CN106463593B - 等离子体光照设备中光子发射体的空间定位 - Google Patents

Abstract

提供了一种光照设备（100），包含：衬底（104）；布置在该衬底上的透光第一层（106）；光子发射层（108），其布置在该透光第一层上并且包含配置成从能量源接收能量和发射具有预确定波长的光的光子发射材料；周期性等离子体天线阵列，其布置在该衬底上并且嵌入该第一层内，并且包含布置在天线阵列平面中的多个单独天线元件（114），该等离子体天线阵列配置成在预确定波长处支持第一晶格共振，其起因于单独天线元件中的局部表面等离子体共振向包含等离子体天线阵列和光子发射层的系统所支持的光子模的耦合，其中该等离子体天线阵列配置成包含等离子体共振模使得从该等离子体天线阵列发射的光具有各向异性的角分布；并且其中对于源自等离子体‑光子晶格共振的光耦出，该光子发射层布置在距天线阵列平面、对应于最大场增强的位置的距离处。

Description

等离子体光照设备中光子发射体的空间定位

技术领域

本发明涉及等离子体光照设备。特别地，本发明涉及等离子体光照设备中发射体的优化的空间定位，并且涉及用于制造这样的设备的方法。

背景技术

对于用于在照明应用中使用的发光二极管（LED）而言，期望提供具有与由白炽灯照明产生的色温大约相当的色温的基本上白色的光。

来自LED的白光一般通过使用发射具有大约450 nm波长的蓝光的pn二极管提供，其中部分的蓝光通过使用布置在二极管顶部或附近的一种或多种波长转换材料而转换为更长的波长。通过将经转换的光与未吸收的蓝光组合，可以获得被感知为白光的相当宽带的光谱。

目前，在大多数商业应用中，波长转换材料直接应用在LED上。另外，波长转换材料经常是散射的，以便在角度上获得颜色的低变化。这意味着，蓝光还将被散射回到二极管中，其导致LED中的吸收损失。而且，一般为磷光体的波长转换材料的有效成分是各向同性的发射体，这意味着，在所有方向上发射相同量的经波长转换的光。这导致另外的损失，因为只有部分的光通过发光设备的输出表面逃离。

减少损失的问题已经例如通过使用散射较低的磷光体以减少被二极管后向散射和吸收的蓝光的量而解决。然而，来自磷光体的各向同性的发射仍然存在。

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而增加。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反差的材料制作，必须图案化并且形成高纵横比的孔或柱，尺寸控制非常严格并且材料必须是发光的，其将招致散射损失。而且，光子带隙材料只在垂直于材料表面的平面（即，在平行于孔或柱的方向上）实际有效。

因此，用于增加发光设备的发射效率的所建议的方案受制于难以克服的固有缺陷。

发明内容

鉴于光照设备的上面提到的期望的性质，以及现有技术的上面提到的和其它的缺陷，本发明的一个目的是提供一种改进的光照设备。

因此，提供一种光照设备，其包含：衬底；布置在该衬底上的透光第一层；光子发射层，其布置在该透光第一层上，并且包含配置成从能量源接收能量和发射具有预确定波长的光的光子发射材料；周期性等离子体天线阵列，其布置在衬底上并且嵌入在该第一层内，并且包含布置在天线阵列平面中的多个单独天线元件，该等离子体天线阵列配置成在预确定波长处支持第一晶格共振，其起因于单独天线元件中的局部表面等离子体共振向包含等离子体天线阵列和光子发射层的系统所支持的光子模的耦合，其中该等离子体天线阵列配置成包含等离子体共振模，使得从等离子体天线阵列发射的光具有各向异性的角分布；并且其中针对源自等离子体-光子晶格共振的光耦出，该光子发射层布置在距天线阵列平面、对应于最大场增强的位置的距离处。

天线阵列平面在本文中限定为天线元件位于其上的衬底表面的平面。

最大场增强最大位置是指其中可以在光子发射层的体积内找到针对给定频率达到的强度增强（IE）的最大值的位置。然而，最大场增强的位置也可以理解为空间中的范围、区域或子体积，其中场增强比给定的阈值更高。最大场增强于是可以是局部最大值。而且，在距天线阵列平面的给定距离处的场增强可以确定为在给定距离处平行于天线阵列平面的平面中的平均场增强。

