照明光源的发展历程及未来展望

陈大华

(复旦大学电光源研究所，上海 200433)

1 人造光源的演变过程

光在人类的发展史中作用非凡，它与空气和水一起，成为人类生存的最基本的三要素。人工照明的最初形式是用火发光，这个阶段一直延伸了几千年。西方国家这个阶段的人工照明主要是应用燃烧浸润在动物脂肪中纤维制成蜡烛，而我国则采用的是植物油脂代替动物脂肪制成了油灯。在漫长的人类照明发展史中，光源就是蜡烛和油灯。19世纪初人们有了煤气灯, 但直到1879年爱迪生成功发明和推广应用了白炽灯，人类才开创了电光源照明的新时代。1959年，研究人员根据卤钨循环原理制成卤钨灯，由于其显色性好、光色宜人、体积小和寿命长等优点，受到人们的青睐和广泛使用。气体放电灯最早灯内充氖气，发出桔红色光；充氩气，发出蓝紫色光；充二氧化碳，发出白色光。1911年,美国发明家Peter Cooper Hewitt申请了低压汞灯的专利，该灯是荧光灯的雏形。之后，美国通用电气(GE)的George Inman 改进了设计,制成第一个实用的荧光灯,并于1939年在纽约和旧金山世界博览会上展出。荧光灯的光效和显色指数的优势，让它一度占据了室内照明光源应用80%的市场。1923年，康普顿和范沃希斯点燃了第一只低压钠灯，光效达每瓦200多流明，但直到1932年以后，低压钠灯才真正进入市场。1927年，德国科学家Edmund Germer申请了高压汞灯的专利发明。1932年，第一支高压汞灯的进入市场销售，标志着高强度气体放电灯(HID)时代正式开始。1961年,GE的Gilbert Reiling申请了第一个金属卤化物灯的专利，并在1964年的世界博览会上展出。1965年,GE公司发明的高压钠灯问世。目前高压钠灯和金卤灯仍然是照明市场所需的产品。

基于半导体材料的发光二极管(LED)在百年前已引起人们的关注[1-7]，但直到1962年GE先进半导体实验室才发明了第一个GaAsP(磷砷化镓)的红光LED光源，在驱动电流为20 mA时，光通量只有0.005 lm，光效约0.1 lm/W。20世纪70年代初期到中期，LED光效提高到1 lm/W，而且光色丰富不少。到了20世纪80年代，出现了GaAlAs(砷化镓铝)LED光源，光效达到10 lm/W。20世纪90年代初，开发出了发红光、黄光的GaAlInP(磷化镓铝)LED和发绿光、蓝光的GaInN(氮化镓铟)LED，相应的光效又得到大幅度的提高。与此同时，单颗LED光源的功率和光通量也在迅速增加。起先LED的驱动电流仅为20 mA，到了20世纪90年代，一种代号为“食人鱼”(Piranha)的LED的驱动电流增加到了50～70 mA，而代号为“梭子鱼”(Barracuda)的LED光源驱动电流达到300～500 mA，目前已有驱动电流为安培量级的大功率LED光源。20世纪90年代，第一只蓝光LED诞生，1997年研究人员成功开发生产出了由蓝光激发荧光粉而产生白光的LED照明芯片。21世纪初以来，LED光效不断提高。白光LED照明的出现，使人类真正进入了LED照明时代。从人类使用火炬到应用传统光源以及LED光源，这正是照明光源的发展历程。而研发与制造高光效、长寿命、少污染、光色好、价格低的电光源，则是电光源发展的方向与趋势。

