CN105793642B - 侧向发射发光结构以及包括这样的发光结构的照明设备 - Google Patents
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Abstract
描述了发光结构(100)以及包括这样的发光结构的照明设备。发光结构包括：波长转换层(102)，被配置用于接收具有至少第一波长的光(108)并且将接收的所述光转换为具有至少第二波长的光；以及纳米粒子阵列(110)，被布置在与所述波长转换层非常接近的平面中，所述阵列的至少一部分形成点阵，所述点阵的特征在于至少一个点阵周期，其中所述点阵周期被选择以使得在工作中：所述纳米粒子的局部共振衍射耦合为所述波长转换层(102)中的在所述第二波长处的集体共振模式；并且由所述照明结构生成侧向发射辐射图案，所述辐射图案包括在关于所述阵列的平面成大倾角θi(114)的一个或多个方向上的场强度，所述场强度大于在成小倾角的一个或多个方向上的场强度。
Description
技术领域
本发明涉及侧向发射发光结构，并且尤其(虽然并非排他地)涉及侧向发射发光结构以及包括这样的侧向发射发光结构的照明设备。
背景技术
现有技术的固态发光设备使用例如荧光粉之类的波长转换材料，以便将例如蓝色LED的光的一部分转换为例如红色光之类的更长波长的光。蓝色LED的光与荧光粉发出的光的混合形成了被人类感知为白色光的光谱。
虽然转换处理非常有效，但是荧光粉转换的固态光源具有非指向性(Lambertian)光分布并且因此具有相对大的作用域(étendue)。由于这些光源的非指向性光分布，将光有效耦合至光导中是难以实现的，因此使得这样的光源不适用或者至少不太适用于光导应用。此外，非指向性的光分布经常要求复杂的二级光学器件，以便实现例如在投影仪灯和前灯聚光灯中所要求的具有均匀分布强度的所期望的准直光束。除了复杂度之外，二级光学器件经常是庞大且低效的，因此导致光学系统的整体效率损失。例如，需要反射光学器件和折射光学器件的相对复杂的组合以便将荧光粉转换光源的非指向性光整形为具有均匀分布强度的准直光束。
Lozano等人在他们的文章“Plasmonics for solid-state lighting:enhancedexcitation and directional emission of highly efficient light sources”(Light:Science&Applications(2013)2,e66中描述了使用与照明波长转换层相接触的金属纳米粒子阵列以便实现正向方向上增强的指向性发光。这样的阵列允许将固态照明光源的非指向性光转换为偏向于正向方向的光。虽然源自于这样的阵列的光在正向方向上具有指向性，但是其仍然需要相对庞大的折射二级光学器件以便实现具有均匀分布强度的准直光束。此外，正向方向上的指向性光不适用或者不太适用于平面光导中的光注入。
因此，鉴于上文，期望提供一种用于固态光源的简单发光结构，其使得能够在侧向方向上进行有效的指向性发光。特别地，期望提供一种用于在固态光源中使用的侧向发射发光结构，其能够轻易耦合至平面光导并且能够随简单的反射光集中器(例如复合抛物面集中器(CPC))一起使用以便形成高亮度准直光束。
发明内容
本发明的目标是减少或消除现有技术已知缺陷中的至少一个缺陷。在一个方面，本发明涉及一种照明结构，包括：波长转换层，其被配置用于接收具有至少第一波长的光并且将所述接收的光转换为具有至少第二波长的光；以及纳米粒子阵列，其被布置在与所述波长转换层相接触或非常接近的平面中，所述阵列的至少一部分形成点阵，该点阵的特征在于至少一个点阵周期，其中所述点阵周期被选择以使得在工作中，：所述纳米粒子的至少部分的共振衍射耦合为所述波长转换层中的在所述第二波长处的一个或多个集体共振模式中；并且由所述照明结构生成侧向发射辐射图案，其中所述辐射图案包括在关于所述阵列的平面成大倾角θi的一个或多个方向上的场强度，该场强度大于成小倾角的一个或多个方向上的场强度。
因此，已经意外地发现，非常接近于所述波长转换层的纳米粒子阵列能够被配置以使得在工作中，局部化的纳米粒子共振能够被衍射耦合，从而在所述波长转换层中在所述第二波长处形成一个或多个集体共振模式，其中所述一个或多个集体共振模式提供了侧向发射辐射图案，所述侧向发射辐射图案包括在具有(关于纳米粒子阵列的平面的)大倾角θi的一个或多个方向上的场强度，该场强度大于一个或多个小倾角方向上的场强度。这里，术语“侧向发射照明结构”可以包括具有所谓的蝠翼辐射图案和/或侧向发射辐射图案的照明结构。这样的侧向发射结构可以在许多应用中被使用，这些应用包括平面光导中的光注入以及明亮准直光束的有效形成。