在本设备中，天线阵列平面和光子发射层之间的距离由天线元件嵌入其中的透光第一层的厚度限定。第一层的厚度通过使用在发光设备和/或半导体技术的领域中已知的常规沉积技术而容易地在高精确度上可控。

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相似于光的波长。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，从而留下拉回电子的带更多正电的区域。由于金属结构的小尺寸，共振可以达到可见光的频率。因此，金属结构可以具有大的散射截面，其允许与照射在金属粒子上的任何光或与在金属粒子的紧靠邻域中产生的任何光的强烈相互作用。

已经发现，规则的阵列在发射的定向性上展现强烈的增强，其归功于混合耦合的局域表面等离子体共振（LSPR）和光子模，也称为混合晶格等离子体光子模，或等离子体-光子晶格共振。发射的定向性增强在本文中是指各向异性的发射，即非朗伯发射。

光学天线的有序阵列支持集体晶格共振。当辐射的波长在阵列周期的量级时，衍射级可以在阵列的平面中辐射。这样，由单独的粒子维持的局部表面等离子体激元可以经由衍射耦合，从而导致集体的、晶格诱导的、混合光子-等离子体共振，其称为表面晶格共振（SLR）。这些非局部模在若干晶胞之上延伸，使得可能从分布在大体积之上的发射体获得发射的集体增强，如在固态照明中所要求的那样。

这里，利用纳米粒子的周期性阵列，其作为集体纳米天线起作用。这些阵列维持集体等离子体共振。一方面，金属化纳米粒子具有大的散射截面，其允许波长转换材料中的磷光体的共振激发，从而增强光的转换。另一方面，集体等离子体共振使得能够对发射的角图案进行成形，其将大多数光波束成形到限定方向上非常窄的角范围中。因此，定向增强被解释为以下二者的组合：光子发射介质的激发中增加的效率，以及阵列中磷光体向延伸的等离子体-光子模的发射和向自由空间辐射的随后耦出的耦出效率的增强。

在WO2012/098487和未公开的欧洲专利申请EP13179374中可以找到对等离子体天线阵列的功能的更详细描述。

本发明基于以下认识：光子发射材料和阵列所支持的等离子体-光子晶格共振之间的耦合可以借助于光子发射材料相对于天线阵列的准确定位而增加。一般地，光子发射层可以包含粒子或发射体，其遍及层均匀地分布。然而，正如已经认识到来自晶格共振模的场分布非常不均匀，通过在来自共振模的场增强最强处（例如，在表面法线的方向上距天线阵列平面的一定距离处，在该处观察到最高场）布置例如形式为粒子的光子发射材料，可以实现改进的耦合效率。从而，通过增加的耦合效率，可以提供从光照设备发射的光的改进的定向性，并且减少光子发射层中的损失。

根据本发明的一个实施例，光子发射材料可以有利地是波长转换材料，其配置成接收第一波长的光并且将所接收的光从该第一波长转换为第二波长。

在本发明的一个实施例中，天线阵列可以有利地配置成针对源自等离子体-光子晶格共振的光耦出，在平行于天线阵列平面并且距该天线阵列平面一定距离的平面中提供基本上均匀的最大场增强的空间分布，并且光子发射材料于是可以有利地分布在对应于最大场增强的均匀空间分布的光子发射层的平面中。源自等离子体天线阵列的场增强在三个维度上是不均匀的。然而，天线阵列可以有利地配置成使得场增强在天线阵列平面的法线方向上距天线阵列的给定距离处的平面中均匀。因此，可以实现面内均匀场增强和平面均匀光子发射层之间的优化的重叠，其进而导致优化的耦合效率。面内均匀的场增强应当理解为，在平面的法线方向上具有某种延伸，并且不应当被认定为是严格的二维分布。分布的延伸也可以匹配光子发射层的厚度，或者反之亦然。而且，等离子体天线阵列还可以配置和布置成使得场分布在距天线阵列平面一定距离处的平面中不均匀。对于这样的配置，波长转换粒子在距天线阵列平面给定距离处的平面中可以具有对应变化浓度，其中浓度在场强度更高的位置处更高。因此，耦合效率也可以对于面内非均匀场增强而进一步提高。

根据本发明的一个实施例，针对源自所述晶格共振的光耦出，光子发射材料可以有利地分布在对应于最大场增强的三维（3D）空间分布的光子发射层的体积中。为了实现光子发射和/或波长转换粒子的位置与高场强度之间的优化的相关，并且从而实现最高耦合效率，波长转换粒子可以优选地根据3D空间场分布在三个维度上分布，使得波长转换粒子和最大场增强的位置之间的空间重叠最大化。

