本發(fā)明涉及光照設(shè)備。特別地，本發(fā)明涉及具有改進(jìn)的發(fā)射屬性的光照設(shè)備。

背景技術(shù)：

對于在照明應(yīng)用中使用的發(fā)光二極管（LED）而言，期望的是提供具有與白熾照明所產(chǎn)生的色溫近似相當(dāng)?shù)纳珳氐幕旧习咨墓狻?/p>

來自LED的白光通常通過使用發(fā)射具有450nm左右的波長的藍(lán)光的pn二極管來提供，其中使用布置在二極管頂部、附近或者距二極管一定距離處的一種或多種波長轉(zhuǎn)換材料將一部分藍(lán)光轉(zhuǎn)換成較長的波長。通過將經(jīng)轉(zhuǎn)換的光與未被吸收的藍(lán)光進(jìn)行組合，可以獲得被感知為白光的適度寬帶頻譜。

當(dāng)前，在大多數(shù)商業(yè)應(yīng)用中，波長轉(zhuǎn)換材料直接應(yīng)用在LED上。而且，波長轉(zhuǎn)換材料應(yīng)當(dāng)是散射的以便獲得顏色在角度方面的低變化。這意味著藍(lán)光也將被后向散射到二極管中，這導(dǎo)致LED中的吸收損耗。此外，通常為磷光體的波長轉(zhuǎn)換材料的有源成分是各向同性的發(fā)射器，這意味著在所有方向上發(fā)射相同量的經(jīng)波長轉(zhuǎn)換的光。這導(dǎo)致進(jìn)一步的損耗，因為僅一部分光通過發(fā)光設(shè)備的輸出表面逃逸。

減少損耗的問題已經(jīng)例如通過使用不太散射的磷光體以減少被二極管后向散射和吸收的藍(lán)光的量而解決。然而，來自磷光體的各向同性發(fā)射仍存在。

通過引入其中可以修改發(fā)射方向的光子帶隙材料，也可以增加離開發(fā)光設(shè)備的光的量。然而，為了能夠控制發(fā)射方向，光子帶隙材料需要由具有高折射率反差的材料制成，必須形成和圖案化大縱橫比孔或柱，尺寸控制非常嚴(yán)格，并且材料必須是發(fā)光的，其將引發(fā)散射損耗。此外，光子帶隙材料僅在垂直于材料的表面的平面中（即，在平行于孔或柱的方向上）真正有效。

相應(yīng)地，用于增加發(fā)光設(shè)備的發(fā)射效率的所建議的方案經(jīng)受難以克服的固有缺陷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于以上提到的發(fā)光設(shè)備的期望屬性以及現(xiàn)有技術(shù)的以上提到的缺陷和其它缺陷，本發(fā)明的一個目的是提供一種改進(jìn)的發(fā)光設(shè)備。

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種光照設(shè)備，包括：波長轉(zhuǎn)換層，其包括配置成吸收能量以達(dá)到激發(fā)狀態(tài)的光子發(fā)射施體，以及光子發(fā)射受體；配置成向施體提供能量使得施體達(dá)到激發(fā)狀態(tài)的能量源；其中所述施體和所述受體選擇和布置在距彼此一定距離處，使得發(fā)生從所述施體到所述受體的激發(fā)能量的非輻射轉(zhuǎn)移，并且其中受體配置成在能量轉(zhuǎn)移之后在第二波長處發(fā)射光子；光照設(shè)備進(jìn)一步包括周期性等離子體天線陣列，其嵌入所述波長轉(zhuǎn)換層內(nèi)，并且包括布置在天線陣列平面中的多個單獨天線元件，所述等離子體天線陣列布置成在第二波長處支持第一晶格共振，其源自單獨天線元件中的局部表面等離子體共振向包括所述等離子體天線陣列和波長轉(zhuǎn)換層的系統(tǒng)所支持的光子模的耦合，其中所述等離子體天線陣列配置成包括等離子體共振模使得從所述等離子體天線陣列發(fā)射的光具有各向異性的角分布。

