技术领域 本发明涉及光学珐术 Kight technology)电学技术 ectro technology)电子学技术 Electronics technology)、光化学 (Photochemistry)技术、光纤 (Optical Fiber)技术、光电子技术、光伏技术等。

聚光化学技术将广泛应用于光化学（包括太阳 能利用、光功能材料、光生物化学和环境光化 学等）、材料、生物、 环境、能源、有机化合物和药物合成等各个领 域。

背景技术 折射凸透镜域反射凹面镜）可改变光线传播路 径。平行于主光轴入射到折射凸透镜域反射凹 面镜) 后的光束，将汇聚于焦点上；斜入射到折射凸 透镜（或反射凹面镜）后的平行光束，将汇聚 于焦平面上形成一个光团。

光纤（Optical Fiber)是光导纤维的简称。如果一束光进入一根 光纤的一端之内时被全反射（Total Internal Reflectio n, TI )； 只要光纤曲率不太大，光可以沿着光纤内芯曲 线传输。

各种物质通常都处于稳定状态，称为基态（gro und state)。当物质吸收可见光或紫.外线后，将到� �一个高能的和 不稳定的状态，称为激发态 fe cited state)。它是由分子中的一个电子吸收光子后， 从原来的能级跃迁到更高的能级。

研究物质中电子跃迁 ®发态）的产生、结构、特性及其物理变化和� ��学变化的科学，称为光化学 (Photochemistiy 不是任何一种物质随便用光子激发，就能产生 激发态的。不同的物质通常吸收不同波长的光 。物质产生激发态的机 理、激发态形成所遵循的规律及其相关问题， 遵循光化学的选择规则（selection rules) 。

激发态分子的结构、物理性质和化学性质，不 同于其基态的结构和性质。跃迁前后所涉及的 两个轨道不重叠、轨道 对称性不变和跃迁时电子自旋方向改变这三个 因素中有一个因素存在，分子的激发就不能实 现，称为跃迁禁阻。

激发态分子因使基态分子达到激发态而被称为 敏化剂； 同时它自身失活到基态而被称为猝灭；基态分 子因获得能量 而到达激发态，称为被敏化； 它同时猝灭了相遇的激发态分子， 称为猝灭剂。

分子吸收光成为激发态分子，解离（失活）后 生成各种自由基、原子等中间体的过程，称为 初级光化学反应。 由光照引发自由基后再发生的光化学反应,称� �次级光化学反应。

太阳能的利用有两大难题：一是能量分布的分 散性（即辐射在单位面积上的能量很小）；二 是太阳能辐射的瞬时性。 光化学反应第一定律（Grotthus-Drapes定律）：只 有能够被分子吸收的光才能引发反应。因此光 化学反应中必须知 道原料分子的显示光谱和光源的能量分布谱线 、溶剂和光化学产物的吸收光谱。

光化学可以将太阳能转变为气体的、液体的或 固体的燃料。它包括太阳能的光电转换和存储 材料、光信息记录、存 储和显示材料（如非线性光学等材料）。光伏 效应、光致发光、光致变色等也都属于光化学 的范畴。

光化学合成的关键设备主要有两项：光源和光 化学反应器。

太阳能密度很低，要能付之实用， 需要大面积的设备和相当大的投资。因此光化 学反应一般采用人工光源。即光化 学中还没有采用太阳能；并且太阳光中红外辐 射几乎占有 50% ;如何消除其热的影响，也尚未解决。

光化学合成绝大多数采用的光源是各种人造光 源， 即符合光化学反应光谱要求的电光源。在光化 学合成领域中，应 用最多的是以汞蒸气为主的气体放电光源。

浸没式光化学反应器是将沉入式灯直接沉浸在 反应溶液中。它的优点是吸光效率高；缺点是 灯的外壁直接与反应物 接触，容易产生沉淀物，必须定期清洗。

降膜式光化学反应器中，反应液以液膜形式沿 反应器内壁向下流动，液膜厚度与物料吸光区 厚度相当；使流过的物 料能够比较充分地进行光化学反应。液膜必须 沿反应器内壁降落，不允许与灯壁接触，是降 膜式反应器的基本要求。

光化学反应与通常的热化学反应不同，具有空 间不均匀的特征。为了克服该缺点，采用的方 法通常是加强搅拌，使 更多的反应溶液能够参与光化学反应，例如机 械搅拌式反应器或者气泡搅拌的鼓泡式反应器 。

光化学反应器是一种由符合反应底物吸收的光 线在其中被底物有效吸收并发生化学反应的特 殊反应器。它分为浸没 式光化学反应器和降膜式光化学反应器。

研宄生物体系或其组成部分吸收光能后所发生 的变化以及生物的发光过程，称为光生物化学 。

有机化合物的电子吸收光谱有相当宽的频带吸 收。 日光的波长可以与反应物的吸收波长相匹配。

光线在空气介质 n。中以不同的角度 α 从光纤端面耦合进入纤芯 _{η ι} 时， 只有入射角 0 大于临界角 0。时，所对 应的光源入射角 α 、以内的光线才能进入光纤，并在光纤内传输 。在光线从空气进入的纤芯交界面处，有

sin a _mi I sin 6 | = sin a I sin (90° - 0 ) = n , / n (1) n ,和 分别是光纤芯和包层的折射率。由全反射时的 sin Θ _t n ₂ / n , ,代入上式，可得

sin a _m ― ( η , ² --- η ₂ ² ) "V η (2) 当光线从空气迸入光纤时， η = 1; 则 a _M ~ arcsin ( η , ² - η ₂ ^J ) ^m (3) 入射光线的总接收角为 2 a „ _x 。玻璃折射率的数值一般为 1. 5,则玻璃 --一空气界面的临界角 Φο为

Sin o==l/1.5 == 0. 67 , (4)

Φο == 42°

光纤的数值孔径 (Numerical' Aperture ) NA - ( η , ² --- n ₂ " ² ；则 sin a A / n , 当 n == 1时， a _m == arcsin NA ；数值孔径 NA反映光纤的最大可接收角 α _¾ 、的大小。

发明内容 本发明任务是将折射凸透镜或反射凹面镜（如 抛物反光面）等所聚集的日光， 引入光化学反应器，使 大功率和高效率的聚集日光转变成其他的能量 ；按聚集日光引入反应器方式，可分为直接引 入系统和光纤引入系统两种。

定义：具有将不同方向的平行日光聚集于焦平 面的折射凸透镜或者反射凹面镜组成的系统， 称为光聚集器。

定义：光聚集器所聚焦的日光，称为聚光。它 是一种大功率和高效率的光束。 定义：研究聚光与原料（即反应物）分子进行 反应的光化学，称为聚光化学。

聚光化学所需的日光随处可得，无需消耗燃料 、无机械转动部件，并取之不尽、用之不竭。

定义：利用聚光进行光化学反应的装置， 称为聚光化学反应器。

以下所指光纤，也包括光缆。

定义：将在大气、液体中的聚光直接引入光化 学反应器，与原料分子进行光化学反应的装置 ，称为直光化学系统。 定义：在光纤（包括实心光纤和空心光纤）内 能够进行弯曲传输的全反射的光束（包括聚光 ），称为曲光。