根据本发明的一个实施例，透光第一层的折射率可以有利地比衬底的折射率更高以支持折射率导模。由于上述局部表面等离子体激元（LSPP）耦合到衍射或折射率导模，所以金属纳米粒子的阵列可以支持非局部的等离子体-光子混合态。为了支持折射率导模，在其中布置天线阵列的层的折射率应当比衬底的折射率更高。衍射和波导耦合引起集体晶格模，其分别被认为是表面晶格共振和波导-等离子体激元。这些共振是波长转换材料位于其中的体积中远离天线元件延伸的大场增强的原因。因此，在波长转换层中的已知位置处甚至可以实现场的进一步增强。而且，取决于折射率的特定集合，可能要求衬底上的层的堆栈的最小总厚度以在透光第一层中维持波导模。

根据本发明的一个实施例，等离子体天线阵列可以有利地配置成包含平面外非对称的等离子体共振模。通过将等离子体天线阵列配置成提供光的非对称发射，由天线阵列发射的更多光可以向着光照设备的发射表面发射。由于所生成的光的更大部分从设备的所选择的发光表面发射，所以这导致光照设备的增加的总效率。光照设备可以配置成使得光主要通过衬底或者从远离衬底的波长转换层而发射。平面外非对称等离子体共振模可以例如通过使天线元件不对称（例如使形状为棱锥体、截头棱锥体、圆锥体或截头圆锥体）而实现。因此，针对每一个天线元件所得到的共振模变得非对称，其进而导致非对称的光发射性质。天线元件的非对称形状是指这种元件的截面在平行于天线元件的纵轴的平面中的非对称，即“立式”天线元件在竖直平面中的截面的非对称。

天线元件的锥化对于发射的非对称性是重要的。特别地，非对称性是基于天线元件中电和磁共振的同时激发。如将在下面进一步解释的，通过对称性破缺增强的主要是磁和磁-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，然而磁-电是指通过入射磁场对电场的激发，并且反之亦然。

从电动力学已知的是，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而调整前向/后向散射比。典型地，大多数材料在光学频率处不具有磁响应，因此效果几乎不会对于光而找到。然而金属化纳米结构可以设计成维持与它们的电激发相当的强度的磁激发。而且，这两种不同的激发可以交叉耦合，从而导致磁-电响应。

增加天线元件的锥化（其中锥化是指底部直径或边长（side）与顶部直径或边长之比）增加了磁和磁-电响应两者。因此，通过增加锥化，增加了两种响应，并且可以设计展现出增加的非对称性的天线阵列。也值得注意，来自这些结构的发射的非对称性依赖于它们具有相似幅度的电和磁激发。

在本发明的一个实施例中，波长转换材料可以有利地选自包含稀土离子、染料分子和量子点的组。波长转换材料可以是包含本领域技术人员已知的不同类型的染料和磷光体的材料。而且，波长转换介质还可以包含形式为稀土元素的离子的线型发射体。波长转换材料还可以称为荧光材料、磷光体或染料，并且一般称为光子发射体。

在本发明的一个实施例中，波长转换层可以包含量子阱结构。量子阱结构可以制作在第一层顶部上，并且可以控制光学性质和物理厚度两者以实现期望的波长转换性质。量子阱可以配置成接收形式为光子的能量并且发射不同波长的光子，或者量子阱可以配置成被电气地驱动以发射预确定波长的光子。可替代地，等离子体晶格可以限定在发光材料的外延生长层顶部上，例如III-V族半导体，比如GaN/InGaN或AlInGaP，其中发光层（量子阱）位于距等离子体晶格的限定距离处。

在本发明的一个实施例中，天线元件可以有利地布置在具有范围450到500 nm中的晶格常数的六边形阵列中，该衬底的折射率是1.46，并且透光第一层的折射率是1.59。此阵列配置将实现在天线阵列平面的法线方向上的基本上红光的定向发射。为了实现针对其它波长或在其它方向上的定向发射，天线阵列的几何结构和折射率将必须相应地调谐。

