几种常见光源的发光机制

张昊东

生活中常见的光源可分为自然光源与人造光源，最重要的自然光源是太阳。本文主要介绍几种生活中常见人工光源的基本构造，发光原理，发光效率，以及应用前景等。

【关键词】光源 基本构造 发光原理 发光效率 應用前景

火是第一个人工光源，五十万年以前，人类已经广泛地使用火作为照明光源了，人们举起燃烧的木头，就成为现在还有人使用的火把。之后随着历史的发展，人类相继发明了灯芯，蜡烛，煤油灯等人工光源。直到十九世纪爱迪生成功的发明了白炽灯，人工光源的发展慢慢的进入一个全新的时代。之后相继出现了卤钨灯，荧光灯，发光二极管，激光等人工光源。不管是自然光源还是人工光源，都是今天人类生活和发展必不可少的。今天我们主要介绍几种重要的人造光源，尤其重要介绍它们的发光机制。

1 白炽灯

1.1 基本结构

白炽灯是第一代人工照明光源，主要由灯壳，灯丝，导线，芯柱，灯头等组成，如图1所示。

灯壳：玻壳一般做成圆球形。白炽灯工作的时候，玻壳的温度最高可达100℃左右，所以制作玻壳的材料是耐热玻璃，功率越大，材料的耐热性能要求越高。常用的有钠钙玻璃，大功率白炽灯用耐热性能更好的硼硅酸盐玻璃，一些特殊用途的灯泡采用彩色玻璃。具有隔离灯丝和空气，透光，保护等作用。

灯丝：是灯泡的发光体，发光时温度很高，所以有熔点很高的钨丝制成。为提高灯丝的发光效率和亮度，一般将钨丝绕成单螺旋丝或双螺旋丝。钨丝由芯柱上的钼丝支架支撑，两端与导丝连接。

导线：两条导线由内导线、杜美丝和外导线三部分组成。内导线用来导电和固定灯丝，用铜丝或镀镍铁丝制做；杜美丝在内导线和外导线之间，是一段很短的红色金属丝，同玻璃密切结合而不漏气；外导线由铜丝制成，用来连接灯头通电。

芯柱：芯柱由铅玻璃制成，绝缘性较好，连着导丝和玻壳，起着固定导丝的作用。用芯柱中的排气管把玻壳里的空气抽走，然后将下端烧焊密封，灯泡就不漏气了。

灯头：灯头是白炽灯电连接和机械连接部分，是连接灯座和接通电源的金属件。

1.2 发光原理

白炽灯是将灯丝通电加热到白炽状态，利用热辐射发出可见光的电光源。具体过程是灯丝在通电时，不断将热量聚集，使得灯丝的温度达2000摄氏度以上的白炽状态。这时候组成灯丝元素的原子由于热量聚集，内能增加，从而处于高能状态，由于原子核外电子满足能量最低原理，所以高能态的核外电子由于不稳定会被激发，从而使得其向较高能量的外层跃迁，当电子再次跃迁回低能量的电子层时，多余的能量便以光的形式释放出来，从而能够看到发光，并同时产生热量，故称之为白炽灯。

1.3 发光效率

普通的钨丝白炽灯泡的发光效率（电能转化为光能的效率）仅为2%--8%，中国将在近几年逐步用电子节能灯代替白炽灯。

1.4 应用前景

白炽灯虽然具有光源小、便宜，通用性大，彩色品种多具有种类极多的灯罩形式，并配有轻便灯架、顶棚和墙上的安装用具和隐蔽装置等特点，但也有很多缺点，发光效率低就是其中一个最致命的缺点。

所以，由于白炽灯的耗电量大，寿命短，性能远低于新一代的新型光源，为了节能环保，保护环境，白炽灯已被一些绿色光源所代替，被要求渐渐退出市场，一些国家已禁止生产和销售白炽灯。

