幾種常見光源的發光機制

張昊東

生活中常見的光源可分為自然光源與人造光源，最重要的自然光源是太陽。本文主要介紹幾種生活中常見人工光源的基本構造，發光原理，發光效率，以及應用前景等。

【關鍵詞】光源 基本構造 發光原理 發光效率 應用前景

火是第一個人工光源，五十萬年以前，人類已經廣泛地使用火作為照明光源了，人們舉起燃燒的木頭，就成為現在還有人使用的火把。之后隨著歷史的發展，人類相繼發明了燈芯，蠟燭，煤油燈等人工光源。直到十九世紀愛迪生成功的發明了白熾燈，人工光源的發展慢慢的進入一個全新的時代。之后相繼出現了鹵鎢燈，熒光燈，發光二極管，激光等人工光源。不管是自然光源還是人工光源，都是今天人類生活和發展必不可少的。今天我們主要介紹幾種重要的人造光源，尤其重要介紹它們的發光機制。

1 白熾燈

1.1 基本結構

白熾燈是第一代人工照明光源，主要由燈殼，燈絲，導線，芯柱，燈頭等組成，如圖1所示。

燈殼：玻殼一般做成圓球形。白熾燈工作的時候，玻殼的溫度最高可達100℃左右，所以制作玻殼的材料是耐熱玻璃，功率越大，材料的耐熱性能要求越高。常用的有鈉鈣玻璃，大功率白熾燈用耐熱性能更好的硼硅酸鹽玻璃，一些特殊用途的燈泡采用彩色玻璃。具有隔離燈絲和空氣，透光，保護等作用。

燈絲：是燈泡的發光體，發光時溫度很高，所以有熔點很高的鎢絲制成。為提高燈絲的發光效率和亮度，一般將鎢絲繞成單螺旋絲或雙螺旋絲。鎢絲由芯柱上的鉬絲支架支撐，兩端與導絲連接。

導線：兩條導線由內導線、杜美絲和外導線三部分組成。內導線用來導電和固定燈絲，用銅絲或鍍鎳鐵絲制做；杜美絲在內導線和外導線之間，是一段很短的紅色金屬絲，同玻璃密切結合而不漏氣；外導線由銅絲制成，用來連接燈頭通電。

芯柱：芯柱由鉛玻璃制成，絕緣性較好，連著導絲和玻殼，起著固定導絲的作用。用芯柱中的排氣管把玻殼里的空氣抽走，然后將下端燒焊密封，燈泡就不漏氣了。

燈頭：燈頭是白熾燈電連接和機械連接部分，是連接燈座和接通電源的金屬件。

1.2 發光原理

白熾燈是將燈絲通電加熱到白熾狀態，利用熱輻射發出可見光的電光源。具體過程是燈絲在通電時，不斷將熱量聚集，使得燈絲的溫度達2000攝氏度以上的白熾狀態。這時候組成燈絲元素的原子由于熱量聚集，內能增加，從而處于高能狀態，由于原子核外電子滿足能量最低原理，所以高能態的核外電子由于不穩定會被激發，從而使得其向較高能量的外層躍遷，當電子再次躍遷回低能量的電子層時，多余的能量便以光的形式釋放出來，從而能夠看到發光，并同時產生熱量，故稱之為白熾燈。

1.3 發光效率

普通的鎢絲白熾燈泡的發光效率（電能轉化為光能的效率）僅為2%--8%，中國將在近幾年逐步用電子節能燈代替白熾燈。

1.4 應用前景

白熾燈雖然具有光源小、便宜，通用性大，彩色品種多具有種類極多的燈罩形式，并配有輕便燈架、頂棚和墻上的安裝用具和隱蔽裝置等特點，但也有很多缺點，發光效率低就是其中一個最致命的缺點。

所以，由于白熾燈的耗電量大，壽命短，性能遠低于新一代的新型光源，為了節能環保，保護環境，白熾燈已被一些綠色光源所代替，被要求漸漸退出市場，一些國家已禁止生產和銷售白熾燈。