而且，光子发射层可以有利地布置在距天线阵列平面范围在100到2000 nm中的距离处，并且光子发射层的厚度可以在2到500 nm的范围中。量子阱结构典型地具有大约2到20 nm的厚度，然而包含波长转换粒子的光子发射层可以具有从大约25 nm直到500 nm的厚度。

根据本发明的一个实施例，天线元件可以有利地包含金属纳米粒子，特别地，天线元件可以有利地包含Ag、Al、Ga或Au。形成天线元件的材料应该优选地在对应于可见光的频率处支持局部等离子体。一般地，Au更适合于光谱的红色到近红外部分，Ag更适合于光谱的绿色到红色部分，并且Al允许延伸超过光谱的可见区以进入紫外的等离子体共振。然而，由于波长范围还取决于天线阵列的配置和天线元件的几何结构，所以若干不同的配置可以在相似波长范围内提供共振。

在本发明的一个实施例中，光照设备可以还包含布置在波长转换层上的覆盖层，其中该覆盖层具有与所述波长转换层相同的折射率。针对给定天线几何结构的晶格模的光谱位置取决于布置成覆盖天线的一个或多个层的总厚度，并且取决于这样的一个/多个层的折射率。因此，可以在波长转换层上采用覆盖层以实现第一透光层的目标总厚度。一般地，波长转换层是基于具有与第一透光层相同或相似的折射率的材料。而且，波长转换层可以足够薄，以便例如在量子点或量子阱层的情况下不对包含第一透光层、波长转换层和覆盖层的材料堆栈的光学性质产生大的影响。

还可以提供布置在覆盖层上并且具有比顶层更低的折射率的附加层，即顶层，以进一步促进控制的波导模。

根据本发明的一个实施例，天线阵列可以包含多个截头棱锥体型的天线元件，其具有在110到130 nm范围中的顶边长、在135到155 nm范围中的底边长、以及在100到200 nm范围中的高度，并且其中所述天线元件布置在具有400到600 nm范围中的晶格常数的六边形阵列中。边长是指例如正方形、矩形或三角形的边的长度。在实施例中，天线元件由铝制得。特别地，为了实现红光（600-630 nm范围）的成束发射，使用具有475nm间距的六边形阵列，其被折射率为n=1.59的650 nm厚的光学透明聚合物层覆盖，从该层的部分承载二萘嵌苯染料分子或量子点。基于期望的发射角和发射波长的天线阵列的间距的确定可以是基于给出关系的近似估计的Rayleigh异常的计算。对于正方形阵列，晶格模可以在波长λ=α * n的法向入射下激发，其中α是阵列的间距并且n是折射率。对于六边形阵列，λ=α * n* /2。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于制造光照设备的方法，该方法包含：提供衬底；在该衬底上形成包含多个单独天线元件的周期性等离子体天线阵列，该等离子体天线阵列配置成在预确定波长处支持第一晶格共振，其起因于单独天线元件中的局部表面等离子体共振向包含等离子体天线阵列和波长转换层的系统所支持的光子模的耦合，其中该等离子体天线阵列配置成包含等离子体共振模；在该衬底上提供光敏层，该光敏层具有超过天线元件厚度的厚度；利用预确定波长的光对该等离子体天线阵列进行光照，使得针对源自等离子体天线阵列的晶格共振的光耦出，光敏层的部分对应于最大场增强的位置而曝光；移除该层经曝光的部分以形成多个腔；以及利用配置成将光从第一波长转换为预确定波长的波长转换材料填充该腔。

完全优化的系统要求在三个维度上图案化的发射体，以便最大化与混合光子/等离子体模的重叠。本发明人已经认识到，可能的是形成波长转换材料的分布，其通过允许最大场强度的区域曝光光敏材料而固有地优化为等离子体天线阵列的场增强分布。通过利用正确的波长和角度（将来的发射波长和发射角）光照样本，电磁场将通过光敏层中的等离子体而集中。如此，层可以在曝光后显影，这留下光刻胶图案（正性或负性），其对应于发射体的最优放置。通过浸润和/或倒转图案，发射体在正确的3D图案中放置。光敏层可以是任何常规使用的正性或负性光刻胶。

为了光照天线阵列以便实现期望的场增强分布，衬底或者光敏层是透光的。必须明显确定的是，光照光在强度上受限，使得光敏层不被来自光源的光照曝光。

因此，可以实现与最大场增强分布完美匹配的波长转换材料的自对准三维分布而不需要任何复杂的图案化方法，其极大地增加了上面提到的光照设备的可用性。

波长转换材料的三维分布也可以通过应用透明材料层而获得，在透明材料层顶部上以光刻方式图案化发射体层并且向等离子体图案对准。可替代地，可以使用自组装类型的制造方法，其中等离子体天线引导组装以最终在3D上相对于等离子体阵列的正确位置处定位发射体。

