CN106415332A - 用于聚集光的方法和光聚集器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于通过将光耦合到布置在衬底(1)上的薄膜波导(2、4)中以聚集光的方法，特别地，通过衬底平行表面中的至少一个，方法还包括通过入射光与纳米图案化非连续激励材料(特别地金属，优选地银)层(3)的相互作用(特别地，散射、衍射或者表面等离子体激元激励)在薄膜波导(2、4)中激励具有至少一个节点(6)(优选地，刚好一个节点(6))的至少一个横导模(5)的步骤，纳米图案化非连续激励层(3)在横导模(5)的至少一个节点(6)的位置处布置在薄膜波导(2、4)中。本发明还涉及包括沉积在衬底(1)上的薄膜波导(2、4)的光聚集器，薄膜波导(2、4)具有至少两个平行表面，光可通过这些表面中的至少一个耦合到薄膜波导(2、4)中，其中薄膜波导(2、4)被建立为收集薄膜波导(2、3、4)，用于通过在与要在收集薄膜波导(2、3、4)中激励的导模(5)的节点位置(6)相对应的位置处布置纳米图案化非连续激励材料(特别地金属以及优选地银)层(3)以收集光。本发明还涉及制造这种光聚集器的方法。

Description

用于聚集光的方法和光聚集器
本发明涉及用于通过将光耦合到薄膜波导中(特别地通过薄膜波导的平行表面中的至少一个)以聚集光的方法。本发明还涉及光聚集器、用于制造这种光聚集器的方法和这种光聚集器的使用。
所提到的平行表面理解为波导的表面还平行于布置薄膜波导的衬底的表面。薄膜波导的这些平行表面在波导与空气或者封盖之间以及在波导与衬底之间形成界面。
本发明上下文中的聚集光至少通过使用具有两个平行表面的薄膜波导以通过这些表面中的至少一个将光耦合到薄膜波导中来收集光而发生。
如本领域中已知的电介质薄膜波导典型地(优选地通过材料沉积)在支撑衬底上布置为总厚度300nm至1μm或者仅几μm的透明薄膜堆叠。薄膜波导的一个表面接触衬底。薄膜波导的另一个表面接触周围空气或者封盖。这两个平行表面中的至少一个形成使光可以耦合到薄膜波导中的入射表面。
对于仅几百纳米至几微米范围中的薄膜波导厚度以及相同数量级的传播模直径，薄膜波导表面处的收集区域将典型地超过被激励的波导模的横截面。
在此意义上，光收集到导模中意味着聚集光(尤其在第一步骤中)。
在称为平面聚集的可能的第二步骤中，还可以例如通过减小波导横截面(尤其是宽度)和/或使其逐渐变细成为条带波导以使导模聚集，这进一步减小波模横截面。
如果不局限于一个特定方向或者几个特定方向，则通过其它方式-沿平行于薄膜波导表面以及垂直于衬底表面的法向矢量的所有方向在薄膜波导中发生导模传播。这些方向被理解为横向的。相应地，被激励的导模还称为横模。
可以沿导致入射到表面的光折射到薄膜波导的体积中的任何方向进行通过薄膜波导表面的光收集。
在具有平滑平行表面的完全平面无源电介质薄膜波导中，通过这些表面中的一个从外部激励横导模是不可能的(斯涅尔定律)。事实上，这可以通过利用折射率变化、背面散射或者衍射元件破坏平面性来完成。然而，这些概念受扰于波导导模的激励与提取之间的对称性。换句话说，在现有技术的状况中，采取所有措施使能通过其表面中的至少一个将光耦合到波导中的无源平面薄膜波导还导致通过相同表面对所捕获的光的提高的提取。相应地，例如通过波导中激励的膜模中的全反射原理在薄膜波导中引导仅少量所捕获的光。
在现有技术的状况中，发光太阳能聚光器(LSC)克服了无源波导的该缺点。在这种“有源”聚光器中，借助于发光波导介质在特定波长范围中吸收耦合到波导中的光子以及该光子以更长的波长通过发光原理发射到平面型波导模中。相应地，原则上，由于所使用介质的吸收和发射光谱的不同波长和斯托克斯位移(stokes-shift)，通过吸收和发射将光耦合到波导中的方法不影响所发射波导模的行进。
