CN109314162A - 基于fret耦合发射器的等离子白色光源 - Google Patents

基于fret耦合发射器的等离子白色光源 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种照明设备(1000)，包括光源(100)和光转换器(200)，其中该光源被配置为提供光源光(101)，其中该光转换器(200)包括(a)能够将第一光源光的至少一部分转换为供体光(211)的供体发光材料(210)，和(b)受体发光材料(220)，其中该供体发光材料(210)和受体发光材料(220)被配置为供体‑受体发光材料(210,220)，它们在该供体发光材料(210)被光源光(101)激励时提供具有不同于供体光(211)的供体光谱分布的受体光谱分布的受体光(221)，其中该光转换器(200)进一步包括(c)被配置为增强所述受体光(211)的生成的周期性等离子天线阵列(310)，并且其中该照明设备(100)被配置为提供包括所述供体光(211)和所述受体光(221)的照明设备光(1001)。

Description

基于FRET耦合发射器的等离子白色光源
技术领域
本发明涉及包括光源和光转换器的照明设备。
背景技术
基于非辐射能量传输的固态照明设备是本领域已知的。例如，WO2015180976描述了一种照明设备，包括：波长转换层，其包括被配置为吸收能量以达到激励状态的光子发射供体，和光子发射受体；能量源，其被配置为向该供体提供能量而使得该供体达到激励状态；其中该供体和受体被选择并且彼此以一定距离布置而使得从该供体向该受体发生激励能量的非辐射传输，并且其中该受体被配置为在该能量传输之后以第二波长发射光子；该照明设备进一步包括周期性等离子天线阵列，其布置在衬底上并且被嵌入在该波长转换层内，并且包括布置在天线阵列平面中的多个个体天线元件，该等离子天线阵列被配置为支持在第二波长处的第一晶格共振，该共振是由于个体天线元件中的局部表面等离子共振与包括该等离子天线阵列和波长转换层的系统所支持的光子模式的耦合所引起的，其中该等离子天线阵列被配置为包括等离子共振模式，而使得从该等离子天线阵列所发射的光具有各向异性的角度分布。
发明内容
针对单色应用(特别是对于红色发光而言)，经由表面晶格共振的等离子增强似乎提供了有前途的结果，因为光谱整形的副效应能够通过最为增强处于人眼敏感度范围内的光而帮助对流明当量进行增强。然而，制作出单一白色发光等离子LED设备被认为是困难的。
似乎可能使用从供体(“供体发光材料”)到受体(“受体发光材料”)的福斯特共振能量传输(FRET)来生成白色光。这例如能够有助于克服受体在激励波长下固有的或者依赖于浓度的吸收局限或者在受体的发光过程具有低效率的情况下旁路辐射能量传输(再吸收)。然而，仅使用FRET耦合供体-受体系统来生成白色光——例如，利用绿色发光供体和红色发光受体——是非常困难的。FRET效能以及因此的供体发射淬灭大幅地取决于受体浓度。为了获得白色光，供体激励的很大部分必须衰退为供体的辐射发光，即系统必须被设计为以30-60％的FRET效率进行操作。首先，这仅会导致受体发光的小幅增强。其次，这要求对所应用浓度进行非常高度的控制，因为浓度的小幅变化会导致FRET效率的大幅变化以及因此的供体淬灭。这进而将会影响到供体和受体发光之间的比率并因此影响色点，即光的感知颜色。
因此，本发明的一个方面是提供一种备选照明设备，其优选地进一步至少部分缓解了一个或多个以上所描述的缺陷，并且可以以相对有效的方式在实施例中提供白色光，或者可以在其它实施例中提供多个波长分区中的有色光。
这里，提出了由共振能量传输(FRET)所耦合的至少两种不同的光转换磷光体以及等离子(金属)纳米粒子阵列的组合，以生成有所增强的白色光。该等离子纳米粒子阵列至少与供体发射共振，即对供体所发射的光进行增强和整形，而且还在实施例中能够与受体发射共振。后者可以通过特别地设计等离子阵列或者通过将都能够与供体-受体系统交互的两个不同阵列(即，几何体或粒子形状)进行组合来实现。
作为一种明显更优的可控系统的解决方案，提出了以更高受体浓度来设计系统以实现至少70％甚至尤其至少80％或者甚至更高的FRET效率，其中浓度对淬灭和增强的影响很低，并且使用等离子阵列将实现某个色点和/或光谱分布所需的供体发射耦合出来。以这种方式，该系统针对浓度变化更加鲁棒并且能够通过等离子阵列——即设备生产期间所使用的几何参数和材料——的变化进行调谐。
因此，本发明提供了一种包括光源和光转换器(“转换器”)的照明设备(“设备”)，其中该光源被配置为提供光源光，其中该光转换器包括(a)能够将第一光源光的至少一部分转换为供体光的供体发光材料，和受体发光材料(“受体”)，其中该供体发光材料和受体发光材料被配置为供体-受体发光材料，它们在该供体发光材料被光源光激励时提供具有不同于供体光的供体光谱分布的受体光谱分布的受体光，其中该光转换器进一步包括(c)被配置为增强所述供体光的生成(和/或被配置为控制所述供体光的方向性)的周期性等离子天线阵列(“天线阵列”或“等离子天线阵列”)，并且其中该照明设备被配置为提供包括所述供体光和所述受体光的照明设备光。
利用这样的照明设备，来自FRET的好处得以与供体发射的增强相耦合，由此提供了至少包括供体光和受体光的照明设备光。在没有该周期性等离子天线阵列的情况下，基本上仅能够以高的FRET效率获得受体光。现在，利用本发明，可以保持高的FRET效率，但是供体发射也得以利用该周期性等离子天线阵列而有所增强。因此，该照明设备将可能至少包括两种不同波长的发光，诸如至少两个发光带(由于供体发射和受体发射)。另外，还由于光源光可能是照明设备光的一部分，所以在实施例中，该照明设备可以能够提供例如白色光。
因此，在实施例中，该供体发光材料、受体发光材料和周期性等离子天线阵列被配置为在生成该光源光时提供包括所述供体光、所述受体光和(可选地)所述光源光的所述照明设备光。再进一步地，在实施例中，该照明设备被配置为生成白色照明设备光。
在本发明中，提供了波长转换器或光转换器，其包括供体和受体，其中从该供体向该受体发生非辐射能量传输，并且其中光子基本上由受体所发射。在以高的FRET效率工作的情况下，有最多来自供体的能量被传输至受体。在具有等离子阵列的系统中，有更多供体发射发生并且以供体波长所发射的光子由包括供体和天线阵列的耦合系统所发射。在本文中应用了术语“供体发光材料”或“供体”。供体和受体是发光材料，但是当被配置在一起时，它们可以形成供体-受体发光材料，导致有利于受体发光的供体发射的减少(由于从供体向受体的(共振)能量传输)。因此，供体在本文也被描述为“能够将至少部分的第一光源光转换为供体光”。还可以替代术语“供体光”而应用“供体发射”。同样，还可以替代术语“受体光”而应用“受体发光”。能量从外部能量源被提供至供体而使得供体达到激励状态，这在下文详细讨论。
