Как лазер повысил эффективность обычной лампочки

Как делаются открытия? На этот счёт есть масса легенд вроде купания Архимеда или яблока, стукнувшего по макушке Ньютона. Впрочем, люди здравомыслящие понимают, что правды в этих историях не больше, чем в сказках про Золушку, а хороший экспромт должен быть тщательно подготовлен. Но в сказки хочется верить. Поэтому недавно - в который ра - мы услышали историю про удивительное и неожиданное открытие ученых из Рочестерского университета (США). Физики налаживали новый фемтосекундный лазер и фокусировали его на спирали обычной лампочки.

Когда её включили, то обнаружили, что в месте лазерного фокуса она светит гораздо ярче, хотя расход электроэнергии не увеличился. После обработки всей спирали яркость лампочки выросла почти вдвое. И авторы метода уверяют, что такая процедура в промышленных масштабах лишь немного увеличит стоимость конечного изделия.

Эффективность лампочек накаливания составляет ничтожные два-три процента, и её удвоение всё равно не позволит конкурировать с флуоресцентными лампами, имеющими эффективность 8-18%, и с белыми светодиодами, чей КПД ещё выше. Зато цена этих \"ветеранов\", по-видимому, долго будет оставаться вне конкуренции, несмотря на то что органические светодиоды и другие новые технологии обещают резкое удешевление производства. И там, где освещение требуется сравнительно редко, применение \"новых старых\" ламп будет экономически оправдано даже при постоянном росте цен на электроэнергию. Возможно, это остудит пыл американских законодателей, которые в ряде штатов хотят попросту запретить использование ламп накаливания уже в ближайшие годы. Эдак скоро обычная лампочка станет предметом вожделения коллекционеров.

Помимо энергетической эффективности есть ещё такая характеристика, как качество освещения. И тут с обычными лампочками тоже конкурировать трудно. Лучшие натриевые газоразрядные лампы низкого давления, которые светят желтым светом, сегодня применяются в уличных фонарях. Их эффективность достигает 29%, и даже белым светодиодам соперничать с ними не под силу. К сожалению, натриевые лампы сильно искажают цвет, поскольку их спектр сосредоточен в узкой полосе в районе 590 нанометров.

Эффективность источника света формально оценивают исходя из спектральной чувствительности наших глаз, которую можно представить как колокол с основанием от 400 до 700 нанометров с максимумом на желтовато-зеленой длине волны 555 нанометров (при низкой освещенности этот максимум \"зеленеет\", смещаясь к 507 нанометрам).

Только чисто зеленый свет формально обладает стопроцентной эффективностью, но о цветопередаче в этом случае говорить не приходится. У естественного солнечного света эффективность всего 14%, поскольку большая часть солнечной энергии приходится на инфракрасную область спектра.

Но вернёмся к нашим героям. По предыдущим публикациям легко отследить, как учёные постепенно шли к своему \"случайному\" успеху. Три года назад с помощью серии фемтосекундных лазерных импульсов они научились делать поверхность металлов черной, хорошо поглощающей и излучающей свет с любой длиной волны. Фемтосекундные лазеры относительно компактны и могут питаться от обычной розетки, но в очень коротком импульсе они концентрируют колоссальную мощность. Попав на поверхность металла, импульс нагревает электроны, превращая их в богатую неустойчивостями плазму. Ионы остаются холодными, но бушующая плазма может \"вырывать\" их из металла самым причудливым образом. В результате даже на непрогретой поверхности образуются всевозможные ямки, выступы и другие замысловатые микро и наноструктуры.

Эти структуры резко меняют оптические свойства поверхности. Электромагнитные волны падающего света возбуждают в них сложные коллективные колебания электромагнитного поля и поверхностных электронов металла. В результате почти весь падающий свет поглощается, и поверхность становится черной. Позже учёные научились менять цвет металлических поверхностей. Алюминий и платину удалось сделать желтыми, а титан - синим или пурпурным. Однако для получения нужного цвета зачастую требуется не один, а целая серия фемтосекундных импульсов определенной формы, к тому же длительность обработки поверхности размером с монету может достигать получаса.

Пока не очень верится, что лазерная обработка спиралей лампочек будет дешёвой. И как поведут себя наноструктуры в процессе длительной эксплуатации, тоже неизвестно. Именно испарение вольфрама спирали ограничивает допустимую рабочую температуру и срок службы ламп накаливания. А развитая наноструктурами поверхность спирали скорее всего будет испаряться интенсивнее. Впрочем, есть надежда, что с помощью лазерных импульсов или какимто иным способом удастся изменять поверхность нити накаливания так, что она будет эффективно излучать только в заданном спектральном диапазоне. Тогда с качеством, надежностью и эффективностью подобного источника света любой другой технологии конкурировать будет непросто.