本发明的该第二方面的效果和特征在很大程度上类似于以上结合本发明的第一方面描述的那些内容。

当研究所附权利要求和下面的描述时，本发明的其它特征和优点将变得显而易见。技术人员认识到，可以组合本发明的不同特征以创建除了在下面描述的那些内容之外的实施例，而不偏离本发明的范围。

附图说明

现在将参考示出本发明的实施例的附图而更详细地描述本发明的该方面和其它方面。

图1是根据本发明的实施例的光照设备的示意图示；

图2a-c是根据本发明的实施例的光照设备的示意图示；

图3是根据本发明的实施例的光照设备在晶胞中的局部场增强的空间分布的示意图示；以及

图4a-e是根据本发明的实施例的制造光照设备的示例性方法的步骤的示意图示。

具体实施方式

现在将参考其中示出本发明的示例性实施例的附图而在下文更完全地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同的形式体现，并且不应该被解释为限于本文记载的实施例；相反，这些实施例是为了透彻性和完整性而提供，并且向技术人员完全地转达本发明的范围。相同的参考符号贯穿全文表示相同的元件。

在当前的具体实施方式中，主要关于具有包含波长转换粒子的光子发射层的光照设备来讨论根据本发明的光照设备的各种实施例。应注意，这绝不限制本发明的范围，本发明同样适用于可以包含于光照设备中的其它类型的光子发射体。

图1是光照设备100的示意图示，该光照设备100包含衬底104、布置在该衬底上的透光聚合物层106、包含形式为多个波长转换粒子的波长转换材料的波长转换层108。该透光层106在本文中称为聚合物层。然而，可以使用具有与波长转换层的折射率匹配的折射率的任何合适的透光材料。波长转换粒子，即光子发射体，可以例如是配置成将蓝光转换为具有更长波长的光的染料分子。典型地，期望的是，通过利用被称为磷光体的合适颜色转换器而对来自基于InGaN的LED的蓝光或UV光进行波长转换来实现白光。一般地，波长转换粒子可以通过诸如光子、热量、电子、X射线等等的任何类型能量的添加而激发。光照设备100被图示为从光源102接收光。合适的染料分子可以在聚合物中提供，以在基于聚合物的波长转换层108中提供期望的染料浓度。形式为聚合物层的顶层或覆盖层116布置在波长转换层108顶部上。例如，相同的聚合物可以用于全部三个层。如上面描述的，取决于天线阵列的特定配置和折射率，可能要求具有第一透光层106的折射率的某种厚度的材料堆栈。覆盖层116于是可以通过与第一透光层106相同的聚合物材料而形成，以达到所要求的厚度。另外，一个或多个层可以布置在覆盖层116顶部上，其中该附加层可以是具有比第一透光层106和覆盖层116的折射率更低的折射率的材料，以在层106、108和116的堆栈中进一步促进折射率导模。固有地具有比第一透光层更低的折射率并且比可能的顶层或覆盖层116更低的空气也将促进折射率导模。应注意，附图并没有按照比例，并且特别地，波长转换层108可以比第一透光层106明显更薄。例如，包含量子点或量子阱的波长转换层可以具有几纳米量级的厚度，而第一透光层106可以具有几百纳米直至微米量级的厚度。

光照设备100还包含周期性等离子体天线阵列，其包含布置在天线阵列平面中的多个单独天线元件114，所述天线阵列平面在本文中通过天线元件114布置于其上的衬底平面来限定。

天线阵列布置在衬底104上和第一层106内。而且，天线阵列配置成在由波长转换材料发射的第二波长处支持晶格共振，其起因于单独天线元件中的局部表面等离子体共振的衍射耦合，使得从等离子体天线阵列发射的光具有在图1图示的各向异性的角分布110。然而，天线元件可以同样具有多边形或圆形截面，并且它们可以是或可以不是截头的。而且，在图1中，天线元件114被图示为具有正方形截面的截头棱锥，使得等离子体天线阵列配置成包含平面外非对称的等离子体共振模，这意味着从等离子体天线阵列发射的光具有非对称的光分布。非对称的光分布可以具有以下效果：相比于向着衬底发射的情况，由天线阵列发射的更多光向着光照设备的顶表面发射。等离子体天线阵列还可以配置成提供相反的效果，即相比于向着发光表面发射的情况，由天线阵列发射的更多光向着衬底发射。当使用透明衬底时，这可能例如有用。另外，可以控制从发光表面发射的光的角分布，其由角112图示，使得光在预确定的角范围内发射。

