[发明专利]包括光子晶体的辐射发射结构

说明书

技术领域

本发明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，本发明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。

背景技术

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2500K和大约3000K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380nm到大约780nm)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780nm到大约3000nm之间)的辐射，并且被消耗为热。

从由托马斯爱迪生首先发明白炽灯的时间开始，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。钨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发明包括将灯丝盘绕成线圈状结构，并且利用卤素气体填充该灯的灯泡。此外，对可见区中的辐射透明但是对红外区中的辐射反射的材料的涂层被施加到白炽灯的灯泡以将由灯丝发射的红外辐射反射回灯丝本身上，由此进一步加热该灯丝。

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。

发明内容

在多个实施例中，本发明包括辐射发射结构，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。本发明还包括包含这里公开的根据本发明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，本发明的特征、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发明的权利要求来结束，但是当结合附图阅读时从以下本发明的描述可以更容易地确定本发明的优点，其中：

图1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；

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；

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；

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；

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；

图6是包括示例性辐射发射结构的白炽灯的透视图；

图7A是示例性辐射发射结构的透视图；

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；

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；

图8A是示例性辐射发射结构的透视图；

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；

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；

图9是作为波长的函数的根据本发明的辐射发射结构的逼近光谱辐射率的示例性曲线图；以及