光學設備的制作方法
【專利摘要】提供一種被布置成與電磁源耦合的設備。該設備包括被布置成增加處于預先確定的光學波長的輻射強度的光學超材料。該光學超材料具有周期性反射組件，該周期性反射組件具有不大于預先確定的波長的維度。
【專利說明】光學設備
[?σοι] MM
[0002] 本公開涉及用于增強電磁源的輸出的設備。尤其地，本公開涉及用于增加來自源 的處于預定波長的輻射強度的設備。更具體地，本公開涉及用于增加光源的功效的設備。
[0003] 置量
[0004] 當今在家庭/消費層存在被廣泛使用的三種主要類型的光源：白熾燈、緊湊型熒 光（CFL)和發(fā)光二極管（LED)。
[0005] 可以在不同光源的發(fā)光功效方面測量這些不同光源的光效率，發(fā)光功效具有每瓦 流明（lm/W)的單位。這是針對饋入到該設備的給定墻插坐（wall-plug)電功率的由光源 所發(fā)射的流明量。蠟燭具有〇. 31m/W的發(fā)光功效（這是該規(guī)模的低端），而理想的單色綠 激光具有6831m/W左右的發(fā)光功效。這樣的激光是最1?效的光源，并占據(jù)功效規(guī)|旲的1?端。 光源所需的足以照亮小房間的發(fā)光功率量為1000流明左右。高效光源的目標是達到該發(fā) 光功率量，同時消耗最小可能的電功率。
[0006] 白熾燈泡是曾經(jīng)發(fā)明的、并將電轉(zhuǎn)換成光的第一種燈泡。其主要技術取決于以非 常高的溫度加熱金屬燈絲（通常為鎢）直到它發(fā)光。該技術在200年之前被首次開發(fā)出， 并在19世紀后期仍被供應市場。它提供一種對人類眼睛非常舒適的光（光譜）類型，因為 它與我們的眼睛最習慣的太陽發(fā)出的光譜類似。這是黑體輻射物的光譜。
[0007] 然而，白熾燈泡是非常低效的光源，因為其功率消耗對于其產(chǎn)生的光輸出而言非 常高。例如，60瓦的白熾燈泡具有151m/W左右的發(fā)光功效，因此發(fā)出900流明左右的光。 白熾燈泡的功效如此低是因為發(fā)生的加熱過程。大多數(shù)輸入電功率（90%左右）作為處于 紅外頻率的熱量被釋放，而不是作為有用的可見光被釋放。
[0008] 緊湊型熒光燈被設計來替代白熾燈泡，并基于發(fā)光現(xiàn)象操作，其將紫外（UV)光轉(zhuǎn) 換成可見光。CFL通常包含惰性氣體，諸如水銀和氬氣。當在包含這些氣體的燈管的端部供 電時，它迫使該氣體中的水銀離子復合以便以UV波長發(fā)出能量。該UV光被燈管的特殊化 學涂層吸收并通過熒光重新發(fā)光為可見光。該化學涂層由一種或多種類型的熒光體組成， 每一種突光體負責以不同的波長范圍發(fā)光。
[0009] 該方法不涉及加熱，因此CFL的發(fā)光功效為701m/W，其效率比白熾燈高4倍以上。 同時，其使用壽命比白熾燈長10倍。然而，CFL的光質(zhì)任何地方都不接近白熾燈所發(fā)出的 光的光質(zhì)。這是因為相比白熾燈所產(chǎn)生的更為自然的光，CFL所發(fā)出的光的光譜完全不同。 [0010] 可用的最新類型的光燈泡是LED。這些LED是當在其端子上施加小直流（DC)電 壓時發(fā)光的固態(tài)設備。該技術已用了幾十年，并且低功率LED光已慣常地被用在某些市場 中，諸如不總是需要亮白光的電子產(chǎn)品。在過去的十年內(nèi)，LED已作出了朝向消費照明產(chǎn)品 的推動，這些LED在不久的將來可能變成最被認可的照明技術。這是因為LED的發(fā)光功效 可達到理論最大值3001m/W，其比白熾燈高20倍，并比CFL高5倍以上。