等離子體的場是指小傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)（典型地，金屬結(jié)構(gòu)）與光的相互作用，其中金屬結(jié)構(gòu)的尺寸與光的波長相似。金屬中的傳導(dǎo)電子響應(yīng)于外部電場，并且電子能夠在驅(qū)動光學(xué)頻率下振蕩，從而留下拉回電子的帶更多正電的區(qū)域。由于金屬結(jié)構(gòu)的小尺寸的緣故，共振能夠達(dá)到可見光的頻率。作為結(jié)果，金屬結(jié)構(gòu)可以具有大散射截面，其允許與入射在金屬顆粒上的任何光或者與緊密接近金屬顆粒而生成的任何光的強相互作用。

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，規(guī)則陣列表現(xiàn)出發(fā)射的定向性方面的強烈增強，這歸因于混合耦合的局部表面等離子體共振（LSPR）和光子模，其也被稱作混合晶格等離子體光子模或者等離子體-光子晶格共振。發(fā)射的定向性增強在本文中稱作各向異性的發(fā)射，即，非朗伯型發(fā)射。

光學(xué)天線的有序陣列支持集體共振。當(dāng)輻射的波長為陣列的周期的量級時，衍射級可以在陣列的平面中輻射。這樣，由單獨顆粒所維持的局部表面等離子體激元可以經(jīng)由衍射而耦合，從而引起被稱為表面晶格共振（SLR）的集體、晶格誘發(fā)的混合光子-等離子體共振。這些非局部模在若干晶胞之上延伸，從而使來自發(fā)射體的發(fā)射的集體增強分布在大體積之上成為可能，如固態(tài)照明中所要求的那樣。

在此，利用作為集體納米天線起作用的納米顆粒的周期性陣列。這些陣列維持集體等離子體共振。一方面，金屬化納米顆粒具有允許波長轉(zhuǎn)換材料中的磷光體的共振激發(fā)的大散射截面，由此增強光的轉(zhuǎn)換。另一方面，集體等離子體共振使得能夠?qū)Πl(fā)射的角圖案進(jìn)行成形，從而將大部分光成束到某個波長范圍處的限定方向上的非常窄的角范圍中。因此，定向性增強被解釋為以下二者的組合：波長轉(zhuǎn)換介質(zhì)的激發(fā)方面增加的效率，以及磷光體向陣列中的延伸等離子體-光子模的發(fā)射和隨后向自由空間輻射的出耦合的出耦合效率的增強。

周期性等離子體天線陣列例如可以形成在襯底上，此后其在最終設(shè)備中可以或可以不布置在襯底上。包括天線陣列的波長轉(zhuǎn)換層例如可以獨立提供，或者其可以布置在適當(dāng)?shù)哪芰吭瓷稀?/p>

在WO2012/098487中以及未公布的歐洲專利申請EP13179374中可以找到等離子體天線陣列的功能和配置的更詳細(xì)描述。

本發(fā)明是基于以下認(rèn)識：通過配置等離子體天線陣列使得其支持共振模并且將光子發(fā)射體布置成緊密靠近天線陣列，可以實現(xiàn)各向異性的光分布。

在包括波長轉(zhuǎn)換顆粒（例如，磷光體）的設(shè)備中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過增加波長轉(zhuǎn)換層的消光系數(shù)可以很大程度地改進(jìn)基于等離子體的波長轉(zhuǎn)換層的總體量子效率。例如，可以通過增加波長轉(zhuǎn)換材料（其一般地可以稱作磷光體）的濃度來增加消光系數(shù)。然而，在磷光體的內(nèi)部量子效率由于猝滅而開始降低之前，存在關(guān)于磷光體的濃度可以增加多少的限制，這進(jìn)而減小了設(shè)備的總體量子效率。

鑒于此，發(fā)明人已經(jīng)進(jìn)一步認(rèn)識到，通過以施體和受體形式提供波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可以增加設(shè)備的總體量子效率，其中從施體到受體發(fā)生非輻射能量轉(zhuǎn)移，并且其中隨后由受體發(fā)射光子。由此，通過包括受體和天線陣列的耦合系統(tǒng)發(fā)射由受體發(fā)射的第二波長的光子。

