照明光源的發(fā)展歷程及未來展望

陳大華

(復旦大學電光源研究所，上海 200433)

1 人造光源的演變過程

光在人類的發(fā)展史中作用非凡，它與空氣和水一起，成為人類生存的最基本的三要素。人工照明的最初形式是用火發(fā)光，這個階段一直延伸了幾千年。西方國家這個階段的人工照明主要是應用燃燒浸潤在動物脂肪中纖維制成蠟燭，而我國則采用的是植物油脂代替動物脂肪制成了油燈。在漫長的人類照明發(fā)展史中，光源就是蠟燭和油燈。19世紀初人們有了煤氣燈, 但直到1879年愛迪生成功發(fā)明和推廣應用了白熾燈，人類才開創(chuàng)了電光源照明的新時代。1959年，研究人員根據(jù)鹵鎢循環(huán)原理制成鹵鎢燈，由于其顯色性好、光色宜人、體積小和壽命長等優(yōu)點，受到人們的青睞和廣泛使用。氣體放電燈最早燈內(nèi)充氖氣，發(fā)出桔紅色光；充氬氣，發(fā)出藍紫色光；充二氧化碳，發(fā)出白色光。1911年,美國發(fā)明家Peter Cooper Hewitt申請了低壓汞燈的專利，該燈是熒光燈的雛形。之后，美國通用電氣(GE)的George Inman 改進了設計,制成第一個實用的熒光燈,并于1939年在紐約和舊金山世界博覽會上展出。熒光燈的光效和顯色指數(shù)的優(yōu)勢，讓它一度占據(jù)了室內(nèi)照明光源應用80%的市場。1923年，康普頓和范沃希斯點燃了第一只低壓鈉燈，光效達每瓦200多流明，但直到1932年以后，低壓鈉燈才真正進入市場。1927年，德國科學家Edmund Germer申請了高壓汞燈的專利發(fā)明。1932年，第一支高壓汞燈的進入市場銷售，標志著高強度氣體放電燈(HID)時代正式開始。1961年,GE的Gilbert Reiling申請了第一個金屬鹵化物燈的專利，并在1964年的世界博覽會上展出。1965年,GE公司發(fā)明的高壓鈉燈問世。目前高壓鈉燈和金鹵燈仍然是照明市場所需的產(chǎn)品。

基于半導體材料的發(fā)光二極管(LED)在百年前已引起人們的關注[1-7]，但直到1962年GE先進半導體實驗室才發(fā)明了第一個GaAsP(磷砷化鎵)的紅光LED光源，在驅動電流為20 mA時，光通量只有0.005 lm，光效約0.1 lm/W。20世紀70年代初期到中期，LED光效提高到1 lm/W，而且光色豐富不少。到了20世紀80年代，出現(xiàn)了GaAlAs(砷化鎵鋁)LED光源，光效達到10 lm/W。20世紀90年代初，開發(fā)出了發(fā)紅光、黃光的GaAlInP(磷化鎵鋁)LED和發(fā)綠光、藍光的GaInN(氮化鎵銦)LED，相應的光效又得到大幅度的提高。與此同時，單顆LED光源的功率和光通量也在迅速增加。起先LED的驅動電流僅為20 mA，到了20世紀90年代，一種代號為“食人魚”(Piranha)的LED的驅動電流增加到了50～70 mA，而代號為“梭子魚”(Barracuda)的LED光源驅動電流達到300～500 mA，目前已有驅動電流為安培量級的大功率LED光源。20世紀90年代，第一只藍光LED誕生，1997年研究人員成功開發(fā)生產(chǎn)出了由藍光激發(fā)熒光粉而產(chǎn)生白光的LED照明芯片。21世紀初以來，LED光效不斷提高。白光LED照明的出現(xiàn)，使人類真正進入了LED照明時代。從人類使用火炬到應用傳統(tǒng)光源以及LED光源，這正是照明光源的發(fā)展歷程。而研發(fā)與制造高光效、長壽命、少污染、光色好、價格低的電光源，則是電光源發(fā)展的方向與趨勢。