典型地，这种发光波导是具有由它们的边缘表面间隔的两个平行表面的几毫米厚的板，它们的边缘表面沿它们的相应法向矢量连接两个平行表面。与两个维度中的收集区域的延伸部相比，两个平行表面之间的间隔/距离较小(典型地，至少小10倍)。可以用于提取(提取面积)所聚集的光的所有边缘表面面积的总和小于用于将光耦合到波导中的薄膜波导表面面积(收集面积)。
可以在这种LSC的这些边缘处布置太阳能电池以将所引导的光能转换为电力。LSC的聚集因子(定义为收集面积与提取面积的比率)典型地限于大约10。这首先应归于大厚度的波导以及其次应归于典型地限于数十平方厘米的收集面积。由于波导模的传播损耗，较大收集面积导致光效率降低(所提取的聚集光功率与入射光功率)。由于单个LSC的有限面积，平方米范围中的有效面积覆盖需要广泛的电气布线，该广泛的电气布线进一步增大这种系统的复杂度和成本。
鉴于这些事实，本发明的目的是提供用于聚集光的方法和能够克服已知缺点的无源光聚集器。
特别地，方法和聚集器应当利用将光耦合到薄膜波导中的原理，该原理反过来几乎不影响在波导中沿横向方向行进的被激励的模的传播。
根据本发明，借助于如所提到的方法解决该目标，还包括通过入射光与薄膜波导中布置的纳米图案化的非连续激励层在横导模的至少一个节点的位置处的相互作用在薄膜波导中激励具有至少一个节点(优选地，刚好一个节点)的至少一个导(膜)模的步骤。具有这种合并的纳米图案化非连续激励层的薄膜波导被称为收集薄膜波导。纳米图案化非连续激励层优选地仅布置在导模的一个或者多个节点位置中。
术语“节点”应理解为波导内被激励的模的强度分布中的最小强度。在该情况下，用于确定节点位置的强度分布被看作在一个或者多个模限制方向上。在两个横向维度上延伸的薄膜波导的情况下，这意味着仅光收集表面的法向矢量的方向。对于条带状薄膜波导，这也可以包括被限制的横向方向。相应地，这种节点的位置至少在被看作在这些表面的法向矢量的方向上的波导的两个平行表面之间的某处。所提到的纳米图案化激励层至少在被激励的模的传播方向上是不连续的，特别地，在所有横向方向上可以是不连续的。
代替几毫米厚的平面型波导，在根据本发明的聚集器中使用用于收集光的薄膜波导。该收集薄膜波导由一个或者多个透明的尤其具有高于衬底的折射率的电介质层、纳米图案化非连续激励层和封盖(例如，空气)组成。波导模被限于收集薄膜波导或者各自具有大约300nm至1μm厚度的几个(至少两个)收集薄膜波导的堆叠。由于小厚度，材料消耗很小以及可以料想更重要的柔性光聚集器。
如通过本发明理解的纳米图案化非连续激励层破坏收集薄膜波导的平面性以及使能入射光传播方向的改变(特别地借助于散射、衍射或者等离子体激元激励)。这样，(特别地，利用波长的一小部分的维度)限定空间的非连续激励层的纳米图案可以由入射光生成横向传播(膜)模。因此，收集薄膜波导的这种纳米图案化非连续激励层是使光能够耦合到光聚集器中的度量。
由于在具有至少一个节点的膜模的节点的位置中布置纳米图案化非连续激励层，使得对于基模来说存在高传播损耗。这是由于基模与纳米图案化非连续激励层显著地相互作用。众所周知，包括低损耗波导模和有损耗波导模的波导中的传播损耗很大程度上由低损耗模决定。因此，高损耗基模不会对光聚集器性能有任何负面影响。
仅在纳米图案化非连续激励层的一个或者多个位置中具有它们的一个或者多个节点的高次模决定光聚集器的性能。由于纳米图案的位置处没有显著的光强度，因此由纳米图案化非连续激励层激励的高次模(TEn、TMn，其中n>＝1)在波导中行进时几乎不与该纳米图案相互作用。因此，本发明规定收集薄膜波导中的被激励的模不受用来将光耦合到收集薄膜波导中的耦合机制影响。可以总结以与LSC提供入射光与导模的能量分离相似的方式，本发明的方法提供空间分离。换句话说，入射光与对导模保持“不可见”的纳米图案化非连续激励层相互作用。
可以从适合引导光的任何透明材料选择围绕纳米图案化非连续激励层的透明连续的收集薄膜波导层的材料，尤其是与衬底相比更大折射率的透明电介质材料。还可以从在纳米图案化非连续激励层的非常低质量厚度(典型地，低于20nm)处呈现与可见光的强相互作用的任何合适材料选择在节点(尤其，第一高次横模(TE1、TM1)的节点)位置处布置在收集薄膜波导中的纳米图案化非连续激励层。这样，激励层适配到节点中以及用来通过与入射光相互作用(特别地，通过激励SPP)激励至少一个低损耗横模。这种材料可以是金属，优选地可以是银。