從外部能量源向施體提供能量以促使施體達(dá)到激發(fā)狀態(tài)，這在下面詳細(xì)討論。

由施體吸收的能量的大部分可以被轉(zhuǎn)移到受體，并且因此，施體-受體系統(tǒng)的發(fā)射頻譜由受體確定。由于吸收體的數(shù)目的增加，消光系數(shù)大幅增加。該組合系統(tǒng)的量子效率仍然為高，因為非輻射能量轉(zhuǎn)移過程的效率非常高，并且沒有誘發(fā)施體和受體的濃度猝滅。非輻射能量轉(zhuǎn)移過程被稱為福斯特共振能量轉(zhuǎn)移（FRET），其是描述施體和受體之間的能量轉(zhuǎn)移的機制。FRET是基于經(jīng)由非輻射偶極子-偶極子耦合的能量轉(zhuǎn)移，并且轉(zhuǎn)移的效率與施體和受體之間的距離成反比。

在當(dāng)前上下文中，施體/ 受體應(yīng)當(dāng)理解為能夠通過能量的添加而在能量方面提升至激發(fā)狀態(tài)的任何原子、分子、顆?；蚪Y(jié)構(gòu)，并且其中到較低能量狀態(tài)中的弛豫可以通過光子的發(fā)射而發(fā)生。施體和受體也可以稱作光子發(fā)射體，或更一般地稱作發(fā)射體。相應(yīng)地，盡管施體可能能夠發(fā)射光子，但是替代地，借助施體/受體布置，施體向受體轉(zhuǎn)移能量，受體進(jìn)而發(fā)射光子。由于光照設(shè)備發(fā)射的光的期望波長對應(yīng)于受體發(fā)射的第二波長，所以期望的是具有施體和受體之間的高轉(zhuǎn)移效率，以抑制具有較短波長的來自施體的光子的發(fā)射。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，受體可以有利地具有對應(yīng)于所述第二波長的第一能級和高于第一能級的第二能級，并且施體可以具有與受體的第二能級匹配的能級。施體的能級與受體的能級匹配一般意味著它們基本上相同。然而，如果存在與受體的第二能級重疊的施體級的寬共振使得非輻射能量轉(zhuǎn)移可以發(fā)生，則能級也可以匹配。在此，相對于公共參考級E0限定能級，并且這些因此是相對級。因此，能夠理解的是，所匹配的并不是材料的絕對能級，而是第一和第二能級相對于施體或受體的“基態(tài)”的能量差。因而，相應(yīng)的第一和第二能級應(yīng)當(dāng)理解為與參考能級E0比較的相應(yīng)能量差。

施體配置成在吸收對應(yīng)于施體中的能級的能量時達(dá)到激發(fā)狀態(tài)。在半導(dǎo)體中，能級典型地對應(yīng)于帶隙，并且從價帶向?qū)Ъぐl(fā)電子所要求的能量至少等于帶隙。在實施例中，受體具有對應(yīng)于要由光照設(shè)備發(fā)射的光的波長的第一能級，以及第一能級上方（即，針對半導(dǎo)體受體的導(dǎo)帶上方）的第二能級。由此，在具有對應(yīng)于施體的帶隙的能量的經(jīng)激發(fā)的施體和受體的第二能級之間可以發(fā)生非輻射能量轉(zhuǎn)移。在能量轉(zhuǎn)移已經(jīng)發(fā)生之后，經(jīng)激發(fā)的受體在從導(dǎo)帶向價帶發(fā)生輻射復(fù)合之前可能向下弛豫至第一能級，使得發(fā)射光子。相同的推理適用于施體和受體是有機半導(dǎo)體的情形，其中價帶被稱作最高占據(jù)分子軌道（HOMO），并且導(dǎo)帶對應(yīng)于最低未占分子軌道（LUMO），并且?guī)侗环Q作HOMO-LUMO隙。原則上，為了發(fā)生FRET，施體的發(fā)射頻譜必須與受體的吸收頻譜重疊。