供体所吸收的能量大部分能够被传输至受体，并且因此该供体-受体系统的发光光谱由受体所确定。消光系数由于吸收体数量的增加而大幅增大。该组合系统仍然有高的量子效率，原因在于非辐射能量传输过程的效率非常高并且并未引发供体和受体的浓度淬灭。该非辐射能量传输过程被称之为共振能量传输(FRET)，这是一种描述供体和受体之间的能量传输的机制。FRET基于经由非辐射偶极-偶极耦合的能量传输，并且传输的效率与供体和受体之间的距离成反比。在没有等离子天线阵列并且处于高的FRET效率的情况下，供体将基本上不发出供体发射(虽然供体自身原则上能够将至少部分的第一光源光转换为供体光(即，供体发射))。
供体/受体在当前上下文中应当被理解为能够通过能量的增加而使得能量能够被提高至激励状态的任何原子、离子、分子、粒子或结构，并且其中到较低能量状态的弛豫可以通过光子的发射而发生。供体和受体也可以被称作光子发射体，或者更一般地被称作发射体。因此，虽然供体可能能够发射光子，但是供体反而将它的部分能量传输至受体，所述受体进而利用供体/受体布置来发射光子。
根据本发明的一个实施例，受体可以有利地具有对应于所述第二波长的第一能级以及高于该第一能级的第二能级，并且供体可以具有与受体的第二能级相匹配的能级。供体的能级与受体的能级相匹配一般意味着它们基本上是相同的。然而，在存在与受体的第二能级重叠的供体能级的宽幅共振的情况下能级也可能匹配，使得可能发生非辐射能量传输。能级在本文关于共用参考能级Eo来定义，并且因此这些是相对能级。因此，能够理解的是，所匹配的并不是材料的绝对能级，而是第一和第二能级关于供体或受体的“接地状态”的能量差。相应的第一和第二能级因此应当被理解为与基准能级Eo相比较的相应能量差。
供体被配置为在吸收对应于供体中的能级的能量时达到激励状态。在半导体中，该能级通常对应于带隙，并且将电子从价带激励至导带所需的能量至少等于该带隙。在一个实施例中，受体具有对应于照明设备所要发射的光的波长的第一能级，以及高于该第一能级——即高于半导体受体的导带——的第二能级。因此，在具有对应于供体的带隙的能量的被激励供体和受体的第二能级之间能够发生非辐射能量传输。在能量传输已经进行之后，被激励受体可以在发生从导带到价带的辐射复合之前弛豫至第一能级，从而光子被发射。在供体和受体是有机半导体的情况下应用相同的推论，其中价带被称作最高占有分子轨道(HOMO)，而导带则对应于最低非占有分子轨道(LUMO)，并且带隙为HOMO-LUMO间隙。原则上，对于发生FRET而言，供体的发射光谱必须与受体的吸收光谱重叠。
经由FRET，第一磷光体(供体)被用来增强第二磷光体(受体)的激励。在图1a中示出了仅由供体、仅由受体以及由二者的混合所形成的层的发射光谱(还参见下文)。如能够看到的，根据FRET效率以及供体与受体的比率，观察到大约5倍的受体增强。为了实现高的受体-磷光体增强，该系统被调谐以表现出高的FRET效率，这进而意味着供体-磷光体发射被完全淬灭，如能够在与纯供体和受体发射光谱之和相比的从500nm到550nm的供体发射范围中针对图1a中的混合层光谱所看到的。在高的FRET效率下，受体浓度变化并不会大幅影响FRET效率并且因此并不大幅影响光谱分布。术语“磷光体”和“发光材料”可以等同使用并且指代发射光的材料。
如上文所提到的，针对此目的，应当使用至少70％、甚至更具体地至少80％量级(理想情况下更高)的FRET效率，。FRET效率EFRET在等式(1)中经由FRET速率kFRET和其它供体衰减速率(概括为kD＝τD -1)所定义
为了在具有随机混合的供体和受体的3D层中计算FRET速率，可以使用如能够在有关FRET的常见文献中找到的等式(2a)连同将半径R0转换为特征浓度c0的等式(2b)。表示完整的伽玛函数。
图4中示出了针对若干R0作为cAcc的函数的EFRET的计算结果，R0通常处于0.1至10nm的范围之中。如能够看到的，FRET效率随着受体浓度的增加而增加，但是大幅取决于半径。R0越低，要达到某个FRET效率的受体浓度就越高。以上所讨论的FRET效率的下线由黑色虚线所指示。从所使用的优选材料，能够计算半径并且能够确定最小必要浓度——其对应于所能够使用的最大的发射体(例如分子或量子点(QD))的大小。反过来说，从可用的发射体大小，能够确定最大可能浓度(由灰色虚线所指示)，其随后划定感兴趣区域(阴影区域)并且给出所能够/应当使用的R0的最小值。因此限制了供体/受体组合的选择。
该光转换器(因此)被配置为将至少一部分光源光转换为光转换器光，该光转换器光包括供体发射、受体发射，并且可能还有光源光。
因此，该供体和受体可以被单个层所包括。然而，该供体和受体也可以不同层中获得，该不同层可选地由另一个层(电介质层)隔开。另外，如下文将要指出的，该等离子天线阵列可以被这些层之一所包括或者可以处于单独的层中。该供体、受体和等离子天线阵列的组合特别地被单个主体(“转换器主体”)所包括。因此，它们例如可以被透射材料所包括，该透射材料诸如是诸如从由以下所组成的群组所选择的透射有机材料支撑件：PE(聚乙烯)、PP(聚丙烯)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)、PC(聚碳酸酯)、聚甲基丙烯酸酯(PMA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)(Plexiglas或Perspex)、乙酸丁酸纤维素(CAB)、硅树脂、聚氯乙烯(PVC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，在实施例中，包括(PETG)(乙二醇改性的聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PDMS(聚二甲基硅氧烷)和COC(环烯烃共聚物)。特别地，该透射材料可以包括芳香族聚酯或者其共聚物，作为示例，诸如PC(聚碳酸酯)、聚(甲基)丙烯酸甲酯(P(M)MA)、聚乙交酯或聚乙醇酸(PGA)、聚乳酸(PLA)、聚已酸内酯(PCL)、聚己二酸乙二酯(PEA)、聚羟基脂肪酸酯(PHA)、聚羟基丁酸酯(PHB)、聚(3-羟基丁酸-co-3-羟基戊酸)(PHBV)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)；特别地，基质可以包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。因此，透射材料特别地是聚合物基质。(多种)玻璃或透明陶瓷(蓝宝石、多晶氧化铝)由于它们较高的导热性是良好的支撑材料。因此，这样的材料尤其可以被用作透射材料。