这里，术语“大倾角”和“小倾角”可以参考波长转换层与其周边的电介质界面的临界角度进行定义。因此，“大倾角”是明显大于临界角度的角度，而“小倾角”是明显小于临界角度的角度。
在一个实施例中，所述一个或多个集体共振模式可以包括与所述纳米粒子阵列相关联的一个或多个表面点阵共振模式，所述至少一个点阵周期被选择以使得所述一个或多个表面点阵共振模式中的至少一个与具有所述第二波长的所述光共振。因此，纳米粒子阵列的集体共振模式(表面点阵共振模式)与波长转换层所发出的光共振耦合。这些共振模式能够通过由纳米粒子阵列形成的粒子点阵的点阵周期被控制。
在一个实施例中，所述一个或多个集体共振模式包括与所述波长转换层相关联的一个或多个波导模式，所述至少一个点阵周期被选择以使得所述一个或多个波导模式中的至少一个与具有所述第二波长的所述光共振。在该实施例中，个体纳米粒子可以共同和共振耦合至波长转换层的一个或多个波导模式。
在一个实施例中，所述波长转换层的至少一部分可以与一个或多个低折射率层相接触以便在所述波长转换层中提供强波导模式，所述低折射率层的折射率小于所述波长转换层的折射率。因此，波长转换层可以通过选择具有适当折射率的材料支持强波导模式，上述适当折射率例如处于空气的折射率和波长转换层的折射率之间。
在一个实施例中，所述波长转换层的厚度可以被选择以使得一个或多个大倾角θi的方向上的所述场强度通过与具有所述第二波长的所述光共振的所述一个或多个波导模式中的所述至少一个波导模式而被增强。在大倾角方向上的发光能够通过共振耦合至一个或多个波导模式而被增强。
在一个实施例中，波长转换层的厚度可以在400nm和4000nm之间选择。在另一实施例中，波长转换层可以在1300nm和2000nm之间选择。通过共振耦合至波导模式所导致的增强在厚度在300nm和4000nm之间选择时尤其强。在该厚度范围内，由波长转换层定义的波导中的限制因数大。
在一个实施例中，所述至少一个点阵周期可以被选择以使得在所述波长转换层与光导相接触的情况下，具有大倾角θi的所述一个或多个方向中的至少一部分大于所述光导中的全反射的临界角度。因此，纳米粒子阵列的点阵周期可以被选择以使得光将被有效注入到光导中。
在一个实施例中，所述至少一个点阵周期p可以被选择以使得：
λ/(n1+n2)<Λ<λ/(1+n2)
其中点阵距离被定义为在方位角处的点阵矢量(即，具有长度p的点阵矢量的方位投影)，n1是所述波长转换层的折射率，n2是所述光导层的折射率，而λ是具有所述第二波长的光的波长。该条件可以被使用以便为预定点阵选择确保光的发射将大于所有或者至少大部分方位角的临界角度的点阵间距。
在一个实施例中，所述点阵可以被布置为具有一个或多个对称性以便提供基本上对称的侧向发射辐射图案。在一个实施例中，所述点阵可以具有旋转、反射、平移、螺旋、缩放和/或分形对称性。在另一实施例中，可以通过非周期性的铺瓦片(tiling)来形成所述点阵，优选地，所述非周期性的铺瓦片形成彭罗斯点阵(Penrose lattice)。在又另一实施例中，所述点阵可以具有牛眼图案或向日葵图案。
在一个实施例中，所述纳米粒子的至少一部分可以是金属纳米粒子。在一个实施例中，金属纳米粒子可以包括含有Ag、Al、Ga、Cu、Au或它们的合金的纳米粒子。在另一实施例中，纳米粒子可以是电介质纳米粒子，优选为低折射率电介质纳米粒子。在一个实施例中，电介质纳米粒子可以包括含有金属氧化物、半导体或聚合物的纳米粒子。
在一个实施例中，所述纳米粒子的至少一部分可以具有(截断的)棱锥体或(截断的)圆锥体的形状，所述截断的棱锥体优选地具有在100nm至300nm范围内的底边长度以及在30nm至250nm范围内的顶边长度，并且所述截断的圆锥体具有在100nm至300nm范围内的底部直径、在30nm至250nm范围内的顶部直径、以及在30nm至400nm范围内的高度。因此，粒子的形状可以被优化以便提供能够经由衍射集体耦合的强局部共振。
在另外的方面，本发明可以涉及一种照明设备，其包括被配置为发射具有至少第一波长的光的至少一个光源；以及如以上所描述的一个或多个照明结构。
