高效节能照明产品的发展历程

１ 前言

科学的理性精神在于揭示自然规律；科学的人文及精神在于关注人类自身探索善与美，只有综合两者才能将高效节能照明产品推向新的科学峰巅。

现代科学文化犹如参天古柏，一方面是枝叉越分越细；一方面是相邻枝叉又相互交织融合在一起。人文科学与自然科学是其中两枝主干，自然科学又分为基础科学与应用科学，或分为理科与工科。

著名物理学家周培源曾说：“理是按自然物质运动形式的特殊性来划分的，理科的任务在于对客观世界物质运动规律进行探讨，理科的任务既要培养当前所需要的自然科学工作人员，又要培养为国家今后发展生产、发展科学的理论人员。工科是按生产部门进行分类，并以自然科学规律的综合运用，作为它的组成部分。”

中国科学院院士谈家桢认为各个学科的相互渗透是当前科学发展规律的必然趋势，基础科学与应用科学休戚与共，自然科学与社会科学结为同盟。中国科学院院士朱清时认为二十一世纪科学发展需要自然科学和社会科学走向交叉综合。钱三强先生提出２１世纪应是交叉科学的时代。交叉科学不只是自然科学内部的交叉，而应包括自然科学与社会人文科学之间的交叉，即文理结合的交叉。

２ 基础科学对应用科学的促进

２．１ 二十世纪科学与技术的革命

中国科学院院长路甬祥指出：从二十世纪初普朗克提出量子论开始，物理学就进入了长达三十年的革命时期。从古典物理学的危机中诞生出二十世纪物理学的两大重要成果，量子力学和相对论。相对论否定了牛顿物理学的绝对时空；量子力学则否定了牛顿物理学的决定论的因果律，代之以概率论的因果论。人类对物质与能量、时间与空间、自然观与真理观的认识都发生了巨大的变化，对于21世纪的各个思想领域都产生了深远的影响。相对论和量子力学又分别是原子能技术和微电子及计算机技术的物理基础，这两项技术对于人类生存状态产生的影响也是不可估量的。量子力学和相对论不仅是物理学的突破，也是人类思想的巨大飞跃。

爱因斯坦有关光速的新概念，也使色彩的观念发生了变化。色彩在相对论看来也是相对的。以高速离开观察者的物体会呈现光谱红区一段的色调，而趋向观察者的物体则呈现蓝区一端的色调。按照狭义相对论，在很高的速度下，色彩会随运动发生变化。因此，色彩不仅取决于物体的原子结构，也有赖于物体相对于观察者的运动速度和方向。

２．２ 科学与技术的一体化

自工业革命之后，科学与技术的结合越来越紧密，在社会生产、技术和科学三者的关系中，科学逐渐成为第一要素，原来的社会生产－技术－科学模式已经转化为科学－技术－生产模式。从科学到技术的周期越来越短，电磁波理论预言到电磁波进入实际应用长达３７年，而从激光原理的发现到激光器的应用只有两年。基础科学促动了应用科学的发展，科学迅速转化为技术，进入生产领域，直接成为改造人类生存状况的巨大力量。反过来，新的技术又为科学探索提供了新的手段。在尖端科学和高新技术领域，科学技术已经形成一体。

３ 基础科学与应用科学的汇合

世界上大多数的人造光是由三类过程产生：物体加热特别是固体的白炽发光；气体放电中原子和分子的直接辐射发光；以及由紫外转换为可见辐射的发光。二十世纪五十年代在灯泡中充入卤以形成卤－钨循环，使蒸发沉积的钨重新回到 灯丝，以提高电灯光效并延长寿命。电灯妆点了城市，照亮了生活，也带来了新的艺术形式。在元宵灯节用电灯取代各种民族形式灯具中的光源，使许多花灯及宫灯都得到保留并创新。

量子理论在二十世纪建立以后，发光学从观察、归纳、总结的经验科学中找到它的物理内涵，量子力学的出现使得物理学成为化学的基础。确定能级及能级间的跃迁是发光现象的核心，这样，发光学的物理机理及应用都得到了很大的发展。