同時，LED具有可 達到30年的使用壽命，因此從消費者的觀點來看購買好的LED燈是一種安全的長期投資。 [0011]當今可用的消費LED燈已被限于低瓦數(shù)，一般限于"40瓦的當量"。這意味著這樣 的LED燈將發(fā)出與40瓦的白熾燈相同的光（發(fā)光度），即使它將只消耗約5-10瓦的電功 率。當前實用的LED燈的典型發(fā)光功效為70-1001m/W左右，這堪比CFL的發(fā)光功效。所有 的LED都是定向的，這是為什么廠商必須添加反射器和各種光漫射涂層或樹脂殼以制成光 散射器以供在家庭或其他照明應用中使用的原因。
[0012] 這些類型的光源中的每一種光源都具有其缺點。白熾燈具有非常低的功效并消耗 與其光輸出相比不成比例的大量功率。CFL具有改善的功效，然而這是通過犧牲光質(zhì)實現(xiàn) 的，從而導致延長曝光之后的不適。LED具有優(yōu)良的功效，然而其絕對發(fā)光功率與其他類型 的光源的發(fā)光功率相比較低。
[0013] 本公開涉及解決傳統(tǒng)光源的當前局限性。
[0014] 概述
[0015] 本發(fā)明的各方面在所附獨立權利要求中限定。
[0016] 提供被布置成與電磁源偶合的設備，諸如白熾燈或發(fā)光二極管（LED)。該設備包括 至少一種光學超材料，該光學超材料包括周期性反射組件，諸如反射元件的規(guī)則陣列或規(guī) 則網(wǎng)格。該周期性反射組件具有亞波長維度。
[0017] 特別地，提供可與已知的電磁源耦合、接收已知的電磁源或與已知的電磁源嚙合 以增強輸出（諸如增加效率或功效）的設備。在可選的進一步的改進中，該設備可被布置 成形成空腔。有利地，該設備可被調(diào)諧以便以特定波長或波長帶諧振。更有利地，該設備是 無源的，由此增加能量效率。
[0018] 附圖簡沭
[0019] 現(xiàn)在將參考附圖對發(fā)明的實施例進行描述，其中：
[0020] 圖1示出了周期性反射組件的一些示例單位晶胞，該周期性反射組件包括具有Lx 乘Ly的邊的矩形或具有直徑L的圓形盤；
[0021] 圖2示出了根據(jù)本公開的示例光學超材料，該光學超材料包括在X維度和y維度 中分別具有空間周期Dx和Dy的周期性2D陣列布置的各單位晶胞；
[0022] 圖3示出了平面光超材料表面，該表面被放置在以下輻射源近旁：位于全反射表 面近旁的輻射源（左）以及位于不存在超材料的反射表面近旁的輻射源（右）；
[0023] 圖4是包括被放置在基板上的、被球形布置中的各反射元件包圍的LED管芯的示 例球形空腔，其中這些反射元件被放置在透明支撐材料的頂部；
[0024] 圖5示出了包括被放置在基板上的、被圓柱狀布置中的各反射元件包圍的LED管 芯的示例圓柱狀空腔；
[0025] 圖6示出了包括被放置在基板上的、被平面布置中的各PRS元件圍繞的LED管芯 的示例平面空腔；
[0026] 圖7A是示出反射器/基板和反射元件陣列之間的間隔距離S的示例平面空腔的 側視圖；
[0027] 圖7B是包括多層超材料的示例平面空腔的側視圖；
[0028] 圖8A是平面超材料晶胞的不例圓柱狀陣列；
[0029] 圖8B示出圖8A的進一步細節(jié)；
[0030] 圖9示出圓柱狀空腔的示例圓柱狀陣列；
[0031] 圖10示出圓柱狀空腔的示例圓柱狀陣列；
[0032] 圖IlA示出圓柱狀晶胞的示例平面陣列；
[0033] 圖IlB示出平面晶胞的示例平面陣列；
[0034] 圖12A示出球形空腔的示例平面陣列；以及
[0035] 圖12B示出平面空腔的示例球形陣列。
[0036] 在這些附圖中，相同的參考標記指示相同的部分。