在一个实施例中，照明设备可以进一步包括至少一个光导，所述至少一个光导光学耦合至所述照明结构或者与所述照明结构接触，以使得具有大倾角的光的至少一部分被注入所述光导中。这样的光注入在诸如发光瓦片或柔性发光薄膜之类的薄板型发光设备中是特别有利的。由于所注入的光应当停留在光导介质内部，所以纳米粒子阵列被配置以使得相当部分的所发射光具有等于或大于临界角度的倾角，以使得光能够经由全内反射在内部被传输至光导的发射面。
在一个实施例中，光学耦合层被布置在所述光导和所述照明结构之间，其中所述耦合层的折射率在所述光导的折射率和空气的折射率之间被选择。(低折射率)光学耦合层可以提供强波导模式，其在发射层与例如折射率匹配的粘胶或玻璃的光导相接触时将会消失。通过选择具有处于空气的折射率和光导的折射率之间的折射率的材料，波导模式和临界角度以下的耦合都是可能的。
在一个实施例中，光导的至少一部分可以被配置为透明薄板，透明薄板包括顶部表面、底部表面以及一个或多个侧面，其中所述顶部表面和/或底部表面包括用于将光耦合出所述光导的一个或多个光提取结构。可替换地和/或除此之外，光导的所述侧面之一的至少一部分可以耦合至光提取结构，光提取结构被配置为透明材料的角度-面积转换器(angle-to-area converter)，其中角度-面积转换通过所述光提取结构中的全内反射来实现。
在一个实施例中，照明设备可以进一步包括：一个或多个反射部件，用于将照明结构的至少一部分侧向发射的光(其在没有明显损失的情况下通过全内反射被传输至光导的侧面之一)的至少一部分转换为基本上准直的光束。在一个实施例中，所述一个或多个反射部件可以形成角度-面积转换器。在另一实施例中，所述一个或多个反射部件形成复合抛物面集中器或者其等同形式。
因此，诸如复合抛物面集中器(CPC)之类的反射角度-面积转换器可以被用于将照明结构的侧向发射的光的至少一部分转换为高亮度准直光束。与需要包括反射光学部件和衍射光学部件的组合的有损且庞大的二级光学器件的常规固态发光光源相比，发光的侧向发射结构使得能够实现仅需要反射部件的侧向发射固态光源以便实现指向性光束。这在高亮度指向性光源(例如用于投影的)、汽车前灯聚光灯等的情况下是特别有利的。
本发明将参考附图进一步进行阐述，附图将示意性地示出根据本发明的实施例。将要理解的是，本发明绝非局限于这些具体实施例。
附图说明
图1示意性地描绘了根据本发明实施例的发光侧向发射结构。
图2A和图2B描绘了在与纳米粒子的等离子阵列相接触的波长转换层中的场强度增强。
图3A-图3C描绘了根据一个实施例的侧向发射结构的实验结果。
图4A和图4B示出了图示具有特定频率的共振发光与点阵周期在倒易空间中的关系的示意图。
图5描绘了根据波长转换层的分层厚度与所发射光的倾角的光致发光增强。
图6描绘了根据本发明实施例的发光侧向发射结构的横截面中的光的场强度的空间分布。
图7A和图7B描绘了根据本发明各个实施例的照明设备。
图8描绘了根据本发明另一实施例的照明设备。
图9描绘了根据本发明又另一实施例的照明设备。
具体实施方式
图1示意性地描绘了根据本发明实施例的发光侧向发射结构。侧向发射结构100可以包括与波长转换层102非常接近的纳米粒子阵列104。这里，“非常接近”意味着纳米粒子与波长转换层之间的距离大约为入射光或者波长转换层所发射的光的波长的量级或更小。
波长转换层可以被配置用于接收具有至少第一波长的光(优选地位于光谱的蓝色部分中的光)，并且将所述接收的光的至少一部分转换为具有至少第二波长的光(优选地位于光谱的红色或绿色部分中的光)。为此，波长转换层可以具有其中嵌入波长转换材料的透明材料。波长转换材料可以包括具有吸收来自至少第一波长的光并且发射具有至少第二波长的光的能力的分子、离子和/或粒子。通常，波长转换材料可以包括一种或多种荧光和/或发光材料，包括荧光粉、染料(例如来自BASFTM的Lumogen F系列的染料，诸如Red 305)、量子点(例如CdSe/CdS量子点)和/或稀土离子或者它们的组合，这些材料吸收电磁光谱的UV或蓝色部分中的光并且发射电磁光谱的红色或绿色部分中的光。
波长转换层的透明材料可以是充分透明且稳定以便用作波长转换材料的矩阵(宿主)材料的适当(光学级)聚合物。适当光学透明聚合物的示例包括聚苯乙烯、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)、酸乙二酯(PEN)或者它们的衍生物。可替换地和/或除此之外，透明材料可以包括透明无机材料(例如硅玻璃)或者例如通过溶胶凝胶方法等形成的混合有机/无机网络。所认可的是，图1中的波长转换层可以包括光学透明材料的一个或多个分层，其中至少一个分层包括波长转换材料。