３．１ 物理学、化学的科研成果孕育了霓虹灯的诞生

英国化学家物理学家克鲁克斯研究发现，如果先把灯管抽成真空，再充入一种惰性气体，加上高电压，放电的结果就会使气体发光。气体发光的基本原理是：高压电流通过气体原子受到电子碰撞，受激上升到较高能量的状态。然后，激发了的原子会辐射能量，发射光子，再回到它的原状态。每一种原子的能级依其各自的特性而定，有独特的量子跃迁和辐射光波长。法国化学家克劳德发现，充入氖气的灯管可发出耀眼的红光。由此，氖气灯很快被用于制作广告招牌，大大促进了商品展销和娱乐场所的建立，也给城市的夜生活带来了活力。

目前，科研人员已研制出一系列的霓虹灯色彩，如在灯管内充入氪气，就得到橙光带绿光；充入氙气，得到蓝光；充入钠蒸气得到黄光。有时可在灯管内壁上涂一些稀土荧光粉，根据需要可选择霓虹灯的发光颜色，五光十色的霓虹灯，已成为城市中一道道亮丽风景。

３．２ 荧光物质与荧光灯

最早对荧光物质进行研究的是法国物理学家贝克勒耳，１８６７年他就制造出简单的荧光灯，后来贝克勒耳又因放射性的发现与居里夫妇一起荣获诺贝尔物理奖。

１９３８年荧光灯的实用化是照明光源的一次革命性进展，也开创了发光材料在照明光源上应用的历史。在荧光灯问世之前，发光材料的研究主要在科研机构里进行。在这之后，工业部门的实验室也陆续成为发光材料的研究、开发和应用中心。历经六十多年，随着科技的发展，荧光灯品种不断发展——直管荧光灯管精细化、高显色荧光灯、紧凑型荧光灯、无极荧光灯等；应用范围逐渐扩大——由普通照明到特殊照明；发光性能显著提高——光效由二十世纪五十年代的４０～５０ｌｍ/Ｗ到现在的８０ｌｍ/Ｗ甚至更高。与此同时，另一类照明光源——高压汞荧光灯的光效和显色性能也取得了很大的进步。

荧光灯和高压汞荧光灯的进展离不开发光材料的开拓和进步，同时又对发光材料提出了更高的要求，进一步促进了灯用发光材料的发展。

科研人员不断对荧光灯进行研究改进，今天我们所用的荧光灯，灯管内安装涂有氧化物的螺旋形灯丝，管内充有微量金属汞及少量的氩等惰性气体。荷兰飞利浦公司合成的三基色稀土荧光粉，发射６１１ｎｍ的红粉、５４５ｎｍ的黄绿粉和４５０ｎｍ的蓝粉，按一定比例混合涂在荧光灯管壁上，不仅可以制成产生暖白色光或冷白色光的荧光灯，还可制成产生彩色的荧光灯。荧光灯进入商业领域中，很快被艺术家用来创作。美国艺术家伏拉文率先采用荧光灯做成发光的雕塑。近年来，中国艺术家也积极探索用光进行创作，２００１年在北京举办的艺术与科学国际作品展中，很多作品就采用了霓虹灯和荧光灯。

Ｃｏｌｄ　Ｃａｔｈｏｄｅ　Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ　Ｌａｍｐ简称ＣＣＦＬ，中文译名为 冷阴极荧光灯管，是一种新型的照明光源；由于ＣＣＦＬ灯管具有灯管细小（灯管直径为Φ４ｍｍ）、结构简单、灯管表面温升小、灯管表面亮度高、易加工成各种形状等优点；广泛应用于显示器、照明等领域。