另外，本发明的前述目标由包括具有两个平行表面的薄膜波导的光聚集器解决，光可通过这些表面中的至少一个耦合到薄膜波导中，薄膜波导被建立为用于通过在与要在收集薄膜波导中激励的导模的节点位置相对应的位置处布置材料(特别地为金属，以及优选地为银)的纳米图案化非连续激励层以收集光的光收集薄膜波导，该模具有至少一个节点。光聚集器中的收集薄膜波导可以具有平面表面或者甚至弯曲表面。
此外在这里，本发明的理解是纳米图案化非连续激励层不构成材料的连续封闭区域而仅构成在纳米范围(特别地，小于100nm，优选地小于10nm)中的材料之间具有空间的非连续区域。
在可以至少在光聚集器的部分处形成的收集薄膜波导中，纳米图案化非连续激励层沿平行于收集表面的法向矢量的方向至少限制到节点位置以及特别地可以在收集薄膜波导的整个区域(收集区域)上延伸。纳米图案化激励层从而在平行于收集区域的平面中形成非连续材料区域。由于除至少一个收集薄膜波导以外光聚集器可以包括波导结构，因此收集区域并不一定是光聚集器的整个区域，但至少是一部分。
根据本发明的光聚集器还可以包括具有不同纳米图案化非连续激励层或者不同电介质层的不同收集薄膜波导或者特别地完全没有纳米图案化非连续激励层的薄膜波导。这些波导可以用来仅引导光模，但由于它们的连续结构，在这种波导中既不进行收集也不进行提取。
可以在平行于表面的平面中将纳米图案化非连续激励层的材料布置为膜/层，特别地沿一个或者多个表面的法向矢量方向具有20nm或者更小的质量厚度的膜。由于这种厚度限制，确保纳米图案化非连续激励层不会延伸到具有显著强度的膜导模的位置中。激励层应当优选地不延伸(特别地，沿表面的法向矢量方向)到Imax/100的位置以外，其中Imax是整个强度分布的强度最大值。
光聚集器的收集薄膜波导中的自组织纳米图案化非连续激励层的一个示例是特别地在低于渗透极限的质量厚度处沉积银时形成的银岛膜。特别地，银岛膜可以呈现5至15nm的质量厚度和/或10至100nm的颗粒大小。这种厚度或者大小规定材料膜是非连续的(岛化的)以及引起与入射光的强相互作用以及与连续膜相比非常低的反射。
最近的实验表明呈现强入射光散射的非连续银岛膜(SIF)对于在其节点位置中对准时的横模能实现远低于1cm-1的传播损耗。必须记住，银呈现大约700.000cm-1的吸收以及12nm质量厚度的银岛膜放置在介质波导的中心。该实验中发现的这些极低的传播损耗暗示在有银岛的情况下具有在SIF中完全对准的节点的电介质节点模(TE1)与表面等离子极化激元(SPP)的混合。还没有充满理解准确的基础机制。重要地，将纳米图案化非连续激励层(例如，SIF)放在电介质薄膜波导的某个位置中，从而形成根据本发明的收集薄膜波导。在非连续激励层包括如例如银的金属的情况下，所产生的收集薄膜波导不再是纯电介质。其同时变成等离子体波导，意味着用于SPP的波导。由于两种类型的模可能混合，因此收集薄膜波导还可以被看作混合薄膜波导。出于简明的原因，波导将称为薄膜波导，该薄膜波导包括所有三种情况。以同样的方式，被激励的横模可以是纯电介质模或者SPP或者混合。它们将称为薄膜模，该薄膜模包括所有三种情况。
为了形成根据本发明的光聚集器，纳米图案化非连续激励层优选地布置在两个透明层(优选地透明电介质材料)之间。两个透明层可以由相同材料或者两个不同材料制成，特别地当对层使用不同材料时，两个层可以具有不同厚度以补偿被激励的横模的不对称。
借助于尽可能独立于波长的节点位置对光聚集器的收集薄膜波导进行优化。这样，可以在整个可见光谱中达到非常低的传播损耗。
