包括光子晶体的辐射发射结构制造技术

公开了辐射发射结构（１１０，１２０，１３０，１４０，１５０），其包括有源辐射发射器（１１１，１２１，１４１）和围绕该发射器的无源光子晶体结构（１１４，１３４，１４４，１５４）。该无源光子晶体结构对于电磁波谱的可见区内的电磁辐射的波长是透明的。还公开了包括这种辐射发射结构的白炽灯（１１０，２００）。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用在白炽灯中的包括光子晶体的辐射发射结构。更具 体地说，本专利技术涉及包括被无源光子晶体结构围绕的有源辐射发射器 的辐射发射结构，所述无源光子晶体结构对于光谱的可见区内的电磁 辐射的波长是透明的。
技术介绍
在常规的白炽灯中，灯丝设置在两个电接触之间，并且电流在所 述接触之间流过灯丝。灯丝材料的电阻在灯丝中产生热。白炽灯中典型的灯丝工作在大约2500 K和大约3000 K之间。加热的灯丝发射在 波长范围内的电磁辐射，其一些在电磁波谱的可见区之内。在给定温 度下常规灯丝的发射率可以由用于黑体辐射的普朗克(Planck)方程 式逼近。常规白炽灯尽管提供高质量、廉价的照明，但是效率极低。提供 到灯丝的能量的仅大约5%到10%转换成在光谱的可见区内的波长 (即大约380 nm到大约780 nm)的电磁辐射。大量的能量转换成在 光谱的红外区中(即在大约780 nm到大约3000 nm之间)的辐射， 并且被消耗为热。从由托马斯爱迪生首先专利技术白炽灯的时间开始，已经进行了相当 多的研究来发现新的方法、材料、和结构以增加在光谱的可见区中发 射的电磁辐射的量，并且最小化在可见区以外发射的辐射的量，由此 改善灯的效率。钨自从其首先在1911年用作白炽灯丝以来由于其发射特性而继 续作为精选材料。真正的黑体实际上并不存在。然而，材料的辐射特 性可以通过包括材料的发射率的因子或变量而被描述成用于黑体辐射的普朗克方程式。发射率是材料的光谱辐射率(即每单位面积每单 位波长的发射功率)与真正黑体的理论光谱辐射率的比率。对于给定 材料的发射率不是恒定的，并且可以随波长、观察角度、和材料的温 度而变化。鴒的发射率随波长变化，并且在电磁波谱的可见区中比在红外区中高(即，它在可见区中辐射比真正的黑体更多的电磁辐射)， 这使它成为用在白炽灯中的精选材料。其他针对提高白炽灯的效率的专利技术包括将灯丝盘绕成线團状结 构，并且利用卣素气体填充该灯的灯泡。此外，对可见区中的辐射透以将由灯丝发射的红外s辐射反射回灯丝本身上，由此进一;加热该灯 丝。近来，已经研究了使用光子晶体作为白炽发射器。光子晶体是包 括周期性散布在整个结构中的具有不同介电常数的至少两种材料的 结构。当光子晶体被加热时，该光子晶体不能连续地发射在波长范围 内的辐射，正如经典黑体那样。光子晶体可以在特定波长强烈地发 射，而如果其是经典黑体如果完全在该晶体被预期发射的波长范围内 则仅微弱地发射。尽管白炽灯的效率随时间已经改善，但是仍存在被发射作为在光 谱的可见区以外的电磁辐射的相当大量的能量。这种能量被消耗并且 促进了常规白炽灯的低效率。
技术实现思路
在多个实施例中，本专利技术包括辐射发射结构，其包括有源辐射发 射器和围绕该发射器的无源光子晶体结构。该无源光子晶体结构对于 在电磁波谱的可见区内的电磁辐射的波长是透明的。本专利技术还包括包 含这里公开的根据本专利技术的辐射发射结构的白炽灯。从对以下结合附图的详细描述的考虑，本专利技术的特征、优点、和 替换方面将对本领域技术人员变得明显。附图说明尽管该说明书以特别指出并清楚地要求什么被认为是本专利技术的 权利要求来结束，但是当结合附图阅读时从以下本专利技术的描述可以更容易地确定本专利技术的优点，其中图l是在各种温度下作为波长的函数的黑体的光谱辐射率的曲线图2是包括示例性辐射发射结构的白炽灯的透视图；图3A是可以用在图2的白炽灯中的示例性辐射发射结构的截面图3B是不具有中间材料层的图3A的示例性辐射发射结构的截面图4是包括有源光子晶体发射器的可以用在图2的白炽灯中的示 例性辐射发射结构的截面图5是包括有源光子晶体发射器的可以用在图2的白炽灯中的示 例性辐射发射结构的截面图6是包括示例性辐射发射结构的白炽灯的透视图7A是示例性辐射发射结构的透视图7B是沿其中的剖面线7B-7B的图7A的示例性辐射发射结构的 截面图7C是沿其中的剖面线7C-7C的图7A的示例性辐射发射结构的 截面图8A是示例性辐射发射结构的透视图8B是沿其中的剖面线8B-8B的图8A的示例性辐射发射结构的 截面图8C是沿其中的剖面线8C-8C的图8A的示例性辐射发射结构的 截面图9是作为波长的函数的根据本专利技术的辐射发射结构的逼近光谱 辐射率的示例性曲线图；以及图10是作为波长的函数的有源光子晶体发射器的逼近光谱辐射 率的示例性曲线图。