2 我国照明电光源的发展历程

我国电光源工业起源于19世纪80年代。清光绪五年四月初八(1879年5月28日)，公共租界工部局电气工程师毕晓浦，在上海虹口乍浦路一座仓库里，成功试验了碳极弧光灯，宣告中国第一盏电灯问世。清光绪八年(1882年)二月，英国人开办上海电气公司，并沿上海外滩到虹口招商局码头一带架设6.4 km长的线路，串接着每盏亮度为2 000支烛光(2 038 cd)的15盏弧光灯。同年6月12日下午7时，电厂开始供电，夜幕下15盏灯齐放光明，这引起不小的轰动。清光绪十六年(1890年)闰二月，上海开始用白炽灯供家庭照明。美国奇异电器公司(又称通用电气公司)，于1917年在上海投资100万两白银开设子公司，用钨钼材料生产奇异牌白炽灯泡，年产量为5万只。1921年，我国民族工商业者胡西园等成功试制了第一只国产白炽灯，并于1923年买下甘肃路德商奥本公司电器厂，聘任奥本为工程师，开设中国亚浦耳电器厂；1929年，甘镜秋等民族工商业者又创办了华德电光股份有限公司，生产真空长丝灯泡。第一次世界大战期间，欧美各国忙于应对战争,我们照明企业得到了发展机遇，除亚浦耳、华德电光两家规模较大外，相继开办了20余家中小型光源工厂。第一次世界大战结束后，国外资本卷土重来。1932年，美国奇异(GE)、德国亚司令(OSRAM)、荷兰飞利浦(Philips)、匈牙利太斯令(TUNGRAM)4家外企组成电光源工业托拉斯中和灯泡公司，年产灯泡500万～600万只，抢占了中国市场。民族电光源工业虽遭到了严重打击，但在浙江大学、齐鲁大学、中山大学等单位和市民的支持下，民族电光源工业还是得以维持，并得到了发展。1947年前后，华德灯泡厂、中国亚浦耳电器厂、中国荧光灯厂开始试制生产荧光灯。新中国成立后，亚浦耳灯泡厂于1959年更名为上海亚明灯泡厂。作为中国电光源生产的开拓者和先驱的胡西园先生和甘镜秋先生等人的丰功伟绩应该永载史册，让我们永不忘怀。

更为重要和值得我们记载的是我国近代光源的发展历程。1960年初，复旦大学物理系蔡祖泉教授与他率领的研制小组，依托复旦大学多年从事真空物理科学的基础，开始从事我国现代光源的研制工作。经过艰辛的起步和努力的工作，在20世纪60年代初，成功开发了国产的碘钨灯和高压汞灯，并很快在工厂实现批量生产，随后他们又继续成功开发了长弧氙灯、短弧氙灯、氪灯、氢弧灯、超高压短弧汞灯、光谱空芯阴极灯、氘灯、高压钠灯和金属卤化物灯等一系列新光源，并于1965年起在复旦大学连续三年成功举办了元宵节新光源展示会。1978年，复旦大学电光源研究所正式成立，同时在举办了多届约1万多企业科技人员参加的短训班以后，1984年经国家教委批准创办了复旦大学光源与照明工程系，多年来已为国家培养了2千余名该领域的博士、硕士和本科生。2007年，LS11国际电光源科技研讨会在复旦大学成功举办，500多名照明科技人员参会，其中有300余人是外籍科技人员。这奠定了改革开放以来我国电光源科技在国际照明领域的影响力和地位。

20世纪80年代中后期，复旦大学电光源研究所研发出我国第一支节能灯，通过引进我国台湾地区、韩国、日本和欧洲的节能灯生产线，很快在上海灯泡三厂、上海特灯二厂等实现了节能灯的产业化，同时我国科技人员也开始研发自己的节能灯自动化生产设备。1990年，由东南大学、复旦大学共同开发研制了节能灯的自动化生产线，经过几年艰苦努力终于取得了成功，从而为国产节能灯行业提供了价廉质优的设备，使我国节能灯的产量占到全球总产量的80%以上，并大量销售到世界各国，受到大家普遍的好评和欢迎。

进入21世纪，中国照明产业获得空前发展，主要集中在广东、福建、浙江、江苏和上海等地区，即珠江三角洲和长江三角洲，目前已出现向我国中部和西部延伸发展的趋势。当前我国已成为包括LED光源在内的电光源生产和销售的大国，但在自主知识产权上仍亟待我们继续努力和奋斗，我们绝不能有丝毫的松懈和自满，只有不忘初心、砥砺前行，才能实现照明强国的目标。

