光是咋样形成的？来自哪里？

在自然界中，光是无所不在的，即使在漆黑的夜晚也是有光的，只是我们的眼睛可见度不够而已。

那么光是咋样形成的？来自哪里？

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可见光只占整个电磁辐射光谱的很小一部分，但它包含了人眼的视杆细胞和视锥细胞会响应的唯一频率区域。 人类通常能够看到的波长在大约400和700纳米之间的非常窄的范围内。 人类可以观察和响应可见光产生的刺激，因为眼睛含有对这一频率范围敏感的专门神经末梢。然而，电磁频谱的其余部分是不可见的。

各种各样的源负责电磁辐射的发射，并且通常根据由源产生的波长的特定光谱来分类。 相对较长的无线电波是由流经巨大广播天线的电流产生的，而短得多的可见光波是由原子内带负电荷的电子的能量状态波动产生的。 电磁辐射的最短形式，伽马波，是由原子中心的核成分衰变产生的。 人类能够看到的可见光（光谱如图1所示）通常是波长的混合物，其不同的组成是光源的函数。

在我们的日常生活中，我们受到大量电磁辐射的轰击，只有一部分我们能够真正“看到”可见光。在户外探险时，人类可见的绝大多数光都是从太阳发出的，太阳也会产生许多其他频率的辐射，这些辐射不在可见光范围内。在里面，我们暴露在可见光，来自人工光源，主要是荧光和白炽灯钨设备。

在夜间，自然光是由天体，如月球，行星和恒星，除了周期性的北极光（北方光），偶尔彗星或流星（“流星”）。其他自然光源包括气象闪电、火山、森林火灾，以及一些可见光的生物化学来源（生物发光）。生物光源包括熟悉的萤火虫（“萤火虫”）和来自海洋的更奇异的光，包括细菌，藻类，腰鞭毛虫，水母，梳水母（栉水母）和一些鱼类的生物发光物种。

表1列出了人类在可见光光谱中的许多窄波长带中感知到的表观颜色分布。将特定的颜色与波长区域相关联，可以区分不同的色调、色调和阴影。许多不同的光谱分布可能产生相同的颜色感觉（一种称为条件等色的现象）。 例如，黄色感觉可能是由单一波长的光（例如590纳米）引起的，或者它可能是观看具有单独波长的两个等量的光（例如580和600纳米）的结果。 也可以将黄色视为包含580和600纳米之间的所有波长的窄分布。对于人类的视觉系统，同样的论点适用于可见光谱中的所有颜色。 然而，最近的研究表明，一些物种（最值得注意的是鸟类）可以区分人类感知为同色异谱的颜色。

白炽光源

早期的人类在漫长的夜晚没有可靠的光源，但他们偶尔可以从灌木丛中找到并收集燃烧的木材，然后在篝火中保持火焰燃烧一小段时间。 随着知识的进步，人类发现，火花和随后的火可以通过撞击某些石头（如燧石和黄铁矿）或通过激烈地摩擦木头来产生。 一旦掌握了这些技术，人类就可以随时随地生火。

当火燃烧时，化学能以热和光的形式释放出来。燃烧的燃料，无论是草、木材、石油还是其他可燃材料，都会释放出气体，这些气体被燃烧过程中产生的巨大化学能加热，使气体中的原子发光或白炽。气体原子中的电子被热提升到更高的能级，当电子弛豫到基态时，光以光子的形式释放出来。火焰的颜色是温度和释放多少能量的指示。暗黄色的火焰比明亮的蓝色火焰要冷得多，但即使是最冷的火焰仍然很热（至少350摄氏度）。

虽然焦油和碎布被用来制作早期的火炬，但控制火焰的第一个实际步骤发生在油灯发明时。 已经发现了超过15，000年历史的早期灯（图2），由岩石和贝壳制成，燃烧动物脂肪和植物油。在煤气灯发明之前，对动物油的需求量很大。 这种油的主要来源是从海洋动物（如鲸鱼和海豹）的脂肪组织中提取的动物脂。油灯最终演变成蜡烛是由铸造硬化牛脂或蜂蜡，如图2所示。早期的蜡烛产生相当多的烟雾，但没有太多的光。最终，人们发现，当石蜡与浸渍的布芯适当地浇铸时，产生了相对明亮的火焰，而没有大量的烟雾。

在19世纪，天然气照明在欧洲、亚洲和美国的许多主要城镇和城市中变得普遍。早期的煤气灯通过产生燃烧气体的射流来工作（这是一种相当危险的情况），而后来的型号则配备了一个斗篷，或化学处理织物的细网，它分散了火焰并发出更明亮的光。