在本發(fā)明的一個實施例中，施體濃度和受體濃度有利地選擇成使得從施體到受體的激發(fā)能量的非輻射轉(zhuǎn)移具有高于0.9的效率。期望的是，從光照設(shè)備發(fā)射的盡可能多的光具有與受體發(fā)射的光子的波長對應(yīng)的波長，其進(jìn)而耦合至等離子體天線陣列以實現(xiàn)期望波長的光的各向異性發(fā)射。因而，高效率的非輻射能量轉(zhuǎn)移意味著來自施體的輻射復(fù)合被抑制。一般地，非輻射轉(zhuǎn)移的效率取決于施體和受體之間的平均距離，其進(jìn)而是針對給定施體/受體組合的波長轉(zhuǎn)換層中的施體和受體濃度的函數(shù)。在高于0.9的效率的情形中，以及在高于0.95的實施例中，非常少的施體發(fā)射或者沒有施體發(fā)射將是可檢測的，并且發(fā)射頻譜的形狀將與受體的情況完全相似。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，施體濃度和受體濃度之間的比率至少是1:1。比率例如可以在1:1至5:1的范圍中。最佳的施體/受體比率部分地由受體濃度確定，受體濃度不應(yīng)當(dāng)過高，因為當(dāng)受體過于彼此接近時，受體量子效率的猝滅可能減小總體系統(tǒng)效率。相對于受體濃度而增加施體濃度增強了波長轉(zhuǎn)換層中的吸收。然而。最大的施體/受體比率可能受限制，因為如果施體開始過于彼此接近，則可能是不利的。為了確定最佳的比率，還必須考慮受體激發(fā)狀態(tài)的壽命和用于非輻射轉(zhuǎn)移的時間。一般地，當(dāng)施體被激發(fā)并且準(zhǔn)備轉(zhuǎn)移能量時，必須存在處于基態(tài)中以準(zhǔn)備接收能量的可用受體。

在本發(fā)明的一個實施例中，施體和受體可以有利地是選自包括稀土離子、染料分子和量子點的組的點發(fā)射體。原則上，在當(dāng)前上下文中，可以使用其中激發(fā)可以導(dǎo)致光子的發(fā)射的任何點發(fā)射體，并且可以基于手頭應(yīng)用的期望波長和材料屬性來選擇點發(fā)射體。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，施體可以有利地是發(fā)射具有從500nm至580nm的波長的綠光/黃光的染料分子或量子點。此外，受體可以有利地是發(fā)射具有從580nm至630nm的波長的紅光的染料分子或量子點。通過基于FRET而組合兩個高效率耦合的染料，可以實現(xiàn)高消光系數(shù)。這兩種染料是吸收藍(lán)光并發(fā)射綠光的綠染料以及吸收藍(lán)光和綠光并發(fā)射紅光的紅染料。由于綠染料的發(fā)射頻譜和紅染料的吸收頻譜的重疊的緣故，當(dāng)它們混合在相同的波長轉(zhuǎn)換層中，可以從綠染料分子向紅染料分子發(fā)生強烈FRET。由綠染料分子吸收的大部分能量可以被轉(zhuǎn)移至紅染料分子，并且因此，由紅染料確定這兩種染料的組合系統(tǒng)的發(fā)射頻譜。由于吸收體的數(shù)目方面的增加，消光系數(shù)大幅度增加。由于FRET效率非常高，并且沒有誘發(fā)綠和紅染料的猝滅，所以該組合系統(tǒng)的量子效率仍然為高（接近1）。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，施體和/或受體可以有利地是二萘嵌苯染料分子?；诙燎侗降娜玖戏肿釉卺槍Πl(fā)光二極管的波長轉(zhuǎn)換領(lǐng)域中是已知的，并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，兩種不同的基于二萘嵌苯的染料分子的組合提供高FRET效率和高消光系數(shù)。也可以使用其它類型的染料，例如基于CdSe, ZnSe, InP QDs等的染料。

在本發(fā)明的一個實施例中，施體濃度和受體濃度可以有利地選擇成使得包括等離子體天線陣列的波長轉(zhuǎn)換層的所得消光系數(shù)和量子效率高于僅包括施體和受體中的一個的波長轉(zhuǎn)換層以及類似的總體消光的情況。耦合到等離子體天線陣列的波長轉(zhuǎn)換層的消光系數(shù)和量子效率由波長轉(zhuǎn)換顆粒的濃度確定。然而，作為一般原則，由于波長轉(zhuǎn)換顆粒的濃度增加而引起猝滅的緣故，量子效率隨著消光系數(shù)的增加而降低。因而期望的是，在不引入與過高濃度的波長轉(zhuǎn)換顆粒有關(guān)的缺陷的情況下，實現(xiàn)耦合的施體-受體系統(tǒng)的有利效果。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，光照設(shè)備還可以包括配置成向施體提供能量使得施體達(dá)到激發(fā)狀態(tài)的能量源。提供給施體的能量必須等于或高于典型地對應(yīng)于帶隙或HOMO-LUMO隙的施體的能級。施體還可以包括高于第一能級的附加能級，使得施體可以更容易地吸收比帶隙更大的能量。原則上，任何外部能量源可以用于激發(fā)點發(fā)射體，例如具有足夠高能量（即，高于第一能級）的光子或電子，x-射線或伽馬輻射、熱量、電子-空穴對的注入等等。