2 卤钨灯

2.1 基本结构

卤钨灯是填充气体内含有部分卤族元素或卤化物的充气白炽灯。一般的白炽灯中，虽然钨的蒸发率低，但随着所用时间的增长，蒸发的钨会积累沉淀在玻壳上，使灯泡的玻壳发黑。而卤钨灯可以利用卤钨循环的原理消除了这一发黑的现象。为了使灯壁处生成的卤化物处于气态，卤钨灯的管壁温度要比普通白炽灯高得多。所以卤钨灯的灯壳必须使用耐高温且强度高的材料制成，一般可用石英玻璃或硬玻璃。玻壳尺寸小，灯内气压高，工作温度高，故灯内的工作气压要比一般充气灯炮高得多。如图2所示。

2.2 发光原理

发光机制和白炽灯基本相同。但由于灯内的卤族元素气体与钨丝在发光过程中存在卤钨循环，所以与白炽灯发光原理存在一定的差异。通电后，灯丝发热，温度到达一定高度后，钨丝被蒸发向玻壳方向移动，当接近玻壳时，钨蒸气被冷却到大约800度并和卤素原子结合在一起，形成卤化钨气体。卤化钨继续在玻壳内移动，当移动到被氧化的灯丝上时，其遇热后不稳定的卤化钨气体又会重新分解成卤素蒸气和钨，这样钨又在灯丝上沉积下来，弥补被蒸发掉的部分。我们把这一循环过程叫做卤钨循环。正是由于卤钨循环，灯丝的使用寿命得到了大大的延长，发光温度可以更高，从而亮度，色温和发光效率都比白炽灯更高。

2.3 发光效率

发光效率较白炽灯提高15%--20%。

2.4 应用前景

可用在照度要求较高、显色性较好或要求调光的场所，如体育馆、大会堂、宴会厅等。体积小，光维持率达到95%以上，光效和寿命均比白炽灯要好，具有灯丝稳定性和抗震性都优异的特性，灯头易于联接。近年来又推出多种节能卤钨灯新品种，如“石英冷光射灯”也叫冷光灯。它具有冷光，光照成束，光照角度根据需要可以选择，有射程功能等特点。这种冷光灯大量应用于商店商场的柜台，橱窗里作效果照射和保安产品等。而且由于卤钨灯的显色性特别好，体积小易于装饰，倍受人们青睐和广泛使用。信在未来的发展中会越来越好。

3 荧光灯

3.1 基本结构

荧光灯是由放电产生的紫外辐射激发荧光粉而发光的放电灯，是一种低电压汞蒸气弧光放电灯。通常为长管状，两端各封有一个电极。灯类含有低气压的汞蒸气和少量的惰性气体。灯管的内壁涂有荧光粉，两个灯丝之间的气体导电时发出紫外线，使荧光粉发出可见光。如图3所示。

3.2 发光原理

启动时，电流流过电极并加热，从灯丝向着内发射出热电子，并开始放电。放电产生的流动电子跟管内的汞原子碰撞，发生紫外线（253.7nm）。这种紫外线照射荧光物质，变成可见光。随着荧光物质的种类不同，可发出多种多样的光色。

3.3 发光效率

不同的荧光灯发光效率不同，但一般比较高，有的甚至高达90%。

3.4 应用前景

随着人们对环保、节能等要求的不断提高，各个领域对于照明要求的不断提高，三基色荧光灯系列产品必将凭借其高光效、高显色性以及环保、节能等技术优势，充当越来越重要的角色

4 发光二极管

4.1 基本结构

发光二极管简称为LED，是一种半导体二极管，它能将电能转化成光能。一般由含镓（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等的化合物制成。它的基本结构包括引线架，阳极杆，阴极杆，楔形支架，LED芯片和透明环氧树脂封装壳。如图4所示，LED芯片置于楔形支架上，支架两端分别接有阴极杆和阳极杆，支架置于引线架上，然后支架四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。LED结构图如图4所示。

