电光源的发展史.docx

一、漫长的发展之路1.1电灯之前的光源众所周知，在人类发展的历史长河中，“火焰”发挥了特殊的作用，它不但给予了人类熟美味，也给人 类带来了温暖与光明在18世纪以前人类一直以“火”作为自己的照明工具，从普通的柴火，油灯，蜡烛， 直到以后大量使用的煤气灯，汽油灯，推动人类的文明与进步18世纪，电的发明给人类带来了新的机遇， 美国的戴维首先用多至200节的电池和二根碳棒，制成了电弧光灯，这种灯的特点是亮度高，温度高以及 碳棒容易挥发变短，到1877年一个俄国发明家将弧光灯改良成电烛，但结构的变化没有改善弧光灯的性能 此时，世界上很多科学家均在想方设法，希望能发明一种方便又安全的电灯1.2电灯的发明与发展在众多的科学家中，爱迪生脱颖而出，他经过了近十三年的努力，终于在1879年制造出了第一只具有 实用功能的电灯，并于1880年申请了专利在电灯的发明过程中，爱迪生查阅了大量资料，找到了制造白 炽灯的关键他首先选择铀、白金、铁丝等金属材料作了 1600多次加热试验，还选择了 600多种植物纤维 进行试验，最后于1879年用棉线烧成的碳丝做成了一只能点亮45小时的第一只实用电灯，当初之所以选 碳丝作为白炽灯的灯丝主要考虑的是熔点最高（4100K）,后来在实践中发现碳的熔点虽然很高，但它在高 温下容易蒸发，灯的寿命很短，工作温度也不能超过2100K，发光效率仅为31m/w。

进而第二年他又用竹 子烧成的碳丝，使点亮时间增加到1200小时这种碳丝灯泡一直沿用了三十年，直到1910年才被金属钨 丝替代，成为现代的电灯形式灯丝的工作温度提高到2200K-2400K，光效提高到6-9lm/w寿命也长多了 （工作温度从2400K提高到3000K蒸发速率增加了 7600倍从1000小时降到不足1小时）1913年又将不 与钨反应的ArN2混合气充入玻壳内制成充气白炽灯由于充入的气体可以抑制钨的蒸发，使白炽灯工作温 度提高到2700K-300K光效为13lm/w这样提高了光效又有适当的寿命1959人们发现了卤钨循环的原理， 制造出了卤钨灯，已成为当代人类照明的主力产品二十世纪八十年代由于照明领域的特殊照明的需要 开发了一系列带冷反光镜的冷光束卤钨灯产品，它是将单端卤钨灯装入在一个具有特定光学系统且镀有多 层介质的反光镜内，从而组成了一体化的单端卤钨灯，光效为20-30lm/w工作温度为3200K1.3低气压放电灯的发明1.3.1荧光灯白炽灯结束了人类“黑暗”的历史，但白炽灯也有许多不足之处，它只利用了电能的10%-20%，大部 分电能变成了热，消耗掉了使发光效率有了进一步的提高成为与热辐射光源白炽灯完全不同的第二代光 源。

为了开辟一条电能利用的新途径，科学家们开始发新的征程1902年，赫维特发明了水银灯，使光效 率有了极大提高，但水银灯会发出大量紫外线，光线又太刺眼，有害人体，难于大量使用1910年克劳斯 发明了霓虹灯（CCFL）,灯管颜色随充入的气体不同而异这再一次证明了避开爱迪生的发光之路，采用 了一条更经济地利用电能的途径完全可行1939年（1938年4月）美国通用电子公司（GE公司）的依曼等人，突破了启动装置设计与制作大关， 发明了与水银灯迥然不同的荧光灯这种灯是在一根硬管内充入一定量的水银蒸气放，同时产生紫外线， 激发荧光物质而发出可见光显然荧光灯没有水银灯的弊端，它比白炽灯更亮，电能利用率高因此它一 诞生就受到人们的青睐它在发展中却生机盎然，不断涌现出新产品，光效为40-601m/wFL）四十年代 出现环形荧光灯，平板开灯和涂粉紫外线灯五十年代出现了 U开灯和黑光灯六十年代出现了直管型细 管节能荧光灯七十年代出现了高显色性省电型灯和灯泡型荧光灯八十年代出现了一系列紧凑型节能荧 光灯，现在紧凑型荧光灯有几十个品种大体分为三类：（1）整体型，即灯泡、灯头、镇流器一体固定连续,（2）可拆式即灯管与镇流器分离具有互换性，（3）专用插头小型荧光灯，小型化荧光灯今天已成为世界 光源市场竞争的“伙伴”。

