Fénykeltés - a gyertyától a félvezető lézerig

Bár első ránézésre nem annyira szembetűnő, van valami hasonlóság a gyertya lángja és a félvezető lézer között.
Ugyanez a hasonlóság persze fennáll valamennyi fényforrás esetén.

Minden fényforrás az atomok elektronjainak gerjesztésével "készít" fényt.

Ebben a részben a "fénykeltés lehetséges módjainak" fizikai és kémiai alapjaival fogalkozom.

Mi a fény

A fény ugyanolyan elektromágneses hullám, vagy másképpen fogalmazva elektromágneses sugárzás, mint mondjuk az infravörös és az UV-sugárzás, vagy éppen a rádióhullámok. Változó elektromos és mágneses mezőből áll. A hullám minden pontjának van elektromos és mágneses mezője. Ezek merőlegesek a hullám haladási irányára, vagyis transzverzális hullám.

Az ábrán látható elektromágneses hullám mágneses mezője vízszintes, elektromos mezője függőleges. Az erőterek iránya általában változó, de mindíg merőleges a sugárzás irányára.

Az elektromágneses hullámok úgy terjednek mint a vízbe dobott kő mellett keletkező hullámgyűrű, de terjedésükhöz nincs szükség közegre, és sebességük vákuumban megközelíti a másodpercenkénti 300.000 km-t (fénysebesség).
Az emberi szem által fényként észlelt elektromágneses hullámok a teljes spektrumnak csak nagyon kis részét alkotják.
Az emberi szem a 440-760 nanométer közötti hullámhosszúságú elektromágneses hullámokat észleli fényként. Ezen belül a legkisebb hullámhosszúságúakat ibolya, a legnagyobbakat vörös színűnek látjuk.
(Valószínűleg azért ezt a hullámhossz tartományt "preferálja" az élővilág, mert ezt engedi át legjobban a légkör.)

Az alábbi ábra a teljes elektromágneses spektrumot mutatja.
Az ábrán jól látszik mennyire kicsi az a tartomány, amit az emberi szem érzékel különböző színű fény formájában.

Hogyan keletkezik?

Az elektromágneses hullámok, legalább is a nem nagyon rövid hullámhosszúságúak - tehát a fény is, úgy keletkeznek, hogy egy atom külső elektronja "gerjesztődik" valami miatt, és amikor ebből a "számára kellemetlen" állapotból visszaáll az alapállapotába egy fotont bocsát ki.

A képre kattintva az atommag körül mozgó elektron egy nagyobb energiájú pályára ugrik, majd onnan visszazuhanva egy fotont bocsát ki. A képre újra rákattintva visszaáll a kiinduló helyzetbe. A keletkező foton hullámhossza az energiaszintek különbségétől függ. A gerjesztés történhet pl. hő hatására, vagy egy másik foton által.

A fénykeltés története

Kezdetben vala a sötétség...
A tűz alkalmazása előtt az ősemberek még sehogy sem keltettek fényt. Éjszakánként nyilván sötét volt.
Aztán biztosan észrevették, hogy a tűz (a láng) nem csak melegít, hanem világít is.
Először valószínűleg kivettek a tűzből egy égő faágat és ha azt magukkal vitték máris rendelkezésre állt az első "hordozható fényforrás".

Később persze rájöttek, hogy lehet fákját (baloldali kép), mécsest, gyertyát készíteni.
Amikor 1804-ben Freidrich Winzer elsőként szabadalmaztatja a gázlámpás világítást (középső kép), az már az akkori "csúcstechnikát" jelentette.
Egészen Edison 1879-ben készített a szénszálas izzólámpájáig (jobboldali kép) tehát csak a "kémiai reakció által termelt hőn alapuló" világító alkalmatosságokat használtuk.
Az izzólámpa még mindig a hőt, ezúttal az elektromos áram hőhatása, használta fénykeltésre. Sokáig egyeduralkodó volt a világítás területén, bár sokat fejlődött (a volfrám izzószálat pl. 1907-ben kezdték el alkalmazni, 1913-ban jelentek meg a gáztöltéses, atmoszferikus nyomású izzólámpák).
2013. szeptember 1-étől az összes "hagyományos" izzólámpát kivonták a kereskedelmi forgalomból.