对于TE1/TM1模(或者其它奇数模)，在此意义上的完美收集薄膜波导是节点位置在正中心的对称收集薄膜波导。可以通过围绕纳米图案化非连续激励层的相同上电介质层和下电介质层以及与接触下电介质层的衬底具有相同折射率的上电介质层顶部的封盖(优选地，具有＞1μm的厚度的封盖)建立这种完美对称性。通常，可以提前计算预计节点的准确位置以及相应地制造收集薄膜波导。
根据用于聚集光的方法，可以借助于提供具有散射或者衍射结构的纳米图案化非连续激励层在至少一个特定横向方向上激励至少一个横导模的光。这种结构不需要一定是周期性的，而是用来主要沿该至少一个横向方向散射或者衍射入射光。例如，这种结构可以是光栅结构，该光栅结构可以在该至少一个横向方向上是周期性的。
可以选择超过一个特定横向传播方向。因此，结构可以具有产生散射或者衍射效果的若干不连续性或者沿不同横向方向具有周期性。这帮助激励具有某个传播方向的波以及由此支持在波导中将模引导至一个或者多个特定位置(特别地，提取位置)。
根据本发明的聚集器的收集薄膜波导中的纳米结构(特别地，光栅结构)可以具有周期性布置的图案元件，每个图案元件可以由岛化材料(优选地，银)膜制成。由于衍射或者散射结构本身还破坏平面性以及允许散射、衍射和表面等离子体激元激励，因此结构的图案元件还可以由连续膜(优选地，金属，特别地，银)形成。
为了更好的处理和制造，光聚集器包括收集薄膜波导附接(特别地，通过材料沉积)的衬底(特别地，柔性箔)。
因此，用于制造这种光聚集器的方法可以包括在衬底上沉积第一透明层(特别地，电介质材料)、在第一透明层上沉积材料(特别地，金属，优选地，银)的纳米图案化非连续激励层以及在纳米图案化非连续激励层上沉积第二透明层(优选地，电介质材料)的步骤。如所描述的，可以在顶部沉积另外的电介质包覆层。相应地，纳米图案化非连续激励层封装在至少两个透明材料层中。纳米图案化非连续激励层沉积在平行于波导表面的平面中。纳米图案化非连续激励层布置在一个高次横模(TEn或者TMn，n≥1)的一个或者多个节点位置中。
根据本发明，还可以提供具有收集薄膜波导的光聚集器，该收集薄膜波导具有若干(至少两个)平行的纳米图案化非连续激励层，纳米图案化非连续激励层间隔由要激励的若干(至少两个)模节点的间隔限定的距离。在这种情况下，高次模TEn、TMn(其中，n>＝2)可以在收集薄膜波导中传播。相应地，这种收集薄膜波导包括超过两个透明层，每个激励层封装在两个相应透明层之间。
在本发明的另外的改进实施例中，光聚集器可以包括特别地附接至共同衬底的至少两个堆叠的收集薄膜波导。可以根据前述方法制造这些堆叠的收集薄膜波导中的每一个。可以在堆叠的收集薄膜波导中的每一个之间布置透明材料的分离的低折射率缓冲层。
如已经提到的，可以在光聚集器的至少一个不同区域中布置纳米图案化非连续激励层，该不同区域限定由入射光激励的膜模的收集薄膜波导。特别地，可以在光聚集器的若干横向间隔的不同收集区域中布置非连续纳米图案，从而形成并排布置的若干间隔的收集薄膜波导。
根据本发明的光聚集器可以包括其它区域，该其它区域可以包括用于改进光功率的传播、横向聚集、分布或者提取的波导结构。
例如，节点位置中没有纳米图案化非平面激励层或者完全没有任何横向图案的纯电介质薄膜波导可以呈现极低的传播损耗。从而，它可以连接有限大小的收集薄膜波导以降低光聚集器的总体传播损耗，该光聚集器分成收集区域和分布区域和/或提取区域。
以与LSC中相似的方式，通过电气布线降低传播损耗，该新概念被称为光学布线。与电气布线相反，它连接相同衬底(例如，箔片)上的收集区域，从而在没有附加成本的情况下能实现大区域的高效聚集器。
可以通过以光聚集器的一个平面中的收集薄膜波导在相同光聚集器的第二平面中的分布波导结构顶部的方式堆叠收集薄膜波导以补偿仅在光聚集器的限制收集区域中收集光的缺点。从而，暴露于光的整个区域可以用于收集并且同时可以降低传播损耗(特别地，通过光学布线)。
可以沿偏离传播方向的方向(特别地，垂直于收集薄膜波导表面)实现从光聚集器的光提取。
如果非平面层(特别地，用于收集的纳米图案化非连续激励层)移出导模的节点位置或者定位在导模的节点位置外，则这种提取是可能的。