[0037] 附圖的詳細描沭
[0038] 超材料是人造材料，其可以實現(xiàn)自然界不存在的電磁性質(zhì)，比如負的折射率或電 磁隱身。盡管超材料的理論性質(zhì)是在20世紀60年代被首次描述的，但是在過去的10 - 15 年中，這樣的材料的設計、工程和制造已經(jīng)存在顯著發(fā)展。超材料一般由大量單位晶胞（即 多個單獨的元件）組成，所述單位晶胞每個都具有比操作波長小得多的大小。這些單位晶 胞在微觀上是從諸如金屬和介電質(zhì)之類的常規(guī)材料中構建的。然而，它們確切的形狀、幾 何、大小、取向和布置可以在宏觀上以非常規(guī)方式影響光，比如產(chǎn)生共振或針對宏觀介電常 數(shù)和磁導率的不尋常值。
[0039] 可用超材料的一些示例是負折射超材料、手性（chiral)超材料、等離子超材料、 光子超材料等。由于它們的亞波長特征，在微波頻率下操作的超材料具有幾毫米的典型單 位晶胞大小，而在光譜的可見光部分操作的超材料具有幾納米的典型單位晶胞大小。超材 料可以以某些窄頻率范圍來強烈地吸收光。
[0040] 對于常規(guī)材料，諸如磁導率和介電常數(shù)之類的電磁參數(shù)產(chǎn)生于構成該材料的原子 或分子對穿過其的電磁波的響應。在超材料的情況下，這些電磁性質(zhì)不是在原子或分子級 被確定的。相反，這些性質(zhì)是通過選擇和配置構成超材料的較小對象的集合來確定的。盡 管這樣的對象集合及其結構在"原子級"看上去不像常規(guī)的材料，但是超材料仍然可以被設 計為使得電磁波將穿過該超材料，就好像它穿過常規(guī)材料一樣。此外，因為超材料的性質(zhì)可 以從這樣的?。{米級）對象的組成和結構中確定，因此超材料的諸如介電常數(shù)和磁導率 之類的電磁性質(zhì)可以在非常小的尺度上精確地調(diào)諧。
[0041] 用于輻射增強的光學軺材料
[0042] 提供周期性反射組件的光學超材料，該周期性反射組件被布置成增加從電磁源發(fā) 出的處于預定波長的輻射強度。該周期性反射組件具有少于預定波長的維度?？梢哉f，周 期性反射組件具有"亞波長"維度。
[0043] 在一實施例中，周期性反射組件包括反射元件的規(guī)則陣列，其中每一反射元件具 有不大于預定光學波長的第一維度。
[0044] 在一實施例中，周期性反射組件包括單位晶胞的2D周期性陣列。這些單位晶胞 以平面方式布置，并由反射組件101組成，該反射組件具有矩形或圓形形狀，例如（參加圖 la)。這些單位晶胞不僅包括主要的形狀（即，矩形或圓盤），還包括一些周圍空間103,該 周圍空間由也充當這些反射元件的支撐結構的介電材料組成。這在其中整個陣列都被示出 的圖2中被更明顯地示出，該陣列由在相對于彼此相距Dx和Dy處放置的Nx乘Ny個元件 201組成。這些幾何參數(shù)也定義了"填充因子"，該填充因子是該陣列所覆蓋的表面積的幾 分之一。對于圖2中示出的示例而言，這等于f= (DxDyV(LxLy)。
[0045] 在替換實施例中，周期性反射組件包括規(guī)則網(wǎng)格，該規(guī)則網(wǎng)格在不大于預定光學 波長的一個維度中具有周期性。即，也可利用互補設計，即單位晶胞包括被反射網(wǎng)格107圍 繞的介電空間（參加圖lb)。即，該陣列的反射組件和介電分量已被互換。
[0046] 反射組件可由包括均質(zhì)材料（諸如金屬）以及復合材料和納米復合材料（包括 Bragg反射器）的任何反射材料形成。反射組件可以由例如銀、金和/或氧化鋁、或者支持 光學頻率中的等離子共振的任何其他金屬制成。
