照明对于人类活动有着重要的影响,古时候的人利用烧油、点蜡烛等方式获得灯光,甚至利用夜间可以发光的萤火虫作为光源。 晋朝时期,有个名叫车胤的人,从小好学不倦,连夜晚的时间也不肯白白放过。但是由于家里很穷,买不起点灯的油,所以每到夏夜,他就抓来许多萤火虫,放在有小洞的囊内,利用萤火虫的光来看书。结果苦学的车胤终于出人头地,{zh1}官至吏部尚书。此外,古书《古今秘苑》也曾经记载:“取羊膀胱吹胀晒干,入萤百余枚,系于罾足底纹,群鱼不拘大小,各奔其光,聚而不动,捕之必多。”这是利用萤火虫的亮光捕鱼的故事。 萤火虫的身体尾部有一个发光器,包含三个部分:皮肤、发光细胞和反射层。由发光细胞所发射出来的光线,由于反射层的反射而显得更明亮。发光细胞中的主要物质是虫荧光素和荧光酶。虫荧光素是产生光能的来源,荧光酶则是催化剂。当萤火虫开始活动时,呼吸加快,体内吸进大量氧气,氧气通过小气管进入发光细胞,虫荧光素在荧光酶的催化作用下,便开始产生氧化反应,导致腹下发出光亮来。因萤火虫呼吸节律的不同,便形成时明时暗,看起来像一闪一闪的“小星星”。 由于虫荧光素转换能量的效率很高,其中只有约2%%~10%%的能量浪费在热能上,其余能量都用来发光,因此萤火虫的发光可以称为一种“冷光”,物理学家认为这是非常理想的灯光。白炽灯泡 随着文明的进步,人类尝试各种方法以获得光源。 一直到1879年10月21日,在美国新泽西州的一间积满灰尘的实验室里,爱迪生把很细的碳化纤维丝封在一个玻璃泡里面,利用真空泵把玻璃泡里的空气抽走,再稳定地供给电压,使灯丝变成一个很稳定的明亮光源,电力照明的时代从此降临。 虽然白炽灯泡的形式、形状和颜色有数不清的种类,但是其组成包括灯头、灯丝、填充在灯泡内的气体和隔绝外界的灯泡等部分。灯头是用来把灯泡连接到灯座上的装置,灯丝是灯泡中真正用来发光的组件。一般而言,灯丝的工作温度越高,所产生的能量位于可见光区域的部分就越大。灯丝最早是以碳来制作,但是后来就全都改用钨丝,原因是钨的熔点高,不容易损坏,且光谱特性较佳,具有抗热抗冷的强度。填充的气体通常使用惰性气体,可以对灯丝施加压力,防止灯丝的蒸发。灯泡则是用来与外界隔绝,如果不隔绝,灯丝就会很快地和空气中的氧气反应而烧毁。 当一个电阻很大的灯丝通过越来越大的电流时,灯丝开始发热并且发光,一直达到白炽的光色。白炽灯泡后来经过改良以适应特殊需求,因此可再细分为普通用照明灯、高压和低压电灯、卤素灯、红外线灯等种类。但是大致而言,白炽灯泡若要作为大型房间或大范围的空间照明器材,还无法满足人类的需求,但百余年来,电灯的发明一直在人类科学史上占有很重要的地位。日光灯 日光灯(或称为荧光灯)可以说是室内照明非常重要的发明,现在全世界的夜间室内照明绝大多数都是采用日光灯。日光灯管比起传统的灯泡来,具有使用寿命长,发光效率较高,光照面积大,可调整成不同光色等几项优点。 日光灯的构造,通常是一个长型的圆柱管,里面包含极微量的汞及少量的惰性气体(氩气或氖气)。通电后,灯管两端的电极引发高压放电,游离管中的惰性气体产生电弧,激发汞蒸汽发射波长较短的紫外光。涂抹在灯管内壁的荧光粉吸收紫外光,再转换成可见光。若变更荧光粉的种类,便可以得到适合不同场合的灯光,如适合办公室与工厂的冷白光,适合用在温暖社交环境中的暖光,以及一般家庭、学校等场合的日光灯。 日光灯的使用,满足了人类绝大多数场合的需求,虽然各式各样的电灯仍陆续在开发中,然而截至20世纪为止,依旧无法发展出比日光灯更符合人类需求的发明。日光灯虽然有许多的优点,但{zd0}的一个缺点就是日光灯管非常消耗电力,绝大多数的电能都消耗在热能上。此外,灯管中的汞存在污染环境的问题,因此,寻求新的照明光源一直是科学家和企业界的任务。发光二极管在20世纪后期开始发展的发光二极管给未来照明带来曙光。1996年,日本日亚化学公司在GaN蓝光发光二极管的基础上,开发出以蓝光LED激发钇铝石榴石荧光粉而产生黄色荧光,所产生的黄色荧光进而与蓝光混合产生白光(蓝光LED配合YAG荧光粉),开启了LED迈入照明市场的序幕。 白光发光二极管的主要构造包含底部的二极管,涂在二极管或灯罩上的荧光粉,以及隔绝外界的灯罩。当底部的二极管(通常是半导体材料)接受电能的激发后,产生电子与电洞对,当电子与电洞再结合的时候,二极管便发出{dy}发射光(紫外光或蓝光)。这{dy}发射光可以被荧光粉吸收并转换成第二发射光(可见光波长范围),当没有被荧光粉吸收的{dy}发射光和荧光粉所发射出来的第二发射光混合以后,便得到白光。 利用不同荧光粉的搭配,发光二极管也可如日光灯管般具有偏冷色系或暖色系的不同光色。此外,经过多年的研究与发展,发现利用高效率的紫外光发光二极管作为发射光源,是未来白光发光二极管成为照明装置的xxxx。因此,如何发展高效率的紫外光发光二极管,以及适合于紫外光用的各色荧光粉,是现今大家所努力的目标。 随着目前LED技术的进步,白光LED的应用也逐渐开展,包括指示灯、携带式手电筒、液晶屏幕背光板、汽车仪表及内装灯等。而业界更相信,未来10年内,白光发光二极管将普遍应用在照明上,成为21世纪人类照明的曙光。 |