在该情况下，尽管改进的散射、衍射或者与光的其它相互作用的纳米图案不再隐藏在节点中，但是导致将光从光聚集器提取出来。
可以通过改变材料(介电常数)或者电介质层中的一个或者两个的厚度以实现相对于节点位置移动非平面层。例如，可以移除收集薄膜波导的上电介质层，这样将性质从收集改变为提取。然而，该方法将导致提取区域处增大的局部温度。
横向提取可以使用在某个方向上终止的膜或者条带波导。它们可以是锥形的或者在端部处形成透镜结构。该提取还可以将所引导的光功率聚焦到外部热点中。这样，与横向提取相比将降低衬底上的热冲击。这对经不住高温的柔性聚合物衬底尤其有用。特别地如下面提到的，外部热点还可以直接地用于能量转换器。另外，可以通过在将光功率输送到建筑物中的专用光纤(特别地，玻璃纤维)的面上定位外部提取点以引导光用于建筑物中的照明或者加热应用。
优选地通过微型图案完成不同功能的不同波导结构的限定和边界。
这些图案限定在何处包括下电介质层、纳米图案化非连续激励层和上电介质层以及在何处移除单个层。微型图案可以具有比几微米大的特征大小，优选地比几十微米大。这种微型图案可以包括锥形或者弯曲或者条带的波导结构。
相应地以及特别地借助于微型图案，光聚集器可以包括若干收集薄膜波导，特别地条带形收集薄膜波导彼此平行布置以及沿垂直于与每个条带形的收集薄膜波导的传播方向相对应的每个条带的纵向延伸部以及垂直于收集表面的法向矢量的方向分离。
由于它们的大特征大小以及与纳米图案相反，可以利用用于薄膜图案化的标准方法限定微型图案，特别地通过经由阴影掩模的沉积、光刻图案化和印刷。
本发明上下文中的微型图案是限定在何处放置功能层(下电介质、非连续激励层、上电介质、封盖)的横向图案。它们还可以限定可以在何处由不同折射率或者厚度的电介质层替代某个电介质层或者在何处由不同类型的非连续激励层替代非连续激励层。微型图案的特征大小可以是几微米，优选地为几十微米。
与LCS相反，微型图案化波导能实现所提到的横向波激励的第一步骤以外的聚集。可以将横模引导、导向和聚集在平面内，这称为平面聚集。除平面聚集以外，波导逐渐变细可以甚至是有益的。
事实上使用微型图案限定条带形收集薄膜波导使能所解释的节点概念应用在另外的维度中。对于限制一个方向的薄膜波导，仅在该方向上存在最小强度的定位。然而，高次条带波导模在限制的两个方向上形成最小强度的位置。例如，在完全对称的条带形收集薄膜波导(相对于限制的两个方向)中，HE11或者EH11条带波导模的强度分布在波导的正中心呈现最小强度。相对于限制的两个方向在这种条带形收集薄膜波导中心的纳米图案化非连续条带形激励层可以导致非常低的传播损耗。当在其余传播方向上不连续时，条带形激励层可以高效地激励仅在一个限定方向上传播的条带模。
此外，微型图案能实现电力收集、分布和提取之间的区分，其类似于小LSC的电气布线使传播损耗最小化。相反，称为光学布线的新方法在一个衬底上完全光学地发生。
只是，微型图案明显不同于非平面激励层中包括的纳米图案。
可以通过已知用于完美控制层厚度和低损耗的原子层沉积(“ALD”)完成透明材料的沉积。还可以使用诸如热沉积、溅射、溶胶-凝胶沉积或者印刷的其它方法。两个透明的以及优选地电介质材料的层可以各自以200至400nm的厚度沉积，特别地具有相同或者至少相似的厚度。另外，与衬底相同介电常数的封盖层可以在上电介质层的顶部沉积以提高波导的对称性。
用于制造聚集器的方法可以规定将纳米图案化非连续激励层沉积为非连续岛化材料(优选地，银)膜。可以通过热蒸发、溅射或者无电沉积(例如，利用“镜反应”)实现该沉积。在该情况下，银岛膜直接地沉积在特别地下透明电介质层的顶部。还可以通过从液体悬浮液沉积纳米颗粒(例如，通过印刷、浸涂或者旋涂)以实现非连续层的沉积。