根据本发明的一个实施例，该供体和/或受体有利地可以是二萘嵌苯染料分子。基于二萘嵌苯的染料分子在用于发光二极管的波长转换领域是已知的，并且已经发现两种不同的基于二萘嵌苯的染料分子提供了高的FRET效率以及高的消光系数。也可以使用其它类型的发射器，诸如基于CdSe、ZnSe、InP、InGaN QD等的发射器。
因此，在实施例中，所述供体发光材料和所述受体发光材料从包括稀土离子、染料分子和量子点的群组中独立选择。术语“独立选择”指示本领域技术人员可以针对供体和受体选择不同类型或相同类型的发光材料。术语“独立选择”并不排除对尤其能够表现出能量传输和/或具有特别感兴趣光谱特性的发光材料的选择，诸如用于提供照明设备光的所期望颜色和/或照明设备光的所期望色温。在具体实施例中，所述供体发光材料和所述受体发光材料包括染料分子。适当的示例包括例如作为供体的Lumogen F083和作为受体的Lumogen F305。在又一些的实施例中，所述供体发光材料包括量子点，并且其中所述受体发光材料包括染料分子。
在实施例中，术语“供体”也可以指代多种不同的供体(例如，不同类型的供体分子)。在实施例中，术语“受体”也可以指代多种不同的受体(例如，不同类型的受体分子)。在实施例中，供体和受体是不同分子或粒子，或者被包含在不同的晶体材料中。特别地，在实施例中，供体和受体可能并非是以共价或离子键的方式相互结合或者作为相同的共价结合或离子键结合的分子或盐的一部分。然而，在具体实施例中，供体和受体可以是相同分子的一部分，诸如例如在未公开的WO2016026863中所描述的，其通过引用结合于此。
下文描述了一些尤其是与作为供体和受体的有机染料有关的一些具体实施例。
在实施例中，供体浓度和受体浓度有利地被选择为使得从供体到受体的激励能量的非辐射传输具有高于0.9(90％)的效率。所期望的是，尽可能多的从该照明设备所发射的光具有与受体所发射的光子的波长相对应的波长。因此，非辐射能量传输的高效率意味着来自供体的辐射复合得以被抑制。通常，非辐射传输的效率取决于供体和受体之间的平均距离，其进而是给定供体/受体组合的波长转换层中的供体和受体浓度的函数。在效率高于0.9的情况下，以及在高于0.95(95％)的实施例中，将几乎或完全检测不到供体发射，并且发射光谱的形状将完全类似于受体的发射光谱的形状。
最优的供体/受体比率部分地由受体浓度所确定，所述受体浓度尤其不能过高，因为在受体互相过于接近时，受体量子效率的淬灭能够降低整体系统效率。相对于受体浓度提高供体浓度增强了波长转换层中的吸收。然而，最大供体/受体比率可能会被限制，因为它在供体开始互相过于接近的情况下可能是不利的。为了确定最优比率，尤其可以将受体激励状态的寿命周期和用于非辐射传输的时间纳入考虑之中。通常，当供体被激励并且准备传输能量时，必须有处于基态的可用供体准备接收该能量。
在本发明的一个实施例中，供体和受体有利地可以是从包括稀土离子、染料分子和量子点的群组中选择的点发射器。原则上，其中激励会导致光子发射的任何点发射体都可以在当前上下文中使用，并且点发射器可以基于当下应用的所期望波长和材料属性来选择。
在实施例中，供体有利地可以是发射具有从500到580nm的波长的绿色/黄色光的染料分子或量子点。此外，受体有利地可以是发射具有从580到630nm的波长的红色光的染料分子或量子点。高的消光系数能够通过将基于FRET的两种高度有效耦合的染料进行组合来实现。在实施例中，这两种染料是吸收蓝色光并发出绿色光的绿色染料以及吸收蓝色和绿色光并发出红色光的红色染料。由于绿色染料的发射光谱和红色染料的吸收光谱重叠，所以能够发生从绿色染料分子到红色染料分子的强FRET，这是因为它们被混合在相同的波长转换层中。绿色染料分子所吸收能量中的大部分能够被传输至红色染料分子，并且两种染料的组合系统的发射光谱因此由红色染料所确定。消光系数由于吸收物数量的增加而大幅增大。由于FRET效率非常高且并未引起绿色和红色染料的淬灭，所以该组合系统的量子效率仍然很高(接近于1)。
在实施例中，供体和受体浓度有利地被选择为使得包括等离子天线阵列的波长转换层的所产生的消光系数和量子效率比仅包括供体和受体之一的波长转换层的情况更高和相似的整体消光。耦合至等离子天线阵列的波长转换层的消光系数和量子效率特别地由波长转换粒子的浓度所确定。然而，在一些系统中，作为由于提高波长转换粒子的浓度所导致的淬灭的结果，量子效率随着消光系数增大而降低。因此，期望在并不引发与波长转换粒子的过高浓度有关的缺陷的情况下实现耦合供体-受体系统的有益效果。
在实施例中，该照明设备可以进一步包括能量源，其被配置为向该供体提供能量而使得该供体达到激励状态。提供至供体的能量必须等于或高于供体的能级，其通常对应于带隙或HOMO-LUMO间隙。供体还可以包括高于第一能级的附加能级，从而该供体能够轻易地吸收大于带隙的能量。原则上，任何外部能量源都可以被用来激励点发射器，诸如具有充分高的能量——即高于第一能级——的光子或电子、x射线或伽玛放射、热量、电子-空穴配对的注入，等等。此外，该能量源例如可以是光子发射器、电子发射器、x射线发射器、伽玛射线发射器或者电子-空穴配对。电子例如可以由阴极射线管(CRT)发射，x射线/伽玛射线例如可以从真空管、伽玛射线(CT)提供。特别地，该能量源包括固态光源，诸如LED。在本发明的实施例中，光子发射器可以有利地是发光二极管或固态激光器。基于半导体的光子发射器被普遍使用并且可以轻易地与以上提到的照明设备进行整合。
如上文所指出的，在具体实施例中，该光源包括固态光源(特别是用于UV和/或蓝色辐射，特别是蓝色辐射)，所述供体发光材料被配置为提供具有从500-580nm所选择的波长的所述供体光，并且所述受体发光材料被配置为提供具有从580-650nm所选择的波长的所述受体光。特别地，在实施例中，该供体和受体发光材料可以具有在20-300nm、诸如在30-300nm不同的(诸如特别地在50-200nm有所不同)的(它们的发射的)主导波长，。
等离子的场是指小型传导结构特别是金属结构与光的交互，由此该金属结构的大小类似于光的波长。金属中的传导电子对外部电场作出响应并且电子云以驱动光学频率进行振荡，留下更大的正电荷区域，而这将拉回电子。由于金属结构的小尺寸，共振能够达到可见光的频率。因此，金属结构可以具有大的散射截面，这允许与入射在金属粒子上的任何光以及接近于金属粒子生成的任何光的强交互。因此，在实施例中，该周期性等离子天线阵列包括金属纳米粒子。
