第二节　人造光源

一、火光源

四五十万年前，北京猿人用火时留下的灰烬堆积物，说明猿人已懂得从自然界的失火中引来火种。经过约三四十万年，到了古人类时期，人类学会用石块摩擦取火。又经过大约10万年，进一步学会了钻木取火，推进了光源的制造和利用。几万年来，人类一直靠摩擦取火种点燃物体获得照明的光。初期用来点燃的物体是树皮、干草，后来发现沾有油脂的树皮、干草等物体更耐烧，而且发出的光也明亮，在这个基础上发明了油灯（图1-3-4）、蜡烛（图1-3-5）等照明光源。随着石油提炼技术和煤化技术的发展，又进一步利用从石油中提炼出来的煤油做成的煤油灯，利用煤气做成的煤气灯。

以上这些光源都是靠物体燃烧时产生的光辐射，几十万年来，人类就是依靠这种光源获得照明。

二、电光源

至19世纪，人类发明了另外一类光源，即利用电产生光辐射的光源—电光源。这种光源的发光亮度高，使用又方便，因此自1879年发明后便获得了迅速发展。如今各种形形色色、大大小小、五颜六色的电光源已经有5万多个品种，最小的灯泡比谷粒还小，功率只有零点几瓦，大的灯管有几米长，发光功率几百千瓦。有色温很低的灯泡，比如远红外灯泡的色温只有650K；也有色温很高的灯泡，比如紫外线灯泡，它的色温就有几万度；有单色性的灯泡，也有显色指数接近太阳光的灯泡。不过，尽管它们的种类繁多，归结起来也只有几类，比如按照使用来说，电光源一般可分为照明光源和辐射光源两大类。照明光源是以照明为目的，它们发射的主要是能够对人眼睛引起视觉的可见光（波长380～780nm）。辐射光源则不是以照明为目的的电光源，包括紫外光源、红外光源和非照明用的可见光源。如果按发光原理来划分可分为：热辐射电光源、气体放电光源、场致发光光源、半导体光源和激光器等几类。

典型的人造光源及辐射光波长见图1-3-6，图1-3-7。

这类光源的典型代表是白炽灯和卤钨灯。大约是在1807年英国大科学家法拉第的老师汉弗莱·戴维（Humphry Davy），在一次化学实验中发现，当两根带电的炭棒接近到一定距离的时候，会发出极亮的弧光，萌发了利用电产生照明用的光源，随后便诞生了用碳电极做的弧光灯。1878年，美国大发明家托马斯·阿尔瓦·爱迪生（Thomas Alva Edison）也在研制这种电灯（图1-3-8）。因为任何物体都有热辐射现象，温度越高，热辐射强度越大。在温度低的时候辐射出红外线，当温度达到500℃时产生暗红色的可见光；1500℃时发出白炽光，利用电流加热灯丝到这个温度发光的电光源便称为白炽灯。爱迪生认为这种白炽灯省电，成本也低，只要解决了灯丝寿命问题，它的发展前景是非常光明的。为了提高灯泡的质量，延长灯泡的寿命，爱迪生想尽一切办法寻找合适制灯丝的材料，到1880年5月初，他试验过的植物纤维材料共约6000种。在很长的一段时间里，爱迪生派遣了很多人前往世界各地寻找适合于制作灯丝的竹子，大约在1908年的9年间，日本竹一直是制作碳丝的主要原料。在往后采用钨丝做灯丝之后，灯泡寿命大大延长，甚至已超过1万小时，电灯终于取代了煤气灯。

随着科学技术的进步，这类电光源不断发展，不断出现新品种。1931年发明低压钠灯，1936年发明荧光灯和高压汞灯，1959年发明卤钨灯，1964年发明金属卤化物灯，1965年发明高压钠灯，1973年发明三基色荧光灯，1980年发明紧凑型荧光灯，1991年发明高频无极灯等。白炽灯的优点是价格低，线路简单，不需要辅助器件可以直接点燃，又可以在很宽的环境温度下工作，还近似点光源，便于进行良好的光学控制。但也存在严重的缺点，在各种电光源中白炽灯的能量转换效率是最低的，它所消耗的电能只有很小的部分，即12%～18%可转化为光能，而其余部分都以热能的形式散失了。现在世界各国正逐步采用节能荧光灯照明设备，取代白炽灯。

气体放电时可以产生光辐射，利用这个现象可以做成光源。这种光源里面的发光物质可以是在通常状态下的气体，也可以是一些液体或者固体在一定温度时产生的蒸汽。气体放电有几种形式，即辉光放电、弧光放电和高频放电，相应的也就有了3种类型的光源：辉光放电灯、弧光放电灯和高频放电灯。根据光源采用的发光物质类型，现在广泛使用的汞灯、钠灯、金属卤化物灯和稀有气体灯（如氙灯、氖灯、氪灯等）。气体放电管内的气压有使用低气压的，也有使用高气压的，分别称为低气压放电光源、高气压放电光源和超高气压放电光源。

使用最广泛的气体放电光源是荧光灯（又称日光灯），它分传统型和无极型两种。传统型荧光灯内的阴极装有灯丝，在它上面涂有电子发射材料三元碳酸盐（碳酸钡、碳酸锶、碳酸钙），俗称电子粉。灯管内壁涂有荧光粉，比如卤磷酸钙、稀土元素三基色荧光粉等。管内充有400～500Pa压力的稀有气体（比如氩气）和少量的液态汞。灯通过电源后，在外接的起辉器和镇流器的配合下，阴极的灯丝发射的电子使管内的稀有气体电离，发生气体发电，并使管内温度升高，液态汞蒸发成汞蒸汽。在电场作用下，汞原子又与稀有气体原子发生碰撞，发生更强烈的气体放电，同时汞原子不断从原始状态被激发成激发态，继而自发跃迁到基态，辐射出波长253.7nm和185nm的紫外线（主峰值波长是253.7nm，约占全部辐射能的70%～80%；次峰值波长是185nm，约占全部辐射能的10%）。这些紫外线射向涂有荧光粉的管壁，荧光粉吸收紫外线的辐射能后发出可见光。发射的光辐射颜色与所采用的荧光粉成分有关，因此，荧光灯可做成射白色光和各种彩色光的光源。