波长转换层和纳米粒子阵列可以形成在透明支撑衬底112(例如透明聚合物层或玻璃层)上。波长转换层包括用于接收源自光源109的具有至少第一波长的光108的光接收第一表面106，上述光源109例如是包括一个或多个发光二极管和/或激光器的固态光源。
纳米粒子阵列可以包括非常接近于波长转换层的纳米粒子。如将要在下文中更详细描述的，纳米粒子阵列及其光学属性的特征可以在于其对称性(旋转的或轴向的)、周期性、其点阵参数、粒子形状、粒子尺寸和/或其尺寸。纳米粒子可以具有非对称形状，包括(截断的)棱锥体、(截断的)圆锥体或圆柱体。典型的粒子尺寸(宽度、高度、直径)的范围可以在20nm至500nm之间。例如，在一个实施例中，纳米粒子可以具有截断的棱锥体形状，其具有100nm至300nm范围内的底边长度以及30nm至250nm范围内的顶边长度。在另一实施例中，纳米粒子可以具有截断的圆锥体形状，其具有100nm至300nm范围内的底部直径、30nm至250nm范围内的顶部直径、以及50nm至400nm范围内的高度。
纳米粒子可以以共振方式增强波长转换层中的发光。例如，金属纳米粒子在暴露于波长为纳米粒子直径的量级的光时表现出等离子共振。这样的金属纳米粒子可以包括Ag、Al、Ga、Cu、Au或者它们的合金。类似地，电介质纳米粒子在暴露于波长为纳米粒子直径的量级的光时表现出三重共振。这样的电介质纳米粒子可以包括金属氧化物纳米粒子(例如Al2O3、Ta2O5、Ti3O5、TiO2、SrTiO3、BaTiO3、ZrO2、Nb2O5、CeO2和Si3N4)、半导体(例如Si)或绝缘(例如SiO2、纳米多孔氧化硅(通过制模方法制成，例如半导体行业所知的低K材料)＝低折射率)纳米粒子和/或聚合物纳米粒子，聚合物纳米粒子包括由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、酸乙二酯(PEN)、或它们的衍生物、或者硅树脂或含氟聚合物组成的纳米粒子。
如图1所示，波长转换层可以限定矩形透明薄板，其具有平行于x,y平面的顶部表面和底部表面。实际上，波长转换层限定光能够在其中通过内部反射而行进的光导结构。由波长转换材料发射的光的方向可以基于包括倾角θi和方位角的球坐标的形式进行描述，其中倾角关于z轴(该轴垂直于波长转换层的(顶部)表面)被定义，并且其中方位角关于x轴或y轴被定义。波长转换层中在等于或大于临界角度的倾角θi 114下朝向(顶部)表面发射的光将通过全内反射而行进穿过波长转换层。
图2A和图2B示出了在用其中嵌入发光染料的聚合物层覆盖的衬底上的个体金属纳米粒子周围的场的局部强度增强的图。在该示例中，使用稍成锥形的圆柱状铝纳米粒子(直径140nm且高度150nm)的正方形阵列(点阵周期400nm)。纳米粒子形成于具有折射率1.46并且被覆盖以折射率1.59、厚度650nm的聚苯乙烯层的熔融硅衬底上。聚苯乙烯层以2wt-％的浓度包含染料分子(Lumongen F RED 305BASF)。这样的纳米粒子阵列可以例如基于(纳米)压印技术而被轻易构建。图2A描绘了1.85eV频率的场强度的空间分布，其中共振行为能够归因于个体纳米粒子的局部化表面等离子共振。共振可能导致粒子位置(即，接近于纳米粒子的金属/电介质界面的某些区域)处的场强度的四倍增加。这些局部化表面等离子共振可能在波长转换层中引发共振模式，这些共振模式表现出在粒子上方的波长转换层中的大区域上延伸的高场强度区域。高场强度区域可能导致增强的染料发射。
一种类型的共振模式涉及个体纳米粒子的局部化表面等离子共振的衍射耦合，其导致被称作表面点阵共振(SLR)的集体光子共振。另一类型的集体共振模式涉及局部化表面到波长转换层的波导模式的衍射耦合。这样的共振模式的示例在图2B中示出，其描绘了在2.04eV频率处的场强度的空间分布。场增强的区域超过纳米粒子上方的波长转换层中的大区域大约60倍延伸。基于表现出局部化三重共振的电介质纳米粒子能够获得类似的效果。
已经意外地发现，图1中的纳米粒子阵列能够被配置以使得波长转换材料所发出的光能够以共振方式在侧向方向上(即在与具有相对小的倾角的方向相比具有大的倾角θi的方向上)被增强。更一般地，已经意外地发现，非常接近于波长转换层的纳米粒子阵列可以形成侧向发射发光结构，其中该结构在一个或多个大倾角θi的方向上的发光强度大于在具有小倾角的方向上的发光强度。这里，术语“大倾角”包括等于或大于波长转换层与其周边的电介质界面的临界角度的倾角，而术语“小倾角”则包括明显小于临界角度的角度。术语“侧向发射发光结构”包括具有本领域称之为蝠翼辐射图案和侧方发射辐射图案的辐射图案的发光结构。