CFL）原先（四十年代）一直用锰、锑激活的卤磷酸钙荧光粉特点是光效较高、价格便宜，在卤粉中加入硅 酸锌锰（绿光）和磷酸锶、锡（红光）等后，虽然要使光色改善，但光效低1974年荷兰飞利浦首先研制 成了三基色荧光粉（又称稀土窄发射带荧光粉）光效可达80lm/w以上，平均显色指数85以上，色温为 2500-6500 （甚至更高）1.3.2霓虹灯的发明1893年，欧洲的某些城市出现了被称之为“摩尔”（MOLL）霓虹灯和“盖塞拉”（Geissler）霓虹灯 的原始模型霓虹灯1910年，法国著明科学家克洛德制成了世界上第一支商业性霓虹灯，它被用于巴黎市 的皇宫大厦作装饰照明，在当时引起了极大的轰动到本世纪20年代，我国上海也出现了霓虹灯，至今， 霓虹灯已走了 100年的历程霓虹灯作为一种五彩缤纷的城市照明光源，由于外形变化多端、加工灵活、色彩丰富等特点在广告、 商业、交通、建筑、室内外装饰、舞台布景、家用电器、城市美化等领域发挥了其特有的作用在人们眼 中，霓虹灯似乎成了社会繁荣的象征，现代文明的标志，美化环境的必要装点及广告宣传的重要手段 1.3.3低压钠灯的发明三十年代初（1931年）LPSL研制成功光效理论上为200-300lm/w实际上为180-220lm/w。

1.4高强气体放电灯的发明60年代末已相继出现了高压钠灯和金卤灯（统称高强气体放电灯），它的光效、寿命、特别是亮度比第 二代光源有了进一步提高成为第三代光源1932年欧美相继出现了 HPML,最早的HPML由于缺少红光面呈蓝色，这的光效是32lm/w，但寿命可 达5000-10000小时1950年石英管成功的代替了硬质玻璃，用来制造放电管，并且在外壳涂有能发射红光的 荧光粉，于是光效可达60lm/w和改善了光色、显色指数（Ra=43）HPML目前光效为35-65 lm/w）1936超高压短弧氙灯在欧洲诞生，德国奥斯兰公司于1948年开始研制UHPXL，1951年该公司首次出 售产品，1954年氙灯用于电影放映机（功率从10几瓦到20千瓦）光效为22-50lm/w灯的光谱能量非常接 近太阳光，色温均为5000-6000K1959年美国GE公司开始使用科布尔（Coble）发明的半透明氧化铝（PCA）材料来制造HPSL，直到 1965年才有HPSL商品在市场上出售光效可达120lm/w，寿命为2400小时金卤灯是60年代（1962年）发展起来的一种新型光源产品，它是在HPML的基础上发展起来的，开 始只是为了增加红色成份改善光色而改进研制成功的。

它的问世同1879年爱迪生了发明白炽灯和经后现的 日光灯有同样的意义历经40铃铛年的努力已进入成熟阶段，其光效为130lm/w（65-140lm/w）\寿命为 5000-20000小时，功率从几十瓦到二千瓦，显色指数可达（65-95）以上，色温可从3000K-6000K甚至更 高1982年世界上第一只陶瓷金卤灯问世，它具有光效、寿命长（9000-15000小时）、显色性好（85-95）、 结构紧凑、性能稳定等特点陶瓷金卤灯比白炽灯光效高8倍以上，寿命长12倍以上，它兼有FL、HPML、 HPSL、石英MH的优点，并且克服了这些灯的缺陷可以这样并陶瓷金卤汇集了气体电光源的主要优点， 优其突出的是光效高、光色好、寿命长三大优点因此陶瓷金卤灯尤其是30W以上的超小功率将被广泛应 用经过二十多年的不断探索和改进，目前性能优异的陶瓷金卤灯，在少数先进国家已形成了系列化产品 1.5固态LED光源的崛起发光二极管是一种将电能直接转换成可见光的固体元件，可作为有效的辐射光源、体积小、寿命长、 可靠性高、无污染的绿色光源成为第四代光源上世纪六十年代初（1962年），美国通用电气公司的Holonyak博士采用气相外延生长的磷砷化镓研制成 功了第一批发光二极管，六年后于1968美国的孟山都（Mousanto）和HP公司分别通过成本与性能的改进， 生产出了商品化的GaAsP/GaAs LED器件,在其后的十多年单间内这种产品成为市场上的主导产品。

