光的簡(jiǎn)史 —— 從宇宙大爆炸到今天

引言與背景

“神說，要有光，就有了光。神看光是好的，就把光和黑暗分開了?！蔽腋铱隙?，對(duì)《創(chuàng)世紀(jì)》中開頭這兩句話，我們大多數(shù)人都很熟悉，而且無(wú)論你信不信，事實(shí)依然是，我們這個(gè)世界確實(shí)有黑暗和光。不過光是什么? 光從哪里來(lái)? 它是怎么產(chǎn)生的? 它未來(lái)會(huì)是什么樣?

這些問題都很好，但在本文中，我不想一一回答。我只想回顧一下光的簡(jiǎn)史，從大約 140 億年前到今天。為什么從 140 億年前開始呢? 因?yàn)槲覀冎溃鶕?jù)美國(guó)航空航天局威爾金森微波各向異性探測(cè)器 (Wilkinson Microwave Anisotropic Probe --- WMAP) 的探測(cè)，140 億年大約就是宇宙的年齡。該探測(cè)器用來(lái)以精細(xì)的準(zhǔn)確度探測(cè)宇宙，檢測(cè)來(lái)自最遙遠(yuǎn)的宇宙深處之微波，那里就是宇宙大爆炸本身形成的那個(gè)正在冷卻的火球。當(dāng)然，我們自己的太陽(yáng)系 (包括太陽(yáng)和地球) 要比宇宙本身年輕得多，年齡僅約 45 億年。因此，地球上光的主要來(lái)源是太陽(yáng)。后來(lái)，大約 40 億年前，月亮形成了。沒人準(zhǔn)確知道月亮是怎樣形成的，盡管有 4 個(gè)主要的假設(shè)，即融合、捕獲、共同形成和大撞擊 (如需更多有關(guān)這些假設(shè)的信息，請(qǐng)見維基百科)。然而，不管月亮是怎樣形成的，通過將太陽(yáng)的光子反射回地球表面，月亮在夜間為我們提供了一個(gè)額外的光源。

人們普遍認(rèn)為，地球上出現(xiàn)人類 (直立人) 的時(shí)間大約在 100 萬(wàn)年之前，而 100 萬(wàn)年在宇宙的銀河中只不過是一眨眼的功夫! 顯然，太陽(yáng)是這些早期人類的主要照明光源，因?yàn)橹钡胶芫靡院螅庞辛巳嗽煺彰鞴庠?。?shí)際上，很多科學(xué)家認(rèn)為，有無(wú)可辯駁的證據(jù)證明，大約 12.5 萬(wàn)年以前，早期人類創(chuàng)造了可控制的火。也就是，人類造出了火把，而且火把成了第一種人造光源。然而，直到 1 萬(wàn) 7 千年以前，史前人類才用燈來(lái)照明。這些燈通常是用貝殼、巖石或動(dòng)物角做成的，里面裝入動(dòng)物油或植物油作燃料，并使用一種纖維燈芯。又過了 1 萬(wàn)年，這些燈的燃料才包括了橄欖、堅(jiān)果、芝麻或魚油。在接下來(lái)的 5000 年中，這些燈使用的材料又經(jīng)過了很多次變化。然后，大約在公元前 500 年，畢達(dá)哥拉斯提出了光的“粒子”理論。該理論假設(shè)所有可見物體都會(huì)發(fā)出穩(wěn)定的粒子流，這些粒子轟擊我們的眼睛。他又進(jìn)一步提出，“光由射線組成，這些射線像觸須一樣，射線從眼睛到物體以直線傳播，當(dāng)這些射線觸碰到物體時(shí)，就獲得了視覺。”