早期的显微镜学家依靠蜡烛、油灯和自然阳光为显微镜中相对粗糙的光学系统提供照明。这些原始的光源受到闪烁、不均匀照明、眩光的影响，并且常常是潜在的火灾危险。如今，白炽高强度钨基灯是现代显微镜和大多数家用照明系统中使用的主要光源。

图3所示为光谱分布曲线，展示了几种不同的白色光源（由包含可见光谱中所有或大部分颜色的混合物组成）的相对能量与波长的关系。 红色曲线表示钨光在整个可见光谱中的相对能量。从图中可以明显看出，钨光的能量随着波长的增加而增加。 这种效应显著地影响了合成光的平均色温，特别是当它与自然阳光和荧光灯（汞蒸气灯）相比时。 黄色曲线表示的光谱描绘了中午采集的自然阳光光谱的可见光分布。 在正常情况下，阳光包含最大的能量，但图3中所示的曲线都已归一化到钨光谱，以便于比较。 深蓝色的光谱曲线是汞弧灯的特征，并表现出与钨和自然阳光光谱的一些显着差异。 在放电弧光灯光谱中存在几个能量峰，这些能量峰是由源自汞蒸气的叠加的单独谱线光谱产生的。

由白色发光二极管（LED）产生的可见光谱由图3中的绿色曲线表示。 发光二极管本质上是单色器件，其颜色由二极管结构中使用的各种半导体材料之间的带隙决定。 红色、绿色、黄色和蓝色二极管是常见的，并且被广泛用作计算机和其它消费电子设备的指示灯，所述消费电子设备诸如无线电调谐器、电视接收机、光盘播放器、录像机和数字视频光盘播放器。 白色光LED通过用磷光体材料涂覆半导体管芯而由氮化镓蓝色二极管制造，当被从蓝色二极管发射的光激发时，磷光体材料发射宽范围的可见波长。 激光光谱，无论是来自二极管还是气体激光器，其特征在于非常窄，通常仅包括一个或几个特定波长。 图3（青色曲线）所示为低电流半导体二极管激光器的一个示例，该激光器可用于各种应用，包括阅读条形码和跟踪光盘数据。

钨光源通常被称为白炽灯，因为它们在被电能加热时辐射光。 现代灯泡（或灯）的灯丝通常由钨组成，钨是一种金属，当被电流加热时，它在辐射光方面有些效率。 现代白炽灯起源于汉弗莱·戴维爵士发明的碳弧灯，当电极两端施加电势时，碳弧灯通过两个碳棒（或灯丝电极）之间形成的放电电弧发光。 最后，碳弧灯让位于第一盏灯，它使用了包含在真空玻璃外壳中的碳灯丝。 钨丝是由威廉大卫柯立芝于1910年发明的，在玻璃罩的真空中加热时，钨丝的蒸发速度比棉制碳纤维慢得多。 灯丝作为一个简单的电阻器，除了电流产生的热量外，还发出大量的光。

钨白炽灯是热辐射器，其发射从紫外区域中的约300纳米延伸到近红外区域中的约1400纳米的连续光谱。 它们的设计、构造和操作非常简单，并且各种各样的这些灯已被用作白炽光源。 典型的灯包括一个密封的玻璃外壳（见图4），抽真空或充满惰性气体，并包含一个钨丝灯丝，由直流或交流电供电。 灯泡产生大量的光和热，但光只占其总能量输出的5%到10%。

钨丝灯往往有几个缺点，例如随着时间的推移强度降低，以及由于蒸发的钨缓慢沉积在玻璃上而使内部外壳表面变黑。 钨丝灯的色温和亮度随外加电压而变化，但色温的平均值在2200 K到3400 K之间。 活性钨丝的表面温度非常高，对于标准的100瓦商业灯泡来说，通常平均为2，550摄氏度。在某些情况下，钨灯泡外壳填充有惰性气体氪或氙（惰性填充气体），作为产生真空的替代方案，以保护热钨丝。这些气体提高了白炽灯的效率，因为它们减少了沉积在周围玻璃容器内部的蒸发钨的量。

卤素灯泡是白炽钨灯的高性能版本，通常在填充气体中含有微量的碘或溴，这比用其他气体制成的灯更有效地将蒸发的钨返回到灯丝。 卤钨灯，首先由通用电气公司在20世纪50年代开发，用于照明超音速喷气机翼的尖端，能够在灯泡的整个寿命期间产生非常均匀的明亮光线。 此外，卤素灯比强度相当的钨丝灯小得多，效率也更高。在最理想的条件下，卤钨灯泡的使用寿命可达10年。

