利要求中任一项所述的光照设备，其中所述等离子体天线阵列配置成使得从所述等离子体天线阵列发射的光具有各向异性角度分布，使得在关于所述天线阵列平面的第一方向上的第一角度分布不同于在关于所述天线阵列平面的第二方向上的第二角度分布，所述第二方向是所述第一方向的相反方向。

8.根据前述权利要求中任一项所述的光照设备，其中所述天线元件（114）布置在具有第一折射率的第一层（108）上，并且其中所述天线元件嵌入在具有不同于所述第一折射率的第二折射率的第二层（104）中。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的光照设备（300），其中所述天线元件（106）布置在第一层（108）上并且嵌入在第二层（302）中并且由其覆盖，并且其中第三层（104）布置在所述第二层（302）上，所述第三层具有与所述第二层的折射率不同的折射率。

10.根据前述权利要求中任一项所述的光照设备，其中所述多个天线元件中的每一个具有非对称形状。

11.根据前述权利要求中任一项所述的光照设备，其中所述多个天线元件中的每一个具有棱锥、截头棱锥、圆锥或截头圆锥的形状。

12.根据权利要求12所述的光照设备，其中截头棱锥形状的天线元件具有100至300nm范围中的底部边长和30至150nm范围中的顶部边长，并且截头圆锥形状的天线元件具有100至300nm范围中的底部直径和30至100nm范围中的顶部直径，以及50至400nm范围中、优选地在100至200nm范围中的高度。

13.根据前述权利要求中任一项所述的光照设备，其中所述天线元件包括选自包括Ag、Al、Ga和Au的组的金属。

14.根据前述权利要求中任一项所述的光照设备（600），包括所述光照设备的第一部分中的第一周期性等离子体天线阵列（602）和所述光照设备的第二部分中的第二周期性等离子体天线阵列（604），

其中所述第一周期性等离子体天线阵列配置成包括第一波长范围中的面外非对称等离子体共振模式，并且所述第二周期性等离子体天线阵列配置成包括不同于所述第一波长范围的第二波长范围中的面外非对称等离子体共振模式。

15.根据权利要求15所述的光照设备（600），其中所述第一和第二周期性等离子体天线阵列不重叠并且布置在相同平面中，或者其中所述第一和第二周期性等离子体天线阵列布置在不同平面中。