已经发现的是，常规阵列在发射方向性方面表现出很强的增强，这归因于混合耦合的局部表面等离子体共振(LSPR)和光子模式——也被称作混合晶格等离子光子模式或等离子-光子晶格共振。发射的方向性增强在本文被称作各向异性发射，即非朗伯特(Lambertian)发射。光学天线的有序阵列支持集合共振。当辐射的波长处于该阵列的周期性的量级时，衍射的级次能够在阵列的平面中辐射。以这种方式，个体粒子所承受的局部表面等离子体的电磁极化子(polariton)可以经由衍射进行耦合，这导致被称作表面晶格共振(SLR)的集合的、晶格引发的、混合光子-等离子共振。这些离域模式在若干单位单元上延伸，使得可能获得如在固态发光中所要求的来自分布于大体积上的发射器的发射的集合式增强。
这里，对表现为集合式纳米天线的金属结构和/或(金属)纳米粒子的周期性阵列加以利用。这些天线承受集合式等离子共振。在一方面，金属纳米粒子具有大的散射截面，这允许波长转换材料中的磷光体的共振激励，由此增强光的转换。另一方面，集合式等离子共振使得能够对发射的角度模式进行整形，将大部分光投射到某个波长范围的限定方向的非常狭窄的角度范围中和/或能够被调谐为使得大部分光在大于该材料中的全反射角的角度下发射，从而促成所生成的光到光导中的高效耦合。因此，该方向增强被解释为波长转换介质中有所提高的激励效率以及向阵列中的扩展等离子-光子模式的磷光体发射的耦出效率和随后的针对自由空间辐射的耦出的增强的组合。
例如，该周期性等离子天线阵列可以形成在衬底上，随后它可以布置或可以不布置在最终设备的衬底上。包括天线阵列的波长转换层例如可以被提供于其自身上，或者它可以被布置在适当的能量源上。等离子天线阵列的功能和配置的更为详细的描述能够在WO2012/098487、未公开的欧洲专利申请EP13179374、WO2015019229以及WO2015180976中找到，它们通过引用结合于此。
根据本发明的实施例，该等离子天线阵列可以有利地被配置为包括平面外非对称(out-of plane asymmetric)的等离子共振模式。通过配置该等离子天线阵列以提供光的非对称发射，更多由该天线阵列所发射的光能够朝向照明设备的发射表面被发射。这导致照明设备的整体效率有所提高，这是因为更大部分的所生成光从该设备的所选择发光表面进行发射。该照明设备可以被配置为使得光主要通过衬底发射或者从远离衬底的波长转换层发射。平面外非对称等离子共振模式例如可以通过使得天线元件非对称来实现，例如具有角锥体、平头角锥体、圆锥体或平头圆锥体的形状。由此，针对每个天线元件所产生的共振模式变为是非对称的，这进而导致非对称的光发射属性。天线元件的非对称形状是指这种元件在平行于天线元件的纵向轴线的平面中的横截面——即在“直立”天线元件的垂直平面中的横截面的非对称性。
天线元件的锥体化(tapering)对于发射的非对称性可能是重要的。特别地，该非对称性是基于天线元件中的电和磁性共振的同时激励。如下文将进一步解释的，这主要是由破坏的对称性所增强的磁性和磁-电(交叉耦合)的响应。磁性响应是天线元件针对入射光的磁场的响应，而磁-电则是指入射磁场对电场的激励，反之亦然。从电动力学已知的是，耦合至单个磁偶极子的单个电偶极子能够根据该偶极子的相对相位来定制正向/反向散射比率。典型地，大多数材料在光学频率下并不具有磁性响应，因此对于光而言该效果很少被发现。然而，金属纳米结构能够被设计为承担强度与它们的电激励强度相当的磁性激励。此外，这两种不同的激励可以交叉耦合，这导致了磁-电响应。
增加天线元件的锥体化增加了磁性和磁-电响应，其中锥体化是指基部处的直径或边与顶部的直径或边的比率。因此，通过增加锥体化，这两种响应有所增加并且能够设计出表现出有所提高的非对称性的天线阵列。还注意到，来自这些结构的发射的非对称性依赖于这些具有相似幅度的电和磁性激励。
根据本发明的一个实施例，该天线阵列有利地可以包括多个平头锥体天线元件，它们具有50至150nm范围内的顶部边，100至200nm范围内的底部边，以及100至200nm范围内的高度。特别地，该天线元件被排列在具有大约200-1000nm——诸如约400nm——晶格常数的正方形阵列(或六边形阵列)中。边是指矩形或正方形或三角形的边。通常，参考以上所提到的大小范围，与朝向可见光谱的红色端共振的较大天线元件相比，基于较小天线元件的阵列朝向可见光谱的蓝色端共振。天线元件的总体大小对于局部等离子共振而言是重要的。基部和顶部支持局部模式，其中顶部和底部的大小差异拓宽了天线的组合局部共振。平头天线元件的顶部和底部具有不同共振，并且顶部和底部共振能够互相耦合。因此，天线元件的高度将会引入相位延迟并且支配共振耦合，由此确定发射的非对称性，这部分是由于阻滞而部分则是由于电和磁性共振。在具体实施例中，该周期性等离子天线阵列包括平头铝质锥体，其具有50至150nm范围内的顶部边，100至200nm范围内的底部边，以及100至200nm范围内的高度。
另外，在具体实施例中，该周期性等离子天线阵列具有已经从200-1000nm的范围所选择的周期性(本文中也被称作第一周期性或晶格常数(并且在本文中也利用附图标记p1所指示))。利用这样的周期性，与供体发光耦合可以是最为有效的。但是，在另外的具体实施例中，该周期性等离子天线阵列包括((平头锥体的)天线元件的)六边形或正方形阵列。
因此，本发明提供了一种照明设备，包括：波长转换层，其包括被配置为吸收能量以达到激励状态的光子发射供体，该光子发射供体可以发射第一波长的光子；和光子发射受体；能量源，其被配置为向该供体提供能量而使得该供体达到激励状态；其中该供体和受体被选择并且彼此以一定距离布置而使得从该供体向该受体发生激励能量的非辐射传输，并且其中该受体被配置为在该能量传输之后以第二波长发射光子；该照明设备进一步包括周期性等离子天线阵列，其嵌入在该波长转换层内，并且包括布置在天线阵列平面中的多个个体天线元件，该等离子天线阵列被配置为支持第一波长的第一晶格共振，第一晶格共振是由于个体天线元件中的局部表面等离子共振耦合至包括该等离子天线阵列和波长转换层的系统所支持的光子模式所引起的，其中在实施例中，该等离子天线阵列被配置为包括等离子共振模式，而使得从该等离子天线阵列所发射的光具有各向异性角度分布。
如之前部分中所给出的，与等离子阵列对供体的光致发光的增强有关的等离子效率和受体增强，连同FRET效率是竞争性的。因此，有必要以受体以及供体的增强都能够被实现的方式来调谐FRET速率(从而确定FRET效率)和/或等离子速率/效率。