另外，能量源例如可以是光子發(fā)射體、電子發(fā)射體、x-射線發(fā)射體、伽馬-射線發(fā)射體或電子-空穴對。電子可以例如由陰極射線管（CRT）發(fā)射，x-射線/伽馬-射線例如可以從真空管、伽馬射線（CT）提供。

在本發(fā)明的一個實施例中，光子發(fā)射體有利地可以是發(fā)光二極管或固態(tài)激光器。經(jīng)常使用基于半導(dǎo)體的光子發(fā)射體并且其可以容易地與以上提到的發(fā)光設(shè)備集成。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，等離子體天線陣列可以有利地配置成包括平面外非對稱的等離子體共振模。通過將等離子體天線陣列配置成提供非對稱光發(fā)射，由天線陣列發(fā)射的更多光可以朝向光照設(shè)備的發(fā)射表面進(jìn)行發(fā)射。這引起光照設(shè)備的增加的總體效率，因為所生成的光的更大部分從設(shè)備的所選發(fā)光表面進(jìn)行發(fā)射。光照設(shè)備可以配置成使得光主要地通過襯底發(fā)射或者從遠(yuǎn)離襯底的波長轉(zhuǎn)換層發(fā)射。例如通過使天線元件非對稱（例如，具有角錐體、截頭角錐體、圓錐體、或者截頭圓錐體的形狀），可以實現(xiàn)平面外非對稱的等離子體共振模。由此，針對每個天線元件的所得共振模變得不對稱，這進(jìn)而導(dǎo)致非對稱的光發(fā)射屬性。天線元件的非對稱形狀是指在平行于天線元件的縱軸的平面中這樣的元件的截面（即，“立式”天線元件在豎直平面中的截面）的非對稱性。

天線元件的錐化對于發(fā)射的非對稱性是重要的。特別地，非對稱性是基于天線元件中的電和磁共振的同時激發(fā)。如將在下面進(jìn)一步解釋的，通過對稱性破缺增強的主要是磁和磁-電（交叉耦合）響應(yīng)。磁響應(yīng)是天線元件對入射光的磁場的響應(yīng)，而磁-電是指通過入射磁場對電場的激發(fā)，并且反之亦然。

從電動力學(xué)知曉的是，耦合到單個磁偶極子的單個電偶極子可以根據(jù)偶極子的相對相位而調(diào)整前向/后向散射比率。通常，大多數(shù)材料不具有光學(xué)頻率處的磁響應(yīng)，因此很難針對光發(fā)現(xiàn)該效應(yīng)。然而，金屬化納米結(jié)構(gòu)可以設(shè)計成維持與其電激發(fā)相當(dāng)?shù)膹姸鹊拇偶ぐl(fā)。另外，這兩種不同的激發(fā)可以交叉耦合，從而導(dǎo)致磁-電響應(yīng)。

增加天線元件的錐化使得磁響應(yīng)和磁-電響應(yīng)二者增加，其中錐化是指基底處的直徑或邊長與頂部處的直徑或邊長的比率。因而，通過增加錐化，這兩種響應(yīng)增加，并且可以設(shè)計表現(xiàn)出增加的非對稱性的天線陣列。還要注意，來自這些結(jié)構(gòu)的發(fā)射的非對稱性依賴于這些具有類似幅度的電和磁激發(fā)。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，天線陣列可以有利地包括多個截頭角錐體天線元件，其具有110nm至130nm范圍中的頂邊長、135nm至155nm范圍中的底邊長和140nm至160nm范圍中的高度，并且其中天線元件布置在具有大約400nm的晶格常數(shù)的正方形陣列中。邊長是指矩形或正方形或三角形的邊長。一般地，參照之前提到的尺寸范圍，相比于朝向可見頻譜的紅端共振的較大天線元件，基于較小天線元件的陣列朝向可見頻譜的藍(lán)端共振。天線元件的總體尺寸對于局部等離子體共振是重要的?；缀晚敳恐С志植磕＃渲许敳亢偷撞康某叽绶矫娴牟町愅貙捔颂炀€的組合局部共振。對于截頭天線元件的頂部和底部，存在不同的共振，并且頂部和底部共振可以彼此耦合。然后，天線元件的高度將引入相位延遲并且管控共振的耦合，由此確定發(fā)射的非對稱性，這部分地是源于由于電子和磁共振所引起的阻滯。