2 我國照明電光源的發(fā)展歷程

我國電光源工業(yè)起源于19世紀80年代。清光緒五年四月初八(1879年5月28日)，公共租界工部局電氣工程師畢曉浦，在上海虹口乍浦路一座倉庫里，成功試驗了碳極弧光燈，宣告中國第一盞電燈問世。清光緒八年(1882年)二月，英國人開辦上海電氣公司，并沿上海外灘到虹口招商局碼頭一帶架設6.4 km長的線路，串接著每盞亮度為2 000支燭光(2 038 cd)的15盞弧光燈。同年6月12日下午7時，電廠開始供電，夜幕下15盞燈齊放光明，這引起不小的轟動。清光緒十六年(1890年)閏二月，上海開始用白熾燈供家庭照明。美國奇異電器公司(又稱通用電氣公司)，于1917年在上海投資100萬兩白銀開設子公司，用鎢鉬材料生產(chǎn)奇異牌白熾燈泡，年產(chǎn)量為5萬只。1921年，我國民族工商業(yè)者胡西園等成功試制了第一只國產(chǎn)白熾燈，并于1923年買下甘肅路德商奧本公司電器廠，聘任奧本為工程師，開設中國亞浦耳電器廠；1929年，甘鏡秋等民族工商業(yè)者又創(chuàng)辦了華德電光股份有限公司，生產(chǎn)真空長絲燈泡。第一次世界大戰(zhàn)期間，歐美各國忙于應對戰(zhàn)爭,我們照明企業(yè)得到了發(fā)展機遇，除亞浦耳、華德電光兩家規(guī)模較大外，相繼開辦了20余家中小型光源工廠。第一次世界大戰(zhàn)結束后，國外資本卷土重來。1932年，美國奇異(GE)、德國亞司令(OSRAM)、荷蘭飛利浦(Philips)、匈牙利太斯令(TUNGRAM)4家外企組成電光源工業(yè)托拉斯中和燈泡公司，年產(chǎn)燈泡500萬～600萬只，搶占了中國市場。民族電光源工業(yè)雖遭到了嚴重打擊，但在浙江大學、齊魯大學、中山大學等單位和市民的支持下，民族電光源工業(yè)還是得以維持，并得到了發(fā)展。1947年前后，華德燈泡廠、中國亞浦耳電器廠、中國熒光燈廠開始試制生產(chǎn)熒光燈。新中國成立后，亞浦耳燈泡廠于1959年更名為上海亞明燈泡廠。作為中國電光源生產(chǎn)的開拓者和先驅的胡西園先生和甘鏡秋先生等人的豐功偉績應該永載史冊，讓我們永不忘懷。

更為重要和值得我們記載的是我國近代光源的發(fā)展歷程。1960年初，復旦大學物理系蔡祖泉教授與他率領的研制小組，依托復旦大學多年從事真空物理科學的基礎，開始從事我國現(xiàn)代光源的研制工作。經(jīng)過艱辛的起步和努力的工作，在20世紀60年代初，成功開發(fā)了國產(chǎn)的碘鎢燈和高壓汞燈，并很快在工廠實現(xiàn)批量生產(chǎn)，隨后他們又繼續(xù)成功開發(fā)了長弧氙燈、短弧氙燈、氪燈、氫弧燈、超高壓短弧汞燈、光譜空芯陰極燈、氘燈、高壓鈉燈和金屬鹵化物燈等一系列新光源，并于1965年起在復旦大學連續(xù)三年成功舉辦了元宵節(jié)新光源展示會。1978年，復旦大學電光源研究所正式成立，同時在舉辦了多屆約1萬多企業(yè)科技人員參加的短訓班以后，1984年經(jīng)國家教委批準創(chuàng)辦了復旦大學光源與照明工程系，多年來已為國家培養(yǎng)了2千余名該領域的博士、碩士和本科生。2007年，LS11國際電光源科技研討會在復旦大學成功舉辦，500多名照明科技人員參會，其中有300余人是外籍科技人員。這奠定了改革開放以來我國電光源科技在國際照明領域的影響力和地位。