曲光具有能量损耗低、可绕性好、保密性好等 特征；它为低成本处理和低损耗传输日光，提 供很好技术支撑。 定义：将借助光纤传输的聚光引入光化学反应 器，与原料分子进行光化学反应的装置，称为 曲光化学系统。

由光接收器与聚光化学反应器,组成聚光化学� �统；按照聚光的传输方式，分为直光化学系� �和曲光化学系统两种。 i、光接收器由能够改变低角度的太阳高度角� �早晨或傍晚时）的棱镜和光聚集器等组成。� �聚集器将其采光面 称为采光面积）上的日光，在其主光轴的焦点 上形成焦斑（又称为焦面面积）。它能将大采 光面上的日光，聚集于非常 小的焦斑上。光聚集器的聚焦比（又称为聚光 比）是采光面积与焦面面积之比。它表示光聚 集器将采光面上的日光，经 过聚焦作用，在主光轴的焦面上形成的焦斑能 量密度可能达到的密度有多大； 反映聚光程度。这个倍数对于光聚集器来 说，一般要求尽可能地大。

现有的光化学反应 般釆用人工光源。太阳能密度很低，现有技术 不能付之实用。即现有的光化学中还没有采用 曰 光进行光化学反应。太阳光中的红外辐射几乎 占有 50% ;如何消除其热对光化学反应器的影响，光化� �技术也尚未解决。

由日光跟踪器或者改变早晨与傍晚日光入射角 的棱镜（图 10)，以及光聚集器等组成的系统，称为光接收 器（图 1)。 1. 1 光聚集器采用聚集光线的凸透镜时， 该凸透镜位于东、西棱镜之间的中央的下方（ 图 1)。这个水平设置的凸 透镜，焦点位于凸透镜的下方；传输光纤的始 端安装在该凸透镜焦点上，并使该聚光能够进 入光纤内全反射。该焦点也 可以位于聚光化学反应器的聚光源上， 并使该聚光能够通过光隔离器进入聚光化学反 应器内。 由聚光能够耦合进入传输 光纤进行全反射的最大入射角和传输光纤的数 值孔径 对凸透镜确定最小的太阳高度角 。

太阳与地面上某地的相对位置，跟太阳高度角 Η和方位角 Ζ有关。其数值可以由（5)和（6)公式计算。

sinH =sin 5 sin Φ + cos δ cos Φ cos ω t (5) sinZ = - sin ω t cos δ I cos H (6) 式中 Φ --- ---某地的地理纬度；

ω……地球绕轴旋转的角速度，近似为常数 15° /小时；

t 平均太阳时， 中午以前为负； 中午以后为正，

t =t _st - (L _st -L _los )/15 - 12；其中 t _st 为时区标准时间， L _sl 为标准时根据的经度；！^为某地的经度� � δ……太阳赤纬角，可用近似公式

δ = 23.45° sin (360° (284 + No) / 365 ) ) (7) 上式中 No —年中的第几天。

方位角 Z:正南方向为 0;东南方为负， 西南方为正。

最简单的折射棱镜（图 10)，棱镜的角是 45° --90° -45°。光线正入射到棱镜的一个较短的面，以 45°的入射角 投射到斜面上。这个角大于玻璃一-空气的临� �角 42°，光线作全反射，在偏转 90°后，光线从第二个较短的面射出。 . 光接收器中棱镜的两个折射面的夹角为 9 (棱镜角），出射光与入射光的偏转角为 ε，从折射率 n l的空气介质, 直线射入折射率为 η梭的棱镜。由折射定律，可得

n _ft / Π ₀ - Sin[(9 + _E ) I 2 ]/ Sin (θ/ 2) (8)

«Sin[(B + £) /2]/Sin (θ/2) (9)

. 可以选择棱镜角 Θ，使早晨与傍晚的太阳高度角在某个数值时� ��一般可选择 20° --30° )，经棱镜折射后的太阳光， 再经过凸透镜折射之后， 能聚集于位于其焦点的传输光纤的始端内，并 且满足入射光线在传输光纤的总接收角范围内 。

设光接收器中棱镜的商个折射面的夹角为 e， 出射光与入射光的偏转角为 e。光线从折射率 n i的空气介质，直 线射入折射率为 n _¾ 的棱镜。由 （8)和 （9)公式，可以选择 ø，使太阳高度角较小（早晨或傍晚）时，经� ��镜折射后 的等同的太阳高度角 不小于凸透镜的最小太阳高度角 ; 则太阳光在白天的大部分时间段内，可聚集于 传输光纤的 最大可接收角 a „范围内。设计时最小太阳高度角可以根据当 地辐射统计资料来确定。一般可在 20°至 30°之间选取。

光接收器的棱镜和透镜的采光面积 A可以根据使用的需要，按照聚光化学系统的� �定功率为 P,用（10)式确定。其 中太阳光强度 1 0.3— 0.5 kW/m',光的吸收效率 n ¾0.4~0.6之间。则采光面积 A为：

A==P/ (in) . do)

凸透镜两个表面的曲率半径分别为 R !»R ₂ ，表面到其曲率中心的方向与折射光方向 相同时为正，

凸透镜制造者方程： 1 / f = ( n— 1) (1 / 1? ₍ 一 1 / K ₂ ) 其中 f为焦距； I！为凸透镜的折射率。 根据经验，透镜的焦距 f一般情况下：

当 A=l.5 m ^z 时，选 f 0.6~ 0.65m；

当 A=2.0 itf 时，选 ί == 0.7— 0.75m；

当 A=2.5tf 时，选 f ¾ 0.8m;

太阳光从折射率近似为 1的空气中，射到折射率为 n的光纤，如果入射角 Θ大于临界角 Φο时，就会发生全反射。 临界角 Φο == arcsin (1/ n) (11) 棱镜表面还可以涂上一层 "无反射"薄膜，可减少光反射损失。将折射率� ��于玻璃的材料淀积在玻璃表面上，形成 硬而透明的薄层或薄膜。采用折射率 1. 38的氟化镁（MgF ₂ )涂膜，制成的 "无反射"薄膜的厚度应为 l(f m m„

1. 2 光聚集器也可以采用反射凹面镜（图 11) , 该凹面镜安置在东、西棱寧之间的中央的下方 （图 2)。 这个水 平设置的凹面镜，焦点在凹面镜的上方；传输 光纤的始端安装在该凹面镜焦点上， 并使该聚光能够进入光纤内全反射。 由聚光能够耦合进入传输光纤进行全反射的最 大入射角和传输光纤的数值孔径 ，对凹面镜确定最小太阳高度角 H _B 。 凹面镜的焦点也可以位于聚光化学反应器内的 聚光源上。由聚光能够耦合进入聚光化学反应 器，对凹面镜确定最小的太 阳高度角 。

由（8)和（9)公式，可以选择棱镜的两个折射� �的夹角 e ,使太阳高度角较小（早晨或傍晚）时，经棱� �折射后 的太阳高度角 H不小于凹面镜的最小太阳高度角 ；则太阳光在白天的大部分时间段内，可聚集 于传输光纤的最大可 接收角 a max范围内或者位于聚光化学反应器内的聚光源 上。

