現(xiàn)代光源發(fā)展趨勢

1現(xiàn)代光源開展趨勢前言

1989年白熾燈的創(chuàng)造公認(rèn)為人類現(xiàn)代文明社會(huì)起始的里程碑，人類開展史本身也證實(shí)了光源和照明是與人們生存和開展不可分割的一門科技學(xué)科。在一個(gè)多世紀(jì)的歲月里，現(xiàn)代光源科技的開展和自然科學(xué)的進(jìn)步密切相關(guān),科學(xué)理論的進(jìn)展為電光源的進(jìn)步奠定了根底,并不斷要求提供具有特殊性能的各種新型光源,從而促進(jìn)了電光源技術(shù)的進(jìn)步。反之，電光源的開展也影響了其它學(xué)科的提高和改善了人們的生活質(zhì)量，特別在全球節(jié)能減污的時(shí)代潮流中發(fā)揮了不可取代的作用。

本文試對(duì)電光源科技的現(xiàn)狀和開展加以剖折和展望，希望能有益于更好地認(rèn)識(shí)國內(nèi)外電光源科技開展的現(xiàn)狀和動(dòng)態(tài)，能對(duì)我國實(shí)現(xiàn)從光源生產(chǎn)的第一大國向光源科技的強(qiáng)國跨越性開展過程中起到有所裨益的作用。

一、傳統(tǒng)光源的開展和改良

〔一〕熱輻射光源的改良和完善

1.白熾燈的改良

傳統(tǒng)的白熾燈光源經(jīng)過119年的研發(fā)，其性能得到極大改善和價(jià)格大幅度的下降，成為了人類主要應(yīng)用的光源。但由于它電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽苄蕦?shí)在太低,因此在十年左右它將被其它節(jié)能光源取代,近幾年來，不少國家已提出白熾燈將退出光源領(lǐng)域的時(shí)程表，2021年5月還在我國上海召開了淘汰白熾燈的國際會(huì)議。

2.帶紅外反射層或特殊熒光粉層的白熾燈

通過對(duì)白熾燈泡殼和燈絲結(jié)構(gòu)及位置的合理設(shè)計(jì)，然后在泡殼上涂敷TiO2—Ag—TiO2或ZnS—Ag—ZnS的紅外反射膜，能使燈的光效提高50%。或者在泡殼內(nèi)涂敷反斯托克斯熒光粉,它可讓燈絲發(fā)出的紅外光轉(zhuǎn)換成可見光,以及使用納米結(jié)構(gòu)的發(fā)光燈絲，都能使白熾燈光效明顯提高，有益于延緩白熾燈退出歷史舞臺(tái)的時(shí)間。

3.鹵鎢燈的開展

1959年在鹵鎢循環(huán)原理根底上制造出了鹵鎢燈，它的體積小，光維持率到達(dá)95%以上，光效和壽命更明顯地優(yōu)于白熾燈?，F(xiàn)已生產(chǎn)出可直接應(yīng)用于電網(wǎng)電壓220V或110V的鹵鎢燈，再通過采用浸涂法、真空蒸鍍法或化學(xué)蒸鍍法，在石英泡殼上采用涂敷TiO2/SiO2紅外反射層技術(shù)〔IRC〕制成JD和JDR型新穎鹵鎢燈，可使燈的光效有30%~45%的提高，壽命達(dá)3000h。近年來國際上又推出了新型的節(jié)能鹵鎢燈，得到照明界的重視和青睞。鹵鎢燈主要技術(shù)參數(shù)見表1所示。〔二〕低壓氣體放電光源——熒光燈的突飛猛進(jìn)

1.節(jié)能細(xì)管徑熒光燈的出現(xiàn)

誕生于40年代的熒光燈的玻管外徑為38mm〔T12〕，光效約60lm/w，顯色指數(shù)為70。隨著熒光燈研究的深入，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)提高管壁溫度，具有較高光效的燈管直徑可以相應(yīng)縮小，這就使正柱區(qū)產(chǎn)生的253.7nm的光子到達(dá)管壁的距離縮短，光子與其它原子的碰撞機(jī)率降低，自吸收損失減少，這樣制成的管徑為26mm熒光燈〔T8〕光效可以提高10％，制造和運(yùn)輸本錢也能降低。假設(shè)進(jìn)一步配用工作在40KHZ~60KHZ頻率的電子鎮(zhèn)流器，它的光效可比工作在50HZ頻率下的電感鎮(zhèn)流器再提高10%，這也就是人們常說的改良型T8熒光燈。近幾年來，又出現(xiàn)管徑更細(xì)為?16mm〔T5〕和Φ11mm〔T3〕的節(jié)能細(xì)管徑熒光燈，這時(shí)它們的最正確管壁溫度更高，發(fā)光效率可到達(dá)104lm/w的水平，這種熒光燈必須配備優(yōu)質(zhì)電子鎮(zhèn)流器工作。表2列出典型的直管型不同管徑熒光燈的主要技術(shù)參數(shù)。通過采用接橋和彎管等玻璃加工工藝，制成比白熾燈光效高6～7倍的緊湊型熒光燈，特別是配有電子鎮(zhèn)流器的產(chǎn)品，功率因素到達(dá)0.98，諧波失真總量小于10%，燈的壽命提高到10000h，亦有調(diào)光型產(chǎn)品被認(rèn)為是目前白熾燈最適宜的取代光源。全世界2007年緊湊型熒光燈的總產(chǎn)量已超過27億支，其中90%產(chǎn)于我國。其主要技術(shù)參數(shù)見表3所列。3.冷陰極超細(xì)管徑熒光燈的誕生