如下文中将更为详细示出的，发射的具有大倾角(特别是等于或大于波长转换层的临界角度的倾角)的光可以通过控制纳米粒子阵列的参数(对称性、点阵周期、粒子形状、粒子材料)和/或波长转换层的参数(材料、尺寸)来实现。
图3A-图3C描绘了根据一个实施例的侧向发射结构的实验结果。特别地，图3B和图3C示出了其中纳米粒子阵列具有如图3A所示的六边形配置的侧向发射结构的实验结果。阵列定义了纳米粒子(在该示例中是铝制金属纳米粒子)的六边形点阵。点阵具有点阵周期，其在该示例中被选择为p＝275nm。点阵距离可以被定义为在方位角处的点阵矢量。因此，在该特定情形中，可以在六边形点阵的方位角方向和90°上定义不同的点阵距离。
纳米粒子被构建于熔融硅质衬底(n＝1.46)上并且覆盖有包括波长转换材料的、由700nm厚度的聚苯乙烯层制成的波长转换层(n＝1.58)，在该示例中，上述波长转换材料为发射波长620nm的红色光的有机发光染料F305。铝制粒子具有截断的圆锥体形状，其高度为150nm、底部直径为140nm并且顶部直径为80nm。
依赖于角度的发射通过使用620(±10)nm的滤镜和具有折射率1.52的浸镜油的傅里叶显微镜进行测量。结果在图3B和图3C中示出。图3B表示纳米粒子阵列的光致发光的角度依赖性的图形。该图形表示，依赖于方位角在特定方向上以共振方式增强的光的倾角在41°<θ<90°之间变化(即，倾角的范围等于或大于光导的临界角度θc，其在该特定示例中大约为41°)。图3C描绘了图3B中的图形针对零度方位角的横截面。该附图示出光致发光在大约42°的倾角处表现出增强的光发射。增大方位角将使得图3C中的峰值在如图3B所示的41°<θi<90°的范围内移动。
图3B进一步图示了纳米粒子阵列的对称性对发射图案的对称性具有直接影响。因此，能够使用具有高对称度的纳米粒子阵列(例如包括旋转、反射、平移、螺旋、缩放和/或分形对称性)以便生成更对称的发射图案。有利的纳米粒子阵列图案可以包括特殊的对称图案，诸如牛眼图案或向日葵图案或Penrose点阵。
由纳米粒子阵列的点阵周期发射的光的倾角的影响进一步在图4A和图4B中示出。这些附图描绘了根据平行波矢量k//＝2π/λsinθi的频率ω＝hc/λ的示意图。该示图图示了具有特定频率ω＝hc/λ的共振发光的倾角θi和点阵周期p之间的关系，其中λ是所发射光的波长。对于表面点阵模式，最高发射强度的角度能够根据Rayleigh条件进行估计：
λ/Λ＝|±n1sinθi±n2| (1)
其中Λ是与长度为p且方位角为的点阵矢量相关联的点阵距离，n1是向其中进行发射的介质(例如光导或者在没有光导的情况下是所使用的空气)的折射率，并且n2是表面点阵(Rayleigh)模式的介质(例如波长转换层)的折射率。
等式(1)得出，针对对于全反射而言大于临界角度θc＝asin(1/n1)的倾角(即θc<θ<90°)，在某个方位角方向上的点阵距离应当处于以下范围之中：
λ/(n1+n2)<Λ<λ/(1+n2) (2)
条件(2)可以被应用于各种对称性的阵列。例如，可以选择包括如图3A所描绘的点阵周期p的六边形点阵结构。在该情况下，相关(最小和最大)点阵距离可以被定义为Λ1＝1/2p√3(沿和60°)和Λ2＝3/4p(沿和90°)，其中p是点阵周期且是方位角。基于这些点阵距离，条件(2)暗示了所有方位角的最优点阵周期p应当处于4/3λ/(n1+n2)<p<2/√3λ/(1+n2)的范围之中。
当使用n1＝n2＝1.52(例如PMMA或玻璃等)时，条件(2)针对某一感兴趣波长λ暗示了点阵周期应当处于预定范围内。例如，当选择λ＝620nm(由红色荧光体发出的光的波长)时，点阵周期p应当处于272nm<p<284nm的范围内。类似地，对于由绿色荧光体发出的λ＝530nm的绿色光而言，点阵周期p应当处于232<p<243nm的范围内。
图4A和图4B提供了发射辐射的共振条件的图形表示。这些共振条件由感兴趣的发射频率410、412的交叉点402、404、406、408以及表面点阵共振模式和/或波导模式的分散曲线421、422、423、424确定。这里，图4A的示图应用于其中点阵周期与发射波长相比相对小的情形，而图4B的示图则应用于其中点阵周期与发射波长相比相对大的情形。
如以上已经描述的，个体纳米粒子的局部共振(例如等离子共振或三重共振)也可以集体耦合至波长转换层的波导模式，波导模式会在波长转换层的折射率高于其周围介质的折射率的情况下存在。