A jobb hatásfokú, kevesebb energiával világító fényforrások térhódítása sokkal később kezdődött.
Az első nem közvetlenül hőt használó világítóeszközt, a higanygőz lámpát már 1901-ben kifejlesztették, de csak jóval később terjedt el.
A fénycsövet 1937-ben mutatták be.
A fémhalogén lámpát 1960-ban fejlesztették ki.
Az első lézert is ebben az évben alkották meg.
1965-ben jelentek meg az első LED-ek, de fényforrásként, nem igazán terjedtek el napjainban sem.
Az 1966-ban kifejlesztett nagynyomású nátriumgőzlámpák viszont igen elterjedtek a közvilágításban, nálunk is.

A baloldali képen különböző fényforrások (fénycső, kompaktfénycső, higanygőzlámpa, halogén izzó, stb.), a jobboldali képen különböző LED-ek láthatók.

Fénykeltési módszerek

A fentiekből látható, hogy a fénykeltéshez "be kell gerjeszteni" az atomok elektronhéját valahogyan.
Többféle módon lehetséges, de mindeképpen energiát kell közölni vele valahogyan.
Az alábbiakban a jellemző fénykeltő módszereket tekintjük át

A legegyszerűbb, és valószínűleg legrégebben alkalmazott fénykeltő, vagyis "gerjesztő" eljárás a melegítés.

Ha valamit elkezdünk melegíteni az először csak a láthatónál nagyobb hullámhosszakon, vagyis infravörösben sugároz. Mondjuk egy vasdarab esetén ez azt jelenti, hogy nem látszik rajta semmi, de a kezünk meleget érez a közelében.
A hőmérsékletek emelkedésével a kibocsátott elektromágneses sugárzás hullámhossza egyre csökken és már látható fény is megjelenik.

Egy fém szalag melegítésekor előbb csak infravörösben, később már a látható tartományban is sugároz.
Előbb vörösen, aztán sárgán később fehéren izzik.

Eleinte csak "melegítéses fénykeltést" használtak. Ma is sok olyan fényforrást alkalmazunk még, amelyek hőhatással keltenek fényt.

A legegyszerűbb "melegítéses fénykeltés" a láng alkalmazása.
Ide tartoznak a gyertyák, fákják, stb. amelyeknél kémiai reakció viasz, paraffin, stb. égése (oxidációja) kelt meleget, és a keletkező magas hőmérsékletű izzó részecskék biztosítják a "fényjelenséget"
A "hagyományos" és a halogén izzólámpák esetén az elektromos áram hőhatása biztosítja a volfrám izzószál magas hőmérsékletét és ezáltal a fénykeltést.

Az elmúlt évtizedekben sokkal bonyolultabb, de sokkal jobb hatásfokú fényforrásokat is egyre nagyobb arányban alkalmazunk.
Ezek között vannak "UV-s gerjesztésen alapuló fényforrások" (kisülőlámpák).

Ide tartoznak pl. a fénycsövek, a higanygőzlámpák, és a nátriumgőzlámpák (a képen).

Ezeknél a fényforrásoknál, ahogyan a működési elvüket bemutató alábbi ábrán látható, az ívkisülés során létrejött UV fotonok gerjesztik a fénypor atomjait (fénycsövek és higanygőzlámpák esetén), vagy a nátriumatomokat (a nátriumgőzlámpák esetén). Ide tartoznak a fémhalogén lámpák is, azokban halogénvegyületek gerjesztése biztosítja a látható fény hullámhossz tartományába eső fotonok kibocsátását.

A LED-ek, vagy "hosszabb nevükön" a fénykibocsátó diódák teljesen más módon működnek.

A LED egy n és p típusú félvezető anyagból felépülő dióda, amiben a megfelelő irányban rákapcsolt áram esetén az elektronok és a pozitív "lyukak" rekombinálódása okozza az energiafelszabadulást, ami megfelelő anyagok alkalmazása esetén, az anyagtól függő színű fény kibocsátását okozza.
Ez a fénykibocsátás nem jár jelentős felmelegedéssel, ezért a jelenséget a lumineszcencia körébe sorolhatjuk.