20世紀80年代中后期，復旦大學電光源研究所研發(fā)出我國第一支節(jié)能燈，通過引進我國臺灣地區(qū)、韓國、日本和歐洲的節(jié)能燈生產(chǎn)線，很快在上海燈泡三廠、上海特燈二廠等實現(xiàn)了節(jié)能燈的產(chǎn)業(yè)化，同時我國科技人員也開始研發(fā)自己的節(jié)能燈自動化生產(chǎn)設備。1990年，由東南大學、復旦大學共同開發(fā)研制了節(jié)能燈的自動化生產(chǎn)線，經(jīng)過幾年艱苦努力終于取得了成功，從而為國產(chǎn)節(jié)能燈行業(yè)提供了價廉質優(yōu)的設備，使我國節(jié)能燈的產(chǎn)量占到全球總產(chǎn)量的80%以上，并大量銷售到世界各國，受到大家普遍的好評和歡迎。

進入21世紀，中國照明產(chǎn)業(yè)獲得空前發(fā)展，主要集中在廣東、福建、浙江、江蘇和上海等地區(qū)，即珠江三角洲和長江三角洲，目前已出現(xiàn)向我國中部和西部延伸發(fā)展的趨勢。當前我國已成為包括LED光源在內(nèi)的電光源生產(chǎn)和銷售的大國，但在自主知識產(chǎn)權上仍亟待我們繼續(xù)努力和奮斗，我們絕不能有絲毫的松懈和自滿，只有不忘初心、砥礪前行，才能實現(xiàn)照明強國的目標。

在這里，筆者情不自禁要引用蔡祖泉教授生前好友周勤之院士對我國光源發(fā)展的看法：“我不是電光源專家，但是光源對我的影響不禁讓我想起了往事。我1927年生于上海，到四歲那年父母雙亡，家中只我和祖母二人，這時發(fā)生了一·二八事變，祖母將我送往浙江上虞瀝海所外婆家避難。瀝海所在杭州灣口，是戚繼光屯兵抗倭寇駐地，在那里也只外婆與我二人，鄉(xiāng)下用煤油燈，此外人們昏暗不明。八歲時返上海，初到上海見到電燈。當時在南市，路燈是十支燭光，昏昏沉沉的，但比之鄉(xiāng)下則覺光亮的多，第二年慶祝英皇加冕，南京東路外灘所有大廈都用燈泡按建筑輪廓排好燈泡，估計用了幾十萬個燈泡，晩上開燈，金碧輝煌，當時是奇觀。到讀四年級時發(fā)生了八·一三事變，我在南市的住房給日本人燒了，于是逃難到租界里來，當時年幼無知只感到租界里比南市亮多了，抗日戰(zhàn)爭勝利后也就住在租界不回去了。之后出現(xiàn)了日光燈，比電燈亮得多也舒服得多。以后出現(xiàn)了節(jié)能燈，家中多換上了節(jié)能燈，問題是壽命不長，當時燈泡的鎢絲是進口的。上海燈泡廠首先拉出了鎢絲，該廠的總工程師鄭良永因此評上了勞模，我第一次用LED是在光柵讀Moore條紋時作光源用，感覺很好，但是很難買到。以后LED發(fā)展起來了，外灘大廈的照明都用了泛光燈，不但顏色鮮艷而且?guī)兹f只燈泡的輪廓也消失了。有一次我去浙江，晚上坐船看到浦江兩岸燈火輝煌，對比一下，國外也不過如此。我國的照明不限于此，還在不斷發(fā)展，說明改革開放的威力以及我國科學家的不斷創(chuàng)新?；叵朐跒r海所的昏暗油燈下的日子，恍如隔世，在此我衷心向我國科學家致敬，祖國靠你們的努力不斷強大起來！”

3 傳統(tǒng)光源的生產(chǎn)和應用情況

1)白熾燈的淘汰已成為歷史的必然。白熾燈是人們熟悉和喜愛的產(chǎn)品，但科技進步淘汰舊產(chǎn)品是不以人們的意志而轉移的。目前白熾燈正處于被淘汰的進程之中，2007年3月上旬舉行的歐盟理事會首腦會議上，歐盟各成員國政府達成了到2020年二氧化碳排放量比1990年降低20%的協(xié)議，并一致同意將節(jié)約能源、減排廢氣、保護氣候作為未來歐盟社會進步與經(jīng)濟發(fā)展的重要戰(zhàn)略指標之一，決定兩年內(nèi)在歐盟停止普通照明用白熾燈的生產(chǎn)。我國全面淘汰白熾燈的規(guī)劃也已啟動。逐步淘汰白熾燈的活動目前已遍布五大洲，民用普通白熾燈的市場將逐步萎縮，但白熾燈柔和溫暖舒適的光譜特性使其在某些特殊場合、特殊應用、特殊造型或對光照質量要求很高的場合還有存在的價值。此外人們懷舊的情懷也會讓白熾燈的應用延續(xù)相當長的歷史時期。