另外，对于局部共振到波导模式的衍射耦合而言，类似于图4A和图4B所示的图形可以被用来确定具有特定频率ω＝hc/λ的共振发射的光的倾角θi与点阵周期p之间的关系。通常，波导模式始终处于波长转换层之中(在所包含介质的Rayleigh模式之间)。波长转换层的波导模式可以通过在波长转换层上方施加低折射率的层以及波长转换层的尺寸(特别是厚度)来进行控制。
因此，波长转换层的厚度可以被优化以使得光致发光通过将局部化共振在某个期望频率(通常是波导转换层中的波长转换材料所发射的光的波长)处集体耦合至波导模式而最大程度地被增强。
图5针对参考图4A-图4C所描述的等离子结构(即，周期p＝275nm且光致发光强度为620nm的六边形阵列)而描绘了根据波长转换层的分层厚度与所发射光的倾角的p偏振光的光致发光增强。图5中还图示了针对顺序为0、1、2和3(以及衍射量级1)的波导模式所计算的位置。这里，针对0°方位角检查倾角刚好高于41°临界角。
如图5所示，共振行为是由于在金属离子之间的(高折射率)层和(相对低折射率)顶部介质中进入波导模式的第一级衍射。这些分层能够支持引导模式(对于620nm的波长、1.58的折射率和所指示的倾角)。图5中示出了所计算的场强度的增强。图5中还指出了针对各种波导模式的所计算的位置。这些位置关于厚度被移动，这示出了150nm厚度的金属离子所导致的最大增强。图5进一步示出了第零级波导针对在500nm和2000nm之间、优选地在1300nm和1900nm之间的厚度支持最强模式。这些模式随着厚度增加达到大约1500nm的厚度而变得更强，此后其再次减小。该增大是由于限制因数的公知表现(即，处于中央高折射率层之中的电磁能部分)，其随着厚度而增大。对于非常大的厚度而言，与金属粒子的重叠很小而使得粒子和波导模式之间几乎没有任何耦合。由于该原因，增强在1500nm以上消失。因此，基于图5的结果，得出波长转换层的厚度在400nm和4000nm之间、优选地在1300nm和1900nm之间被选择。
图6以截面图描绘了类似于参考图4A-图4C所描述的发光侧向发射结构的波长为620nm的s偏振光和p偏振光的场强度的空间分布，区别在于波长转换层的厚度为1000nm并且所发射的光具有43°的倾角。这些附图示出了波导转换层中由于局部等离子共振与波导模式的耦合而造成的增强的场强度的区域。
以上所描述的效果对于低折射率电介质纳米粒子的阵列同样保持，例如低折射无机电介质纳米粒子(诸如材料纳米粒子)，和/或低折射有机电介质纳米粒子，诸如金属氧化物粒子(例如Al2O3、Ta2O5、Ti3O5、TiO2、SrTiO3、BaTiO3、ZrO2、Nb2O5、CeO2和Si3N4)，半导体(例如Si)或绝缘(例如SiO2)纳米粒子和/或聚合物纳米粒子，例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)、酸乙二酯(PEN)或它们的衍生物，或者硅树脂或含氟聚合物。电介质纳米粒子的优势在于它们并不吸收光，至少不比金属强地吸收光。
图7A和图7B描绘了根据本发明各个实施例的照明设备。在这些实施例中，照明设备包括根据本发明各个实施例的耦合至平面光导的侧向发射结构。
图7A图示了一种照明设备，其中侧向发射结构702暴露于源自光源(未示出)的具有第一波长的光704并且生成具有第二波长的光705，具有第二波长的光705在大倾角θ下被有效注入到光导介质706中。这样的光注入在诸如发光瓦片或柔性发光薄膜之类的薄板型发光设备中是特别有利的。由于所注入的光应当停留在光导介质内部，所以纳米粒子阵列被配置以使得相当数量的所发射的光针对全反射(即θc<θ<90°)具有等于或大于临界角度θc＝asin(1/n1)的倾角，从而光能够经由全内反射在内部传输至光导的一个或多个发射区域。针对光导之中的有效光注入能够通过控制纳米粒子阵列的点阵周期和对称性以使得共振增强的光的倾角大于临界角度而实现。在一些实施例中，例如在光瓦片或发光薄膜的情况下，光导的发射区域可以被布置在光导的顶面和底面708、710处。发射区域可以包括用于将光耦合出所述光导的光提取结构(未示出)。在其它实施例中，光导的侧面712的一部分可以被配置为发射区域。