光聚集器设计时所需要的最小太阳高度角 H，可以根据当地辐射统计资料来确定。一般� �以在 20°至 30°之间选取。 采光面积 A可以根据使用的需要，按照聚光化学系统的� �定功率为 P，用 (10)式确定。其中太阳光强度 I可取 0. 3-0. 5 k ff/m ¹ ,光的吸收效率 η可取 0. — 0. 6之间。 '

这种光聚集器中除了反射凹面镜之外的其他部 分，与折射凸透镜基本相同。

因为在入射日光所通过的区域内设置各种光化 学反应器， 会挡掉了一部分入射日光；所以可以利用反射 镜把聚光反 射到旁边的光化学反应器（图 12)或者反射后穿过凹面镜上的孔洞出射（图 13)到达光化学反应器。

1. 3 光聚集器还可以采用东棱镜与西棱镜、一个直 径一般为 0.4米以上的凸透镜域者涂有银或铝的反射凹面 镜), 把日光的平行光线折射域者反射）后，聚焦到 一个经过精密加工的透明锥体中，该锥体里含 有对光线起折射作用的油, 油是一种使光线高度聚集的物质。这个锥体把 日光聚集起来后，可使焦点的直径从 1厘米縮小到 1毫米。这种光聚集器 中除了透明锥体之外的其他部分，与折射凸透 镜基本相同。

1. 光接收器可以采用日光跟踪器使折射凸透镜或 者反射凹面镜对准太阳。 日光跟踪器上的每面凸透镜或者凹面 镜，可以用一台电脑控制两台马达与太阳同步 转动，当太阳被云彩遮住时， 日光跟踪器就靠一个钟表装置来带动。因此 只要太阳一露出云彩， 凸透镜或者凹面镜立即能对着太阳。这样每面 凸透镜或者凹面镜在白天随着日光跟踪器都可 以对 准太阳。 日落之后， 电脑又将跟踪器转向东方。这种光聚集器中除 了日光跟踪器之外的其他部分，与折射凸透镜 （不包 括棱镜）基本相同。

1. 5 光聚集器的折射凸透镜或者反射凹面镜的焦点 上还可以设置光隔离器 (图 8)。通过光隔离器，防止聚光反射。 光纤耦合器（图 6、图 7) ,将聚光耦合到聚光化学反应器或者连接到光� �，进行光线的分离或合并；将一个或多个 输入光波分配给多个或一个线路输出； 由耦合器将日光递送到聚光化学反应器或者连 接到光纤内进行传输。光纤耦合器 形式主要有 Τ型耦合器（图 6)、星型耦合器（图 7)和方向耦合器。方向耦合器的作用是将光功� ��根据具体要求，发送 到某一方向的光纤中；它可分为耦合波导型、 电光效应型、磁光效应型和声光效应型等。

光纤耦合器是将光信号进行分路、合路、插入 、分配的光学器件，按器件结构可分为四种： 微光元件型、光纤成形 型、光纤对接耦合型以及平面波导型。微光元 件型耦合器大多利用自聚焦透镜,将聚光变成� �行光线的特性而实现两束 光线的耦合。光纤成形型耦合器最典型的形式 是星型耦合器； 它可以是由两根以上（最多可以到 100多根）的光纤局部 加热熔合而成。这种光纤耦合器在制作上比较 容易，价格比较便宜，光纤和元件为整体，可 以耐受机械振动和温度变化。

光开关的功能是转换光路，实现光波的交换。

1. 6在光隔离器内壁上也可以涂一层荧光材料或� �光剂。当荧光材料受到日光中含有的红外线� �射时，会发出可见 光。采用不同性质的荧光材料，可制成能发出 任何所需可见光的光源。这种可见光可以补充 原来可见光的强度。

1. 7 将光接收器直接或者通过传输光纤，与聚光化 学反应器进行不同的组合，可以形成各种各样 的直光化学系统和 曲光化学系统。

1. 7. 1 日光经过光聚集器的折射凸透镜或者反射凹面 镜（早晨或傍晚的日光还事先经过折射棱镜） 后，送到光纤内 进行传输；传输一定距离之后，到达传输光纤 的终端，最后将聚光递送到聚光化学反应器（ 图 3)。这是曲光化学系统。

1. 7. 2 日光经过光聚集器的折射凸透镜或者反射凹面 镜（早晨或傍晚的日光还事先经过折射棱镜） 后，到达光隔离 器，再将聚光直接递送到聚光化学反应器（图 4) 。

1. 7. 3 日光经过光聚集器的折射凸透镜或者反射凹面 镜（早晨或傍晚的日光还事先经过折射棱镜） 后，到达光隔离 器，再由光纤耦合器将聚光送到传输光纤内进 行传输;传输一定距离后，从传输光纤的终端� �送到聚光化学反应器 (图 5)。

1. 7. 日光经过光聚集器的折射凸透镜或者反射凹面 镜（早晨或傍晚的日光还事先经过折射棱镜） 后，经过光纤耦 合器，将聚光送到光纤内进行传输后递送到聚 光化学反应器。

2、 传输光纤是聚光化学系统中光线传输的介质。 光纤是由高折射率的光纤芯和低折射率的包层 以及护套构成。按 制造光纤材料的不同，光纤可分为石英光纤、 多组分玻璃光纤、全塑料光纤和掺杂光纤等。

光线从光纤的芯线射向包层时， 能发生全反射，经反复的全反射可以将光线从 一端传输到另一端。光纤柔软， 弯曲 了也能传输光线。在传输光纤中，还需要应用 一些光无源器件， 如耦合器、光开关等。

不同类型的光纤，传输特性和能量损耗也不同 。光缆的结构形式也多种多样。为了适应各种 聚光化学的需要，还可 以使用导光束。它是将多根光纤按一定的结构 排列组成的光绻。

光是一种电磁波。它的电场和磁场隨时间不断 地变化，总是相互正交传输。当电场 E施加到介质材料时，会引起其 原子和分子的极化。在强电场作用下，极化 P和 E的关系是非线性的。当光强达到 lOOOkW/c m ² 时，这种非线性必须考虑。

小能量光线的传输可以使用普通的石英玻璃光 纤， 也称为实心光纤。高能量光线的传输就要使用 空心光纤。

现有的传输光纤绝大部分应用于信息传输;它� �输电磁波的波长是 850纳米短波长的波段，以及 1310纳米、 1550纳 米长波长的波段。这些波段不属于可见光范畴 。现有的光纤是实心光纤，传输的能量并不大 。

2. 1 实心光纤一般采用石英光纤； 它不仅具有低损耗，还有好的弯曲特性、耐热 性、化学稳定性等特点；可以用来 传输可见光、红外线与紫外线。传输可见光的 实心光纤的直径不能太细， 因此一般采用多模光纤。

2. 2 空心光纤是以细管状空气（或气体）为纤芯， 采用折射率小于 1的材料（包括金属、聚合物、玻璃、晶体等� � 为外部管壁。其传光原理与阶梯折射率型的实 心光纤相同，光线在管壁上全反射。光线在这 个细管内壁上边反射边传播。

空心光纤的空心内径可以在1毫米以上；并在� �部没有反射损失。空心光纤的内部管壁，可� �涂覆非常薄的吸收率 非常低的材料；则曲光的传输几乎没有吸收损 失。理论上气体纤芯可传输任何波长的光线。