[0047] 反射組件可由本身是反射性（獨立的）的材料形成，但可理解該材料在特定百分 比上將是反射性的，例如銀片在某一頻率處的反射率可以為99. 999%。換言之，該材料表現(xiàn) 得像完美的反射器。技術人員將理解，用于在介電支撐結構上產(chǎn)生納米級反射組件的任何 合適的技術可以是恰當?shù)?。在各實施例中，使用蝕刻或光刻技術，諸如電子束光刻。在其他 實施例中，使用自聚合化學過程。在各實施例中，可將反射組件嵌入在支撐結構中。
[0048] 圖1和2僅作為示例示出了矩形元件；任何其他矩形形狀都是合適的。
[0049] 在各實施例中，支撐結構是熱塑性塑料，諸如普列克斯玻璃或有機玻璃。在其他實 施例中，支撐結構是聚碳酸酯、復合物（諸如SiO2和熱塑性塑料）、玻璃或硅石。然而，其他 熱穩(wěn)定材料可同樣是合適的。
[0050] 在光學頻率處，金屬可能非常易損，因此在各實施例中，同時實現(xiàn)低損耗和高熱穩(wěn) 定性的金屬介電和/或介電材料和復合物是優(yōu)選的。
[0051] 通常，根據(jù)本公開的Lx和Ly為20納米到2000納米，這取決于諸如預定波長等其 他設計參數(shù)。反射組件的厚度通常不小于感興趣的波長的50分之一。在各實施例中，反射 組件具有大于其透入深度的厚度。
[0052] 可理解，超材料具有"填充因子"。即，該超材料的表面積的幾分之一是反射性的。 例如，如果該表面積的一半是反射性的，則超材料可具有50%的填充因子。該超材料的總反 射率或透射率由該填充因子確定。因此提供其中超材料的總反射率可通過選擇周期性反射 組件的參數(shù)來預定布置。
[0053] 本公開的各實施例涉及增強可見波長以改善功效。因此，預定供放大或增強的波 長通常不大于2000納米。然而，本公開同樣適用于在100到30000納米范圍內(nèi)的波長。
[0054] 有利地，發(fā)現(xiàn)當被合適地放置時，根據(jù)各實施例的光學超材料增加處于預定波長 的輻射強度。這歸功于調(diào)諧光學超材料的獨特屬性的能力。注意，發(fā)明人已認識到根據(jù)本 公開配置的光學超材料可用于例如放大處于預定波長的來自源的光并增加功效。
[0055] 反射和透射元件的"亞波長"周期性布置允許周期性反射組件以諧振頻率（或波 長）諧振。技術人員將理解，可存在以諧振頻率（在該諧振頻率處，將發(fā)生至少部分諧振） 為中心的窄頻率帶。自諧振頻率取決于入射角。在各實施例中，選擇周期性反射組件的參 數(shù)，使得超材料將以預定波長諧振；該諧振可被稱為該超材料的"自諧振"。在諧振頻率處， 將至少部分地在該超材料處"捕獲"該諧振頻率的輻射，并且放大可例如因相長干涉而發(fā) 生。超材料形成一種類型的波導，在該"波導"內(nèi)部的場受束縛和包含。
[0056] 在諧振頻率處，發(fā)現(xiàn)周期性反射組件的總反射率可下降0-10% (即，透射率上升 90-100% )，當然除非填充因子為100%。因此，該設備放大來自源的輻射并以諧振頻率透 射該輻射。因此，提供被布置成與電磁源耦合并增加處于預定光學波長的輻射強度的設備。 這通過提供具有周期性反射組件的光學超材料來實現(xiàn)，該周期性反射組件具有不大于預定 波長的維度。
[0057] 發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)為了使超材料自諧振，需要單位晶胞的最小數(shù)目。有利地，發(fā)明人已 發(fā)現(xiàn)超材料在一個維度中需要至少2. 5λ的長度（其中單位晶胞是亞波長）。