卤钨灯的灯丝通常是安装在硼硅酸盐卤化物玻璃（通常称为熔融石英）外壳中的非常紧凑的螺旋组件。 高的工作温度限制了卤钨灯泡的使用，只有通风良好的带有扇形散热器的灯箱才能消除这些灯泡产生的大量热量。 许多家用灯都配备了300-500瓦的卤钨灯，并产生大量的光，充满了房间比他们弱发射钨同行更好。 当与光纤光管和吸收或二色滤光器耦合时，卤钨灯为各种光学显微镜应用提供高强度照明，但作为一个主要缺点，产生大量的红外光，其形式为辐射热，很容易使样品降解。

荧光光源

除了在光学显微镜中具有重要应用之外，还有各种各样的用于室内和室外照明的非白炽可见光源。 这些光源中的大多数是基于通过诸如汞的气体或稀有气体氖、氩和氙的放电。 气体放电灯中可见光的产生依赖于气体中的原子和离子与电流之间的碰撞，电流在灯泡外壳两端的一对电极之间通过。

普通荧光灯的玻璃管在玻璃的内表面涂有磷光体，并且管中充满非常低压力的汞蒸气（见图5）。 在管子两端的电极之间施加电流，产生从一个电极流向另一个电极的电子流。当电子流与汞原子碰撞时，它们将原子内的电子激发到更高的能量状态。 当汞原子中的电子回到基态时，这种能量以紫外线辐射的形式释放出来。紫外线辐射随后激发内部磷光体涂层，使其发出我们从荧光灯观察到的明亮的白色光。 荧光灯在发射可见光方面的效率约为白炽灯的2至4倍，产生较少的废热，并且通常持续时间为白炽灯的10至20倍。

荧光光源的一个独特特征是它们产生一系列波长，这些波长通常集中在称为线光谱的窄带中。 因此，这些光源不产生白炽光源所特有的连续照明光谱。一个很好的例子（几乎完全）单波长光源的非白炽可见光是钠蒸气灯通常采用在街道照明。 这些灯发出非常强烈的黄光，超过95%的发射由589纳米的光组成，几乎没有其他波长的光存在于输出中。 有可能设计出除了这些灯中的大多数固有的线光谱之外还将发射几乎连续光谱的气体放电灯。 最常见的技术是在灯管的内表面涂上荧光粉颗粒，荧光粉颗粒将吸收发光气体发出的辐射，并将其转换为从蓝色到红色的宽光谱可见光。

在正常情况下，大多数人无法辨别线性光谱和连续波长光谱之间的差异。然而，一些物体在来自不连续光源的光中反射出不寻常的颜色，特别是在荧光灯下。这就是为什么在荧光灯照明的商店购买的衣服或其他高度着色的物品在自然阳光或连续钨照明下通常会出现略微不同的颜色。

在反射光立体显微镜中，特别是在检查热敏样品时，荧光灯比钨丝灯更受欢迎，因为它们的效率高，热输出低。 现代荧光灯可以配置为线性管或环形照明器，为显微镜提供强烈的漫射光。 这种人造白色光源在色温上与太阳光（没有伴随的热量）相媲美，并消除了消费级荧光灯管典型的闪烁特性。 与钨灯、卤钨灯或弧光灯相比，荧光灯显微镜照明器可以提供相对较长时间（约7，000小时）的高质量服务。 作为一种漫射光源，荧光灯产生均匀照明的视野，没有恼人的热点或眩光。较新的冷阴极照明技术显示出作为光学显微镜中的专用光源的前景，特别是对于通过荧光激发增强的短寿命事件，以及对于光源中的废热或预热时间可能干扰样品或正在观察的事件的应用。

一种专门的方法，用于拍摄移动的标本，特别是在暗场显微镜照明有用，已经设计出使用电子摄影闪光灯系统。 电子闪光灯是在一个充满氙气的玻璃外壳中，通过一个大电容器的放电来驱动电离。 来自Transformer的短寿命高压脉冲诱导氙气放电，使电容器通过现在导电的气体放电。 突然发出一束强光，之后氙气迅速恢复到不导电状态，电容器重新充电。闪光灯管在瞬间爆发时提供5，500 K的照明，可以捕捉大量的物体细节，在摄影，数字成像和显微摄影中获得壮观的效果。

充满汞蒸气和氙气等气体的电弧放电灯是某些特殊形式的荧光显微镜的首选照明源。典型的弧光灯比钨基灯亮10-100倍，当与特殊涂层的二色干涉滤光片结合时，可以提供明亮的单色照明。 与钨灯和卤钨灯不同，弧光灯不包含灯丝，而是依靠两个电极之间的高能电弧放电电离气体蒸汽来产生强光。 一般来说，弧光灯的平均寿命约为100-200小时，大多数外部电源都配备了计时器，使显微镜工作者能够监控已经过去了多少时间。汞弧灯（通常称为燃烧器;见图6所示的汞灯和氙灯）的功率范围为50至200瓦，通常由两个电极组成，在高汞蒸汽压力下密封在石英玻璃外壳中。