从尤其本文描述的所显示的实验结果能够看出，为了实现供体发射增强的相关水平，例如中等受体浓度情况下的光致发光效率增强(PLE)>5，等离子速率必须至少为FRET速率的10％，否则FRET过程将会过快并且立即将所有供体发射淬灭。根据该限制以及一些应用规范，能够推断出针对FRET系统和等离子系统的要求。据我们所知，关于用来调谐等离子阵列对供体衰变动态的影响的等离子结构的设计规则所知不多。然而，对于如何调谐共振波长却有所了解。因此，以此作为开始，能够确定特定结构的等离子速率以及以所期望波长范围发射的适当供体的集合。在我们的情况下，等离子速率被确定为处于0.04l/ns的量级。FRET速率大幅取决于所使用供体和受体的属性以及供体-受体间隔d，这在多个受体的情况下可以经由受体浓度cAcc来调谐。等式(3)示出了FRET速率与单个供体-受体配对的供体/受体属性的关系，并且等式(4)示出了具有间隔d的纯供体和纯受体层的关系。最为重要的是，供体属性由其“自然”衰变时间τD(在没有能够影响衰变动态的等离子/光子结构、受体的情况下)以及特有FRET距离：半径R0所反映，所述半径R0描述了从供体发射和受体吸收光谱所确定的供体和受体的交互强度。因此，FRET速率能够通过选择不同的供体和受体(影响τD和R0)或者通过改变d或cAcc来调谐。
因此，当等离子速率已知时，就能够设计出具有适当FRET速率和效率的供体-受体系统——主要是通过选择适当的受体和受体浓度。可替换地，一旦等离子阵列的设计规则被更好地理解，就能够反过来通过针对预先选择的供体-受体配对调谐等离子结构以具有适当共振波长和等离子速率来进行选择。
由供体和受体材料的混合所组成的样本的FRET衰变速率τFRET -1例如可以通过测量该样本的衰变速率τDA -1以及仅由供体材料所组成的样本(在相同衬底上具有相同厚度)的衰变速率τD -1来确定。FRET衰变速率被发现为τFRET -1＝τDA -1-τD -1。由衬底上的等离子阵列上的发光材料层所组成的样本的等离子衰变速率τplas -1例如可以通过测量该样本的衰变速率τwith -1以及由在相同衬底上具有相同厚度但是没有等离子阵列的相同发光材料层组成的样本的衰变速率τwithout -1来确定。等离子衰变速率被发现为τplas -1＝τwith -1-τwithout -1。
纳米结构能够影响发光材料的衰变速率。特别地，支持局部表面等离子共振的结构(如纳米结构)能够如此。在被隔离的金属纳米粒子的情况下，等离子共振提供了接近于粒子的高的局部场。这些局部共振能够通过构建具有这样颗粒的周期性阵列——所谓的等离子阵列——的衬底表面而耦合至扩展模式。这些扩展模式可以是沿表面传播的衍射波，所谓的瑞利异常(Rayleigh anomalies)，或者是在衬底顶部上存在薄波导层的情况下的波导模式。如果该薄层包含发光材料，则其发射特性将取决于该结构的细节并且能够通过对其进行充分设计而被定制。该设计中的参数是层的厚度，这将影响到波导模式的约束(confinement)。该约束影响表面等离子共振耦合至更加非局部波导模式的强度并且因此影响到衰变速率。(金属)粒子的形状和尺寸(高度、宽度、长度)以及(金属)粒子的材料能够在一定程度上影响衰变速率，而耦合还取决于阵列周期和对称性。
因此，在具体实施例中，供体-受体发光材料具有至少70％的供体-受体能量传输效率，供体-受体发光材料具有供体-受体能量传输速率(kFRET)并且周期性等离子天线阵列具有等离子速率(kP)，该等离子速率(kP)是供体-受体能量传输速率(kFRET)的至少5％，诸如尤其至少为10％，如至少约20％。至多地，该等离子速率可以处于供体-受体能量传输速率的大约300％，如处于最多约250％，诸如高达约100％的范围内。
该供体、受体和等离子天线阵列可以被单个层所包括或者可以分布在层结构中的多于一个的层上，可选地在其间具有中间层。然而，在供体和受体之间的距离等于或小于25nm——特别地等于或小于约15nm，诸如处于0.5-10nm的范围内——时可以获得最佳结果。供体分子和等离子天线阵列之间的距离尤其处于大约10-3000nm的范围内，尤其是大约10-2000nm，诸如处于大约100-1000nm的范围内，诸如处于100-800nm的范围内，诸如尤其处于大约200-700nm的范围内。在实施例中，供体发光材料、受体发光材料和周期性等离子阵列被单个层所包括。然而，在其它实施例中，供体发光材料、受体发光材料和周期性等离子阵列由不同层所包括，这些不同层并不包括供体发光材料、受体发光材料和周期性等离子阵列中的除所包括项之外的其它项中的一项或多项。
如上文所指出的，该周期性等离子天线阵列与供体发光相耦合。在又另外的实施例中，可选地可以提供可以与受体发光相耦合的另外的周期性等离子天线阵列。这可以提高效率和/或帮助控制受体发光的角度分布，例如基本上垂直于供体发光的角度分布。因此，在实施例中，该光转换器包括被配置为增强所述受体光的生成(和/或被配置为控制所述受体光的方向性)的第二周期性等离子天线阵列，其中该第二周期性等离子天线阵列具有不同于该周期性等离子天线阵列的周期性的第二周期性(也利用附图标记p2指示)。该周期性等离子天线阵列可以例如在具有第一周期性等离子天线阵列的一个或多个区域和具有第二周期性等离子天线阵列的一个或多个区域中是空间隔离的。然而，可选地，该第一和第二周期性等离子天线阵列可以由包括两种周期性的较大阵列所包括。第一周期性和第二周期性的数值尤其可以是不同的，但是第二周期性的数值可以处于针对第一周期性所指示的相同范围内。
该照明设备可以是以下的一部分或者可以被应用于其中：办公室照明系统、家庭应用系统、店铺照明系统、家用照明系统、重点照明系统、聚光灯照明系统、剧院照明系统、光纤应用系统、投影系统、自点亮显示系统、像素化显示系统、分段显示系统、警告标志系统、医疗照明应用系统、指示标志系统、装饰照明系统、便携式系统、汽车应用、(户外)道路照明系统、城市照明系统、温室照明系统、园艺照明或LCD背光。
在具体实施例中，该光源包括固态光源(诸如LED或激光二极管)。
术语“光源”也可以涉及多个光源，诸如2-200个(固态)LED光源。因此，术语LED也可以是指多个LED。
附图说明
现在将参考所附示意图，仅通过示例对本发明的实施例进行描述，其中相对应的附图标记指示相对应大部分，并且其中：
图1：纯供体、纯受体、混合的供体+受体的发射光谱，以及纯供体和纯受体光谱的和；
图2：玻璃和等离子上的供体+受体混合的时间分辨的供体发射衰变的比较；
图3：玻璃上的FRET、等离子上的FRET的效率，以及供体-受体混合的等离子效率；
图4：针对一系列不同Ro数值作为供体浓度的函数的FRET效率；
图5：耦合至仅与供体发射共振的单个等离子阵列的供体-受体FRET磷光体层的示意性横截面以及等离子结构的示例；
图6：耦合至与供体和受体发射的单个或多个等离子阵列的混合供体-受体FRET磷光体层的示意性结构；和
图7示意性描绘了照明设备的实施例。
示意图并不一定依比例绘制。