當(dāng)研究所附權(quán)利要求和下面的描述時，關(guān)于本發(fā)明的另外的特征和優(yōu)點將變得明顯。技術(shù)人員意識到，本發(fā)明的不同特征可以組合以創(chuàng)建與下面描述的那些不同的實施例，而不脫離本發(fā)明的范圍。

附圖說明

現(xiàn)在將參照示出了本發(fā)明的實施例的附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明的該方面和其它方面。

圖1示意性地圖示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的光照設(shè)備。

圖2示意性地圖示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的光照設(shè)備。

圖3示意性地圖示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的光照設(shè)備中的光子發(fā)射體的能帶圖，以及

圖4示意性地圖示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的光照設(shè)備的天線元件。

具體實施方式

現(xiàn)在將參照附圖在下文中更加全面地描述本發(fā)明，在附圖中示出了本發(fā)明的示例性實施例。然而，本發(fā)明可以以許多不同的形式體現(xiàn)并且不應(yīng)當(dāng)解釋為限于在此闡述的實施例；相反，這些實施例是為了透徹性和完整性而提供，并且向技術(shù)人員全面?zhèn)鬟_(dá)本發(fā)明的范圍。通篇中相同的附圖標(biāo)記是指相同的元件。

圖1是包括波長轉(zhuǎn)換層104的光照設(shè)備100的示意性圖示，波長轉(zhuǎn)換層104包括布置成緊密靠近周期性等離子體天線陣列的多個施體114和受體顆粒116，周期性等離子體天線陣列包括布置在天線陣列平面中的多個單獨天線元件108，天線陣列平面被限定為天線元件的基底的平面。施體114和受體116也可以稱為熒光材料、光子發(fā)射體、發(fā)射體、磷光體或者染料。施體114和受體116例如可以是稀土離子、染料分子、量子點或其組合。

用于激發(fā)施體的外部能量源102例如可以是光子發(fā)射體，諸如發(fā)光二極管或者激光器。即使能量源102的主要目的是激發(fā)施體114，在一些情形中不可避免的是，受體114也被激發(fā)。原則上，任何外部能量源可以用于激發(fā)施體，例如具有足夠高的能量的電子、x-射線或者伽馬輻射、熱量、電子-空穴對的注入等等。電子例如可以由陰極射線管（CRT）發(fā)射，x-射線/ 伽馬-射線例如可從真空管、伽馬射線（CT）提供。為了簡便起見，并且為了解釋使用光子來刺激施體的一般概念，在下文中能量源將被稱作光源102。在此，光源102被圖示為單獨布置的發(fā)光設(shè)備，諸如發(fā)光二極管或激光器，其布置在距波長轉(zhuǎn)換層以及距光照設(shè)備的余下部分的一定距離處。然而，光源102同樣可以集成在例如形成于半導(dǎo)體襯底中的半導(dǎo)體發(fā)光二極管中，其中天線陣列和波長轉(zhuǎn)換層形成在襯底頂部上。

圖1還圖示了在鄰近光源102的波長轉(zhuǎn)換層104中布置施體104，以從能量源102接收能量，使得施體104可以吸收能量并且達(dá)到激發(fā)狀態(tài)。

圖1中的放大部分圖示了與受體116隔開距離r的施體114。從施體到受體的非輻射能量轉(zhuǎn)移的效率與距離 r成反比。

圖2進(jìn)一步圖示了包括布置在天線陣列平面中的多個單獨天線元件108的周期性等離子體天線陣列。天線陣列布置在波長轉(zhuǎn)換層104內(nèi)。此外，天線陣列布置成在對應(yīng)于受體116所發(fā)射的光的波長的第二波長處支持晶格共振，其源自單獨天線元件中的局部表面等離子體共振的衍射耦合。在圖1和圖2中還圖示了光110如何在有限的角范圍112內(nèi)從光照設(shè)備100的發(fā)光表面發(fā)射，即，所發(fā)射的光的各向異性分布。