在优选实施例中，通过纳米转移印刷技术(特别地，使用由弹性体材料(优选地，聚二甲硅氧烷(PDMS))制成的印模或者辊(roll))将纳米图案化非连续激励层转移至下电介质层。通过在纳米浮雕图案(特别地，通过例如电子束光刻产生的)的顶部交联弹性体材料以形成印模。纳米浮雕图案可能很昂贵以及在大小上受限。然而，可以容易地形成重复的印模以及许多印模可以组合为大面积印模，这按比例缩小生产成本以及允许在收集区域应用更复杂的纳米图案以及使用光学布线在大面积规模上实现许多收集区域。
银岛膜或者连续银膜随后沉积在这种包括纳米浮雕图案的大面积印模的顶部。随后仅从印模的顶部区域转移银膜，这能实现在自组织银岛生长以外进行纳米图案化。使用该方法，可以例如通过辊对辊制造大量生产聚集器。另外，由于优选地小于1000nm的波导的非常小的厚度，波导可以是柔性的/可弯曲的。该方法可以用于印刷岛化层以及通过它们在连续层区域之间的间距形成纳米图案的连续层。
根据本发明的光聚集器可以用于收集光(特别地太阳光)以及将太阳光聚集到用于转换太阳能的太阳能设备，特别地具有电力发生器或者太阳能电池或者太阳能-气体或者太阳能-燃料发生器或者组合前面提到的技术中的至少两个的混合发生器的热发动机。
在附图中示出了优选实施例。
图1在上半部分中示出了根据本发明的光聚集器的横截面视图中的典型结构，横截面垂直于一个横向方向(z)。光聚集器包括下衬底1(特别地，箔片)、沉积在衬底上的电介质材料层2、沉积在第一电介质层2上的非连续激励层3和沉积在层3上的第二电介质层4。在与衬底1相对侧上，电介质层4被空气接触。由于仅下层2被另外的衬底接触，因此电介质层2和4两者以相同厚度形成，从而产生不对称模分布5。
入射到第二电介质层4的上表面4a或者通过衬底1从底部1a入射的光耦合到由三个层2、3、4构成的收集薄膜波导结构中以及与纳米图案化非连续激励层3相互作用，从而激励具有平行于波导表面x的法向矢量的强度分布以及沿横向方向(即，沿y方向)行进的模。由其强度分布5描绘的被激励的模刚好在纳米图案化非连续激励层3的位置中具有其最小强度6。在由沉积层2构成的收集薄膜波导的y-z平面中形成该纳米图案化非连续激励层3。特别地，由于模的一部分延伸到衬底1中，因此该衬底1还可以被理解为收集薄膜波导的一部分。因而，由于与空气折射率相比衬底折射率更大，因此即使下电介质层2和上电介质层4相同，导模也仍然将略微不对称。
在图1给出的示例中，在光聚集器的收集薄膜波导2、3、4中激励和引导TE1模。由于纳米图案化非连续激励层3在被激励的模的节点6中的位置，激励层的纳米图案几乎不与TE1模相互作用。相应地，该模可以以最小损耗沿横向y方向(或者平面yz中的任何横向方向)行进。因此，可以沿横向方向引导在收集薄膜波导中通过上电介质层4的空气/层界面4a或者通过衬底1捕获的光以及将光聚集至较小的提取区域，该提取区域是图中未示出的横向位置中的光聚集器中的某处。
图1所示的典型TE1模强度分布5根据维度x给出模的强度分布。
收集薄膜波导中的纳米图案化非连续激励层3可以包括统计分布的纳米级材料(优选地，银)颗粒。例如，可以是银岛膜(SIF)。
图1的下半部分示出了纳米图案化非连续激励层3由具有周期性布置的结构元件7的衍射光栅结构制成所根据的实施例。结构元件7中的每一个可以由银岛膜或者其它非连续材料或者甚至由连续层区域形成，因为在这种情况下，每两个结构元件7之间的纳米级间距9还破坏连续性。
此外，在该实施例中，封装纳米图案化非连续激励层3的层2和层4的厚度相同以及封盖8被选择为具有与衬底的折射率相同或者至少相似的折射率，从而形成对称传播模5。对于最佳对称性结果，封盖8的厚度与由强度分布5的指数式衰减示出的场中的瞬逝场的穿透深度相比还必须更大。
图2的实施例示出了可以如何在非连续激励层3中实现纳米图案。如图2的上半部分所示，可以从包括例如可以通过电子束光刻和蚀刻制造的纳米浮雕图案11的模板复制印模10。印模10可以由如图2c所示可以容易地从图案模板移除的弹性材料制成。在图2d中，银沉积在印模的纳米浮雕表面上以及转移印刷在底部电介质层2的顶部(图2e)。从而每一行纳米图案12传递至透明层2以及形成银岛膜或者根据纳米模板间隔的连续银膜。在该构造中，沿着由纳米图案化的方向限定的优选方向D激励导模，特别地纳米图案化设置有一个或者多个周期。