ＣＣＦＬ冷阴极荧光灯管的物理构成是在一玻璃管内封入隋性气体Ｎｅ＋Ａｒ混合气体，其中含有微量水银蒸气（数ｍｇ），并于玻璃内壁涂布荧光体。冷阴极荧光灯管通过灯管两端的电极，让灯管内的气态汞激发的紫外线碰撞管壁上的荧光粉，从而发出光线。其波长由荧光体物质特性决定。当高压加在灯管两端后，灯管内少数电子高速撞击电极后产生二次电子发射，二次电子发射是ＣＣＦＬ中一个阴极重要过程。当正离子运动至阴极表面时，与阴极材料中的自由电子复合，同时释放出电离能；阴极中其它电子获得该电离能后，克服表面势垒而脱离阴极向外发射，这就是所谓的二次电子发射，是一种间接的场发射过程。与此同时，正离子也会在阴极表面近区域形成正离子云，该正离子云相对于阴极如同外加一正电场，故也存在直接的场发射。所以，ＣＣＦＬ即可以用直流驱动，也可以用交流驱动。ＣＣＦＬ作为一种新型的室内外照明产品，同传统荧光灯相比，具有以下特点：

颜色：超过２０种颜色供选择。色彩纯正柔和，传统线条灯无法比拟；可形成多种色度坐标的光源并具有高亮度。

节能：每米功率为１５~２０Ｗ，可通过调光系统调光。冷阴极灯运行相当稳定，一般在使用过程中不需要维护，可以大大节能用户的维护成本。灯管能适应环境结构，可弯曲制成一定形状；可根据现场实际需要进行加工。

不闪烁：冷阴极灯管发光原理具有不闪烁的特性，不会对眼睛造成视力伤害，旧型日光灯依靠闪烁发光，尤其是启动及使用寿命快到时，闪烁特别严重，对视力会造成伤害。与新一代照明光源ＬＥＤ相比，冷阴极灯管也具有其不可比拟的舒适优势，众所周知ＬＥＤ白光实际上是蓝光，蓝光激发荧光剂产生黄光，在光色原理中，蓝光和黄光混合产生白光。但这种白光是缺相的，即光中少了红橙绿青紫，人眼看起来非常不舒服，且刺眼。但冷阴极光源是线性均匀的自然白光，给人眼更自然舒适的感觉，目前，国外欧美发达地区都主推ＣＣＦＬ光源用于照明，而不是ＬＥＤ。

高亮度：冷阴极管灯具照度比传统灯具高４０％，而且 灯罩面配光均匀度较佳，没有传统灯具照射时的重影现象。同时因为亮度的增加，可以减少灯具的使用，大大减少商家的照明成本，譬如原本需要１０００支荧光灯管的工厂，使用冷阴极管灯具只需要６００支可以达到原来的亮度。

长寿命：冷阴极灯管采用低温发光原理，平均寿命５００００h以上，相对于旧型日光灯平均寿命３５００~７０００h，寿命足足增加约１０倍，就算一天２４h开灯也能使用５年以上，免除旧型日光灯必须常常更换耗材的困扰，同时为商户减少了更换灯具的费用。

高显色性：冷阴极灯管由细小体积光源设计，有效控制光源输出品质，色彩亮丽饱和自然，由于低温特性及超长寿命、光衰质优良等特性，长期使用不造成色彩失真。

超低ＵＶ光：冷阴极灯管管壁内吸收ＵＶ辐射能后发射光线，隔离大部分紫外光线，避免皮肤受紫外线伤害，旧型日光灯管无法隔离大部分紫外光线，长期照射下，会造成皮肤黑色素沉淀及老化。

低温启动：冷阴极灯管使用于室温２５℃时，平均温升仅７℃，灯具温度约３３℃，相对于旧型日光灯使用时平均温升达２０℃，灯具温度高达约４７℃，更能提升室内空调运转效率，并可节省用电。同时，低温运转可以降低火灾发生的几率，使灯具更加安全。

ＣＣＦＬ技术产生发展至今已经十几年，其技术应用已经没有障碍。ＣＣＦＬ比传统日光灯或节能灯更加省电、更加长寿，为商户节省更多运营成本，为国家节省更多能源，同时又是高环保绿色产品，其优势明显。