图7B图示了一种照明设备，其中侧向发射结构702被用于以参考图7A所描述的类似方式将光有效注入到光导介质706中。然而，在该特定实施例中，使用了在侧向发射结构和光导(或衬底)之间的低折射率层707以便将侧向发射结构与光导光学耦合。低折射率层提供强波导模式，其将在发射层与光导的例如粘胶或玻璃的匹配折射率相接触时消失。通过选择具有在空气和光导的折射率之间的折射率，临界角度下的波导模式和耦合仍然都是可能的。例如，如果发射层和光二极管都具有n＝1.52，则具有n＝1.43的低折射率层将允许具有高达70°的倾角的辐射逸出。低折射率材料的示例包括MgF2、纳米多孔硅和氧化硅。
图8描绘了根据本发明另一实施例的照明设备。特别地，图8描绘了一种照明设备，其中侧向发射结构802暴露于源自光源(未示出)的具有第一波长的光804并且生成具有第二波长的光810。侧向发射结构生成辐射图案，辐射图案在一个或多个大倾角θi的方向上包括大于在一个或多个小倾角的方向上的场强度的场强度。可选地，侧向发射层可以光学耦合至一个或多个光导部件806。诸如复合抛物面集中器(CPC)的反射角度-面积转换器814可以被用于将照明结构的侧向发射的光的至少一部分转换为高亮度准直光束。
图9描绘了根据本发明又另一实施例的照明设备。特别地，图9描绘了侧向发射结构902，其被配置为以类似于图7A和图7B的照明设备的方式在光导部件906中注入光。光导部件可以具有顶部表面和底部表面908、910以及一个或多个侧面912。例如由玻璃或透明聚合物制成的复合抛物面集中器的透明材料的反射角度-面积转换器914可以光学耦合(例如粘合)至光导的侧面之一的一部分以便从波导提取出光。在该特定实施例中，光910在角度-面积转换器中的角度至面积的转换通过光在角度-面积转换器的空气界面处进行的全内反射而被实现。
与需要包括反射部件和衍射部件的低效且庞大的二级常规固态发光光源相比，发光侧向发射结构使得能够实现仅需要用于实现指向性光束的一个或多个反射部件的照明设备。这在高亮度指向性光源(例如用于投影的)、汽车前灯聚光灯等的情况下是特别有利的。
这里所使用的术语仅是出于描述特定实施例的目的而并非意在限制本发明。如这里所使用的，除非另外明确指出，否则术语“一个”(“a”、“an”和“the”)意味着“一个或多个”。将要进一步理解的，当在该说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指明存在所指出的特征、整数、步骤、操作、要素和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、要素、组件和/或其群组。
所有器件或步骤相对应的结构、材料、动作和等同形式加上以下权利要求中的功能要素意在包括与特别请求保护的其它保护要素相结合而执行该功能的任意结构、材料或动作。本发明的说明书已经出于说明和描述的目的被给出，但是其并非意在是无所不包的或者被局限于所公开形式的本发明。许多修改和变化对于本领域技术人员将是显而易见的而并不背离本发明的范围和精神。实施例被选择并描述以便对本发明的原理和实践应用进行最佳解释并且使得本领域技术人员能够针对具有各种修改的各个实施例理解本发明适用于所预期的特定使用。
Claims (24)
1.一种照明结构(100)，包括：
波长转换层(102)，被配置用于接收具有至少第一波长的光(108)并且将接收的所述光转换为具有至少第二波长的光(110)；
纳米粒子阵列(104)，被布置在与所述波长转换层(102)相接触或非常接近的平面中，所述阵列的至少一部分形成点阵，所述点阵的特征在于至少一个点阵周期p，其中所述点阵周期被选择以使得在工作中：
所述纳米粒子(104)的至少一部分的共振衍射耦合为所述波长转换层(102)中的在所述第二波长处的一个或多个集体共振模式；并且
由所述照明结构生成侧向发射辐射图案，其中所述辐射图案包括在关于所述阵列的平面成大倾角θi(114)的一个或多个方向上的场强度，所述场强度大于在成小倾角的一个或多个方向上的场强度；所述大倾角等于或大于所述波长转换层的临界角度，所述小倾角小于所述临界角度。
2.根据权利要求1所述的照明结构，其中所述一个或多个集体共振模式包括与所述纳米粒子阵列(104)相关联的一个或多个表面点阵共振模式，所述至少一个点阵周期被选择以使得所述一个或多个表面点阵共振模式中的至少一个表面点阵共振模式与具有所述第二波长的所述光(110)共振。
3.根据权利要求1所述的照明结构，其中所述一个或多个集体共振模式包括与所述波长转换层(102)相关联的一个或多个波导模式，所述至少一个点阵周期被选择以使得所述一个或多个波导模式中的至少一个波导模式与具有所述第二波长的所述光(110)共振。