2)熒光燈產(chǎn)品逐步退出照明領域。熒光燈自20世紀30年代末發(fā)明至今，始終在不斷完善和改進之中，其產(chǎn)品琳瑯滿目，如20世紀80年代初開發(fā)的緊湊型熒光燈(CFL)、20世紀80年代后期出現(xiàn)的高頻熒光燈、20世紀90年代推出的T5(直徑為16 mm)細管徑熒光燈，以及細管徑及超細管徑熒光燈、無極熒光燈、陶瓷電極熒光燈(CPFL)、平板熒光燈和低汞及無汞熒光燈等等，并且都取得了可喜的進展和成功，但其燈內(nèi)含汞，會對環(huán)境產(chǎn)生污染和危害，因此也正處于逐步地被性能更優(yōu)異的LED光源替代的階段。

3)高強度氣體放電燈的現(xiàn)狀。高強度氣體放電燈(HID)的主要品種是高壓鈉燈及金屬鹵化物燈，它們常見的功率從70 W到1 500 W。其中陶瓷金鹵燈是HID光源發(fā)展中引人注目的成果之一。陶瓷金鹵燈采用半透明氧化鋁陶瓷為電弧管管殼，使燈運轉溫度比石英電弧管的高200～300 K(約1 500 K)，從而使得鹵化物蒸發(fā)充分，光效更高(約100 lm/W)。小功率陶瓷金屬鹵化物燈的規(guī)格有50 W、70 W、100 W、150 W。超小功率金屬鹵化物燈有10 W、15 W、20 W、25 W、30 W、35 W等規(guī)格，分別用于室內(nèi)外、汽車、國防等一般照明與特殊用途照明。目前雖然HID受到LED光源的沖擊和替代，但它的生產(chǎn)和應用仍有一定的市場。

4 現(xiàn)代光源的發(fā)展情況與趨勢

隨著21世紀時光的流逝，LED光源進展神速，它具有體積小、抗震動、亮度高、可調光、維修和更換簡便，以及壽命超過5萬h的諸多優(yōu)點，可以說它幾乎能滿足人類對人造光源的所有期望和要求。目前其產(chǎn)品已囊括LED球泡燈、燈絲球泡燈、日光燈、投光燈、道路燈、隧道燈、洗墻燈、吸頂燈、裝飾燈、工礦燈和農(nóng)業(yè)燈等各種用途和規(guī)格的產(chǎn)品，而且打破了以前光源和燈具分開的局面，出現(xiàn)了照明器件的新電子產(chǎn)品。如今LED光源正逐步取代傳統(tǒng)光源, 在城市景觀照明中LED光源應用率已超過90%。目前，LED引領智能照明時代的到來已成為業(yè)界人士的共識，它在當今智能照明、智慧城市、健康照明和農(nóng)業(yè)照明中將起到舉足輕重的作用。

我國現(xiàn)已成為全球LED光源最主要的生產(chǎn)大國之一，并出現(xiàn)了收購和兼并國際上著名照明企業(yè)的成功案例, 這是令人可喜的。但LED發(fā)展也面臨固態(tài)光源中OLED(Organic Light Emitting Diode)近期進展的挑戰(zhàn)。國外著名的光源公司都在積極開展OLED的研發(fā)。國外企業(yè)的這種策略應引起我們的重視、思考和借鑒。我們在發(fā)展LED的同時，不能疏忽對更先進光源科技的關注和投入。