4.2 发光原理

发光二极管由一个PN结组成，有单向导电性。加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴与N区的电子复合，由N区注入到P区的电子与P区的空穴复合，复合时多于的能量以光子的形式释放出来，从而产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。

4.3 应用前景

发光二极管作为一种新颖的半导体光源，具有节能，环保，寿命长，启动时间短，结构牢固等优点。其应用十分广泛，不仅可以用作指示灯，显示光源和信号光源，而且作为21世纪的绿色照明产品，人们预言可以取代白炽灯，荧光灯，钠灯等用于一般照明。发光二极管作为第三代人工电光源，将会成为最有效的节能环保手段，通过美化生活，改善人类的生存环境，发展照明的新概念和新模式来改善和提高人们的生活质量。

5 总结

5.1 健康的能量来源——太阳能

我们生活中的光源都来自电能，而目前为止我国的发电比例中仍旧是以火电为主。火力发电的诸多弊端是不言而喻的，因此如果可以将“火力——电力——光”结构中的第一环节进行优化，那么我们的照明方式也会变得更“绿色、健康”。

可作为替换的能源结构中，太阳能不失为一个很好的选择，虽然近几年人们对于太阳能的利用已经有了很大的提升，但生活中除了太阳能热水器，太阳能路灯、计算器之外，日常生活中我们似乎很难再见其在别的方面的用处。结合日常所需，如果我们可以把太阳能收集装置压缩安装在便携式手电筒、小夜灯或别的照明用具上，甚至放置在我们平时可以穿的特制外套上。我们也可以尝试将太阳能收集装置外观进行更改，便于安装与类似于陆家嘴、外滩等需要大量使用光源的景区景点，利用白天收集的能量来支持夜间灯光；甚至可以多元化装置的材料，使其能够随意弯曲变形，这样就有可能把它安放在衣服、皮包等各种日常用品上，给我们的生活带来更多便利。

5.2 广阔的能源使用范畴

现如今的光源大多应用于照明和装饰，其实光源还可以有更多的使用空间。

5.2.1 “心理调试剂”

从心理学角度出发，外界光源会对人的心理状态产生影响，阴天易使人阴郁，晴天则会让人明朗。所以良好的光源环境在心理治疗过程中也是十分重要的，这就需要对光源有更灵活的控制，原理与照明光源的不同亮度相似，只是设计过程要与心理治疗方面的专家协同合作，将此种可控光源安装于治疗室、家庭中，以便提供更好的心理休养环境。

5.2.2 “人工自然光”

植物的生长离不开光照，虽然人们总能够在阴雨连绵带来的作物欠收甚至颗粒无收的时候找到生存方式，但这种状况带来的弊端确是我们始终在竭力避免的。比如蔬菜大棚可以让作物免遭雨水侵蚀，但是自然地光照却仍无法解决。

在科技发达的现代社会，我们突破了自然光源的束缚，接下来是否可以用人工的方式创造出“自然光源”呢？若能如此，相信是可以为农业生产带来福音。英国的研究人员自2005年以来一直在从事着此项工作的探索，他们希望通过毫微科技的研究制造出室内的“自然光线”。

在科技如此发达的今天，相信我们只要“敢想”，就没有什么“不敢做”的，只要“敢做”，就没有什么做不到的！科学，使我们人类越来越强大，使我们的生活越来越美好！

參考文献

[1]方志烈.半导体照明技术[M].电子工业出版社，2005.

[2]宁宝平.如何提高T8荧光灯的发光效率[J].中国照明电器，2004（01）：18-19.

[3]佚名. LED发光二极管由哪些结构组成？[J].中国照明，2009（06）：100-101.

[4]李铁臣. 发光二极管户外照明的特点、应用及发展前景[J].魅力中国，2009（13）.

作者单位

上海市南洋模范中学 上海市 200032