通过将第一透光层106、波长转换层108和覆盖层116的折射率选择成不同于衬底104的折射率并且不同于覆盖层顶部上的介质（其可以是空气或附加层）的折射率，实现折射率导模。

天线元件114可以是使用纳米压印光刻技术（通常所说的衬底保形压印光刻）与反应离子蚀刻组合在二氧化硅衬底104上制作的铝纳米粒子。第一透光层106包括通过阵列之上上的旋转涂布而沉积的UV可固化聚合物，并且基于聚合物的波长转换层108和覆盖层116可以同样地通过旋转涂布来沉积。因此，通过控制第一聚合物层106的厚度，可以准确地控制天线阵列平面和波长转换层108之间的距离。可以假设的是，染料分子均匀地分布在波长转换层108内。波长转换层可以具有小于10 nm的厚度。对于一些晶格模，最大场强区域的延伸可以低于10 nm，并且因此期望提供具有相应厚度的波长转换层。具有一纳米或几纳米量级厚度的甚至更薄的波长转换层可以例如通过量子阱结构而实现。

图2a是光照设备的示意图示，其中天线元件114布置在第一层106内和衬底104上具有400到600 nm范围中的晶格常数的六边形阵列中。天线阵列包含多个截头棱锥体Al天线元件，其具有在110到130 nm范围中的顶边长，（即，在这种情况下为正方形、但是也可能为矩形或三角形的一条边的长度），在135到155 nm范围中的底边长，以及在100到200 nm范围中的高度，并且天线元件布置在六边形阵列中。天线元件嵌入在具有大约1.59的折射率的材料中，并且衬底具有1.46的折射率。调整上面的配置以支持对应于红色波长范围中的光的晶格模。应注意，可能要求天线元件和阵列配置的其它几何结构以实现本文描述的不同效果，其中例如通过具有在350到450 nm范围中的元件间距离的正方形阵列以及具有大约40nm的高度和大约100 x 100 nm的正方形截面的天线元件来实现面内均匀场增强分布。天线元件的截面在该情况下从上面和从侧面两者看都是正方形。

假设场增强在天线元件114正上方最高，则可以通过在波长转换层208中提供波长转换材料的分布使得波长转换粒子如图2b中图示的那样仅存在于天线元件114上方的区域202中来实现高耦合效率。换句话说，存在对应于最大场强度的位置的波长转换粒子的2D分布，其在本文中由图2b中的圆柱形状202表示。波长转换粒子的所图示的分布可以例如通过使用光刻法图案化波长转换层来实现。

由于场增强具有三个维度中的空间分布，所以通过在三个维度上布置波长转换粒子的分布以实现波长转换粒子的位置与给定晶格模的空间场强轮廓之间的最大空间重叠，可以实现最优耦合效率。此3D分布在图2c中示意地图示，其中波长转换粒子以大致球体形状204进行布置。球体形状204仅仅是用于说明一般概念的示例，并且容易认识到，对于阵列的不同模并且对于不同波长，场强轮廓可以具有不同形状，并且波长转换粒子的分布将必须相应地配置。

图3a-b针对布置在被折射率为1.59的聚合物材料的700 nm厚的层所覆盖、折射率为1.46的衬底之上的铝纳米粒子的六边形阵列而示意地图示了归一化到入射场强度（E ₀ ）的总电场强度（E）的空间分布的数值模拟。对于图3a，模拟考虑波长为620 nm、垂直于阵列入射的平面波，并且对于图3b，模拟考虑波长为638 nm、垂直于阵列入射的平面波。结果在阵列的晶胞中示出。因此，可以看到，场强是不均匀的并且在距天线阵列的某一距离处明显更高。还可以看到，场强增强的分布对于不同波长而不同。

对于如图3a所图示的620 nm的波长，局部场强在位于天线阵列平面上方500 nm处的基本球形的区域302中大部分增强，其近似地对应于在图2c图示的3D分布204。因此，这是选择成定位波长转换层的高度，以便在法线方向上优化λ=620 nm处的发射的强度。