ＣＣＦＬ与ＬＥＤ相比，节能效果差不多，而白光照明省电则比ＬＥＤ略胜一筹。此外，ＬＥＤ的价格比ＣＣＦＬ高出几倍，所以在照明方面ＣＣＦＬ将获得更多商户的青睐。虽然目前厂家很看好ＬＥＤ，但基于ＬＥＤ在照明应用领域中存在的诸多问题，例如：ＣＣＦＬ灯发光均匀，容易形成面发光光源；相比之下ＬＥＤ则为点光源容易产生眩光等，因此在相当长的历史阶段很难在室内照明用ＬＥＤ灯取代ＣＣＦＬ.现在，许多欧洲国家也在大力主推使用ＣＣＦＬ照明，而并非ＬＥＤ.由于冷阴极荧光灯具有上述优点因而广泛适用于星级宾馆、楼宇、桥梁、酒店、公园广场景观轮廓照明等。

３．３ 科学与技术开发的结合是激光产生的关键

近代科学技术如放电物理学、固体物理学、等离子物理学、气体物理学的发展为激光技术的诞生提供了条件。激光是迄今人类所制造的能量最强、形式多变的光。

１９６０年，梅曼（Ｍａｉｍａｎ）使用固态的红宝石棒作为介质，利用红宝石的量子跃迁制造光束，做出世界上第一台红宝石激光器。此后各国科学家又陆续开发出各种激光器，如氦氖激光器、二氧化碳激光器、氩气激光器等。这些激光器的出现，使激光谱线越来越丰富，红宝石激光器输出波长为０．６９４３微米，砷化镓半导体激光器输出波长为０．８５微米，二氧化碳激光器输出波长为１０．６微米。

每一种激光都会产生相干性高的光，其功率可以很大，例如二氧化碳激光器输出功率高达60kW.激光与 白炽灯的光不同，白炽灯的热反应过程较慢，而大多数激光所产生的光都是极短的闪光，因为量子跃迁几乎是瞬间发生。

激光在洛杉矶万国画室的巡回演出中发挥了重要的作用，在千姿百态的舞台效果里，有一条１８英尺高的巨龙从它的眼睛里发射出两束氩离子激光，演出极为生动。

３．４ 半导体物理化学是ＬＥＤ诞生的基础

物质结构、量子化学和半导体物理化学等基础科学的进展带动了发光材料的发展，是ＬＥＤ发光材料诞生的基础，其中以ＬＥＤ大屏幕目前最引人注目。

二十世纪六十年代，科学家研究发现：对某些化合物半导体晶体上通以电流可以促使其发光。可见光发光二极管进入商品化阶段最早要追溯到１９６２年，当时在美国通用电气公司工作的Ｈｏｌｏｎｙａｋ博士用化合物半导体材料磷砷化镓研制出第一批发光二极管。

随着近年来半导体的基础研究以及相关制备技术不断取得新的成果，发光二极管的研制有了飞速的进展，性能明显提高，大大扩展了发光二极管的应用领域。发光二极管在显示与照明方面的应用得到了越来越多的重视。自从ＧａＡｓＰ　ＬＥＤ开始，连续不断的科研成果使ＬＥＤ的发光效率（ｌｍ/Ｗ）提高的速度达到每１０年提高１０倍，３０年中提高了１０００多倍，不同的芯片材料发出不同波长的光，这是因为自由电子由高能价带落入到能量较低的价带时释放出的能量不同。理论和实践证明，ＬＥＤ所发出光的峰值波长λ与发光芯片所用半导体材料禁带宽度Ｅｇ有关，即λ≈１２４０/Ｅｇ（ｎｍ），式中Ｅｇ单位为电子伏特（ｅｖ），例如砷化镓Ｅｇ＝１．４３ｅｖ，峰值在近红外区，而磷化镓Ｅｇ＝２．２６ｅｖ，放光峰值在绿区，对于ＧａＡｓ等半导体材料或它们的组合晶体ＧａＡｓＰ，其禁带宽度对应的发光波长正好处于３８０～７８０ｎｍ的可见光区域，从而为ＬＥＤ的发展与应用开辟了广阔的空间。ＬＥＤ的发展历史是从芯片发光材料的研制开始的，每次发光材料研究的突破都使ＬＥＤ的发展进入一个新的阶段，从ＧａＡｓＰ、ＧａＡｌＡｓ到ＩｎＧａＡｌＰ，红色ＬＥＤ的发光效率提高了近１０００倍。20杨纪90年代初以氮化物为代表的宽带半导体材料获得了突破，在ＧａＮ基质材料上实现了蓝色和纯绿色发光，填补了半导体短波发光的空白，经过短短的几年，其效率已经接近或赶上红色ＬＥＤ，使得ＬＥＤ成为三基色完备的发光体系。