4.根据权利要求3所述的照明结构，其中所述波长转换层的至少一部分与低折射率层(707)相接触以用于在所述波长转换层(102)中提供强波导模式，所述低折射率层(707)的折射率小于所述波长转换层(102)的折射率。
5.根据权利要求3或4所述的照明结构，其中所述波长转换层(102)的厚度被选择以使得在成大倾角θi的一个或多个方向上的所述场强度通过所述一个或多个波导模式中与具有所述第二波长的所述光(110)共振的所述至少一个波导模式被增强。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的照明结构，其中所述至少一个点阵周期被选择以使得在所述波长转换层(702)与光导(710)相接触的情况下，成大倾角θi的所述一个或多个方向中的至少一部分大于所述光导(706)中的全反射的临界角度。
7.根据权利要求6所述的照明结构，其中所述至少一个点阵周期被选择以使得：
λ/(n1+n2)<Λ<λ/(1+n2)
其中点阵距离被定义为具有长度p的点阵矢量的方位投影，p为点阵周期，为方位角，n1是所述波长转换层(702)的折射率，n2是所述光导层(706)的折射率，并且λ是具有所述第二波长的所述光(705)的波长。
8.根据权利要求1-4和权利要求7中任一项所述的照明结构，其中所述点阵被布置为具有一个或多个对称性；并且/或者其中所述点阵通过非周期性的铺瓦片来形成。
9.根据权利要求1-4和权利要求7中任一项所述的照明结构，其中所述纳米粒子的至少一部分是金属纳米粒子或者电介质纳米粒子。
10.根据权利要求1-4和权利要求7中任一项所述的照明结构，其中所述纳米粒子的至少一部分具有棱锥体或圆锥体的形状。
11.根据权利要求1-4和权利要求7中任一项所述的照明结构，其中所述纳米粒子的至少一部分具有截断的棱锥体或截断的圆锥体的形状。
12.根据权利要求1-4和权利要求7中任一项所述的照明结构，其中所述波长转换层(102)的厚度在400nm和4000nm之间被选择。
13.根据权利要求8所述的照明结构，其中所述一个或多个对称性包括旋转对称性、反射对称性、平移对称性、螺旋对称性、缩放对称性和/或分形对称性。
14.根据权利要求8所述的照明结构，其中所述非周期性的铺瓦片形成彭罗斯点阵。
15.根据权利要求10所述的照明结构，其中所述截断的棱锥体具有在100nm至300nm范围内的底边长度以及在30nm至250nm范围内的顶边长度，并且所述截断的圆锥体具有在100nm至300nm范围内的底部直径、在30nm至250nm范围内的顶部直径、以及在50nm至400nm范围内的高度。
16.根据权利要求1-4和权利要求7中任一项所述的照明结构，其中所述波长转换层(102)的厚度在1300nm和1900nm之间被选择。
17.一种照明设备，包括：
至少一个光源，被配置为发射具有至少第一波长的光(704,804,904)；以及
根据权利要求1-11中任一项所述的一个或多个照明结构(702,802,902)。
18.根据权利要求17所述的照明设备，进一步包括：
光导(706)，光学耦合至所述照明结构(702)以使得具有大倾角的光(705)的至少一部分被注入所述光导中。
19.根据权利要求17和18中任一项所述的照明设备，进一步包括：
一个或多个反射部件(814,914)，用于将所述照明结构的侧向发射的光的至少一部分转换为基本上准直的光束(810,910)。
20.根据权利要求18所述的照明设备，其中所述光导(706)的至少一部分被配置为透明薄板，所述透明薄板包括顶部表面(710,910)、底部表面(708,908)以及一个或多个侧面(712,912)，其中所述顶部表面和/或所述底部表面包括用于将光耦合出所述光导的一个或多个光提取结构；或者其中所述侧面中的所述一个侧面的至少一部分耦合到至少一个光提取结构，所述至少一个光提取结构被配置为透明材料的角度-面积转换器。
21.根据权利要求18所述的照明设备，其中光学耦合层(707)被布置在所述光导(706)和所述照明结构(702)之间，其中所述耦合层的折射率在所述光导的折射率和空气的折射率之间被选择。
22.根据权利要求19所述的照明设备，其中所述一个或多个反射部件(814,914)形成角度-面积转换器。
23.根据权利要求19所述的照明设备，其中所述一个或多个反射部件形成复合抛物面集中器或者其等同形式。
24.根据权利要求20所述的照明设备，其中所述转换器中的角度-面积转换通过全内反射来实现。
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