2 鹵鎢燈

2.1 基本結構

鹵鎢燈是填充氣體內含有部分鹵族元素或鹵化物的充氣白熾燈。一般的白熾燈中，雖然鎢的蒸發率低，但隨著所用時間的增長，蒸發的鎢會積累沉淀在玻殼上，使燈泡的玻殼發黑。而鹵鎢燈可以利用鹵鎢循環的原理消除了這一發黑的現象。為了使燈壁處生成的鹵化物處于氣態，鹵鎢燈的管壁溫度要比普通白熾燈高得多。所以鹵鎢燈的燈殼必須使用耐高溫且強度高的材料制成，一般可用石英玻璃或硬玻璃。玻殼尺寸小，燈內氣壓高，工作溫度高，故燈內的工作氣壓要比一般充氣燈炮高得多。如圖2所示。

2.2 發光原理

發光機制和白熾燈基本相同。但由于燈內的鹵族元素氣體與鎢絲在發光過程中存在鹵鎢循環，所以與白熾燈發光原理存在一定的差異。通電后，燈絲發熱，溫度到達一定高度后，鎢絲被蒸發向玻殼方向移動，當接近玻殼時，鎢蒸氣被冷卻到大約800度并和鹵素原子結合在一起，形成鹵化鎢氣體。鹵化鎢繼續在玻殼內移動，當移動到被氧化的燈絲上時，其遇熱后不穩定的鹵化鎢氣體又會重新分解成鹵素蒸氣和鎢，這樣鎢又在燈絲上沉積下來，彌補被蒸發掉的部分。我們把這一循環過程叫做鹵鎢循環。正是由于鹵鎢循環，燈絲的使用壽命得到了大大的延長，發光溫度可以更高，從而亮度，色溫和發光效率都比白熾燈更高。

2.3 發光效率

發光效率較白熾燈提高15%--20%。

2.4 應用前景

可用在照度要求較高、顯色性較好或要求調光的場所，如體育館、大會堂、宴會廳等。體積小，光維持率達到95%以上，光效和壽命均比白熾燈要好，具有燈絲穩定性和抗震性都優異的特性，燈頭易于聯接。近年來又推出多種節能鹵鎢燈新品種，如“石英冷光射燈”也叫冷光燈。它具有冷光，光照成束，光照角度根據需要可以選擇，有射程功能等特點。這種冷光燈大量應用于商店商場的柜臺，櫥窗里作效果照射和保安產品等。而且由于鹵鎢燈的顯色性特別好，體積小易于裝飾，倍受人們青睞和廣泛使用。信在未來的發展中會越來越好。

3 熒光燈

3.1 基本結構

熒光燈是由放電產生的紫外輻射激發熒光粉而發光的放電燈，是一種低電壓汞蒸氣弧光放電燈。通常為長管狀，兩端各封有一個電極。燈類含有低氣壓的汞蒸氣和少量的惰性氣體。燈管的內壁涂有熒光粉，兩個燈絲之間的氣體導電時發出紫外線，使熒光粉發出可見光。如圖3所示。

3.2 發光原理

啟動時，電流流過電極并加熱，從燈絲向著內發射出熱電子，并開始放電。放電產生的流動電子跟管內的汞原子碰撞，發生紫外線（253.7nm）。這種紫外線照射熒光物質，變成可見光。隨著熒光物質的種類不同，可發出多種多樣的光色。

3.3 發光效率

不同的熒光燈發光效率不同，但一般比較高，有的甚至高達90%。

3.4 應用前景

隨著人們對環保、節能等要求的不斷提高，各個領域對于照明要求的不斷提高，三基色熒光燈系列產品必將憑借其高光效、高顯色性以及環保、節能等技術優勢，充當越來越重要的角色

4 發光二極管

4.1 基本結構

發光二極管簡稱為LED，是一種半導體二極管，它能將電能轉化成光能。一般由含鎵（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等的化合物制成。它的基本結構包括引線架，陽極桿，陰極桿，楔形支架，LED芯片和透明環氧樹脂封裝殼。如圖4所示，LED芯片置于楔形支架上，支架兩端分別接有陰極桿和陽極桿，支架置于引線架上，然后支架四周用環氧樹脂密封，起到保護內部芯線的作用，所以LED的抗震性能好。發光二極管的核心部分是由p型半導體和n型半導體組成的晶片，在p型半導體和n型半導體之間有一個過渡層，稱為p-n結。LED結構圖如圖4所示。