在这里，笔者情不自禁要引用蔡祖泉教授生前好友周勤之院士对我国光源发展的看法：“我不是电光源专家，但是光源对我的影响不禁让我想起了往事。我1927年生于上海，到四岁那年父母双亡，家中只我和祖母二人，这时发生了一·二八事变，祖母将我送往浙江上虞沥海所外婆家避难。沥海所在杭州湾口，是戚继光屯兵抗倭寇驻地，在那里也只外婆与我二人，乡下用煤油灯，此外人们昏暗不明。八岁时返上海，初到上海见到电灯。当时在南市，路灯是十支烛光，昏昏沉沉的，但比之乡下则觉光亮的多，第二年庆祝英皇加冕，南京东路外滩所有大厦都用灯泡按建筑轮廓排好灯泡，估计用了几十万个灯泡，晩上开灯，金碧辉煌，当时是奇观。到读四年级时发生了八·一三事变，我在南市的住房给日本人烧了，于是逃难到租界里来，当时年幼无知只感到租界里比南市亮多了，抗日战争胜利后也就住在租界不回去了。之后出现了日光灯，比电灯亮得多也舒服得多。以后出现了节能灯，家中多换上了节能灯，问题是寿命不长，当时灯泡的钨丝是进口的。上海灯泡厂首先拉出了钨丝，该厂的总工程师郑良永因此评上了劳模，我第一次用LED是在光栅读Moore条纹时作光源用，感觉很好，但是很难买到。以后LED发展起来了，外滩大厦的照明都用了泛光灯，不但颜色鲜艳而且几万只灯泡的轮廓也消失了。有一次我去浙江，晚上坐船看到浦江两岸灯火辉煌，对比一下，国外也不过如此。我国的照明不限于此，还在不断发展，说明改革开放的威力以及我国科学家的不断创新。回想在沥海所的昏暗油灯下的日子，恍如隔世，在此我衷心向我国科学家致敬，祖国靠你们的努力不断强大起来！”

3 传统光源的生产和应用情况

1)白炽灯的淘汰已成为历史的必然。白炽灯是人们熟悉和喜爱的产品，但科技进步淘汰旧产品是不以人们的意志而转移的。目前白炽灯正处于被淘汰的进程之中，2007年3月上旬举行的欧盟理事会首脑会议上，欧盟各成员国政府达成了到2020年二氧化碳排放量比1990年降低20%的协议，并一致同意将节约能源、减排废气、保护气候作为未来欧盟社会进步与经济发展的重要战略指标之一，决定两年内在欧盟停止普通照明用白炽灯的生产。我国全面淘汰白炽灯的规划也已启动。逐步淘汰白炽灯的活动目前已遍布五大洲，民用普通白炽灯的市场将逐步萎缩，但白炽灯柔和温暖舒适的光谱特性使其在某些特殊场合、特殊应用、特殊造型或对光照质量要求很高的场合还有存在的价值。此外人们怀旧的情怀也会让白炽灯的应用延续相当长的历史时期。

2)荧光灯产品逐步退出照明领域。荧光灯自20世纪30年代末发明至今，始终在不断完善和改进之中，其产品琳琅满目，如20世纪80年代初开发的紧凑型荧光灯(CFL)、20世纪80年代后期出现的高频荧光灯、20世纪90年代推出的T5(直径为16 mm)细管径荧光灯，以及细管径及超细管径荧光灯、无极荧光灯、陶瓷电极荧光灯(CPFL)、平板荧光灯和低汞及无汞荧光灯等等，并且都取得了可喜的进展和成功，但其灯内含汞，会对环境产生污染和危害，因此也正处于逐步地被性能更优异的LED光源替代的阶段。

3)高强度气体放电灯的现状。高强度气体放电灯(HID)的主要品种是高压钠灯及金属卤化物灯，它们常见的功率从70 W到1 500 W。其中陶瓷金卤灯是HID光源发展中引人注目的成果之一。陶瓷金卤灯采用半透明氧化铝陶瓷为电弧管管壳，使灯运转温度比石英电弧管的高200～300 K(约1 500 K)，从而使得卤化物蒸发充分，光效更高(约100 lm/W)。小功率陶瓷金属卤化物灯的规格有50 W、70 W、100 W、150 W。超小功率金属卤化物灯有10 W、15 W、20 W、25 W、30 W、35 W等规格，分别用于室内外、汽车、国防等一般照明与特殊用途照明。目前虽然HID受到LED光源的冲击和替代，但它的生产和应用仍有一定的市场。

4 现代光源的发展情况与趋势

随着21世纪时光的流逝，LED光源进展神速，它具有体积小、抗震动、亮度高、可调光、维修和更换简便，以及寿命超过5万h的诸多优点，可以说它几乎能满足人类对人造光源的所有期望和要求。目前其产品已囊括LED球泡灯、灯丝球泡灯、日光灯、投光灯、道路灯、隧道灯、洗墙灯、吸顶灯、装饰灯、工矿灯和农业灯等各种用途和规格的产品，而且打破了以前光源和灯具分开的局面，出现了照明器件的新电子产品。如今LED光源正逐步取代传统光源, 在城市景观照明中LED光源应用率已超过90%。目前，LED引领智能照明时代的到来已成为业界人士的共识，它在当今智能照明、智慧城市、健康照明和农业照明中将起到举足轻重的作用。

