天光導(dǎo)引

本刊記者 葉昌元

天光導(dǎo)引

本刊記者 葉昌元

天光是最好的照明光源

太陽給了我們光明，但我們用建筑隔離了光明。于是，我們的工廠、辦公樓、住所，在大白天里也要亮著燈。照明用電是一筆不菲的開銷。

還好，我們有窗戶。但窗戶的局限性很大：隧道不能安窗戶，地下室不能安窗戶，透過窗戶的陽光也不能到達(dá)大廈的深處。于是，還得用電燈。

大廈內(nèi)部沒有電燈照明是不可想象的

從根本上說，電燈的電還是源于陽光：如果是用煤炭發(fā)電，煤炭作為植物的化石，是光合作用的產(chǎn)物，其蘊含的能量還是來自陽光；如果是用水力、風(fēng)力發(fā)電，水的勢能、風(fēng)的動能還是源于陽光—陽光將水蒸發(fā)到高處、使空氣遷徙；如果是用核能發(fā)電，這要涉及地球上物質(zhì)的起源，還是要追溯到太陽那里；如果是用太陽能發(fā)電，就不說了……

那我們?yōu)槭裁匆M那么大的周折，不直接把陽光引到室內(nèi)來照明呢？何況，電燈不可避免地影響健康。

白熾燈的光譜與陽光最為接近，但它將大量的電能變成熱能，能耗高，逐漸被熒光燈所取代。熒光燈類包含節(jié)能燈、環(huán)形燈管、H管等，是目前使用量最大的光源。由于熒光燈的發(fā)光原理是燈管內(nèi)的紫外線激發(fā)燈管內(nèi)壁的熒光粉而產(chǎn)生白光，存在紫外線泄露。泄露量的大小隨燈具的品質(zhì)而不同。在日光燈下工作或?qū)W習(xí)一天所吸收的紫外線，據(jù)稱相當(dāng)于在陽光下曬一小時。另外，熒光燈藍(lán)光成分含量高，可能損傷視網(wǎng)膜。

據(jù)研究，照明對健康的影響不僅是光源的光譜成分，還包括照明驅(qū)動部分的電磁輻射、噪音、光源或燈具的眩光、光源的頻閃、燈具的安全性等多方面。另外，照明光源本身是否存在有害波長，也需要考慮。

電燈使用的是交流電，普通交流電是50Hz，也就是說一秒內(nèi)變化50次。當(dāng)然，我們感受不到這種變化，但不等于不影響眼睛。有人又發(fā)明了每秒變化上萬次的高頻燈。由于人的眼睛根本來不及隨之變化，可以說是“不變”了，達(dá)到護眼的目的。但高頻電的電磁輻射也會增大，比普通白熾燈、熒光燈的電磁輻射大得多，可能會引起另一種傷害。畢竟，高頻閃不等于不閃。

人類沐浴在陽光里進化了億萬年，當(dāng)然最適應(yīng)太陽光線，只需作強弱調(diào)節(jié)。陽光還是我們身體健康的必需品。也就是說，我們應(yīng)盡量直接利用陽光。

如何把陽光導(dǎo)向黑暗空間？

有人做過一個試驗：在水桶的底部鑿一個圓孔，往桶里裝滿水，同時，將燈光從水的上方打向這個孔。桶的底部自然形成一束水流。燈光居然被束縛在這股水流里，順著彎彎的水柱流淌。也就是說，這股水流成為光的導(dǎo)管。

水流導(dǎo)光實驗示意圖

這樣說來，光線是可以“拐彎”的。實際上，光線在導(dǎo)管內(nèi)行進時，不斷被管的內(nèi)壁反射，最后乖乖地順著導(dǎo)管走。如果我們找到這類似的導(dǎo)管，就可以把陽光引到任何地方了。

把陽光導(dǎo)入室內(nèi)的照明系統(tǒng)已經(jīng)研制出來了。其基本構(gòu)成是這樣的：在屋頂放置采光罩，以收集天光；用導(dǎo)光管將光線傳導(dǎo)到室內(nèi)；在室內(nèi)安裝相當(dāng)于燈泡的漫射器，以將光線均勻地發(fā)散出來。另外，再設(shè)一個調(diào)節(jié)器，以調(diào)節(jié)傳到室內(nèi)光線的強弱。

目前使用的導(dǎo)光管多為筒狀，可直可曲，彎管可以有0到90度的彎曲變化。其內(nèi)壁涂以具有高反射性的涂層。涂層材料有陽極電鍍鋁、增強型陽極電鍍鋁、真空條件下制作的銀涂層聚酯材料以及非金屬薄膜。其中非金屬薄膜反射率最高，達(dá)到了99.7%，高反射率可以增加光通量的輸出。以20次反射為例，非金屬薄膜材料管道有94%的光線輸出，可以使得光線在系統(tǒng)中長距離的傳輸。

光導(dǎo)示意圖

陽光帶來溫暖

光纖幾乎可使光線沿任意曲線傳播

光纖，即光導(dǎo)纖維，由玻璃或塑料制成。光線的傳輸利用了全反射原理：光線以一定的角度進入光纖內(nèi)部，在其內(nèi)壁發(fā)生反射，與前述木桶中流出來的水柱里的情形一樣，將光線傳到遠(yuǎn)處。目前，光纖更多地用于通信：將信號轉(zhuǎn)換成脈沖光源，通過光纖傳輸出去，在接收端就收到相應(yīng)的信號。光纖傳輸具有損耗小、容量大（一根光纖里可同時傳遞多個光信號）的特點，比起用導(dǎo)線傳輸電流信號更據(jù)優(yōu)勢。