为了优化波长转换层内的光子发射体的分布，必要的是研究不同电场分量（E_x，E_y，E_z）。最突出的分量将确立光子发射体的优选位置以在该方向上最大化所发射的光。经积分的强度增强IE如下定义：

其中，Ω是与发射的仰角和方位角有关的立体角， 是每一个光子发射体所处于的位置处和波长λ的局部场，并且V是发射体在其之上分布的体积。对应于缺少天线阵列情况下的局部场。计算显示，对于位于阵列平面上方450 nm处的波长转换层而言，作为自由空间波长的函数在磷光体层之上积分的IE超过25。以类似方式，可能的是，针对其它波长的光确定距波长转换层的最优距离。注意，在方向Ω上以波长λ发射的光的强度与以此波长和相同方向计算的局部场强度成比例。

经由互易性原理，所计算的IE可以关联到光致发光增强，相比于如果光子发射体遍及所有聚合物层均匀分布，对于上面的配置，其示出大约50%的光致发光改进。该改进可以归功于针对所研究的方向上的所研究的波长的改进的耦合效率。在具有均匀分布的光子发射体的层中，发射体随机地散布。然而，由于特定晶格模的场分布不是均匀的，所以磷光体层中的大多数发射体没有高效地耦合到这样的晶格模，因为耦合效率与发射体的位置和晶格模的空间轮廓之间的空间重合成比例。

上文描述的数值模拟允许空间区域的准确映射，在该空间区域中，发生由大电磁场信令的光与物质相互作用的增加。这样的理解充当对设计光子发射体相对于天线阵列的空间分布和取向的指导。因此，可能的是，最大化由天线阵列支持的给定共振模和发射体之间的耦合。

另外，替代于提供发射体的波长转换材料，如在LED中使用的量子阱（QW）结构可以最优地用于耦合到等离子体阵列。特别地，由于QW典型地为几纳米厚，所有光子（或能量）位于小体积中，其允许系统的高度优化，使得通过电子/空穴对注入QW中的大多数能量可以耦合到期望的光子/等离子体混合模并且因此获得最优定向性。

在强度增强在平行于天线阵列平面的平面中基本均匀的情况下，和/或强度增强在天线阵列平面的法线方向上具有相当小的延伸时，如通过QW结构提供的相当薄的波长转换层可以是有利的。

光照设备还可以包含具有波长转换粒子的其它分布的附加波长转换层，以适应不同晶格共振模的场增强分布。

图4a-e示意地图示用于制造上面描述的光照设备的示例性方法的步骤。

首先，在图4a中图示的，提供衬底104，并且在该衬底上形成包含多个单独天线元件114的周期性等离子体天线阵列。天线阵列的可能配置在上文中概述。

接下来，在图4b中，光敏层402布置在所述衬底上以覆盖天线元件。该光敏层可以例如是正性光刻胶。

在图4c中，利用某一波长的光404光照等离子体天线阵列，天线阵列针对所述波长配置成支持等离子体-光子晶格共振。这将通过互易性地在光敏光刻胶层中构建与最终系统中相似的场强，使得针对源自等离子体天线阵列的晶格共振的光耦出，对应于最大场增强的位置而曝光光敏层的部分。此处，光照被图示为通过衬底提供，这意味着光发射的预期方向是通过衬底。然而，同样可能的是，配置设备使得光通过光敏层402远离衬底而发射，在这种情况中，通过光敏层402提供照明。光敏层的厚度和折射率应该匹配最终发射结构，使得可以应用互易性原理。

在任何情况下，必须调谐光刻胶的光敏性和光照光的强度之间的关系，使得光刻胶相比于入射光的无价值（tin）强度而言仅在强度极大地增强的情况下曝光。

图4d示意地图示光敏层402的一部分406已经被曝光并且随后移除使得形成腔406。

最后，在图4e中，图示了利用波长转换材料408填充腔406。之后可以按照即将到来的特定应用的要求而添加随后的层。

3D分布可以因此通过利用使用常规光刻胶的自对准系统而提供，从而在最佳位置上以3D方式定位发射体。

可替代地，波长转换粒子的3D分布还可以通过连续图案化对准的薄层以构建波长转换粒子的期望3D分布而实现。

另外，通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，可以理解和达成对所公开的实施例的变型。而且，许多不同的配置和组合是可能的。