[0058] 在各實施例中，該設備包括其他超材料層，以例如提供多頻帶光學性能。即，在一 實施例中，該設備包括具有周期性反射組件的至少第二光學超材料，以便以第二預定波長 來增加來自源的輻射強度。這兩種光學超材料可例如通過層疊來組合。在各實施例中，第 二超材料的反射組件的周期性與第一超材料的反射組件的周期性不同。因此，多頻帶性能 可被實現(xiàn)。在各實施例中，多個不同的光學超材料（具有部分重疊的預定波長）可被組合 以提供偽寬帶響應。在各實施例中，該設備可包括被布置成提供增加的功效的多個光學超 材料。
[0059] 在各實施例中，發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)附加的超材料層有利地間隔πιλ/2,其中m是整數(shù)。 技術人員將理解，附加的超材料還可與第一超材料相同，以在預定波長的強度方面提供進 一步的增加。
[0060] 該設備可進一步合并熒光材料，諸如例如在空腔內(nèi)部或外部將紫外光或藍光轉(zhuǎn)換 成白光的熒光體。熒光體可涂敷該超材料的非反射部分，例如以提供不同的頻率響應。熒 光體也可被嵌入在支撐材料中。
[0061] 何括光學軺材料的宇腔
[0062] 注意，發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)預定波長的強度可通過形成至少部分地由光學超材料和反射 器來定界的空腔來進一步增加。
[0063]提供發(fā)光設備，包括：至少部分地由光學材料和反射器來定界的空腔；該空腔內(nèi) 的電磁源；以及其中光學超材料包括被布置成接收來自電磁源的輻射并增加處于預定光學 波長的輻射強度的周期性反射組件。
[0064]在一實施例中，提供"敞開的"平面空腔。在圖3中模擬示出了根據(jù)這個實施例的 平面空腔的效能，其中在光學超材料被放置在平面配置中的反射器上的源鄰近時，電場幅 度被增強。圖3 (左）示出了嵌在反射器（在源的左邊）和光學超材料（在源的右邊）之 間的源。圖3(右）中沒有光學超材料。各圖中示出的灰度水平表示處于預定波長的輻射 強度（白表不商強度）。
[0065]在各實施例中，發(fā)現(xiàn)光學材料和反射表面之間的最優(yōu)距離被給定如下：
[0066]
【權利要求】
1. 一種被布置成與電磁源耦合的設備，所述設備包括被布置成增加處于預定光學波長 的輻射強度的光學超材料，所述光學超材料具有周期性反射組件，所述周期性反射組件具 有不大于所述預定波長的維度。
2. 如權利要求1所述的設備，其特征在于，所述周期性反射組件包括反射元件的規(guī)則 陣列，其中每一反射元件具有不大于所述預定光學波長的第一維度。
3. 如權利要求1所述的設備，其特征在于，所述周期性反射組件包括規(guī)則網(wǎng)格，所述規(guī) 則網(wǎng)格在不大于預定光學波長的一個維度中具有周期性。
4. 如任一前述權利要求所述的設備，其特征在于，所述周期性反射組件由介電質(zhì)支撐。
5. 如任一前述權利要求所述的設備，其特征在于，所述光學超材料基本上是平面。
6. 如任一前述權利要求所述的設備，其特征在于，所述預定光學波長處于電磁光譜的 可見部分中。
7. 如任一前述權利要求所述的設備，其特征在于，所述增加輻射強度是增加發(fā)光功效。
8. 如任一前述權利要求所述的設備，其特征在于，所述預定光學波長包括帶寬。
9. 如任一前述權利要求所述的設備，其特征在于，所述設備是無源的。