3、聚光化学反应器能将聚光转换成有实用价� �的化学能或者其他的能量。将大功率和高效� �的聚光，引入聚光化学 反应器，组成聚光化学系统。

敏化和猝灭是同时发生的；是同一个光物理过 程的两个方面，两者不可分割。许多光化学应 应不是反应分子直接受 到光激发引起反应，而是光量子首先被作为敏 化剂的分子所吸收，然后通过分子间的能量传 递或者电子转移，使反应分 子发生光化学反应。光敏能量传递反应与光敏 电子转移反应在光化学合成、光聚合反应、光 治疗、太阳能转换中具有重 要的位置。

按聚光引入聚光化学反应器的方式，可分为直 光化学系统和曲光化学系统两种：

将光接收器、聚光化学反应器进行不同的组合 ，可以形成各种各样的直光化学系统。

将光接收器、传输光纤、聚光化学反应器进行 不同的组合，可以形成各种各样的曲光化学系 统。

3. 1直光化学系统主要由光接收器（图 1)和聚光化学反应器（图 9)二个部分组成。光接收器中的光聚集器（图 U 利用凸透镜或凹面镜等，将太阳等光源的光线 ，聚焦于聚光化学反应器内；通过聚光化学反 应将光能转换成化学能。

光接收器是由具有改变光线方.向的棱镜（图 10)或者日光跟踪器、聚集光线的凸透镜（或者 凹面镜）等组成。凸透 镜（或者凹面镜）将光源（如太阳）的光线聚 焦后，直接或者通过光隔离器，将聚光耦合到 聚光化学反应器。

3. 2 曲光化学系统主要由光接收器、传输光纤和聚 光化学反应器 Ξ个部分（图 3)组成。 日光经过光接收器的折射 凸透镜或者反射凹面镜后，再由光纤耦合器连 接到传输光纤的始端内进行聚光的传输;然后� �聚光送到聚光化学反应器, 聚光化学反应器通过聚光化学反应，将日光的 能量转化为化学能。利用凸透镜或凹面镜聚集 的日光通过光纤进行传输， 引入工厂进行生产，使光能转化为化学能。

光接收器是由具有改变光线方向的棱镜（或者 日光跟踪器）、凸透镜（或者凹面镜）等组成 。

曲光化学系统中的光接收器（图 1)，可以采用棱镜（图 10)和凸透镜；或采用棱镜（图 10)和凹面镜（图 11)； 或者采用日光跟踪器和凸透镜等;将日光直接� �焦于传输光纤始端，传输到终端后 ;将 线耦合到聚光化学反应器 (图 3)。

3. 3 聚光化学反应器是一种由符合反应物吸收的光 谱在可见光区域（包括紫外线）内并发生聚光 化学反应的装 ¾ 聚光化学反应器由聚光源、透镜、滤光片、石 英反应池、恒温装置和功率计等几部分组成（ 图 9)。聚光源通过透镜 变成平行光，再经过滤光片，将与反应物的吸 收波长相匹配的聚光变为某个狭窄波段的光， 通过垂直于光束的石英窗照 射在反应混合物上，未被反应体系吸收的聚光 透射到功率计（一种光强检测仪器） , 由功率计测出透射光的强度。聚光 化学反应容易控制；通过选择适当的光的波长 可提高反应的选择性；通过光的强度可控制反 应速率。例如聚光氯化反应 和聚光溴化反应等都是聚光化学反应。它分为 浸没式聚光化学反应器和降膜式聚光化学反应 器。

浸没式聚光化学反应器是将一个或者一组的聚 光直接聚焦在反应溶液中， 以充分利用聚光的能量。它的优点是吸光 效率高。通过搅拌器对反应溶液进行搅拌，使 更多的反应溶液有机会进入聚光的反应区，参 与聚光化学反应。

降膜式聚光化学反应器中，通过一组光纤终端 的排列，将反应溶液以液膜形式沿反应器内壁 与装有一组光纤终端的 透明容器之间而向下流动，液膜厚度与物料吸 光区厚度相当；使流过的物料能够比较充分地 进行聚光化学反应。

3. 聚光化学反应实质就是电子在各种分子轨道中 移动和充填的过程。它的发生除了与电子所处 轨道的能量有关 外，还与该轨道的对称性有着重要的关系。

激发态势能面与基态势能面接近时，激发分子 最易进入基态势能面；使许多聚光反应生成的 初级产物含有高能结构 激发态分子转变为基态分子时，将生成一些与 两者相似的凡何构型；这些构型在基态势能面 上是具有高能量的构型； 由 于这类几何构型，基态和激发态才能在能量上 趋于接近。在 (So表示基态）势能面上的这些 "高能"点，一般相应有 极度伸展的 0键、极度扭转的 π键与一些轨道禁阻的基态反应。常见的有断� ��强 σ键或 π键的光化学反应以及产生高张力结 构的光反应。因此高能不稳定化合物 [如小环（四元环、三元环）和笼状化合物]的� ��成是聚光化学反应的强项。

,聚光化学反应应用聚光技术，可以大大降低� �型光源的能源运转费用，使聚光化学合成工� �在经济上具有竞争能力; 能够使聚光化学反应高效地直接使用聚光；通 过光致发光，使聚光转化为与光化学反应所需 要的频率相匹配的频率。采 用聚光化学周环反应选择性地打开麦角固醇或 7-去氢胆固醇的 Β环，大大縮短了合成步骤，提高了产率，实� ��工业化生 产维生素0。聚光化学的独特有机合成性能，� �热化学方法或其他催化方法所不能替代的。

聚光化学在自由基连锁反应的有机合成反应中 ，光量子产率很高，消耗的光能很少。

现有光化学反应在有机合成，例如各种杂环的 合成、扩縮环的应用、多种复杂天然产物以及 高张力笼状化合物的合 成方面取得成功；但是光化学合成在工业上能 够成功应用的例子并不多，只有维生素 D、香料、尼龙等有限的几种产品。

聚光化学反应技术，将广泛应用于材料、生物 、环境、能源、有机化合物和药物合成的各个 领域。

3. . 1 四元环的合成主要是烯烃 [ 2 + 2 ]聚光环合加成反应和羰基化合物 [ 2 + 2 ]聚光环合加成反应。 烯烃 [ 2 + 2 ]聚光环合加成反应的转换效率高，其产物环� �烷还可以进一步地进行①扩环、②縮环、③� �键断裂、 ④两键断裂而分别生成三元环、五元环以及其 他直接衍生物。因此它的应用范围十分广泛。

羰基化合物 [ 2 + 2 ]聚光环合加成反应是羰基受光激发，在烯烃� �存在下进行 [ 2 + 2 ]环合加成生成氧杂环丁 垸的反应， 即 PatemrBochi反应。这个反应己经广泛应用于天然� ��物的合成。