我国现已成为全球LED光源最主要的生产大国之一，并出现了收购和兼并国际上著名照明企业的成功案例, 这是令人可喜的。但LED发展也面临固态光源中OLED(Organic Light Emitting Diode)近期进展的挑战。国外著名的光源公司都在积极开展OLED的研发。国外企业的这种策略应引起我们的重视、思考和借鉴。我们在发展LED的同时，不能疏忽对更先进光源科技的关注和投入。

在谈论LED、 OLED光源时，我们还应认识激光光源的异军突起。OLED和激光光源的发展正紧逼LED光源，我们应提高对它们发展的认识。OLED 是有机电致发光器件，其发光原理与LED基本类似。根据制造所用材料和工艺，它的种类有将δ-羟基喹啉铝材料以真空热蒸发工艺涂覆制成的小分子OLED，以及将高分子聚合物共轭化合物聚乙炔、聚苯胺等材料以旋转涂布或喷墨工艺制成的高分子OLED(也称之为PLED)两大类。OLED具有重量轻、厚度薄、体积小、发热低、光色柔和无眩光、材质柔软可任意弯曲(甚至在其上任意打洞或裁切也无损它的正常发光)、在工作时无需特殊的散热措施、制造工艺相对简便、无需价格昂贵的金属有机化学气相沉淀(MOCVD)设备、制造原材料可用地球上丰富而又廉价的材料等诸多优点，尤其适用于大面积面光源和调光速度特快的应用场合。目前OLED产品已广泛进入手机、MP3、MP4、游戏机、数码相机、汽车仪表和电视机等各种显示设备，正逐步进入照明应用市场。但目前OLED的亮度、使用寿命、发光效率和价格问题还需进一步解决，此后它才能引领照明技术的变革和创新，真正成为照明领域耀眼的明珠。可以预计，在今后20～30年的时间里，OLED会成为照明光源的主导力量。

激光光源(Laser Light Sources)是一种利用激发态粒子在受激辐射作用下发光的相干光源。其输出波长范围从短波紫外到远红外。激光光源可按其工作物质(也称激活物质)分为固体激光源(晶体和钕玻璃)、气体激光源(包括原子、离子、分子、准分子)、液体激光源(包括有机染料、无机液体、螯合物)和半导体激光源4种类型。它是由工作物质、泵浦激励源和谐振腔3部分组成。工作物质中的粒子(分子、原子或离子)在泵浦激励源的作用下，被激励到高能级的激发态，造成高能级激发态上的粒子数多于低能级激发态上的粒子数，即形成粒子数反转；粒子从高能级跃迁到低能级时，就产生了光子，如果光子在谐振腔反射镜的作用下，返回到工作物质而诱发出同样性质的跃迁，则产生同频率、同方向、同相位的辐射。如此靠谐振腔的反馈放大循环和往返振荡，辐射不断增强，最终形成强大的激光束输出。该种光源具有以下特点：①单色性好，比普通光源的高10倍以上，是一种优良的相干光源。②方向性强,激光束的发散立体角很小,为毫弧度量级,比普通光或微波的发散角小2～3数量级。③光亮度高,激光焦点处的辐射亮度比普通光高10～100倍。它在国民经济的诸多领域中已得到了广泛应用，例如激光加工、核聚变、同位素分离、医疗仪器(手术刀、凝固器)、检测器、光纤通信光源、全息摄影光源、舞台美术光源、电影放映、景观照明、激光视频唱片、激光传真、激光排版印刷、光学计算机、激光武器等。激光光源在照明领域正崭露头角、绽放异彩，预计它在21世纪的下半叶可能取代LED光源，成为照明应用领域中人造光源的主角。

5 结束语

当前，人们已开始不断熟悉LED光源，但还缺乏对OLED和激光光源优势的充分认识。照明科技正在迅猛发展，我们应该清醒地看到：在今后30年左右，LED可能会遭遇节能灯同样的命运，逐步被OLED取代；同样地，OLED又会在那之后几十年可能被优势更为明显的激光光源所取代。尤其在智能照明和以人为本的健康照明理念深入人心的新时代，我们一定要认真剖析现代光源科技成果对我国照明产业的影响，及时调整发展策略，做到生产一代、开发一代、研制一代、应用与推广一代。我们相信，这对我国从光源大国转向光源强国，开创固态光源新时代，有着特别重要的意义。