直到公元 400 年，照明領(lǐng)域的下一次進(jìn)步才出現(xiàn)，即發(fā)明了蠟燭。在接下來(lái)的 1400 年間，蠟燭成了主要的照明光源。然而，對(duì)現(xiàn)代照明具有重大意義的重要發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)在 1666 年，當(dāng)時(shí)才 23 歲的艾薩克?牛頓 (Isaac Newton) 做了他著名的棱鏡實(shí)驗(yàn)。他注意到并記錄下來(lái)，陽(yáng)光是白色光，其中包含光譜的所有顏色。類似地，1752 年，本杰明?富蘭克林 (Benjamin Franklin) 用風(fēng)箏做了他的著名實(shí)驗(yàn)。他發(fā)明了避雷針，并解釋了正負(fù)電現(xiàn)象。本杰明?富蘭克林的工作具有重要意義，大約 100 年后發(fā)明白熾燈泡時(shí)，利用了他的發(fā)明和原理。接下來(lái)，到了 1792 年，威廉?默多克 (William Murdock) 通過給煤加熱產(chǎn)生氣體，并用該氣體給他在英國(guó)康沃爾郡的家和辦公室照明。這是第一次將氣體作為燃料，產(chǎn)生了人造光。之后，在 19 世紀(jì)初，發(fā)現(xiàn)了天然氣以后，在家庭、辦公室、工廠和路燈中，采用氣體照明才成為主流。

1877 年，托馬斯?愛迪生 (Thomas Edison) 對(duì)電力照明產(chǎn)生了興趣并做了實(shí)驗(yàn)。一年以后，在朋友的幫助下，他創(chuàng)建了愛迪生電燈公司 (Edison Electric Light Company)，公司的目標(biāo)是：“擁有、制造和經(jīng)營(yíng)用來(lái)通過電產(chǎn)生光、熱或動(dòng)力的各種不同裝置，并提供這類裝置的使用許可。”盡管愛迪生沒有發(fā)明采用燈絲的電燈，但是他確實(shí)將理論轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N切實(shí)可行的形式，而且是首批成功地經(jīng)銷白熾燈的其中一要員。第一項(xiàng)涵蓋白熾燈的專利實(shí)際上是由亨利 ? 伍德沃德 (Henry Woodward) 和馬修 ? 埃文斯 (Matthew Evans) 于 1874 年提交的，大約比愛迪生開發(fā)電燈早 5 年。不過，也許德國(guó)化學(xué)家 Herman Sprengel 才是首先發(fā)明真空燈泡的人，他于 1865 年發(fā)明了這種燈泡。

盡管 100 多年來(lái)白熾燈泡一直獨(dú)占鰲頭，也免不了遭遇新技術(shù)的威脅，另一種新技術(shù)即將顛覆白熾燈在照明領(lǐng)域的主導(dǎo)地位，這就是白光發(fā)光二極管 (即 LED)。

白光 LED 和行將消亡的白熾燈

LED 是一種半導(dǎo)體器件，當(dāng)被施加正向偏置電壓時(shí)將發(fā)出非相干窄譜光，從而產(chǎn)生一種電致發(fā)光的現(xiàn)象。換句話說，固態(tài)磷光體在電場(chǎng)作用下，將電能直接轉(zhuǎn)換成了光。所發(fā)光的顏色取決于所用半導(dǎo)體材料的化學(xué)組成，可以是近紫外、可見或紅外光。

過去幾年，LED 技術(shù)已經(jīng)顯著增強(qiáng)了，在散熱、封裝和加工方面取得很大進(jìn)步的同時(shí)，不斷涌現(xiàn)出更高亮度、更高效率、更長(zhǎng)壽命和更低成本的 LED。與白熾燈泡不同，LED 沒有會(huì)燒壞的燈絲，而且 LED 工作時(shí)溫度往往較低。此外，白熾燈泡浪費(fèi)了 95% 的電能，將其轉(zhuǎn)化為熱量消耗掉了。

大功率或高亮度 (HB) LED 的光輸出已經(jīng)跨越了每瓦 100 流明 (即 100 lm/W) 的關(guān)鍵里程碑。實(shí)際上，有些制造商已經(jīng)宣布，在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)了 200 lm/W 的光輸出。那么顯然，就發(fā)光效率而言，LED 已經(jīng)超過了白熾燈泡 (典型 60W 燈泡的光輸出為 15 lm/W)?；蛘?，發(fā)光效率還可以換一種方式來(lái)說，即以流明為單位衡量之光源的光輸出量與以瓦為單位衡量產(chǎn)生該光輸出所消耗的功率之比。情況還不止于此，預(yù)計(jì)在未來(lái)一年，光輸出為 150 lm/W 的 LED 也將在市場(chǎng)上穩(wěn)定供貨。LED 的另一個(gè)好處是壽命長(zhǎng)。視計(jì)算方法的不同而有所不同，白光 LED 燈至少有 5 萬(wàn)小時(shí)的壽命，有些甚至聲稱超過了 10 萬(wàn)小時(shí)，而白熾燈的壽命僅約 1200 至 1500 小時(shí)。