3. 4. 2 三元环的合成主要有光诱导的双-（H -甲垸）重排反应和光诱导的 _σ -迁移重排反应。

非共轭双键（1， 4-戊二烯）聚光照射后发生重排反应，生成乙� ��基环丙烷。聚光照射二烯酮体系，会生成环� ��

3.4. 3 聚光环合加成反应是指两个共轭体系、烯烃或 双键互相结合生成一个环状化合物的反应。在 聚光环合加成反 应中， 发生加成的两个双键变为 2个单键， 同时生成 2个新的单键，构成少 2个双键的环体系。聚光环合加成反应主要 分为分子内聚光环加成和分子间聚光环加成两 大类。

分子内聚光环加成是指含双键的多个分子通过 聚光加成形成环状化合物的反应。它可生成不 同立体结构的化合物 (如 笼状化合物）。

分子间聚光环加成是指含双键的两个分子通过 聚光加成形成环状化合物的反 >它的产物比较多，甚至达到十几种。 笼状化合物的合成是根据 fcodward-Hofftian定则： [ 2 + 2 ]环合加成反应生成环丁烷在热化学中是禁阻� �，而在 聚光化学反应中是允许的。利用分子内的 [ 2 + 2 ]聚光环合加成反应，生成高能紧张化合物环� �烷，为合成笼状化合 物立方烷提供了廉价的方法。合成笼状化合物 的结构因素有：①取代基的立体阻碍；②桥头 双烯化合物；③桥链增长的 影响。通过正离子自由基的连锁反应，可以高 效合成笼状化合物。

3. 4. 4 所有的有机化合物几乎都可以发生聚光化学反 应。例如利用聚光化学反应可以合成天然产物 -一药物和香料 及其重要中间体。在聚光和氧气条件下，就有 可能发生聚光氧化反应，如果光敏化剂参与， 可使聚光氧化反应更加容易。 光敏氧化反应分成两类：通过电子或者质子转 移的，称为 I型反应；通过能量传递产生单重态氧 的为 II型反应。 I型 反应是电子转移聚光氧化反应或者是聚光氧化 自由基的连锁反应； II型反应发生的是 的氧化反应。在电子转移聚光氧 化反应中，通过电子反传也能产生 。

染料敏化聚光氧化反应采用的敏化剂一般为叶 绿素 a、亚甲蓝、唬红、四碘荧光素、血卟啉、类� �啉、甲素等染料, 其吸收光谱在 400— 700纳米的可见光范围。利用聚光进行聚光氧化 反应还可以采用其他方法。

3. 4. 5通过环状过渡的没有中间体过程而一步完成� �光化学的基元反应，称为周环反应 tricyclic reaction) . 它是一类重要的有机聚光化学反应；是一系列 多烯化合物的光诱导同步（concerted)反应。新� �的生成和旧键的断裂同 时发生，反应只经历一个过渡态而没有自由基 或离子等中间过程。根据 fcodrard-! fman定则，聚光照射 1, 3-二烯， 通过对旋关环而得到顺-二取代环丁烯。

聚光照射双环 [ 4. 3.0 ]壬-2， 4-二烯后，生成两个产物：一是开环产物为大� ��三烯化合物；二是关环产物为环丁 烯。由于张力原因，主要产物是大环三烯化合 物。 ·其中聚光照射麦角固醇或 氢胆固醇， 发生单重态开环反应可以分 别生成预维生素]) ₂ 和预维生素 ¾。预维生素 或预维生素 ¾进一步进行热异构化反应， 发生 [ 1, 7] σ -迁移重排反 应就得到维生素0 ₂ 和维生素¾。维生素 ¾是重要的医疗保健药品，也是饲料工业中不� ��缺少的饲料添加剂。同样的反应 机理可以将相应的 7-去氢胆固醇合成 1 α， 25_二羟基维生素 1 α , 25-二羟基维生素 ¾是治疗佝偻病的特效药。 4、 研究生物体系或其组成部分吸收聚光后所发生 的变化以及生物的发光过程，称为聚光生物化 学。

有机化合物的键能在 200— 500 k J/md范围内，所以有机分子吸收波长为 600— 239纳米的光后可造成键的断裂， 而发生光化学反应。

电子给体将一个电子传给远处的电子受体而形 成离子对的过程，称为电荷分离。随后该电子 再传递给醌电子受体， 使激发的光能转变为化学能。

二氧化碳和水（或硫化氢），与聚光的光合反 应能够合成出碳水化合物和氧气（或硫）的过 程，称为聚光光合。 聚光光合作用的核心是太阳能转化的机理。即 光合过程中的初级光化学反应。它包括电子给 体吸收光能变为激发态。 植物的光合色素从日光中捕获光子，经过能量 传递，将吸收的光能传递给光合 A分子。在光合 A分子的光合反应中, 被激发的光合色素引发电子给体和电子受体的 一系列氧化一还原反应，构成电子输送链，完 成电子输送过程。在这个电 子输送过程中，绿色植物体中的两个光系统（ 通常称为光系统 I和光系统 II ,分别用 PS I和 PSII表示）串联协同工作。

氢给体（H ₂ A)氧化并使二氧化碳还原是光合作用中的� ��二个与光有关的原初过程-

H ₂ A → H ⁺ + A + e '- 在聚光生物化学的光系统 II中， 电子输送链的始端从水¾0 (或硫化氢 ¾S)中摄取电子，顺次经过光系统 Π和光系 统 I的电子输送链，到达光系统 I的电子输送链的终端。在光系统 I中的电子输送链先由蛋白质 -铁氧还蛋白 （FD)把电 子输送到尼古酰腺嘌吟二核苷酸磷酸（NADP)，� �� NADP被还原为其还原型尼古酰腺嘌呤二核苷酸� �酸（NADPH)；而在 细菌的光合反应中，电子输送到尼古酰腺嘌呤 二核苷酸 (NAD) , NAD则被还原为其还原型尼古酰腺嘌呤二核苷酸 (NADH), 在电子输送过程中，通过二磷酸腺苷 ftDP)和正磷酸作用，有效地利用了电子输送过� ��中放出的热，并使这部分能量用 于生成腺苷三磷酸（ATP)， 以 ΑΊΡ的形式储存起来。膽 PH (或賺 H)是一种极强的还原剂，在 ΑΊΡ的催化作用下，将 二氧化碳还原为碳水化合物。

定义： 能够与不同蛋白质分子相结合的并分别具有将 二氧化碳和水还原为碳水化合物的物质，称为 光合反应物质； 简称光合物质。例如还原型尼古酰腺嘌呤二核 苷酸（ADH)是光合物质；还原型尼古酰腺嘌呤� �核苷酸磷酸（ADPH)和 腺昔三磷酸（ATP)也是光合物质。它们是光合� �用的高能终端产物；被用于还原二氧化碳的� �碳反应中：

C 0 ₂ + 4 H ⁺ + 4e→ ( C ¾ 0 )„ + ¾

定义：含有光合物质的叶绿素 A (P700)分子（Chl. a ₍ ) ,称为具有光合功能的叶绿素 A分子，简称光合 A分子。 定义： 具有吸收一个光子而被激发并能够向原初电子 受体付出一个电子同时又从原初电子给体获得 一个电子的叶绿 素 A (P680)分子（Chl. a„) ,称为具有吸收光子功能的叶绿素 A分子，简称吸光 A分子。

定义：能够吸收光子而转化为激发态并将其吸 收光能传递到光合 A分子的色素，称为光合辅助色素，简称光合� �素。 吸光 A分子和光合色素（叶绿素8、叶绿素 C、胡萝卜素、藻红素和藻蓝素等） ,统称为吸光色素。