10. 如任一前述權利要求所述的設備，其特征在于，所述光學超材料進一步包括熒光材 料用以將處于所述預定光學波長的輻射轉(zhuǎn)換成另外的光學波長，所述熒光材料可任選地為 磷光體，所述另外的光學波長可任選地為可見波長。
11. 如任一先前權利要求所述的設備，其特征在于，進一步包括反射器。
12. 如權利要求11所述的設備，其特征在于，所述反射器為全反射表面，可任選地為金 屬。
13. 如權利要求11或12所述的設備，其特征在于，所述反射器是具有周期性反射組件 的第二光學超材料。
14. 如權利要求11到13中的任一項所述的設備，其特征在于，所述反射器基本上為平 面。
15. 如權利要求11到14中的任一項所述的設備，其特征在于，所述光學超材料和反射 器被相應地布置成形成敞開的或關閉的空腔，所述空腔被布置成接收電磁源。
16. 如權利要求11到15中的任一項所述的設備，其特征在于，所述空腔被布置成以預 定角度Θ將處于所述預定光學波長的輻射發(fā)射到所述光學超材料。
17. 如權利要求16所述的設備，其特征在于，所述光學超材料和反射器在空間上相隔 距離S，所述距離S由以下等式定義：
其中，φ(θ)為處于所述預定角度的反射系數(shù)相位，λ ^為所述預定波長，且m為整數(shù)。
18. 如任一前述權利要求所述的設備，其特征在于，進一步包括層疊有所述第一光學超 材料的另外光學超材料，所述另外光學超材料具有周期性反射組件，所述周期性反射組件 被布置成增加來自所述電磁源的、處于第二預定光學波長的輻射強度。
19. 如權利要求18所述的設備，其特征在于，所述第二光學超材料的周期性反射組件 的周期不同于所述第一光學超材料的周期性反射組件的周期。
20. -種輻射發(fā)射設備，包括： 空腔，所述空腔至少部分地由光學超材料和反射器來定界； 所述空腔內(nèi)的電磁源；并且其中 所述光學超材料包括周期性反射組件，所述周期性反射組件被布置成接收來自所述電 磁源的輻射并增加處于預定光學波長的輻射強度。
21. 如權利要求20所述的輻射發(fā)射設備，其特征在于，所述周期性反射組件包括：反射 元件的規(guī)則陣列，其中每一反射元件具有不大于所述預定光學波長的第一維度；或規(guī)則網(wǎng) 格，所述規(guī)則網(wǎng)格在不大于所述預定光學波長的一個維度中具有周期性。
22. 如權利要求20或21所述的輻射發(fā)射設備，其特征在于，所述反射器基本上為平面。
23. 如權利要求20到22中的任一項所述的輻射發(fā)射設備，其特征在于，所述空腔是平 面、至少部分為球形、半球形或至少部分為圓柱形。
24. 如權利要求20到23中的任一項所述的輻射發(fā)射設備，其特征在于，所述設備被布 置成以預定角度將處于所述預定光學波長的光發(fā)射到所述光學超材料。
25. 如權利要求20到24中的任一項所述的輻射發(fā)射設備的陣列，其特征在于，所述發(fā) 光設備被布置在平面陣列或圓柱形陣列中。
26. 如任一前述所述的設備、輻射發(fā)射設備或輻射發(fā)射設備陣列，其特征在于，所述電 磁源是從包括以下的組中選出的至少一者：白熾燈；發(fā)光二極管；緊湊型熒光燈；和激光 器。
27. 基本上如上文參考附圖描述的一種設備、輻射發(fā)射設備或輻射發(fā)射設備的陣列。
【文檔編號】G02B1/00GK104380147SQ201380016119
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2013年3月7日 優(yōu)先權日:2012年3月14日
【發(fā)明者】G·帕里卡拉斯, T·卡洛斯 申請人:蘭布達防護技術有限公司