继GaAp 红色发光器件之后，又开发成功发液相外延（LPE）生长的掺Zn-O的GaP红色LED和掺N的GaP绿色 LED器件，并于70年代中期先后进入市场几乎在同时，HP公司的Craford采用氢化物气相外延工艺研制 成功了透明衬底的GaAsP/GaP橙红色和黄色LED从而形成了能发红、黄、绿色的完整LED系列产品相 对而言，AaGaAs也是开发较早的LED材料首先由日本仙台大学的西泽润一研制成功，并由日本Stanley 公司进行批量生产，曾在上世纪八十年代后期到九十年代初大量使用，但由于存在严重的退化问题，退出 市场九十年代由美国HP公司和日本东芝公司采用MOCVD技术研制的InGaALP四元系LED器件，由 于发光效率高，颜色范围宽，而受到广泛重视，发展迅速，特别是Craford等人开发成功透明衬底技术后， 使发光效率提高到20lm/w，超过了白炽灯的光效最近，由于截头锥体倒装结构等技术的采用，更使光效 有了进一步的提咼1993年日本日亚公司的中村修一等人在采用双所流MOCVD技术，同时解决了 P型InGaN材料的退火 工艺后，研制成功了以蓝宝石为衬底的超高亮度蓝色的LED器件不久又相继推出了绿色与蓝色的LED。

几年后，日亚公司推出了以蓝色LED芯片上覆盖VAG为主体的荧光粉制成的白色发光二极管稍后不久， 美国Cree公司也采用Sic作衬底的InGaN/Sic结构的蓝绿光LED器件，通过不断改进这种器件的性能已与 蓝宝石衬底的器件不相上下近年来，在紫光LED研究技术上也有了较大的进展，从而为新型白光器件开 发奠定基础1.6超高压汞灯(UHP)开发取得成功近年来，配投光系统的显示装置受到人们的极大重视，而影响其性能的关键配件是短弧光源，荷 兰飞利浦公司于1995年首先开发成功一种超高压汞灯，极距约为1.3mm,功率为100W在灯工作时，汞 蒸汽压可达200个大气压由于汞蒸汽愈高，灯的亮度也越高，而且汞原子谱线也更强，特别是595nm以 上的红光辐射随灯内工作压强升高而增强，从而使灯的显色性提高由于该灯放电时电极处于极高的温度， 会造成钨材料蒸发并沉积在球壁上造成光衰，现通过在工艺上对灯内充入微量氧一卤素，有效清洁泡壳， 便灯的寿命达12000小时UHP光源的电弧高度能超过小面积高效投影装置所需的1G坎德拉/平方米，为了达到更好的集光效果， 近年来UHP光源的电极减少到1.0mm,其寿命达10000小时以上，功率为200W，配备于投影仪产品，重 量仅4kg,体积不到0.002立方米，便于携带，其屏幕照度超过11001 m,能够达到明亮的XGA显示水平。

因为一般的超高压汞灯是电极稳定型电弧，电弧附着在电极尖端而稳定但因UHP型超高压汞灯气压 太高，电弧在电极上强烈收缩，形成的附着点很小，使电极尖局变形电弧附着点就在电极顶部不断跳动， 一般跳动距离为100um，频率为0.01Hz--10Hz,在利用普通投影光学系统时，会发现屏幕高度的闪烁变化 通常应用后沿脉冲电流供电，可抑制附着点的跳动另外，UHP型光源的体积很小，由自然剩余电离获得初始电子的数量极其有限，故灯的击穿电压很高 (20KV)为降低启动电压，在灯的外触发电极与辅助放电腔中的电极引线间形成预放电产生波长短于 270mm的紫外线从而在主放电腔中产生光电离，这个装置也常被称为UV增强器，它能使灯的击穿电压降 低再则，还常在UHP型外绕制一金属细丝作为天线，形成一个附加电场，通过这两个措施，即使UHP 光源完全关闭和长久搁置，灯触发的电压也大大低于5kv.1.7准分子光源(ELS)的出现在光源辐射机理研究中，近年来采用准分。