具体实施例方式在多个实施例中，本专利技术包括用在白炽灯中的辐射发射结构，和 包括这类结构的白炽灯。这里公开的辐射发射结构包括被无源光子晶 体结构围绕的有源辐射发射器，所述无源光子晶体结构对于在电磁波 谱的可见区内的电磁辐射的波长是透明的。这里公开的本专利技术的示例性实施例减少了从白炽灯发射的作为 在光谱的可见区以外的电磁辐射被消耗的能量的量。示例性白炽灯IOO在图2中示出，其包括玻璃灯泡102、常规导电螺紋基座104、与螺紋基座104电连通的电接触106、和在电接触 106之间延伸的示例性辐射发射结构110。应当注意，可替换地，白 炽灯100可以按照白炽灯的任何其他已知设计来配置。示例性辐射发射结构110的截面示意图在图3A中示出。该辐射 发射结构110包括有源辐射发射器111。该有源辐射发射器111可以 包括由例如鴒、鴒合金、碳、或任何其他材料形成的常规细长灯丝， 所述任何其他材料在被加热时将发射在光谱的可见区中的辐射，并且 在该材料的升高的工作温度下还将显示出结构完整性。辐射发射结构110还包括圓周地围绕有源辐射发射器111的无源 光子晶体结构114，其用作红外反射器。光子晶体通过将具有第一介电常数的材料周期性地散布在具有 第二不同介电常数的基质内以便沿通过该结构的方向显示出介电周期性来形成。 一维光子晶体是仅沿一个方向显示出介电周期性的三维 结构。布拉格(Bragg)镜(分布布拉格反射器)是已知的一维光子 晶体的实例。布拉格镜的交替薄层具有不同的介电常数。多个薄层的 组合形成了沿垂直于这些薄层的平面的方向显示出介电周期性的三 维结构。沿平行于这些层的平面的方向没有显示出周期性。二维光子晶体可以通过将具有第一介电常数的第一材料的棒、 柱、或纤维周期性地散布在具有第二不同介电常数的基质内来形成。 二维光子晶体可以沿垂直于所述棒、柱、或纤维的纵轴的方向显示出 介电周期性，但是沿平行于所述纵轴的方向不显示介电周期性。最后，三维光子晶体可以通过将具有第一介电常数的第一材料的 小球体或其他空间限定区域周期性地散布在具有第二不同介电常数 的第二材料的基质内来形成。三维光子晶体可以沿晶体内的所有方向显示出介电周期性。由于离开周期性电介质界面的入射辐射的布拉格散射，光子晶体 结构可以显示出光子带隙-一种波长范围，对于该波长范围禁止辐射 存在于结构的内部中。换句话说，存在当辐射沿晶体显示介电周期性 的方向入射到其上时可以被该晶体反射的辐射的波长范围。时域有限差分法可用于对包括晶体的特征尺寸和在所述特征内 的相应介电常数的计算网络求解全矢量时间相关麦克斯韦方程以确 定什么样的波长可以被禁止存在于任何给定晶体的内部中。辐射发射结构110的无源光子晶体结构114可以包括二维光子晶 体结构，其通过提供通过基质116平行于有源辐射发射器111的纵轴 延伸的细长无源纤维115来形成。无源纤维115可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种辐射发射结构（１１０，１２０，１３０，１４０，１５０），包括：　有源辐射发射器（１１１，１２１，１４１）；和　围绕该发射器的无源光子晶体结构（１１４，１３４，１４４，１５４），其对于电磁波谱的可见区内的电磁辐射的波长是透明的 。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2004-10-6 10/959,7041. 一种辐射发射结构(110，120，130，140，150)，包括有源辐射发射器(111，121，141)；和围绕该发射器的无源光子晶体结构(114，134，144，154)，其对于电磁波谱的可见区内的电磁辐射的波长是透明的。2. 如权利要求1的辐射发射结构，其中无源光子晶体结构显示 出在电磁波长范围内的光子带隙，该电磁波长范围包括在其被加热时 在由该发射器发射的电磁波谱的可见区以外的波长。3. 如权利要求1和2中的任何一个的辐射发射结构，其中无源 光子晶体结构包括介电材料。4. 如权利要求1到3中的任何一个的辐射发射结构，其中无源 光子晶体结构包括金属。5. 如权利要求1到4中的任何一个的辐射发射结构，其中无源 光子晶体结构沿一维显示出介电周期性。6. 如权利要求5的辐射发射结构，其中无源光子晶体结构包括 布拉格镜(134)。7. 如权利要求1到6中的任何一个的辐射发射结构，其中无源 光子晶体结构沿二维显示出介电周期性。8. 如权利要求1到7中的任何一个的辐射发射结构，...

【专利技术属性】
技术研发人员：SY王，
申请(专利权)人：惠普开发有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]