具体实施方式
图1示出了(a)为纯供体(II)、纯受体(III)、混合的供体+受体(I)的发射光谱，以及纯供体和纯受体光谱的和(IV)。混合的供体+受体光谱被归一化，并且其它光谱被相应地缩放。(b)为(a)中所示的混合在作为基准的玻璃(R(基准))上以及在正方形等离子阵列(P(等离子样本))上的发射光谱。光谱针对p偏振在相对于法向角度(angle normal)成0°处记录。x轴显示以nm为单位的波长，而y轴则以计数显示相对强度。
所发现的是，位于正方形等离子纳米粒子阵列顶部的供体和受体磷光体的混合膜，FRET速率和效率几乎不被等离子所影响。这能够在玻璃-基准上以及处于特定受体浓度的等离子上的混合中不变的短供体衰变中看出，其在图2a中的三个图板中的每一个中以红色虚线高亮表示。从上至下，样本的受体浓度从0.08增加至0.17和1％(浓度以玻璃衬底上的聚苯乙烯(通过旋转涂布而获得层)的重量％给出)，其对应于有所增加的FRET速率和效率(参见图3)，如所预期的，这在图2中所示的愈发缩短的发射衰变中有所反映。图2示出了(a)玻璃(G)上和等离子(P)上的供体+受体混合的时间分辨(time-resolved)的供体发射衰变的比较。从上至下的图板示出了受体浓度增大的样本，即增加FRET速率和效率，同时供体浓度则保持不变。x轴显示以纳秒为单位的时间，而y轴则显示归一化的强度。L、M和H分别指示低、中和高的受体浓度。图2b示出了等离子上的混合相对于玻璃基准上的混合的发射增强。x轴显示以nm为单位的波长，而y轴则以计数显示由于等离子导致的发射增强(PLE)。附图标记“L”指示低受体浓度。附图标记“M”指示中受体浓度。附图标记“H”指示高受体浓度。在图2(b)的三个图板中所示出的处于与(a)中相同的受体浓度的混合FRET层中的供体发射的等离子增强确实随受体浓度而变化。尽管在处于低受体浓度时，其中FRET效率和速率低，545nm处的增强达到18.5，但其减小至8.5并且在高受体浓度进一步减小至仅为2，而FRET效率在那里更高。如(a)中，图板从上至下表示受体浓度增大的样本。增强光谱从相对于法向角度成0-14°的发射角度范围所记录的发射光谱计算出。
为了更好地理解这些观察，在存在受体的情况下根据供体发射衰变速率的增加计算FRET效率之后，还计算等离子效率并且连同玻璃和等离子上的FRET效率一起在图3a中示出。等离子效率被计算为供体在玻璃上和等离子上相对于混合物在等离子上的整体供体衰变速率的速率变化。即便该等离子效率可能忽略了供体与等离子阵列的某些交互，例如较长距离的耦合，但是它给出了等离子阵列对供体衰变动态的影响有多强的指示。因此，该效率被用来描述供体和等离子阵列的交互中能够对FRET过程有所影响或者与之产生竞争的部分。如能够看到的，等离子效率在FRET效率增加时，随着受体浓度增加而有所下降。此外，能够看到，FRET效率并未在玻璃和等离子上表现出大的差异。图3a示出了玻璃上的FRET(I)、等离子上的FRET(III)的效率以及供体-受体混合的等离子效率(II)。x轴显示供体的浓度(wt.％)，而y轴则显示效率。图3b针对纯供体(虚线IV)和混合中的供体(实线III)示出了供体发射波长下(左侧轴线)(曲线I是针对纯供体而II则针对混合中的供体)以及供体发射增强(右侧轴线)(被计算为共振波长下等离子上和玻璃上的光致发光的比率)的的等离子效率的供体浓度的趋势比较。曲线III和IV(圆圈和交叉)指示发射增强，而曲线II和I(正方形和空心三角形)则表示等离子效率(分别是混合中的供体和纯供体)。如能够看到的，等离子效率和供体发射增强随增加的受体浓度的趋势对于混合中的供体而言非常相似，这证实了如这里所定义的等离子效率能够被用作等离子对供体发射的影响的指示。如所预期的，在低受体浓度下，数值接近于纯供体的情形下的数值。
图4中示出了(同样参见上文)针对通常处于0.1至10nm范围内的若干R0，作为cAcc的函数的EFRET的计算结果。如能够看到的，FRET效率随受体浓度增加而增加，但是这大幅取决于半径。R0越低，则为了达到某个FRET效率的受体浓度就越高。上文所讨论的例如尤其为80％的FRET效率的下限由虚线I所指示。从所使用的优选材料，能够计算半径并且能够确定最小必要浓度——其对应于所能够使用的发射器(例如分子或QD)的最大尺寸。反过来说，从可用的发射器尺寸，能够确定最大的可能浓度(由虚线II所指示)，其随后界定了感兴趣分区(在左上角指示)并且给出了能够/应当使用的R0的最小值。因此限定了供体/受体组合的选择。图4因此示出了针对一系列不同R0值，作为受体浓度的函数的FRET效率。虚线I指示了应用而言感兴趣的FRET效率的下限，并且虚线II指示了取决于所使用的受体发射器的可能浓度限值。
如上文所讨论的，生成白色光的最简单的实施方式是使用与供体发射共振的单个等离子阵列。取决于应当被增强的供体发射波长，等离子阵列的几何形状和粒子形状能够被调节。为了在以平行于样本法线的方向的例如500至580nm波长范围内增强共振，这些等离子阵列例如应当是之前所提出的平头铝质角锥体的阵列，其被布置成具有从300nm到500nm间距范围的正方形图案或者具有350至580nm间距的六边形图案。
供体和受体磷光体的混合被沉积在等离子阵列上方或周围(参见图5(a))。此外，供体和受体能够以有利的几何形状预先排列并链接。在该几何形状中，供体-受体距离以及受体浓度(即受体的数量)影响FRET速率。每个受体的供体数量连同FRET的概率(即FRET效率)一起确定受体增强。不同于仅沉积混合的供体和受体磷光体的完全、均匀的层，供体和受体也可以在高等离子场增强的位置以混合层布置，例如距阵列为特定距离的层，参见图5b，或者以关于纳米粒子位置对齐的特定图案来布置，参见图5c。此外，供体和受体磷光体层还能够在它们各自关于等离子阵列的最优位置被单独应用于层中(参见图5d)，同时仍然保持FRET交互。为了实现隔离的供体和受体层之间的FRET交互，层必须要处于通常为数纳米的FRET交互距离之内(由于FRET过程的强的距离依赖性)。