隨著背光照明在辦公用筆記本電腦、等離子體顯示器和家用電器如電視機(jī)、數(shù)碼像機(jī)、攝像機(jī)等中的應(yīng)用與日俱增，高亮度的冷陰極超細(xì)管徑熒光燈為此應(yīng)運(yùn)而生。這類燈的管徑為1.8mm~3.0mm，普遍采用三基色熒光粉，通常采用Ni、Ta、Zr等金屬作為冷陰極，在高的啟動(dòng)電壓下形成輝光放電使燈管工作，其工作參數(shù)如表4所示。

4.無極熒光燈的開展

隨著電子學(xué)技術(shù)的開展，近年來實(shí)用型無極熒光燈開展很快，國際上現(xiàn)有產(chǎn)品是荷蘭QL型，功率為55w和85w兩種，光效約68lm/w，壽命60000h，工作頻率2.65MHz；美國Genura型無極熒光燈，功率23w，光效48lm/w，壽命10000h，工作頻率2.65MHz；日本Ever—Light型無極熒光燈，功率9w和27w，光效為41lm/w，壽命40000h，工作頻率15.56MHz；還有德國Endura型無極熒光燈，功率100w和150w，光效80lm/w，壽命60000h，工作頻率為250KHz。以及我國近年崛起的無極熒光燈的性能也到達(dá)國際同類型產(chǎn)品的先進(jìn)水平,并已形成規(guī)?；a(chǎn)和批量出口.圖3顯示了常用的無極熒光燈的外形。

〔三〕HID光源的成熟和進(jìn)步

1.HID光源趨向成熟

適用于大面積范圍和室外照明的高強(qiáng)度氣體放電光源〔HID〕其燈內(nèi)工作壓強(qiáng)往往超過10個(gè)大氣壓強(qiáng)，其中高壓汞燈的光效可達(dá)50lm/w，顯色指數(shù)超過65，色溫4000k~6000k，壽命也到達(dá)約10000h，功率規(guī)格形成35w~3500w系列化。高壓鈉燈發(fā)光效率到達(dá)120lm/w，顯色指數(shù)為25，壽命到達(dá)24000h，規(guī)格有30w~1000w，雖然其光色稍遜，但其光效是所有能發(fā)出接近白光的人工光源中最高的。近年來又開發(fā)出高顯色高壓鈉燈，顯色指數(shù)80左右，壽命8000h。金屬鹵化物燈由于能兼具光效高〔≥80lm/w〕和光色好〔Ra≥80〕的優(yōu)點(diǎn)，其中35w~150w規(guī)格的小功率金屬鹵化物燈已廣泛地應(yīng)用到室內(nèi)照明和汽車前照燈。

2.陶瓷金屬鹵化物燈的進(jìn)展

由于陶瓷材料的進(jìn)步和陶瓷與金屬封接的實(shí)現(xiàn)，人們成功地制造出陶瓷外殼的性能明顯地光電性能一致性和穩(wěn)定性優(yōu)于石英為玻殼的金屬鹵化物燈〔CDM〕，燈的光效可提高10%~20%；且發(fā)光體小，亮度高，便于投影照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)有35w，70w和150w三種產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)為單端型，雙端型及反射型，光效到達(dá)90lm/w，亮度290cd/m2，顯色指數(shù)為83，有效壽命達(dá)12000h。另外，250W和400W大功率陶瓷外殼金屬鹵化物燈也已出現(xiàn)，其應(yīng)用范圍將會(huì)有進(jìn)一步擴(kuò)大。圖2顯示了陶瓷金屬鹵化物燈的結(jié)構(gòu)和外形。

二、新穎電光源產(chǎn)品層出無窮

〔一〕準(zhǔn)分子光源〔ELS〕的出現(xiàn)