ＬＥＤ与白炽灯和荧光灯相比有若干优势，它更小型（晶体可切成比笔尖还小的正方体），更轻便，更坚固（没有玻璃壳）；低能耗（耗电可低到白炽灯的十分之一），寿命长（是普通灯泡寿命的十几倍）。ＬＥＤ将引发一场白炽灯问世以来的新光源革命，在21世纪会深刻地影响社会、经济和文化，也会影响艺术和其它艺术形式，例如新建的高科技大厦都采用ＬＥＤ作装饰，夜晚看来整个大厦轮廓鲜明，并给人一种流光飘逸的感觉。

ＬＥＤ的高亮度使其在室外大屏幕中占有优越的位置。美国时代广场的纳斯达克全彩屏，面积为１２０英尺×９０英尺，相当１００５m2，由１９００万只超高亮度，红、绿、蓝色ＬＥＤ制成。

随着ＬＥＤ显示屏应用于各种重要场合，人们对ＬＥＤ显示屏颜色质量提出了更高的要求；而ＬＥＤ显示屏颜色质量的不断提高，又将不断拓宽ＬＥＤ显示屏的应用和使用价值。在繁华路段可看到用ＬＥＤ做成的室外大屏幕广告，其亮度高达５０００ｃｄ/ｍ２，是液晶电视（ＬＣＤ）、等离子电视（ＰＤＰ）和ＤＬＰ无法达到的。中央电视台春节晚会上有时采用ＬＥＤ做舞台背景，配合歌唱和舞蹈表演，大背景不断变换，给全国观众留下美好的印象。

未来科学与技术的结合，基础科学和应用科学的结合以及相互作用和转化，将变得更加紧密和迅速。新发现将以更快的速度向应用技术开发和规模产业转移。许多科学新发现和新理论的验证将更加依赖于新技术手段的建立，依赖于重大装置和新测量仪器，高技术和人类可持续发展也将不断提出新的科学命题。

要使夜景灯光达到再现自然，还要努力做到超过自然的魅力，这个任务是十分艰巨的。为了达到这个目的，需要几种光源联合使用，其中投光照明主要突出建筑物的主体形象和立面质感，要充分考虑光源和建筑物面光谱特性的和谐一致程度，这样不仅有利于达到满意的艺术和光色效果，也有利于节约能源。

自然科学与文学艺术不是对立的而是相互统一、相互融合的。李政道教授曾对科学与艺术做出了精辟的论述，他认为科学与艺术是不可分割的，它们共同的基础是人类的创造力，它们追求的目标都是真理的普遍性。科学与艺术的思维形式各有特点，各有侧重，但在认识世界、改造世界的时候，常常又是交叉互动的。从思维过程看，科学工作常常源于形象思维而最终从逻辑思维中形成理论，因此自然科学与文学艺术不是对立的而是相互统一、相互融合的。

只有在化学学科体系内不断合成和诞生新的发光物质，才有可能使物理学科体系内不断提高光源的发光效率；在技术科学体系内从工艺上付诸实现；这是一个永恒发展的主题，又是一个互有联系的科学交响乐。相信在科学家、发明家和工程师的共同努力下将奏出新的科学凯歌。

科学发现和技术发明，是创新的不竭源泉，未来的新光源必定会带来更新的艺术表现形式。科学、技术和艺术，将会共同描绘人类的美好蓝图。