在权利要求书中，单词“包含”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。在互不相同的从属权利要求中列举某些措施的纯粹事实不表示不能有利地使用这些措施的组合。

Claims (15)

1.一种光照设备（100），包含：

衬底（104）；

布置在所述衬底上的透光第一层（106）；

光子发射层（108），其布置在所述透光第一层上，并且包含配置成从能量源接收能量和发射具有预确定波长的光的光子发射材料；

周期性等离子体天线阵列，其布置在所述衬底上并嵌入所述第一层内，并且包含布置在天线阵列平面中的多个单独天线元件（114），所述等离子体天线阵列配置成在所述预确定波长处支持第一晶格共振，其起因于所述单独天线元件中的局部表面等离子体共振向包含等离子体天线阵列和光子发射层的系统所支持的光子模的耦合，其中所述等离子体天线阵列配置成包含等离子体共振模使得从所述等离子体天线阵列发射的光具有各向异性的角分布；并且

其中所述光子发射层针对源自等离子体-光子晶格共振的光耦出而布置在距所述天线阵列平面、对应于最大场增强的位置的距离处。

2.根据权利要求1所述的光照设备，其中所述光子发射材料是波长转换材料，其配置成接收第一波长的光并且将所述所接收的光从所述第一波长转换为第二波长。

3.根据权利要求1或2所述的光照设备，其中所述天线阵列配置成针对源自所述等离子体-光子晶格共振的光耦出而在平行于所述天线阵列平面并且距所述天线阵列平面一定距离的平面中提供基本上均匀的最大场增强的空间分布，并且其中所述光子发射材料分布在对应于最大场增强的所述均匀空间分布的光子发射层的平面中。

4.根据权利要求1或2所述的光照设备，其中所述光子发射材料针对源自所述等离子体-光子晶格共振的光耦出而分布在对应于最大场增强的三维空间分布的光子发射层的体积中。

5.根据权利要求1或2所述的光照设备，其中所述透光第一层的折射率比所述衬底的折射率高以支持折射率导模。

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包含平面外非对称的等离子体共振模。

7.根据权利要求2所述的光照设备，其中波长转换材料选自包含稀土离子、染料分子和量子点的组。

8.根据权利要求1所述的光照设备，其中光子发射层包含量子阱结构。

9.根据权利要求1或2所述的光照设备，其中天线元件布置在具有450到500 nm范围中的晶格常数的六边形阵列中，衬底的折射率为1.46，并且透光第一层的折射率为1.59。

10.根据权利要求9所述的光照设备，其中光子发射层布置在距所述天线阵列平面、100到2000 nm范围中的距离处。

11.根据权利要求10所述的光照设备，其中光子发射层的厚度在2到500 nm范围中。

12.根据权利要求1或2所述的光照设备，其中所述天线元件是选自包含Ag、Al、Ga或Au的组的金属纳米粒子。

13.根据权利要求1或2所述的光照设备，还包含布置在所述光子发射层上的覆盖层（116），所述覆盖层具有与所述光子发射层相同的折射率。

14.根据权利要求1或2所述的光照设备，其中所述天线阵列包含多个截头棱锥体天线元件，其具有在80到130 nm范围中的顶边长、在135到155 nm范围中的底边长和在100到200nm范围中的高度，并且其中所述天线元件布置在具有400到600 nm范围中的晶格常数的六边形阵列中。

15.一种用于制造光照设备的方法，所述方法包含：

提供衬底；

在所述衬底上，形成包含多个单独天线元件的周期性等离子体天线阵列，所述等离子体天线阵列配置成在预确定波长处支持第一晶格共振，其起因于所述单独天线元件中的局部表面等离子体共振向包含等离子体天线阵列和波长转换层的系统所支持的光子模的耦合，其中所述等离子体天线阵列配置成包含等离子体共振模；

在所述衬底上提供光敏层，所述光敏层具有超过所述天线元件的厚度的厚度；

利用所述预确定波长的光来光照所述等离子体天线阵列，使得针对源自所述等离子体天线阵列的所述晶格共振的光耦出而对应于最大场增强的位置来曝光所述光敏层的部分；

移除所述层的所述经曝光的部分以形成多个腔；以及

利用配置成从能量源接收能量并且发射所述预确定波长的光的光子发射材料填充所述腔。