图3a)至3f)还示出了纳米结构不一定仅由如a)所示的行结构组成，而还可以具有两个维度中的图案化。每个纳米元件12可以包括两个维度中的旋转对称图案或者周期性或者非周期性重复以及可以由岛化区域(图3a、c、g)以及连续区域(图3b、d-f)形成。
图3g示出了被转移印刷过的真实光栅结构的俯视图以及包括各自由岛化材料制成的光栅线。
图4在上半部分中示出可以在根据本发明的光聚集器中以横向布置建立不同波导结构I、II、III、IV。在这里，结构I构成用于激励膜模的波导，如图1所示的收集薄膜波导2、3、4。根据Ia，纳米图案化非连续激励层3可以是没有另外结构的岛化层。根据Ib，纳米图案化非连续激励层3可以具有叠加的纳米图案，每个图案元件都是岛化的。根据Ic，纳米图案化非连续激励层3由间隔的连续区域形成。
在波导结构II中，完全不存在非连续激励层。被激励的模不受干扰地传播。
在波导结构III中，进行光提取。在这里，这通过移除收集薄膜波导2、3、4的顶层4来完成。
波导结构IV用于横向限制。
图4的下半部分示出了本发明的光聚集器可以由彼此堆叠的不同波导结构组成。在这里，波导结构堆叠在两个平面中，每个平面至少包括收集薄膜波导和用于以并排布置分配光的波导结构。利用图例使某些区域与上面的波导结构相关。不同区域(特别地，用于收集和分布的区域)可以在这种堆叠的光聚集器的两个平面中偏移。分布区域可以将所收集的光引导至提取的共同点13。作为用于提取的第二方式，示出了外部热点。尽管由于在该位置中不包括波导，点状图案在这里仅表示提取，但是还用点状图案表示提取结构。
图5示出了可以如何将本发明的概念应用于第二维度。图5a示出了仅在x方向上限制模的收集薄膜波导。从而，仅在x方向上存在最小强度的定位。波沿y和z自由地传播。
当根据图5b在第二维度中(y)限制波时，构建条带形收集薄膜波导。高次条带波导模示出了相对于x和y的最小强度位置。例如，在完全对称的条带形收集薄膜波导(相对于x和y)中，电介质HE11或者EH11条带波导模的强度分布5在波导的正中心具有最小强度以及由此在x和y上具有最小值。
由于适合于一个维度的节点模的概念已经成功地降低了波导损耗，因此假设将概念适应于另外的维度导致沿z方向传播的条带模的传播损耗的提高。这种条带形收集薄膜波导4的中心中相对于x和y的条带形纳米图案化非连续激励层3(相对于传播方向z不连续)可以激励这种非常低传播损耗的条带模。在图5c中示出了在大区域上具有条带形收集薄膜波导的这种光聚集器的可能的实现方式。

Claims (15)

1.一种用于通过将光特别地经由所述衬底(1)的平行表面中的至少一个平行表面耦合到布置在衬底(1)上的薄膜波导(2、4)中以聚集光的方法，所述方法还包括通过所述入射光与材料的纳米图案化非连续激励层(3)的相互作用在所述薄膜波导(2、4)中激励具有至少一个节点(6)的至少一个横导模(5)的步骤，所述材料特别地为金属，优选地为银，所述相互作用特别地为散射、衍射或者表面等离子体激元激励，所述至少一个节点(6)优选地为刚好一个节点(6)，所述纳米图案化非连续激励层(3)被布置在所述薄膜波导(2、4)中位于所述横导模(5)的所述至少一个节点(6)的位置处。
2.根据权利要求1所述的方法，特征在于借助于提供具有散射或者衍射结构(7、9)的纳米图案化非连续激励层(3)在至少一个特定横向方向上激励至少一个导模(5)的光，所述散射或者衍射结构(7、9)特别地为光栅结构，特别地，所述衍射结构在该横向方向上是周期性的。
3.一种光聚集器，包括沉积在衬底(1)上的薄膜波导(2、4)，所述薄膜波导(2、4)具有至少两个平行表面，光可经由这些表面中的至少一个表面耦合到所述薄膜波导(2、4)中，特征在于所述薄膜波导(2、4)被建立为收集薄膜波导(2、3、4)，用于通过在与要在所述收集薄膜波导(2、3、4)中激励的导模(5)的所述节点位置(6)相对应的位置处布置材料的纳米图案化非连续激励层(3)以收集光，所述材料特别地为金属，以及优选地为银。