圖3是用于解釋非輻射能量轉(zhuǎn)移的概念（特別地，福斯特共振能量轉(zhuǎn)移（FRET））以及施體114和受體116的相應(yīng)能級的施體114和受體116的能帶圖的示意性圖示。在本文中使用針對半導(dǎo)體中的能級的術(shù)語，其中能帶隙E_G由價帶和導(dǎo)帶之間的差異限定。然而，推理可以類似地應(yīng)用于其中價帶對應(yīng)于最高占據(jù)分子軌道（HOMO）并且導(dǎo)帶對應(yīng)于最低未占分子軌道（LUMO）并且?guī)妒荋OMO-LUMO隙的有機半導(dǎo)體。

施體114具有在此對應(yīng)于施體帶隙E_GD的第一能級E_D。由光源發(fā)射、具有高于E_D的能量E_E的光子（或由另一能量源發(fā)射的另一能量顆粒）被施體吸收，使得施體達(dá)到激發(fā)狀態(tài)。通常地，當(dāng)施體吸收的光子具有高于E_D的能量時，施體弛豫302以達(dá)到具有能量E_D的激發(fā)狀態(tài)，可以從施體發(fā)射具有第一波長λ₁的光子，如果施體通過直接復(fù)合的方式弛豫至基態(tài)的話。一旦施體處于具有能量E_D的激發(fā)狀態(tài)，能量就經(jīng)由FRET非輻射地轉(zhuǎn)移至具有對應(yīng)于E_D的能級E_A2的受體。在受體已經(jīng)被激發(fā)之后，其弛豫304下降至較低的能級E_A1，此后，當(dāng)受體弛豫至基態(tài)時，經(jīng)由復(fù)合發(fā)射具有第二波長λ₂的光子。由于受體的帶隙E_GA小于E_GD，所以能量在波長轉(zhuǎn)換過程中損耗，使得波長λ₂比波長λ₁更長，并且還比施體吸收的光的波長更長。由此，例如由光源102發(fā)射的藍(lán)光朝向可見頻譜的紅色部分偏移。由施體通過直接復(fù)合在帶隙E_GD之上發(fā)射的任何光將具有第一波長λ₁。由于施體例如可以是在綠/黃波長范圍中發(fā)射的染料分子，并且受體可以是在紅波長范圍中發(fā)射的染料分子，所以期望的是，抑制直接來自施體的光發(fā)射，即，以具有盡可能高的FRET效率。通過經(jīng)由控制波長轉(zhuǎn)換層104中的施體和受體的濃度而調(diào)整施體和受體之間的距離使得給定類型的施體和受體之間的平均距離適合于FRET，實現(xiàn)用于特定施體受體組合的增加的FRET效率。

對于單個施體和單個受體，可以通過以下等式來計算FRET效率E_FRET：

其中可以看出，除了所謂的福斯特半徑R₀（表征特定類型的施體和受體之間的FRET的可能性的數(shù)字）之外，轉(zhuǎn)移過程的效率強烈地依賴于施體和受體之間的間隔r。

在如本文所討論的層中，許多施體和受體隨機地分布在3D空間中。因此，為了計算用于特定施體的FRET效率，人們不得不考慮施體可以與其相互作用的、處于間隔r_i處的、標(biāo)記為i的所有受體，如下面的等式所示：

。

由于受體相對于每個施體的準(zhǔn)確位置未知，因此受體濃度C_ACC可以用來描述在距施體某個距離處發(fā)現(xiàn)受體的可能性，而不是包括施體和受體之間的準(zhǔn)確間隔。這樣，作為受體濃度C_ACC的函數(shù)的三維布置的FRET效率可以通過比較存在受體（I_DA）和不存在受體（I_D）時由施體發(fā)射的光子的強度或數(shù)目來計算：

。

為了計算強度I_DA和I_D，隨時間（由t指示）對施體強度衰減進(jìn)行積分。表示在時間0處測量的施體強度或光子計數(shù)，并且τ_D是不存在受體時施體的特征衰減時間或壽命。此外， 是伽馬函數(shù)，并且c₀描述特征濃度，對于該特征濃度，具有半徑R₀的球形體積平均包含1個受體。在該濃度c₀處，獲得72.38%的FRET效率。