1.準(zhǔn)分子光源〔ELS〕的出現(xiàn)。在光源輻射機(jī)理研究中，近年來采用準(zhǔn)分子〔Excimer〕工作物質(zhì)，如KrF、ArP、NeF和XeCl等，來制造高功率的紫外光源。同時(shí)，通過微波放電和介質(zhì)阻擋放電〔DielectricBarrierDischarge〕等無極放電形式可制成新型的準(zhǔn)分子輻射光源，其工作物質(zhì)可為Xe2〔172nm〕，Kr2〔146nm〕和Ar2〔126nm〕，其中Xe2準(zhǔn)分子光源的效率最高，光能轉(zhuǎn)換效率達(dá)50%以上?，F(xiàn)已制成58×68cm2的60WX2準(zhǔn)分子大面積平面照明系統(tǒng)，這種燈無需充汞，因此從環(huán)境保護(hù)角度更有吸引力。目前已有具有實(shí)用價(jià)值的平面無汞熒光燈產(chǎn)品出售，可以預(yù)計(jì)其前途無量。

2.超高壓汞燈〔UHP〕的開發(fā)成功

1995年，配投光系統(tǒng)的顯示裝置應(yīng)用了新開發(fā)成功的一種超高壓汞燈，其極距約1.3mm，功率100w。在燈工作時(shí)，汞蒸氣壓可達(dá)200個(gè)大氣壓。由于汞蒸氣壓愈高，燈的亮度也越高，而且汞原子譜線寬度變大，分子連續(xù)譜與帶電粒子復(fù)合光譜也更強(qiáng)，特別是595nm以上的紅光輻射隨燈內(nèi)工作壓強(qiáng)的升高而增強(qiáng)，從而使燈的顯色性提高，燈的壽命達(dá)12000h。圖3顯示UHP光源的外形

3.微波光源的崛起

1992年國際電光源科技界提出了微波硫燈的新技術(shù)，發(fā)現(xiàn)充填硫元素和低壓氬氣于石英泡殼內(nèi)，在頻率為2450MHz微波能量的驅(qū)動(dòng)下，通過硫分子的振動(dòng)能和轉(zhuǎn)動(dòng)能的躍遷，可使燈輻射出連續(xù)的可見光光譜，國產(chǎn)微波硫燈的外形見圖4所示。

1994年，美國首先制成了一個(gè)功率為3400w微波硫燈照明系統(tǒng)。1995年，美國又開始出售solar—1000和LightDrive—1000兩種規(guī)格的微波硫燈。主要參數(shù)為：功率1378w，輸出光通量132288lm，系統(tǒng)光效96lm/w，燈光效110lm/w，發(fā)光泡殼直徑40mm，相對(duì)色溫5400k，顯色指數(shù)為80，啟動(dòng)時(shí)間小于25s，重復(fù)熱啟動(dòng)時(shí)間小于300s，可在很大范圍內(nèi)調(diào)光，壽命60000h，可任意方向燃點(diǎn)。

我國光源界經(jīng)過幾年聯(lián)合研制，也在1999年推出VEC—1000微波硫燈產(chǎn)品，其技術(shù)指標(biāo)接近國際同類產(chǎn)品水平，到2021年初，全國已有近十家企業(yè)生產(chǎn)微波硫燈并實(shí)現(xiàn)出口貿(mào)易，國外的微波硫燈生產(chǎn)也有進(jìn)展，如韓國LG公司是典型的開展代表。微波硫燈還可以利用導(dǎo)光管技術(shù)，將該燈發(fā)出的強(qiáng)光沿著導(dǎo)光管傳送到所需要照明的寬廣區(qū)域。最近為使硫燈適宜于家庭和商業(yè)照明，一方面通過充填物質(zhì)的改變使燈的光色更符合人們需求，另一方面正在積極研制開發(fā)100w以下的小功率微波硫燈，通過應(yīng)用葉片式諧振器的微波源，可將2450MHz的微波能量集中在一個(gè)很小的空間，從而使充有InBr和Ar的內(nèi)徑為3mm的球形石英玻殼，激發(fā)輻射白光。當(dāng)輸入微波功率為25w時(shí)，燈的光通量為2000lm，燈的顯色指數(shù)為97，色溫6000k。在過去幾年中硫燈技術(shù)已開展到可以和HID燈相媲美的程度，而且它具有高流明維持率、低的紫外和紅外輻射、優(yōu)良的色穩(wěn)定性、低閃爍、高光效等特點(diǎn)，假設(shè)進(jìn)一步完善它的特性和降低本錢，定會(huì)成為人們歡送的高效節(jié)能光源。

乒宣4.墻固體嫌光源覆開始粉進(jìn)入姨光源震領(lǐng)域

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