高亮度 LED 燈的價(jià)格也在非?？焖俚叵陆?。幾年前，單個(gè)白光二極管 (幾個(gè)這樣的二極管組成一個(gè) LED 燈，并占 LED 燈成本的大部分) 的價(jià)格約為 4 美元，現(xiàn)在已經(jīng)下降為不到 1 美元了。很多 LED 行業(yè)分析師都預(yù)測(cè)，在未來(lái)一年中，用 LED 燈替換白熾燈的費(fèi)用將達(dá)到消費(fèi)者可接受的程度。有些 LED 制造商宣布，已經(jīng)設(shè)計(jì)出可為 LED 燈供電的發(fā)光芯片，使 LED 燈產(chǎn)生的光輸出可與大多數(shù)家庭普遍使用的 75W 白熾燈相媲美。這類 LED 芯片要產(chǎn)生同樣的照明量，通常僅需要大約 9W 功率。

這些進(jìn)步有著重要意義，因?yàn)槊绹?guó)能源部已經(jīng)表示，照明消耗美國(guó)所產(chǎn)電力的 22%。LED 照明的廣泛使用有可能將照明耗電量削減一半。要正確理解這一點(diǎn)，可以看以下數(shù)據(jù)，到 2027 年，LED 照明有可能減少的年度能源使用量相當(dāng)于 5 億桶石油，伴隨而來(lái)的是二氧化碳排放量也降低了。

汽車也需要 LED

今年，高亮度 LED 的市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到 120 億美元，到 2015 年，預(yù)計(jì)將增長(zhǎng)到 202 億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到了 30.6% (根據(jù)Strategies Unlimited 的研究)。驅(qū)動(dòng)這種顯著增長(zhǎng)的關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域之一是用于汽車中的 LED。應(yīng)用包括從前燈、白天行車燈和剎車燈到儀表板顯示器背光照明、以及所有種類的車內(nèi)梳妝照明。不過，為了保持這種令人印象深刻的增長(zhǎng)率，LED 不僅必須提供更高的可靠性、更低的功耗和更緊湊的外形尺寸，還必須在對(duì)比度和顏色準(zhǔn)確度方面做出改進(jìn)。此外，在汽車環(huán)境中，所有這些改進(jìn)都必須進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)還要承受相對(duì)苛刻的汽車電氣及物理環(huán)境的考驗(yàn)。不言而喻，用在汽車中的解決方案必須提供非常扁平和緊湊的占板面積，同時(shí)還要提高總體成本效益。

不過，汽車照明領(lǐng)域這種令人印象深刻的增長(zhǎng)潛力是由哪些因素支撐的呢? 首先，LED 的發(fā)光效率是白熾燈泡的 10 倍，而且?guī)缀跏菬晒鉄?(包括冷陰極熒光燈) 的兩倍， 因此降低了提供給定的光輸出量 (以 lm/W 為單位衡量) 所需的電功率。隨著 LED 的進(jìn)一步發(fā)展，其效用或從電源產(chǎn)生光輸出的能力只會(huì)繼續(xù)提高。其次，我們是一個(gè)關(guān)注環(huán)保的世界，而 LED 照明不需要處理、暴露和棄置于冷陰極熒光燈 (CCFL) 中常見的有毒水銀蒸氣。簡(jiǎn)言之，LED 是“綠色”的。最后，白熾燈泡在使用約 1000 小時(shí)以后，常常需要更換，而熒光燈可以持續(xù)使用長(zhǎng)達(dá) 1 萬(wàn)小時(shí)。不過，與 LED 照明提供超過 10 萬(wàn)小時(shí)的壽命相比，這些數(shù)字就相形見絀了。

在大多數(shù)應(yīng)用中，這種更長(zhǎng)的工作壽命使 LED 能永久性地嵌入到最終應(yīng)用中。這對(duì)汽車儀表板、儀器以及信息娛樂系統(tǒng)顯示器的背光照明而言，顯然非常重要，不過，