天光导引

本刊记者 叶昌元

天光导引

本刊记者 叶昌元

天光是最好的照明光源

太阳给了我们光明，但我们用建筑隔离了光明。于是，我们的工厂、办公楼、住所，在大白天里也要亮着灯。照明用电是一笔不菲的开销。

还好，我们有窗户。但窗户的局限性很大：隧道不能安窗户，地下室不能安窗户，透过窗户的阳光也不能到达大厦的深处。于是，还得用电灯。

大厦内部没有电灯照明是不可想象的

从根本上说，电灯的电还是源于阳光：如果是用煤炭发电，煤炭作为植物的化石，是光合作用的产物，其蕴含的能量还是来自阳光；如果是用水力、风力发电，水的势能、风的动能还是源于阳光—阳光将水蒸发到高处、使空气迁徙；如果是用核能发电，这要涉及地球上物质的起源，还是要追溯到太阳那里；如果是用太阳能发电，就不说了……

那我们为什么要费那么大的周折，不直接把阳光引到室内来照明呢？何况，电灯不可避免地影响健康。

白炽灯的光谱与阳光最为接近，但它将大量的电能变成热能，能耗高，逐渐被荧光灯所取代。荧光灯类包含节能灯、环形灯管、H管等，是目前使用量最大的光源。由于荧光灯的发光原理是灯管内的紫外线激发灯管内壁的荧光粉而产生白光，存在紫外线泄露。泄露量的大小随灯具的品质而不同。在日光灯下工作或学习一天所吸收的紫外线，据称相当于在阳光下晒一小时。另外，荧光灯蓝光成分含量高，可能损伤视网膜。

据研究，照明对健康的影响不仅是光源的光谱成分，还包括照明驱动部分的电磁辐射、噪音、光源或灯具的眩光、光源的频闪、灯具的安全性等多方面。另外，照明光源本身是否存在有害波长，也需要考虑。

电灯使用的是交流电，普通交流电是50Hz，也就是说一秒内变化50次。当然，我们感受不到这种变化，但不等于不影响眼睛。有人又发明了每秒变化上万次的高频灯。由于人的眼睛根本来不及随之变化，可以说是“不变”了，达到护眼的目的。但高频电的电磁辐射也会增大，比普通白炽灯、荧光灯的电磁辐射大得多，可能会引起另一种伤害。毕竟，高频闪不等于不闪。

人类沐浴在阳光里进化了亿万年，当然最适应太阳光线，只需作强弱调节。阳光还是我们身体健康的必需品。也就是说，我们应尽量直接利用阳光。

如何把阳光导向黑暗空间？

有人做过一个试验：在水桶的底部凿一个圆孔，往桶里装满水，同时，将灯光从水的上方打向这个孔。桶的底部自然形成一束水流。灯光居然被束缚在这股水流里，顺着弯弯的水柱流淌。也就是说，这股水流成为光的导管。

水流导光实验示意图

这样说来，光线是可以“拐弯”的。实际上，光线在导管内行进时，不断被管的内壁反射，最后乖乖地顺着导管走。如果我们找到这类似的导管，就可以把阳光引到任何地方了。

把阳光导入室内的照明系统已经研制出来了。其基本构成是这样的：在屋顶放置采光罩，以收集天光；用导光管将光线传导到室内；在室内安装相当于灯泡的漫射器，以将光线均匀地发散出来。另外，再设一个调节器，以调节传到室内光线的强弱。

目前使用的导光管多为筒状，可直可曲，弯管可以有0到90度的弯曲变化。其内壁涂以具有高反射性的涂层。涂层材料有阳极电镀铝、增强型阳极电镀铝、真空条件下制作的银涂层聚酯材料以及非金属薄膜。其中非金属薄膜反射率最高，达到了99.7%，高反射率可以增加光通量的输出。以20次反射为例，非金属薄膜材料管道有94%的光线输出，可以使得光线在系统中长距离的传输。

光导示意图

阳光带来温暖

光纤几乎可使光线沿任意曲线传播

光纤，即光导纤维，由玻璃或塑料制成。光线的传输利用了全反射原理：光线以一定的角度进入光纤内部，在其内壁发生反射，与前述木桶中流出来的水柱里的情形一样，将光线传到远处。目前，光纤更多地用于通信：将信号转换成脉冲光源，通过光纤传输出去，在接收端就收到相应的信号。光纤传输具有损耗小、容量大（一根光纤里可同时传递多个光信号）的特点，比起用导线传输电流信号更据优势。