光纖從本質(zhì)上說是光導(dǎo)介質(zhì)，可直接用于照明。由于光纖具有柔韌的特點，可以把光線引向任意角度—當(dāng)然，其彎曲半徑不能太小，也就是說不能折死角，否則會損害光纖，同時增大傳輸損耗。比如，為解決隧道內(nèi)照明，既可以將光纖直接穿過隧道頂部光，也可以將它從隧道兩端繞進去—這要因地制宜，根據(jù)隧道的實際形狀來設(shè)計。光纖玩具早已開發(fā)出來，據(jù)此，我們可以設(shè)想光纖把陽光傳導(dǎo)到黑暗空間的情形。

光纖玩具

光纖已有很多種類，但主要用于通信。如果大量運用于照明，也許需要改進，比如：增大直徑，進一步減小傳輸損耗—上圖玩具中每根纖維渾身發(fā)亮，說明損耗大。最理想的效果是只有端頭發(fā)亮。這些技術(shù)問題相信不是其普及的障礙。

陽光能儲存、用于夜晚嗎？

如果只是為了節(jié)能，將光纖作為電燈照明的補充，其實用價值會大打折扣—同一個空間里，需布置兩套照明設(shè)備，無疑會增加造價。

實際上，在一些特定場合或空間，只需要照明，基本不需要其他電器設(shè)備，利用天光照明，完全可以擺脫電網(wǎng)或電線，如公路隧道、停車場、體育館、展覽廳、報告廳、教室等。這些地方即便需要少量電力，配備太陽能電池就足夠了。

直接利用天光，最大的問題是夜間照明，尤其是在漆黑的夜晚，因為陽光不好儲存。比如教室，白天上課可以利用天光，但晚上學(xué)生上自習(xí)時怎么辦？

解決的途徑有二：一是利用太陽能電池，白天蓄電，晚上放電，或者說晴天蓄電，陰雨天放電；二是開發(fā)類似磷光的光源—白天吸收陽光，晚上發(fā)光。

人類認(rèn)識磷光已很久。在古代，磷光被籠罩上了一層神秘的色彩—被人們認(rèn)為是鬼火。17世紀(jì)初，有人發(fā)現(xiàn)，一種含硫酸鋇的石頭經(jīng)陽光照射被移到暗處后，會繼續(xù)發(fā)光。經(jīng)過幾個世紀(jì)后，人們才弄清楚這一現(xiàn)象的發(fā)光原理與發(fā)光過程。1845年，Herschel報道硫酸奎寧溶液經(jīng)日光照射后發(fā)射出強烈的光。

當(dāng)分子吸收入射光的能量后，其中的電子從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的電子將以發(fā)光、發(fā)熱的方式釋放其能量回到基態(tài)。這個過程從10秒到數(shù)分鐘乃至數(shù)小時不等。當(dāng)入射光停止后，物質(zhì)中還有相當(dāng)數(shù)量的電子繼續(xù)保持在亞穩(wěn)態(tài)上并持續(xù)發(fā)光直到所有的電子回到基態(tài)。根據(jù)余輝的長短將晶體的發(fā)光分成兩類：熒光和磷光。物體發(fā)熒光的時間很短，幾乎是入射光停止而停止；而磷光的退激發(fā)過程很緩慢，相當(dāng)于將入射光儲存。所謂的“在黑暗中發(fā)光”的材料通常都是磷光性材料，如夜明珠。

1962年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種蛋白，它在陽光下呈綠色、鎢絲下呈黃色、紫外線下發(fā)強烈綠色。其后他們仔細(xì)研究了其發(fā)光特性。1974年，他們提取到綠色熒光蛋白GFP。水母素在鈣刺激下發(fā)光，其能量可轉(zhuǎn)移到GFP，刺激GFP發(fā)光。這是物理化學(xué)中知道的熒光共振能量轉(zhuǎn)移在生物中的發(fā)現(xiàn)。

螢火蟲也有類似的發(fā)光特性。

分子吸收光能、釋放光子的原理

美國田納西州螢火蟲點亮夜間森林

螢火蟲的發(fā)光細(xì)胞位于腹部后端的下方。發(fā)光細(xì)胞內(nèi)有熒光素和熒光素酶。熒光素接受高能化合物ATP提供的能量后就被激活。在熒光素酶的催化作用下，激活的熒光素與氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成氧化熒光素并且發(fā)出熒光。熒光是一種冷光—幾乎不發(fā)熱，其發(fā)光效率可高達(dá)98%左右?？茖W(xué)家已成功地從螢火蟲體內(nèi)分離出螢光酶和ATP，并用化學(xué)方法合成了螢光物質(zhì)，制成了不需電源的生物光源，在礦井、深水排雷等領(lǐng)域發(fā)揮了獨特的作用。

追根溯源，水母、螢火蟲身上的光也來自太陽。

我國晉代就有囊螢映雪的勵志故事。將螢光或水母素用于規(guī)模化的照明，也許并不遙遠(yuǎn)。