4.根据权利要求3所述的光聚集器，特征在于所述纳米图案化非连续激励层(3)布置在平行于所述表面的平面中，特别地，所述纳米图案化非连续激励层(3)在该平面的法向矢量的方向(x)上具有20nm或者更小的厚度。
5.根据权利要求3或者4所述的光聚集器，特征在于所述纳米图案化非连续激励层(3)由下列制成
a.银岛膜，特别地，所述银岛膜具有5至15nm的质量厚度和/或10至100nm的颗粒大小。
b.从液体悬浮液沉积的纳米颗粒，所述沉积特别地通过印刷、浸涂或者旋涂进行。
6.根据权利要求3至5中的任何一项所述的光聚集器，特征在于所述纳米图案化非连续激励层(3)布置在透明材料的两个层(2、4)之间，所述透明材料特别地为透明电介质材料。
7.根据权利要求3至6中的任何一项所述的光聚集器，特征在于所述纳米图案化非连续激励层(3)包括平行于所述表面延伸的至少一个散射或者衍射结构(7、9)或者由平行于所述表面延伸的至少一个散射或者衍射结构(7、9)制成，特别地，包括在平行于所述表面的方向(y)上具有至少一个周期的至少一个光栅结构(7、9)或者由在平行于所述表面的方向(y)上具有至少一个周期的至少一个光栅结构(7、9)制成。
8.根据权利要求3至7中的任何一项所述的光聚集器，特征在于所述衬底(1)由所述收集薄膜波导(2、3、4)特别地通过材料沉积所附接至的柔性箔制成。
9.根据权利要求3至8中的任何一项所述的光聚集器，特征在于其包括至少两个堆叠的收集薄膜波导(2、3、4)，所述至少两个堆叠的收集薄膜波导(2、3、4)特别地附接至共同衬底(1)。
10.根据权利要求3至9中的任何一项所述的光聚集器，特征在于其包括若干收集薄膜波导(2、3、4)，特别地所述若干收集薄膜波导(2、3、4)沿传播方向在所述相同平面中间隔开，所述光聚集器还包括用于分配或者提取光的波导，特别地用于分配或者提取光的这些波导布置在所述收集薄膜波导(2、3、4)之间，特别地用于分配或者提取光的所述波导包括锥形的或者弯曲的波导结构或者条带波导结构。
11.根据权利要求3至10中的任何一项所述的光聚集器，特征在于其包括彼此平行地布置在所述衬底(1)上的若干条带形收集薄膜波导(14)，每个条带形收集薄膜波导(14)包括条带形非连续激励层(3)，所述条带形非连续激励层(3)沿传播方向(z)延伸且不连续以及相对于两个横向方向布置在被激励的模(5)的节点(6)中。
12.一种制造根据权利要求3至11中的任何一项所述的光聚集器的方法，包括下列步骤：
a.在衬底(1)上沉积透明材料的第一层(2)，所述透明材料特别地为透明电介质材料，
b.在所述第一层(2)上沉积材料的纳米图案化非连续激励层(3)，所述材料特别地为金属，优选地为银，
c.在所述纳米图案化非连续激励层(3)上沉积透明材料的第二层(4)，所述透明材料特别地为透明电介质材料，
特别地分别地以200nm至400nm的厚度沉积第一透明层和第二透明层(2、4)。
13.根据权利要求12所述的方法，特征在于所述纳米图案化非连续激励层(3)被沉积为材料的非连续岛化膜/层(3)或者沉积为印刷的、浸涂的或者旋涂的纳米颗粒，所述材料优选地为银。
14.根据权利要求12至13中的任何一项所述的方法，特征在于通过特别地使用由弹性体材料制成的印模(10)或者辊的转移印刷将所述纳米图案化非连续激励层(3)转移至第一层(2)，特别地所述印模(10)或者辊包括纳米浮雕(12)，所述弹性体材料优选地为聚二甲硅氧烷。
15.一种根据前述权利要求3至14中的任何一项所述的用于收集光以及将所述光聚集到太阳能设备以用于照明、加热或者转换太阳能的聚集器的使用，特别地具有电力发生器或者太阳能电池或者太阳能-气体或者太阳能-燃料发生器的热发动机，所述光特别地为太阳光。
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