这里，示意性地显示了光转换器200的实施例，其中光转换器200包括供体发光材料210(能够将第一光源光的至少一部分转换为供体光)以及受体发光材料220，其中供体发光材料210和受体发光材料220被配置为供体-受体发光材料。光转换器200进一步包括周期性等离子天线阵列310，其诸如被配置为增强所述供体光的生成。可替换地或除此之外，周期性等离子天线阵列310可以被配置为控制所述供体光的方向性。因此，方向性可以被增强。天线阵列310包括诸如金属(平头)角锥体的元件400。图5示意性地描绘了耦合至仅与供体发射共振的单个等离子阵列(平头角锥体)的供体-受体FRET磷光体层的横截面。(a)描绘了等离子阵列顶部上全部的混合的磷光体层。(b)描绘了距等离子阵列优化距离处的局部的完全混合的磷光体层。(c)描绘了关于等离子阵列被沉积在优化位置处的混合的磷光体图案。(d)描绘了关于等离子阵列被沉积在优化距离处的隔离的供体(绿色)和受体磷光体层(红色)(可能形成图案)。层以附图标记251表示。图5e示意性地图示了根据本发明实施例的照明设备的天线元件。在该示例实施例中，示意性地描绘了平头角锥体天线元件400I形式的天线元件。该天线元件具有110至130nm范围内的顶侧404，135至155nm范围内的底侧402，以及100至160nm范围内的高度406。这些侧在该示例中是正方形的边的长度，但是矩形或三角形也是可能的。此外，该天线元件可以被排列在具有例如大约400nm的晶格常数(p1)的正方形阵列中，但是其它数值也是可能的。而且，具有470nm的周期的六边形阵列可以表现出接近法向的增强发射，但是其它晶格常数值也是可能的。
如果受体发射也应当以角度和/或光谱的形式被整形，则也必须在受体发射波长范围内存在等离子共振。这能够经由在供体以及受体波长范围内具有共振的纳米粒子阵列来实现；图6a中示出了可能结构的示意性横截面。该纳米粒子阵列必须被仔细设计以表现出处在直角的所设想的共振波长。可替换地，需要使用两个单独的阵列来增强供体以及受体发射。这些阵列可以被应用于微型图案中，这导致特定位置处的单一磷光体类型的局部增强。这样的图案化阵列的横截面在图6b中示出，并且在图6c中以俯视图给出了棋盘图案的示例。为了实现由于样本的全部面积上的等离子所导致的增强和整形效果，这两个阵列也可以在层内的不同高度被应用，参见图6d，例如被应用在相对侧上。这能够通过将支撑两个不同阵列的衬底与磷光体层“粘合”在一起或者在磷光体层的顶部上制造第二阵列来完成。针对所有以上所给出的示例结构，保持供体受体层可以被均质地混合，或者被分隔为供体和受体域并且展示出一些空间结构，如上文所讨论的。图6示意性地描绘了耦合至与供体和受体发射共振的单个或多个等离子阵列的混合的供体-受体FRET磷光体层的这种结构。(a)在供体以及受体发射波长表现出共振的等离子阵列(平头角锥体)的顶部上的混合的供体-受体磷光体层的横截面。(b)沉积在等离子阵列上的混合的磷光体层的横截面，其中等离子阵列具有被设计为与供体发射共振的区域(带阴影的平头角锥体)以及与受体发射共振的其他区域(白色平头角锥体)。(c)具有以棋盘图案布置的如(b)中的不同区域的等离子阵列的俯视图。(d)具有混合的磷光体层以及位于磷光体层中不同高度并且在整个样本区域上扩展的与供体发射(带阴影的平头角锥体)和受体发射(白色平头角锥体)共振的等离子阵列的结构的横截面。附图标记p1指示用于与供体耦合的第一周期或晶格常数，并且附图标记p2指示用于与受体耦合的第二晶格常数。图6a-6d示意性地描绘了其中光转换器200不仅包括被配置为增强所述供体光的生成的第一周期性等离子天线阵列310而且还包括被配置为增强所述受体光的生成(和/或被配置为控制所述受体光的方向性)的第二周期性等离子天线阵列320的实施例，其中该第二周期性等离子阵列320具有不同于周期性等离子天线阵列310的第一周期性p1的第二周期性p2。利用这样的第二周期性等离子阵列320，受体光的方向性也可以被增强。
图7示意性地描绘了照明设备1000的实施例，其包括光源100和光转换器200。诸如LED的光源100被配置为提供光源光101。光转换器200包括能够将第一光源光的至少一部分转换为供体光的供体发光材料210，以及受体发光材料220。供体发光材料210和受体发光材料220被配置为供体-受体发光材料210、220，它们在该供体发光材料210被光源光101激励时提供具有不同于供体光211的供体光谱分布的受体光谱分布的受体光221。另外，光转换器200进一步包括被配置为增强所述受体光211的生成的等离子天线阵列310，并且其中照明设备100被配置为提供包括所述供体光211和所述受体光221的照明设备光1001。
在一个示例中，所研究的两种磷光体材料是黄色的LUMOGEN F 083(供体)和红色的LUMOGEN F 305(受体)，它们掺杂在通过旋转涂布而沉积在熔融石英衬底上的600nm厚的聚苯乙烯层中。作为浓度的函数的该染料层的QY(量子产率)利用来自448nm激光器的激励而在光谱校准的积分球体中测量。F 083和F 305的QY在低浓度下都很高，并且随着浓度的增加而大幅减小。为了得到高的QY，优选地保持低的浓度(大约1wt.％)，这限制了染料层的颜色转换。例如，具有1wt％F 305的600nm层的吸收率低于10％。然而，为了利用相同的层厚度生成白色光，需要大约10倍的更高浓度，这种情况下QY下降至60％以下。为了实现更高的颜色转换，我们在同一总体中混合F 305和F 083以增强F 305的激励。F 083的发射光谱与F305的吸收光谱重叠，这使得能够从F 083分子向F 305分子进行FRET。
为了研究FRET在发射光谱变化中的贡献，我们改变了两种染料分子的浓度并且计算由于F 305分子的出现所导致的绿色发射的淬灭效率。该淬灭效率遵循FRET效率的趋势，这表明从F 083到F 305的FRET是绿色发射淬灭的主要贡献因素。淬灭效率和所计算的FRET效率之间小幅的不匹配可能源自于确定浓度和消光系数时的不准确。具有1wt％F 083和0.5wt％F305的混合物的样本的所测量QY为96±2％，与纯F 305和F 083样本的所测量QY相比相当地高。该混合物的高QY一方面是因为纯F305在0.5wt％的(相对)低的重量浓度下的高QY，其中固有的非辐射衰变可以被忽略不计。另一方面，F 083的固有非辐射衰变非常低并且激励能量以大约75％的高效率被传输至F 305染料分子。通过引入供体材料，我们大幅增强了F 305的发射而并未牺牲其高QY。
为了增强绿色发射，我们利用了Al纳米粒子的正方形阵列所生成的被称作波导-等离子电磁极化子(polariton)的等离子和光子共振的混合。晶格常数被设计为330nm从而染料层所支持的TM和TE波导模式被耦合到正向发射方向。我们使用衬底保形压印光刻结合反应离子蚀刻在熔融石英衬底上制造阵列。图1和2中尤其示出了结果。
如上文所指出的，能够直接从(纯的(仅供体)和混合的(供体&受体)层中的)供体发射根据时间分辨的发光衰变测量中计算/推导出FRET传输速率，并且有时也能够从上升时间得到信息，与纯层(仅包括受体)相比，该上升时间能够在混合中的受体衰变中看到。根据时间分辨的发光衰变测量(与FRET速率类似)，等离子速率能够被确定。等离子速率/FRET速率的比率的调谐例如能够通过针对固定的等离子速率调节FRET速率来实现，或者等离子速率能够通过改变等离子阵列的属性而被调谐。