半导体光源也称发光二极管（简称LED）。1955年，美国一家公司的工程师Rubin Braunstein发现半导体材料砷化镓（GaAs）及其他半导体合金，在电场作用下产生红外辐射现象。1962年，美国另外一家公司的工程师Nick Holonyak jr根据这个现象，研制出能够发射可见光辐射的半导体光源。此后经过几十年的发展，现在已经成为一类新型固体光源，它具有节能、环保和寿命长等显著优点。同样的光亮度下它的耗电量仅为普通白炽灯的1/10，节能灯的1/2，使用寿命却延长100倍，可达10万小时；启动时间短，仅有几十纳秒；结构牢固，作为一种实心全固体结构，能够经受较强的振荡和冲击。普遍认为，这是继白炽灯、荧光灯、高压放电灯之后的第四代光源—半导体光源（图1-3-9）。

半导体光源的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为P—N结。在半导体P—N结两端加上正向电压时，P区中的空穴会流向N区，而N区中的电子会流向P区。当空穴和电子相遇而产生复合，同时发射光辐射，而且它的使用寿命也很长。

通常把半导体光源分为普通单色光源、高亮度光源、超高亮度光源等。制作普通单色半导体光源采用的半导体材料不同，发射的光色也不同，有红色光，琥珀色光、橙色光、黄色光、绿色光和蓝色光。高亮度单色半导体光源和超高亮度单色半导体光源，它们使用的半导体材料与普通单色光源的不同，所以它们的发光强度也不同。制造高亮度单色半导体光源使用的材料一般是砷铝化镓（GaAlAs）等，超高亮度单色光源通常使用的是磷铟砷化镓（GaAs-Inp）等半导体材料。

LED光源不同的颜色的波长不同：蓝色430nm，较亮蓝色468nm，青绿色502nm，纯绿555nm，超亮黄色595nm，高亮桔色610nm，超亮桔色620nm，最亮红色630nm，这是几种常见的颜色的波长（图1-3-10）。

LED光源已在皮肤科领域被用于治疗光老化，改善皮肤皱纹、质地粗糙、不规则色素沉着及毛孔粗大、脱毛、预防或治疗炎症后色素沉着、促进创面的愈合、减轻炎症、瘢痕的预防及光动力疗法。

这是在同步辐射基础上建立的新型高亮度光源，同步辐射是相对论电子在磁场中作曲线运动时沿运动轨道切线方向发射的辐射，同步辐射光源有一系列显著特性。

1.它有着连续宽广的谱分布，覆盖着从远红外到X线的一个相当宽广的领域，其中辐射强度峰值在特征波长λ c附近，此特征波长λ c由电子的能量E和电子运动偏转半径R确定，它们的关系是

这里的波长λ c的单位是纳米，半径R的单位是米，电子能量E的单位是电子伏（GeV）。光谱强度在短波段下降很快，在长波段下降很慢。一般来说，辐射中的最短波长是特征波长λ c的1/5，最长波长可达毫米量级。

2.有着很好的传播方向性。同步辐射是沿着电子轨道切线方向射击，集中在很小的立体角Ф之内。对于特征波长λ c的同步辐射光子，立体角Ф大约为0.511/E，其中E是电子的能量，立体角Ф的单位是毫弧度（mrad）。电子能量越大，发射同步辐射光波长越短，光辐射的发散角也越小。

3.有很高的光谱亮度。同步辐射光源的发光面积就是加速器的电子束流截面积，通常小于1mm²；而光辐射发射角又很小，辐射集中在毫弧度立体角内，所以它的亮度十分高。

4.同步辐射是偏振光。在电子轨道平面内发射的是百分之百线偏振光，在偏离轨道平面发射的是椭圆偏振光，其偏振度决定于电子的能量、同步辐射能量和它的发射角。高偏振性能是研究具有旋光性的生物分子、药物分子和表现为双色性的磁性材料的有力工具。

同步辐射光源由注入器、电子储存环和光束线三大部分组成。注入器由电子枪、电子直线加速器和输运线组成，其功能分别是产生电子、把电子加速到所需要的能量和把它传输给电子储存环。其中的直线加速器也可以使用同步加速器替代，在这种情况下通常将电子加速到电子储存环中电子运行的能量，实现所谓满能量注入，这有利于实现电子储存环高水平运行。

电子储存环是产生同步辐射的主体装置，由磁铁系统、高频系统和真空系统组成，它将注入的电子限定在一个环形的真空室，并让其在同一环形轨道做圆周运动，同时发射出同步辐射。

由中国科学院上海应用物理研究所承建和运行的中能量第三代同步辐射光源，2010年1月通过国家验收，它是我国迄今为止最大的科学装置和大科学平台，它有上百个实验站和60多条光束线，相当于建了60多个不同学科的重点实验室，提供从红外光到X射线的各种同步辐射光，其脉冲宽度仅为几十皮秒。

同步辐射光源与通常所说的光源不大一样，它其实是一个大型科学实验平台，材料学家、化学家、生物医学家、原子分子学家、地质学家以及天体物理学家等都可以利用这个光源装置进行各自的学科研究。