為了使用FRET作為增加波長轉(zhuǎn)換層104中的吸收的機制，例如，對于具有等離子體的應(yīng)用，但是不更改所得到的發(fā)射頻譜，F(xiàn)RET效率必須為高，例如至少0.9，在實施例中高于0.95, 或者在其它實施例中高于0.98。在該情形中，非常少的施體發(fā)射或者沒有施體發(fā)射將是可檢測的，并且來自光照設(shè)備的發(fā)射頻譜的形狀將與受體的情況完全相似。為了以合理的受體濃度（例如，對應(yīng)于4.0nm的平均受體間隔的大約0.03個受體/nm³）實現(xiàn)這樣高的FRET效率，應(yīng)當(dāng)使用具有相對高的福特斯半徑的施體-受體組合，在實施例中具有3.0nm或更高的福特斯半徑。受體濃度不應(yīng)過高，因為當(dāng)受體彼此過于緊密時，受體量子效率的猝滅可能減小總體系統(tǒng)效率。為了實現(xiàn)大約0.95的相關(guān)福斯特效率，應(yīng)當(dāng)實現(xiàn)對應(yīng)于4.0nm的平均受體間隔的R₀=3.0nm的0.0295/nm³的最小受體濃度。

此外，為了顯著增強波長轉(zhuǎn)換層104中的吸收，施體與受體的比率應(yīng)當(dāng)至少為1:1，然而，諸如4:1或5:1之類的較高比率將甚至更有益。然而，最大比率可能受施體和受體的尺寸所限制，因為如果施體開始變得彼此過于緊密，并且取決于受體激發(fā)狀態(tài)壽命和受體濃度，其確定受體處于基態(tài)并且響應(yīng)于FRET的時間，這可能是不利的。

此外，高濃度的施體將導(dǎo)致泵浦波長（對應(yīng)于能量E_E）周圍的高吸收，其減少了利用高能量光子對受體的激發(fā)，這對受體的長期穩(wěn)定性是有利的。然而，過高的施體濃度可能導(dǎo)致受體的飽和。在此，受體和天線陣列的等離子體模之間的耦合提供了另外的優(yōu)點，因為該耦合減小了受體的激發(fā)狀態(tài)壽命。因而，期望的是，在沒有施體-施體相互作用（例如，濃度猝滅）的情況下，具有盡可能高的施體濃度。

附加地，在實施例中，施體114配置使得施體的吸收帶能夠在帶隙以上的能量范圍內(nèi)吸收入射光，使得盡可能多的入射光被吸收。例如，這通過位于導(dǎo)帶能級E_D或者有機分子情形中的LUMO級之上的附加能級來實現(xiàn)。

原則上，以上描述的波長轉(zhuǎn)換層可以提供成與一個或多個附加的波長轉(zhuǎn)換層（帶有或不帶有等離子體天線陣列）組合。

在示例實施例中，配置成在對應(yīng)于紅光的頻率范圍中支持等離子體-光子晶格共振的等離子體天線陣列例如可以包括如圖4中圖示的截頭角錐體天線元件400形式的天線元件，其具有110至130nm范圍中的頂邊長404，135至155nm范圍中的底邊長402，以及100至160nm范圍中的高度406。在該示例中，這些邊長是正方形的側(cè)邊的長度，但是長方形或者三角形也是可能的。另外，天線元件布置在具有大約400nm的晶格常數(shù)的正方形陣列中。同樣地，具有470nm周期的六邊形陣列將表現(xiàn)出接近正常的增強發(fā)射。

天線元件例如可以由制作在熔融石英襯底上的鋁制成。波長轉(zhuǎn)換層例如可以是包括旋涂到襯底上的施體和受體顆粒的聚苯乙烯材料。

附加地，本領(lǐng)域技術(shù)人員在實踐要求保護(hù)的發(fā)明時，依據(jù)對附圖、公開內(nèi)容和所附權(quán)利要求的研究，可以理解和完成所公開的實施例的變形。

在權(quán)利要求中，詞語“包括”不排除其它元件或步驟，并且不定冠詞“一”或“一個”不排除多個。在相互不同的從屬權(quán)利要求中記載某些措施這一純粹事實不指示這些措施的組合不能用于獲益。