一种新型的白炽灯泡可以回收红外光子并将它们转换为可见光
怎样在不浪费太多能量的情况下使老式灯泡亮起来
托马斯·爱迪生可能会很欣慰。研究人员已经想出一个方法来大幅度提高他的那项标志性发明——白炽灯的效率。解决的方法是使用纳米工程反光镜来回收灯丝产生的大部分热并将它转换成额外的可见光。这种新时代的白炽灯距离商业产品仍旧十分遥远，尽管仍旧保持着温暖的老式光辉，但是它们的效率已经和商用LED灯泡一样好。
“这是漂亮的工作，”纽约特洛伊市伦斯勒理工学院的电子工程师、光学专家林尚佑说道。他和其他人指出有足够的空间能够进一步改善反光镜，从而可能会使灯泡的效率最终超过如今的照明设备。由于在美国照明一项就消耗了11%的电能，因此任何诸如此类的改进都会极大的降低能源的消耗，并且进一步讲，还能够降低导致气候变化的二氧化碳的排放。
自从爱迪生首次完善后，白炽灯就没有经过多少变化。灯泡是通过一个卷曲的钨丝输送电能来进行工作的。漫长而又曲折的道路增加了输送电子以及将灯丝加热到3000K所面临的电阻。在这一温度下，灯丝就会发出正如我们所期待的温暖而又略带淡黄色的白光。
现如今，进入一盏白炽灯中的能量仍然只有2%用来发出可见光波。大部分的能量是以更长的红外光波输出的，并且以热量的形式被浪费掉。其它技术做得稍微好一点。紧凑型荧光灯的效率通常会达到7%-13%；LED则会控制在5%-15%之间。但是到目前为止，这些灯泡在制造消费者最需要的柔和白色光上都遇到了麻烦。
研究人员通过使用将更多能量以可见光形式发出这一目的而设计的纳米结构来刻画发光材料的表面这一做法来尽力提高一些光发射器的效率。但是在白炽灯泡上，钨丝炎热的温度却使得这种纳米材料迅速破碎。
为取代这种做法，在物理学家奥格宁·伊利奇、马林·索尔亚契奇和约翰·琼诺普洛斯大带领下，剑桥市麻省理工学院的研究人员在一种被叫做光子晶体的复杂结构材料的帮助下着手提高白炽灯效率，这种做法将会脱离灯丝的束缚而且会更稳定。光子晶体能够扮演滤波器和镜子的双重角色，在允许一些波长的光线通过的同时将其余光线反射回去。因此MIT团队开始研发能够允许可见光穿过的同时将红外光子反射回来的光子晶体。从而旨在让灯丝重新吸收红外光子，从而将其中的一些能量以可见光的形式重新射出。
为了创造他们的光子晶体，研究人员在毫米厚的玻璃上交互沉积了90层的氧化钽和二氧化硅。之所以这样混合是因为它能反射红外光而不是可见光。这个团队依靠大量的计算机模型来确定这层物体应有多厚。
他们也不得不重新设计灯泡的钨丝。在原来灯丝的位置，他们将一片薄钨丝带反复折叠，是它看起来像一片薄钨板。电子仍然在一条长而弯曲的道路上运动，从而确保它们能面对较高的电阻以便加热金属来使它发光。但是钨板更大的表面积现在使得金属容易吸收更多被光子晶体反射回来的红外光线。
团队将两片玻璃涂层光子晶体置于片状钨发射器两侧然后打开电源。正如他们今天在《自然纳米技术》中报道的那样，晶体实际上允许所有可见光通过但是会将大部分的红外光反射回发射器，在那里它们将会被重新吸收。能量会循环利用直到将灯泡的效率提高到6.6%，这将是传统灯泡效率的三倍。
这与省电灯泡和LED对比仍处于低端效率范围。但是，“我认为他们能做的甚至比这更好，”普林斯顿大学电子工程师、光子晶体专家亚历杭德罗·罗德里格斯说道。罗德里格斯指出如果MIT的光子晶体镜包括其他类型的材料和更复杂的结构将会在反射红外光方面更有效率。然而，他补充道，”这是漂亮的第一步。“
伊利奇和索尔亚契奇都认为随着工程的进一步深入，达到40%的效率是可能的，这将远远超过了如今商用LED的效率。他们正考虑使用一种相似的途径来提高热光伏电池这一电子转换设备的效率，这种设备使用阳光加热钨，随即会释放出一定波长的光并能够有效转换为电能从而被太阳能电池吸收。无论任何一种应用想要成功，研究人员必须要展示出他们的能力，并且他们的光子晶体要足够便宜从而使其价值增加。如果这项承诺能够兑现，那么先进的光子学就能使爱迪生的发光灯丝焕发新生。（译言网 译者： 凤舞天寒 原作者：Robert F. Service）