将光能转变为化学能的光合反应是由光合 A分子、吸光 A分子和光合色素共同完成的。光合作用 Z-图是光合作用机 理的基础。首先由吸光 4分子吸收一个光子而被激发，然后向原初电� �受体 Q (E =O. O e V)付出一个电子， 同时又从原 初电子给体 Z (E =0.8 e V)获得一个电子。叶绿素 A (P680)分子的净作用只是受光激发后作为一个电 子泵；把电子从 能量低的 Z提升到能量较高的 Q,生成 Q一和 Z ⁺ 。 Z ⁺ 氧化水而放出氧； Q—把电子转移给质体醌（PQ)，还原的质体醌� � 把电子传给吸光色素 C。这一系列的电子输送（氧化还原暗反应）� �是沿热力学梯度进行的。即吸光色素从日光� �吸收光 子而转化为激发态， 并迅速地将光能从一个吸光色素传到另一个吸 光色素，其中质体醌 /还原型质体醌的功能是储存电 子的光能；最后吸光色素将其吸收的光能传递 到光合 A分子。能量传递的速度与给体分子、受体分� �距离的 6次方成反 比。这样光合 A分子才能完成将光能转变为化学能的聚光化� �反应。

在自然界中的植物体内，光合 A分子只有叶绿素 A分子总数的 1%。类胡萝卜素除了作为辅助色素收集光子外� ��其最 大作用还在于能够保护叶绿素分子免受光照和 单重态氧（激发态氧分子）的破坏。

不同生物功能都是在含有脂蛋白的封闭膜的囊 泡中进行的。光合作用是发生在含有功能膜的 类囊体中。类囊体是由 蛋白质分子、色素分子和脂类分子等组成的一 个复杂分子体系。它含有 200个电子传递链，每个传递链都有 500个具有 光能转换功能的色素分子（叶绿素、胡萝卜素 等）。即每一个类囊体含有 10 ⁵ 个色素分子。

以二十面体形状的空心球体为基本单元的膜蛋 白 LHC-Π环类化合物，是生物的一种功能膜。膜蛋 白 LHC- II是绿色植 物中含量最丰富的主要捕光复合物。膜蛋白 LHC-II先组成一个二十面体形状的空心球体（类 似于富勒烯 C 60的结构）， 再以此为基本单元，周期有序排列形成晶体。 这个二十面体形状的空心球壳提供了一个包括 膜蛋白、色素分子和脂分子 在内的一个类似光合膜的完整结构模型。它分 别具有吸收日光中不同波长的功能。

膜蛋白 LHC- II晶体结构的空心球体很稳定，但易放出电子� ��可以参与某些聚光化学反应而分子结构不被� ��坏。它和 碱金属形成的化合物具有超导性，是一种三维 有机超导体。膜蛋白 LHC-II晶体与氧化物超导体相比，优点是三维导 电。

光合 A分子和吸光色素在化学结构上大多属于共轭� �四吡咯环类化合物。叶绿素分子由 4个吡咯环和一个脂环构成, 由于中心镁元素的络合，形成了一个扁平的大 环，环上带有一个长碳链的尾巴。由于大环的 高度共轭，使吸光 A分子在 聚光的长波段有很强的吸收能力。叶绿素 B的结构仅是环上的取代基与吸光 A分子稍微不同。在植物活体中， 叶绿素 A 含有脱氧核糖核酸（DNA)和核糖核酸（RNA)：光� �� A分子可与不同的蛋白质分子相结合；吸光 A分子分别具有不同的 最大吸收波长。

藻红素和藻蓝素都具有线性四吡咯环结构。藻 蓝素的化学结构比藻红素多了一个共轭双键。 因此藻蓝素最大光吸收 比藻红素红移。去掉了蛋白的藻红素和藻蓝素 分别称为藻红胆素和藻蓝胆素。

胡萝卜素是个多烯类化合物，不含吡咯环。 细菌叶绿素通常有 a、 b、 c、 d、 e五种形式。它们的光吸收不同于叶绿素。

光合 A分子的排布规律、空间位置和电子传递取向� �使其能够高效吸收和利用光合色素分子的光� �。

植物从大气中获得二氧化碳，并将其与水中的 氢结合，生成各种碳水化合物，称为固碳。以 硫化铬为催化剂进行半 导体催化反应，在饱和的二甲基甲酰胺溶液中 ， 以三乙胺为电子源采用波长大于 400纳米的可见光照射， 发生了二苯甲 酮与二氧化碳的加成反应，得到二苯基羟基乙 酸： P¾ C 0 + C Oi→ P¾ C O H C 0 ₂ H

在植物的光合作用过程中，还原二氧化碳所需 的电子正是来源于水的氧化。这是一个光致氧 还原过程：

2 ¾ 0 + f) y→ 0 ₂ + 4 H ⁺ + 4 e .

某些过渡金属（如钌、锰、铁、钴、镍）的氧 化物或络合物可以对这一反应过程起催化作用 。二氧化钌 to 0 ₂ )作 为异相催化剂的机理是，当敏化剂如 Ru (bpy) ²⁺ ₃ 受光激发后，产生于其上的空穴跃迁至 0 ₂ 颗粒上，迸而导致吸附 在 Ru 0 ₂ 上的水分子发生氧化反应。该反应的量子 产率为 1. 5X 10— ³ 以上。由于采用马来酸酐与苯乙烯的共聚 物作为铂溶 胶（共催化剂）的保护膜，并使之与甲基紫精 相结合，从而有效地阻断了反应中间体与光化 学反应产物间的反向电子转 移过程。 3价锰的络合物与自然界的生物催化体系相接� �。

还可以将起催化作用的二氧化钌和铂（Pt)分散 在具有半导体性质的二氧化钛表面上；一则可 以利用二氧化钛的半 导体性质传输电子，参与水的光解反应，从而 省去了一般体系中需要使用的甲基紫精； 二则由于二氧化钌和铂的簇体粉 末分散，增加它们的利用率。

5、用紫外线、可见光或者红外线激发的材料� �够发光的现象，称为光致发光。这种材料称� �光致发光材料。它分为 荧光材料和磷光材料两类。荧光材料主要为芳 香类和杂环类化合物，如 类、蒽类、荧光素、罗丹宁、荧光染料以及某 些液晶等。荧光材料的发光效率较高。磷光材 料主要由基质和激活剂两部分组成。选择的激 活剂与基质应当相匹配。 · 产生跃迁矩是分子激发的基本条件； 电荷分布发生改变，会导致分子极性和偶极矩 的改变。这正是溶剂极性增加会 导致分子吸收光谱红移和蓝移的原因。

曰光的红外辐射几乎占有 50% ;利用光致发光材料中的上转换材料，可将红� �光转换为可见光,并消除其热的影响。 光致发光转换系统， 由光纤耦合器和光致发光转换器等装置组成。 它工作过程为： 聚集光线经过光聚集器、传输光 纤之后， 由传输光纤的终端，经过光纤耦合器到光致发 光转换器，生成的光线，送到聚光化学反应器 。