光纤从本质上说是光导介质，可直接用于照明。由于光纤具有柔韧的特点，可以把光线引向任意角度—当然，其弯曲半径不能太小，也就是说不能折死角，否则会损害光纤，同时增大传输损耗。比如，为解决隧道内照明，既可以将光纤直接穿过隧道顶部光，也可以将它从隧道两端绕进去—这要因地制宜，根据隧道的实际形状来设计。光纤玩具早已开发出来，据此，我们可以设想光纤把阳光传导到黑暗空间的情形。

光纤玩具

光纤已有很多种类，但主要用于通信。如果大量运用于照明，也许需要改进，比如：增大直径，进一步减小传输损耗—上图玩具中每根纤维浑身发亮，说明损耗大。最理想的效果是只有端头发亮。这些技术问题相信不是其普及的障碍。

阳光能储存、用于夜晚吗？

如果只是为了节能，将光纤作为电灯照明的补充，其实用价值会大打折扣—同一个空间里，需布置两套照明设备，无疑会增加造价。

实际上，在一些特定场合或空间，只需要照明，基本不需要其他电器设备，利用天光照明，完全可以摆脱电网或电线，如公路隧道、停车场、体育馆、展览厅、报告厅、教室等。这些地方即便需要少量电力，配备太阳能电池就足够了。

直接利用天光，最大的问题是夜间照明，尤其是在漆黑的夜晚，因为阳光不好储存。比如教室，白天上课可以利用天光，但晚上学生上自习时怎么办？

解决的途径有二：一是利用太阳能电池，白天蓄电，晚上放电，或者说晴天蓄电，阴雨天放电；二是开发类似磷光的光源—白天吸收阳光，晚上发光。

人类认识磷光已很久。在古代，磷光被笼罩上了一层神秘的色彩—被人们认为是鬼火。17世纪初，有人发现，一种含硫酸钡的石头经阳光照射被移到暗处后，会继续发光。经过几个世纪后，人们才弄清楚这一现象的发光原理与发光过程。1845年，Herschel报道硫酸奎宁溶液经日光照射后发射出强烈的光。

当分子吸收入射光的能量后，其中的电子从基态跃迁至激发态。处于激发态的电子将以发光、发热的方式释放其能量回到基态。这个过程从10秒到数分钟乃至数小时不等。当入射光停止后，物质中还有相当数量的电子继续保持在亚稳态上并持续发光直到所有的电子回到基态。根据余辉的长短将晶体的发光分成两类：荧光和磷光。物体发荧光的时间很短，几乎是入射光停止而停止；而磷光的退激发过程很缓慢，相当于将入射光储存。所谓的“在黑暗中发光”的材料通常都是磷光性材料，如夜明珠。

1962年，科学家发现了一种蛋白，它在阳光下呈绿色、钨丝下呈黄色、紫外线下发强烈绿色。其后他们仔细研究了其发光特性。1974年，他们提取到绿色荧光蛋白GFP。水母素在钙刺激下发光，其能量可转移到GFP，刺激GFP发光。这是物理化学中知道的荧光共振能量转移在生物中的发现。

萤火虫也有类似的发光特性。

分子吸收光能、释放光子的原理

美国田纳西州萤火虫点亮夜间森林

萤火虫的发光细胞位于腹部后端的下方。发光细胞内有荧光素和荧光素酶。荧光素接受高能化合物ATP提供的能量后就被激活。在荧光素酶的催化作用下，激活的荧光素与氧发生化学反应，形成氧化荧光素并且发出荧光。荧光是一种冷光—几乎不发热，其发光效率可高达98%左右。科学家已成功地从萤火虫体内分离出萤光酶和ATP，并用化学方法合成了萤光物质，制成了不需电源的生物光源，在矿井、深水排雷等领域发挥了独特的作用。

追根溯源，水母、萤火虫身上的光也来自太阳。

我国晋代就有囊萤映雪的励志故事。将萤光或水母素用于规模化的照明，也许并不遥远。