本文中诸如“基本上所有光”或“基本上构成”中的术语“基本上”将被本领域技术人员所理解。该术语“实质上”也可以包括具有“整体”、“完全”、“全部”等的实施例。因此，在实施例中也可以去除形容词基本上。在可应用的情况下，术语“基本上”也可以是指90％或更高，诸如95％或更高，特别是99％或更高，甚至更特别地为99.5％或更高，包括100％。术语“包括”也包含其中该术语“包括”表示“由…所构成”的实施例。术语“和/或”特别地涉及到“和/或”之前和之后所提到的一个或多个事项。例如，短语“事项1和/或事项2”以及类似短语可以是指事项1和事项2中的一个或多个。术语“包括”可以在一个实施例中指代“由…所构成”，但是也可以在另一个实施例中指代“至少包含所定义的种类以及可选地一个或多个其它种类”。
此外，说明书和权利要求中的术语第一、第二、第三等被用于在类似要素之间进行区分，而并非必然表述顺序或按时间前后记载的顺序。所要理解的是，这样使用的术语在适当环境中是可互换的，并且这里所描述的本发明实施例能够以不同于这里所描述和图示的顺序进行操作。
尤其地，这里的设备在操作期间进行描述。如对本领域技术人员而言清楚的是，本发明并不局限于操作方法或操作中的设备。
应当注意的是，以上所提到的实施例对本发明进行说明而非限制，并且本领域技术人员将能够设计出许多可替换实施例而并不背离所附权利要求的范围。在权利要求中，置于括号之间的任意附图标记都不应当被理解为对权利要求进行限制。使用动词“包括”及其配合形式并不排除存在权利要求中所没有指出的要素或步骤。要素之前的冠词“一个”(“a”或“an”)并不排除存在多个这样的要素。本发明可以利用包括若干离散部件的硬件来实施，并且利用适当编程的计算机来实施。在列出若干器件的设备中，这些器件中的若干器件可以由一个且相同的硬件事项来实现。某些措施在互相不同的从属权利要求中进行引用的纯粹事实并非表示无法对这些措施的组合加以利用。
本发明进一步适用于包括在说明书中所描述和/或在附图中所示出的一个或多个表征特征的设备。本发明进一步涉及到包括在说明书中所描述和/或在附图中所示出的一个或多个表征特征的方法或过程。该专利中所讨论的各个方面能够被组合以便提供另外的优势。另外，本领域技术人员将会理解的是，实施例能够组合并且多于两个的实施例能够被组合。此外，一些特征能够形成一个或多个分案申请的基础。

Claims (14)

1.一种照明设备(1000)，包括光源(100)和光转换器(200)，其中所述光源被配置为提供光源光(101)，其中所述光转换器(200)包括(a)能够将第一光源光的至少一部分转换为供体光(211)的供体发光材料(210)、和(b)受体发光材料(220)，其中所述供体发光材料(210)和所述受体发光材料(220)被配置作为供体-受体发光材料(210,220)，所述供体-受体发光材料(210,220)在所述供体发光材料(210)被所述光源光(101)激励时提供具有不同于所述供体光(211)的供体光谱分布的受体光谱分布的受体光(221)，其中所述光转换器(200)进一步包括(c)被配置为增强所述受体光(211)的生成的周期性等离子天线阵列(310)，并且其中所述照明设备(100)被配置为提供包括所述供体光(211)和所述受体光(221)的照明设备光(1001)。
2.根据权利要求1所述的照明设备(1000)，其中所述供体发光材料(210)、所述受体发光材料(220)和所述周期性等离子天线阵列(310)被配置为在生成所述光源光(101)时提供包括所述供体光(211)、所述受体光(221)和所述光源光(101)的所述照明设备光(1001)。
3.根据之前任一项权利要求所述的照明设备(1000)，其中所述照明设备被配置为生成白色的照明设备光(1001)。
4.根据之前任一项权利要求所述的照明设备(1000)，其中所述供体发光材料(210)和所述受体发光材料(220)包括染料分子。
5.根据之前任一项权利要求所述的照明设备(1000)，其中所述供体发光材料(210)包括量子点，并且其中所述受体发光材料(220)包括染料分子。
6.根据之前任一项权利要求所述的照明设备，其中所述光源(100)包括固态光源，其中所述供体发光材料(210)被配置为提供具有从500nm-580nm范围所选择的波长的所述供体光(211)，并且其中所述受体发光材料(220)被配置为提供具有从580nm-650nm范围所选择的波长的所述受体光(221)。
7.根据之前任一项权利要求所述的照明设备(1000)，其中所述供体-受体发光材料(210,220)具有至少70％的供体-受体能量传输效率，其中所述供体-受体发光材料(210,220)具有供体-受体能量传输速率(kFRET)，其中所述周期性等离子天线阵列(310)具有至少为所述供体-受体能量传输速率(kFRET)的10％的等离子速率(kP)。
8.根据之前任一项权利要求所述的照明设备(1000)，其中所述供体发光材料(210)、受体发光材料(220)和所述周期性等离子天线阵列(310)被单个层(251)包括。
9.根据之前任一项权利要求所述的照明设备(1000)，其中所述供体发光材料(210)、受体发光材料(220)和所述周期性等离子天线阵列(310)被不同层(251)包括，所述不同层(251)不包括所述供体发光材料(210)、受体发光材料(220)和所述周期性等离子天线阵列(310)中的除所包括项之外的其它项中的一项或多项。
10.根据之前任一项权利要求所述的照明设备(1000)，其中所述周期性等离子天线阵列(310)具有从200nm-1000nm范围所选择的周期性(p1)。
11.根据权利要求10所述的照明设备(1000)，其中所述周期性等离子天线阵列(310)包括六边形或正方形阵列。
12.根据之前任一项权利要求所述的照明设备(1000)，其中所述周期性等离子天线阵列(310)包括金属纳米粒子。
13.根据之前任一项权利要求所述的照明设备(1000)，其中所述周期性等离子天线阵列(310)包括平头铝质角锥体，其具有50nm至150nm范围内的顶部的边、100nm至200nm范围内的底部的边、以及100nm至200nm范围内的高度。
14.根据之前任一项权利要求所述的照明设备(1000)，其中所述光转换器(200)包括被配置为增强所述受体光(221)的生成的第二周期性等离子天线阵列(320)，其中所述第二周期性等离子天线阵列(320)具有不同于所述周期性等离子天线阵列(310)的周期性(p1)的第二周期性(p2)。
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