光致发光转换器一般由磷光剂、氧化钛、氧化 硅、氧化锆或者氧化铝等构成；它可将靠近可 见光范围内的红外线和 / 或紫外线，转换为可见光。

附图说明

图 1 采用凸透镜的光接收器示意图。光接收器的折 射凸透镜位于东、西棱镜之间的中央的下方。 该水平凸透镜使在 适当的太阳高度角范围内，太阳光聚集于传输 光纤的始端或者聚光化学反应器内。 001040

图 2 采用凹面镜的光接收器示意图。光接收器的反 射凹面镜位于东、西棱镜之间的中央的下方。 该水平凹面镜使在 适当的太阳高度角范围内，太阳光聚集于传输 光纤的始端或者聚光化学反应器内。

图 3 曲光化学系统示意图 日光经过光聚集器的折射凸透镜或者反射凹面 镜（早晨或傍晚的日光还事先经过折射 棱镜）后，送到光纤内进行传输；传输一定距 离之后， 到达传输光纤的终端，最后将聚光递送到聚光 化学反应器。

图 4 采用光隔离器的直光化学系统示意图。日光经 过光聚集器的折射凸透镜或者反射凹面镜 (早晨或傍晚的日光还 事先经过折射棱镜）后，到达光隔离器，将聚 光直接递送到聚光化学反应器。

图 5 采用光隔离器的曲光化学系统示意图。聚光（ 早晨或傍晚的日光还事先经过折射棱镜）到达 光隔离器后，再由 光纤耦合器将聚光送到传输光纤内进行传输； 传输一定距离之后，从传输光纤的终端递送到 聚光化学反应器。

图 6 T型親合器示意图。其功能是将一根光纤输入� �光功率分配给两根光纤。它可以是与波长有� �或无关的耦合器。 图 7 星型耦合器示意图。它可以是由两根以上（最 多可以到 100多根）的光纤局部加热熔合而成。

图 8 光隔离器结构示意图。将法拉第旋转器旋转， 使起偏器和检偏器互成 45°，就可切断反射光，实现光隔离。 图 9 聚光化学反应器结构示意图。它由聚光源、透 镜、滤光片、石英反应池、恒温装置和功率计 等几部分组成。 图 ίθ 光线在棱镜中传输的示意图。该玻璃棱镜的角 是 45°—90°— 45°。光线正入射到棱镜的一个较短的面上， 以 45°的入射角投射到斜面上。这个角大于玻^"空 气的临界角 42°；光线作全反射，从第二个较短的面射出� �

图 11 凹面镜反射光线示意图。平行光束经凹面镜反 射之后会聚于焦平面上一点而产生一个亮点。

图 12 凹面镜反射光线到其旁边的示意图。它可以利 用反射镜把聚光反射到其旁边的聚光化学反应 器。

图 13 凹面镜反射光线穿过其孔洞到背面的示意图。 它可以利用反射镜把聚光反射到凹面镜背面的 聚光化学反应器。 具体实施方式 聚光化学系统中光接收器将聚集的日光，直接 或者通过光纤，送到聚光化学反应器，进行反 应。 聚光直接送到聚光化学反应器，就是直光化学 系统；聚光通过光纤传输后，才送到聚光化学 反应器，就是曲光化学系统。

1、光接收器由能够改变低角度的太阳高度角� �早晨或傍晚时）的棱镜和光聚集器等组成（� � 1)。它也可以由棱镜 和光聚集器、防止光线反射回来的光隔离器和 将光线分路送入光纤的耦合器等组成（图 5)。光接收器的工作过程为： 光接收器（图 1 )由棱镜和凸透镜或者凹面镜等组成。其中东� �西棱镜分别位于凸透镜上部的东面和西面，� �相互对 称的。在太阳高度角较小（早晨或傍晚）时， 棱镜改变日光的方向；使日光经过棱镜之后， 能够通过凸透镜进入光纤内。

1. 1 光聚集器可以采用棱镜和凸透镜（图 1)，该凸透镜位于东、西棱镜之间的中央的下� ��。这个水平设置的凸透 镜，应当满足在适当太阳高度角范围内， 日光可以聚集于该凸透镜下面的 ί专输光纤始端上（图 1) 。

太阳与地球上某地的相对位置，跟太阳高度角 和太阳方位角有关。

太阳高度角 Η和方位角 Ζ的数值可以由（5) 、 (6)公式计算。

日光从折射率近似为 1的空气中，射到折射率为 η的光纤，如果入射角 Θ大于临界角 Φο时，就会发生全反射。根据 公式 ( 11) ,临界角 ο - arcsin ( 1/ n) 。

根据早晨与傍晚的透镜边缘的日光线射入传输 光纤的入射角大于临界角 Φ ₀ ，可以确定所需要的太阳高度角 H的最小 值。从该太阳高度角 H的最小值，根据公式（8)和（9)可以确定棱镜� ��两个折射面的夹角 0 。

透镜的有效长度 a可以用焦距 f (m)和所确定的当地最小太阳高度角 H„ _in (度)代入以下公式- a =f tg (90° - H _Bi „) (单位: m ) ( 12)

最小太阳高度角 H„ _in 可根据当地太阳辐射统计资料来确定， 一般在 20°—30°之间选择。

透镜的宽度 b可以用焦距 f (m)和当地地理纬度 Φ (度)代入以下公式- b =f tg (0. 8 Φ - 1Γ ) (单位： m ) ( Φ ^ 23. 5° ) ( 13)

b =f tg( 8° ) (单位： m ) ( Φ <23· 5° ) ( 14)

1. 2 光聚集器也可以采用棱镜和凹面镜（图 11、图 12、图 13)，该凹面镜位于东、西棱镜之间的中央的下 方。这 个水平设置的凹面镜，应当满足在适当太阳高 度角范围内， 日光可以聚集于该凹面镜上面的 ί专输光纤始端上（图 2) 。

可以选择棱镜的两个折射面的夹角 0，使早晨与傍晚的太阳高度角在某个数值时� �一般选择 20° - 30° )，经棱镜 折射后的日光，再经过凸透镜折射之后， 能聚集于位于其焦点的传输光纤的始端上,并� �满足入射光线在传输光纤的总 接收角范围内。

1. 3 光聚集器也可以采用棱镜、凸透镜和透明锥体 ；其中锥体里含有对光线起折射作用的油；如 甲醇、水、甘油等。 将光纤的始端利用透明材料密封后，直接安装 在聚光凸透镜映射在存储有油的透明锥体中的 焦点上。

1. 4 图 1中也可以不使用棱镜，而将凸透镜或凹面镜� �接安装在日光跟踪器上。这样可以使它们一� �对准日光。 日光跟踪器采用东西水平和上下垂直方向、双 轴自动跟踪设备， 以带动光聚集器和位于凸透镜或凹面镜的焦点 上的 传输光纤的始端，共同跟踪太阳移动，使凸透 镜或凹面镜保持与光线垂直， 最大限度地接受光线辐射的光能，提高曲光 化学系统的效率。 日光跟踪器的动力由聚光光伏存储在蓄电器中 的化学能提供。它可以实现高精度、高可靠性 、制造成 本低的三维空间非线性运动。它为大规模、高 效率利用太阳能， 奠定了可以提供选择的设备基础。