4.2 發光原理

發光二極管由一個PN結組成，有單向導電性。加上正向電壓后，從P區注入到N區的空穴與N區的電子復合，由N區注入到P區的電子與P區的空穴復合，復合時多于的能量以光子的形式釋放出來，從而產生自發輻射的熒光。不同的半導體材料中電子和空穴所處的能量狀態不同。電子和空穴復合時釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發出的光的波長越短。常用的是發紅光、綠光或黃光的二極管。

4.3 應用前景

發光二極管作為一種新穎的半導體光源，具有節能，環保，壽命長，啟動時間短，結構牢固等優點。其應用十分廣泛，不僅可以用作指示燈，顯示光源和信號光源，而且作為21世紀的綠色照明產品，人們預言可以取代白熾燈，熒光燈，鈉燈等用于一般照明。發光二極管作為第三代人工電光源，將會成為最有效的節能環保手段，通過美化生活，改善人類的生存環境，發展照明的新概念和新模式來改善和提高人們的生活質量。

5 總結

5.1 健康的能量來源——太陽能

我們生活中的光源都來自電能，而目前為止我國的發電比例中仍舊是以火電為主。火力發電的諸多弊端是不言而喻的，因此如果可以將“火力——電力——光”結構中的第一環節進行優化，那么我們的照明方式也會變得更“綠色、健康”。

可作為替換的能源結構中，太陽能不失為一個很好的選擇，雖然近幾年人們對于太陽能的利用已經有了很大的提升，但生活中除了太陽能熱水器，太陽能路燈、計算器之外，日常生活中我們似乎很難再見其在別的方面的用處。結合日常所需，如果我們可以把太陽能收集裝置壓縮安裝在便攜式手電筒、小夜燈或別的照明用具上，甚至放置在我們平時可以穿的特制外套上。我們也可以嘗試將太陽能收集裝置外觀進行更改，便于安裝與類似于陸家嘴、外灘等需要大量使用光源的景區景點，利用白天收集的能量來支持夜間燈光；甚至可以多元化裝置的材料，使其能夠隨意彎曲變形，這樣就有可能把它安放在衣服、皮包等各種日常用品上，給我們的生活帶來更多便利。

5.2 廣闊的能源使用范疇

現如今的光源大多應用于照明和裝飾，其實光源還可以有更多的使用空間。

5.2.1 “心理調試劑”

從心理學角度出發，外界光源會對人的心理狀態產生影響，陰天易使人陰郁，晴天則會讓人明朗。所以良好的光源環境在心理治療過程中也是十分重要的，這就需要對光源有更靈活的控制，原理與照明光源的不同亮度相似，只是設計過程要與心理治療方面的專家協同合作，將此種可控光源安裝于治療室、家庭中，以便提供更好的心理休養環境。

5.2.2 “人工自然光”

植物的生長離不開光照，雖然人們總能夠在陰雨連綿帶來的作物欠收甚至顆粒無收的時候找到生存方式，但這種狀況帶來的弊端確是我們始終在竭力避免的。比如蔬菜大棚可以讓作物免遭雨水侵蝕，但是自然地光照卻仍無法解決。

在科技發達的現代社會，我們突破了自然光源的束縛，接下來是否可以用人工的方式創造出“自然光源”呢？若能如此，相信是可以為農業生產帶來福音。英國的研究人員自2005年以來一直在從事著此項工作的探索，他們希望通過毫微科技的研究制造出室內的“自然光線”。

在科技如此發達的今天，相信我們只要“敢想”，就沒有什么“不敢做”的，只要“敢做”，就沒有什么做不到的！科學，使我們人類越來越強大，使我們的生活越來越美好！

參考文獻

[1]方志烈.半導體照明技術[M].電子工業出版社，2005.

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[4]李鐵臣. 發光二極管戶外照明的特點、應用及發展前景[J].魅力中國，2009（13）.

作者單位

上海市南洋模范中學 上海市 200032