在談論LED、 OLED光源時，我們還應認識激光光源的異軍突起。OLED和激光光源的發(fā)展正緊逼LED光源，我們應提高對它們發(fā)展的認識。OLED 是有機電致發(fā)光器件，其發(fā)光原理與LED基本類似。根據(jù)制造所用材料和工藝，它的種類有將δ-羥基喹啉鋁材料以真空熱蒸發(fā)工藝涂覆制成的小分子OLED，以及將高分子聚合物共軛化合物聚乙炔、聚苯胺等材料以旋轉涂布或噴墨工藝制成的高分子OLED(也稱之為PLED)兩大類。OLED具有重量輕、厚度薄、體積小、發(fā)熱低、光色柔和無眩光、材質柔軟可任意彎曲(甚至在其上任意打洞或裁切也無損它的正常發(fā)光)、在工作時無需特殊的散熱措施、制造工藝相對簡便、無需價格昂貴的金屬有機化學氣相沉淀(MOCVD)設備、制造原材料可用地球上豐富而又廉價的材料等諸多優(yōu)點，尤其適用于大面積面光源和調光速度特快的應用場合。目前OLED產(chǎn)品已廣泛進入手機、MP3、MP4、游戲機、數(shù)碼相機、汽車儀表和電視機等各種顯示設備，正逐步進入照明應用市場。但目前OLED的亮度、使用壽命、發(fā)光效率和價格問題還需進一步解決，此后它才能引領照明技術的變革和創(chuàng)新，真正成為照明領域耀眼的明珠?？梢灶A計，在今后20～30年的時間里，OLED會成為照明光源的主導力量。

激光光源(Laser Light Sources)是一種利用激發(fā)態(tài)粒子在受激輻射作用下發(fā)光的相干光源。其輸出波長范圍從短波紫外到遠紅外。激光光源可按其工作物質(也稱激活物質)分為固體激光源(晶體和釹玻璃)、氣體激光源(包括原子、離子、分子、準分子)、液體激光源(包括有機染料、無機液體、螯合物)和半導體激光源4種類型。它是由工作物質、泵浦激勵源和諧振腔3部分組成。工作物質中的粒子(分子、原子或離子)在泵浦激勵源的作用下，被激勵到高能級的激發(fā)態(tài)，造成高能級激發(fā)態(tài)上的粒子數(shù)多于低能級激發(fā)態(tài)上的粒子數(shù)，即形成粒子數(shù)反轉；粒子從高能級躍遷到低能級時，就產(chǎn)生了光子，如果光子在諧振腔反射鏡的作用下，返回到工作物質而誘發(fā)出同樣性質的躍遷，則產(chǎn)生同頻率、同方向、同相位的輻射。如此靠諧振腔的反饋放大循環(huán)和往返振蕩，輻射不斷增強，最終形成強大的激光束輸出。該種光源具有以下特點：①單色性好，比普通光源的高10倍以上，是一種優(yōu)良的相干光源。②方向性強,激光束的發(fā)散立體角很小,為毫弧度量級,比普通光或微波的發(fā)散角小2～3數(shù)量級。③光亮度高,激光焦點處的輻射亮度比普通光高10～100倍。它在國民經(jīng)濟的諸多領域中已得到了廣泛應用，例如激光加工、核聚變、同位素分離、醫(yī)療儀器(手術刀、凝固器)、檢測器、光纖通信光源、全息攝影光源、舞臺美術光源、電影放映、景觀照明、激光視頻唱片、激光傳真、激光排版印刷、光學計算機、激光武器等。激光光源在照明領域正嶄露頭角、綻放異彩，預計它在21世紀的下半葉可能取代LED光源，成為照明應用領域中人造光源的主角。

5 結束語

當前，人們已開始不斷熟悉LED光源，但還缺乏對OLED和激光光源優(yōu)勢的充分認識。照明科技正在迅猛發(fā)展，我們應該清醒地看到：在今后30年左右，LED可能會遭遇節(jié)能燈同樣的命運，逐步被OLED取代；同樣地，OLED又會在那之后幾十年可能被優(yōu)勢更為明顯的激光光源所取代。尤其在智能照明和以人為本的健康照明理念深入人心的新時代，我們一定要認真剖析現(xiàn)代光源科技成果對我國照明產(chǎn)業(yè)的影響，及時調整發(fā)展策略，做到生產(chǎn)一代、開發(fā)一代、研制一代、應用與推廣一代。我們相信，這對我國從光源大國轉向光源強國，開創(chuàng)固態(tài)光源新時代，有著特別重要的意義。