Nagyon jó hatásfokú fényforrások és egyre jobban elterjednek olyan helyeken, ahol nincs szükség nagyon nagy fényerőre (kijelzők, kis fogyasztású fényforrások, gépkocsi hátsólámpák, stb.).

Megemlíthetők még a lézerek, mint speciális fényforrások.
Ezek, mint nevük is mutatja indukált emisszióval bocsátanak ki koherens fényt.

Több megoldás is létezik lézerfény keltésére.
Az utóbbi időben talán a félvezető lézerek (a képen) a legelterjedtebbek, hiszen ezeket alkalmazzák millió számra a különböző optikai tároló eszközökben (CD, DVD, stb.) olvasásra és írásra.

Érdemes még foglalkozni a lumineszcencia jelenségével is.

Koncertekről, rendezvényekről ismertek a képen láható fényforrások.
Ezek úgyvezett kemilumineszcens fényforrások, vagyis abennük lévő anyagok kémiai reakciójában keletkező energiadús közbenső termékek plusz energiájukat fény formájában sugározzák ki.

Élőlények fénykeltése

Az élővilág is ismeri a fénykeltés "technológiáját".

Számos élőlény - egysejtű, hidra, féreg, csiga, rovar, stb. - bocsát ki fényeket.
Közülük a legismertebb talán a szentjánosbogár (a képen).
Ez a jelenség a biolumineszcencia.
A szentjánosbogár a luciferin és luciferáz nevű anyagok reakcióját "alkalmazza" fénykeltésre, amihez még magnézium-ionok, és az aktiválási energiához adenozin-trifoszfátra (ATP), illetve oxigén is szükséges.
A folyamat során a luciferin gerjesztődik, majd a többletenergiát fény formájában adja le. Eközben hő egyáltalán nem keletkezik, a 100% hatásfokú reakció eredménye "hideg" fény.

Sajnos mi még nem tudunk 100% hatásfokú fényforrásokat előállítani, viszont kétségtelenül sokkal nagyobb fényteljesítményeket produkálunk.

A fénykeltés jövője

A gyertyától a félvezető lézerig és a LED-ekig hosszú idő telt el. Az "elektromos fényforrások" története, viszont nem annyira hosszú idő. Edison izzólámpájától alig több, mint száz év telt el és lassan teljesen "száműzzük" az izzólámpákat, mert sokat fogyasztanak.

El lehet gondolkodni azon, milyen lenne az "ideális fényforrás".
Valami olyasmi, ami mondjuk "ötvözi" a halogén izzólámpák erős fényét, a LED-ek jó hatásfokával és kis fogyasztásával. Lehetőleg kis méretű, hosszú élettartamú, olcsó és az előállításától a "haláláig" nem okoz környezetszennyezést.
Ilyen talán csak a mesében van.

A gyakorlatban tapasztalhatjuk, milyen sokféle fényforrást használunk különböző célokra. Midegyiknek van előnye és persze hátránya is.
Valószínűleg a jövőben is megmarad ez a sokféleség.

Nagyon nehéz, még viszonylag rövid időre is jósolni, de azért úgy tűnik az elkövetkező néhány évre elég biztosnak tűnik az alkalmazandó fényforrások köre. Közülük a legtöbb már jól ismert.
Az egyetlen "igazán új" talán az eredetileg lapos képernyőkhöz fejlesztett OLED, amely fényforrásként is ígéretesnek tűnik.
Fénye nem túl intenzív, de megfelelő felület már használható fényerőt produkál. Kicsit szokatlannak tűnhet, de igazán nincs akadálya, hogy akár az egész mennezet halvány szór fénnyel világítson...

Úgy tűnik egyre több területeken "aratnak kiütéses győzelmet" a LED-ek, már a színpadi világítás fényszóróit is több helyen leváltották.

A lakásvilágítási kategória valószínűleg a kompaktfénycső még megmarad egy ideig.

Az utcai világításban vélhetően sokáig maradnak a nátriumgőzlámpák a nagyobb fényt igénylő főutakon. Kisebb utcákban viszont a kompaktfénycső és a LED-ek is terjednek.

Felhasznált irodalom