汞弧灯和氙弧灯不能在从近紫外到红外的整个波长光谱上提供均匀的照明强度。 汞弧灯的大部分强度在近紫外和蓝色光谱中消耗，除了在绿色光谱区域中的少数较高波长峰之外，大部分高强度峰出现在300-450纳米范围中。 相比之下，氙弧灯在整个可见光谱上具有更宽和更均匀的强度输出，并且不表现出汞灯特有的非常高的光谱强度峰值。 然而，氙气灯在紫外线方面不足，并且在红外线方面消耗了其强度的大部分，当使用这些灯时，需要小心控制和消除多余的热量。

随着世纪的到来，利用发光二极管作为实用照明源的时代已经到来，并且二极管是半导体技术和光学显微镜结合的理想补充。 发光二极管的相对低的功耗（在10至100毫安时为1至3伏）和长的工作寿命使得这些器件在需要低至中等强度水平的白色光时成为完美的光源。 通过通用串行总线（USB）端口连接到计算机的显微镜或由电池供电的显微镜可以利用LED作为小型、低热、低功耗和低成本的内部光源，用于视觉观察和数字图像捕获。一些教学和入门级的研究显微镜目前利用内部，高强度的白色发光二极管作为主要光源。

虽然环氧树脂外壳的光投射特性仍在探索中，但发光二极管目前正在各种各样的应用中进行测试和销售，例如交通信号灯、标志、手电筒和用于显微镜的外部环形照明器。由白色LED产生的光具有类似于汞蒸气灯的色温光谱，汞蒸气灯属于日光照明类别。 检查图3中呈现的白色LED发射光谱，460纳米处的透射峰值是由于氮化镓二极管半导体发射的蓝光，而位于550和650纳米之间的宽高透射范围是由聚合物护套内的磷光体涂层发射的二次光产生的。 波长的组合产生具有相对高色温的“白色”光，其是用于光学显微镜中的成像和观察的合适波长范围。

激光光源

另一种在我们日常生活中变得越来越重要的可见光来源是激光照明。首字母缩略词LASER是由R辐射的S模拟E使命实现的光放大激光器的独特特征之一是它们发射由单个离散波长（或有时几个波长）组成的连续光束，该连续光束以单个对准相位离开设备，通常称为相干光。激光器发出的光的波长取决于组成激光晶体、二极管或气体的材料。激光器的形状和大小多种多样，从小到足以穿过针眼的微型二极管激光器，到填满整个建筑物的巨大军事和研究级仪器。

激光器在从光盘阅读器到测量工具和外科手术器械的许多应用中用作光源。氦氖（通常缩写为He-Ne）激光器的熟悉红光通过照明光学条形码扫描消费者购买的物品，但在许多激光扫描共聚焦显微镜系统中也起着关键作用。 激光在光学显微镜中的应用也越来越重要，既可以作为唯一的光源，也可以与荧光和/或白炽光源相结合。 尽管成本相对较高，但激光器在荧光、单色明场以及快速增长的激光扫描共焦、全内反射、荧光共振能量转移和多光子显微镜领域中的应用特别广泛。

氩离子激光器（图8）在488和514纳米处产生强大的光谱发射，而氪气体激光器在647.1和752.5纳米的波长处显示出大的峰值。 这两种激光器经常被用作激光扫描共聚焦显微镜的激发源。 掺钛蓝宝石晶体锁模脉冲激光器由于其高峰强度而被用作多光子激发源，但它们也具有低平均功率和短占空比的特征。 作为多光子显微镜的首选光源，脉冲激光器比共焦显微镜中使用的小型空气冷却激光器昂贵得多，而且难以操作。

较新的激光技术采用基于半导体的激光二极管和单片激光器，可降低光源的尺寸和功率要求。 激光二极管，例如钕：氟化钇锂（Nd：YLF）和钕：钒酸钇（Nd：YVO（4）），通常在响应方面比LED快得多，但也相对较小并且需要很少的功率。 在显微镜中使用激光的缺点包括光源的额外成本、光学器件昂贵损坏的风险、与透镜和反射镜涂层相关的成本增加、样本的破坏以及如果忽视安全处理和操作技术则对显微镜操作者的潜在视网膜损伤。

从这个讨论中，很明显，虽然有各种各样的可用照明源，但我们在日常生活中通常只依赖少数几个。 在白天，太阳是我们户外的主要照明来源，而我们在室内和晚上通常依赖荧光灯和钨丝灯照明。 如上所述，这三个主要照明源都具有不同的属性和光谱特性，但它们的最大强度都落在可见光范围内。 人类的大脑会自动适应不同的光源，当我们在不同的照明条件下观看时，我们认为周围大多数物体的颜色几乎没有变化。