日光跟踪器的机械传动部分由东西水平方位和 垂直方向仰角驱动电机及低齿轮间隙、高强度 、高精度、高减速比的 减速器组成，保证了整机的精度。由于减速器 的减速比很高， 因此大大减少电机的驱动力和功率；方位和仰 角驱动电机 的功耗小于 UL 由于日光跟踪器每天从东到西跟踪太阳只转动 180° ,夜间从西向再返回到东向，一天只转动一圈� �机 械磨损极小，寿命很长。

1. 5光隔离器是一种只允许单方向传输的光学器� �。对光隔离器要求是隔离度大、插入损耗小� �价格便宜。 光隔离器可用法拉第磁光效应原理制成，如图 8所示。它含有永久磁铁和 45°法拉第旋转器，将法拉第旋转器旋转, 使起偏器和检偏器互成 45°，就可切断反射光， 防止光线反射回来，实现光隔离。 光纤耦合器连接到光纤的始端或终端，进行光 线的分离或合并。光束从光纤始端进入，传输 到另一端（终端）出去。 光纤耦合器的作用是将一个或多个输入光波分 给多个或一个线路输出。 目前耦合器的形式主要有 τ型耦合器、星 型耦合器、方向耦合器等。光纤耦合器是将光 线进行分路、合路、插入和分配的光学器件。 按器件结构基本可以分为四 种： 微光元件型、光纤成形型、光纤对接耦合型和 平面波导型。选择耦合器的主要依据是实际应 用场合。表示光纤耦合 器性能的主要参数有插入损耗、附加损耗、耦 合比和隔离度等。

光开关的功能是转换光路， 实现光波的交换。对光开关的要求是插入损耗 小、重复性好、开关速度快、消光比大、 寿命长、结构小型化和操作方便。

目前使用的光开关可分为两大类：一类是利用 电磁铁或步进电机驱动光纤或透镜来实现光路 转换的机械式光开关； 其中微机械光开关，采用机械光开关的原理， 但又能像波导开关那样，集成在单片硅衬底上 。另一类是利用固体物理效 应，如电光、磁光、热光和声光效应等的固体 光开关。

1. 6 在光隔离器的内壁上可以涂一层磷光剂。当磷 光剂受到日光中含有的紫外线照射时，会发出 可见光。采用不同 性质的磷光剂，可制成能发出任何所需可见光 的光发散器。通常用的磷光剂有：发出粉红色 的硼酸镉；发出绿光的硅酸 锌；发出蓝光的钨酸钙； 发出白光的混合物。

2对光纤的基本要求是：从光接收器（图 1)或者光隔离器（图 10)耦合进光纤的光功率最大； 光纤的传输窗口要 满足系统应用的要求。具体设计时要根据使用 条件，进行折衷考虑：

在可见光范围（400^—700™)内，光线在光纤中� ��衰减要足够小。同时考虑连接器、接头和耦� ��器的损耗。因此 要正确选择光纤的类型。光纤的纤芯尺寸较大 时，可减少光线的耦合损耗。

光线在空气介质 n冲以不同的角度 α从光纤端面耦合进入纤芯 时，有的光可以在光纤中传输，有的光不能在 光纤 中传输。由于 n»< _ni ，不是所有角度入射的光线都能进入光纤 芯，并在光纤芯内进行传输。只有一定角度范 围内的光线射 入纤芯内时，产生的反射光符合一定的条件， 才能在光纤内传输。根据折射定律，只有入射 角 9大于临界角 Φ ο时，所对 应的入射角 a max以内的光线才能进入光纤传输。

最大接收角的两倍 2 a _m ax为入射光线的总接收角。光纤的接收角� ��：

α -~l a max

连接损耗包括连接器和接头的损耗。纤芯直径 的公差、不圆度、纤芯和包层同心度误差要尽 可能小，使得连接损耗 最小。传输小能量的光线可以使用普通的石英 玻璃实心光纤。传输高能量的光线就要使用空 心光纤。

可用于全反射地传输光能的光纤束，称为导光 束。它可以由刚性和柔性的光纤束构成。光纤 束中的光纤在始端和发 送端的排列顺序可以是任意的。光纤束在导光 束的始端和发送端，可以排列成不同的截面形 状， 以满足各种特殊的化学 需要，如各种信号灯等。 2. 1普通的石英玻璃实心光纤，可分为单模光纤� �多模光纤。后者按折射率的分布又分为阶梯� �射率 St印 Index ,.

SI)型光纤与渐变祈射率（Graded Index， GI)型光纤。

由于日光的聚光束直径通常是数百微米以上， 一般采用多模光纤。实用中光纤不仅要求低损 耗，还要有好的弯曲特 性、耐热性、化学稳定性等。石英光纤满足这 些条件，并且在 附近具有最低损耗，可以用来传输可见光和紫 外线。

2. 2空心光纤也称为空心波导。空心波导一般使� �对传输波长的折射率小于 1的材料做波导管。其传输光线原理与阶 梯折射率型的实心光纤相同，光线在管壁上全 反射。

光线在金属内壁上涂覆透明电介质的空心光纤 的涂覆层上多次反射,具有较高的反射率。其� �撑管可用金属或玻璃。 3、聚光化学反应器能将聚光转换成有实用价� �的化学能或者其他的能量。将大功率和高效� �的聚光，引入聚光化学 -反应器，组成聚光化学系统；按聚光引入聚� �化学反应器的方式，可分为直光化学系统和� �光化学系统两种。

将光接收器、聚光化学反应器进行不同的组合 ，可以形成各种各样的直光化学系统。

将光接收器、传输光纤、聚光化学反应器进行 不同的组合，可以形成各种各样的曲光化学系 统。

3. 1 直光化学系统主要由光接收器和聚光化学反应 器二个部分组成。光聚集器将日光直接聚焦于 聚光化学反应器内 的聚光源（图 9)。直光化学中的光聚集器（图 1)，利用凸透镜或凹面镜，将太阳等光源的光� ��，聚焦于聚光化学反应 器内的聚光源。换言之，光聚集器将太阳的光 线，直接聚焦于聚光化学反应器内进行光化学 反应（图 4)。

'聚光化学反应器的量子产率，与光线亮度呈� �性关系。聚光强度可以将太阳光强度增大到 100倍，其量子产率亦可 增大到 100倍。即可以用聚光化学系统，产生具有商业 经济价值的聚光化学反应。

3. 2 曲光化学系统中光接收器，将太阳或其他光源 的光线，通过凸透镜或凹面镜，聚焦于传输光 纤的输入端口 端）的光隔离器上；或者直接聚焦于光纤的输 入端口（图 3)； 利用光纤将光线传输到聚光化学反应器内转化 为化学能。

曲光化学系统主要由光接收器、传输光纤和聚 光化学反应器三个部分组成。即日光经过光接 收器（图 1)的凸透镜或 凹面镜的聚集，并使光纤始端和该凸透镜或凹 面镜的焦点重合，通过光纤把光线从一端传送 到另一端， 到达聚光化学反 应器，将光能转换成化学能（图 3)。这样可以进行工厂化、 自动化的聚光化学反应生产。

3.3 聚光化学反应器是一种由符合反应物吸收光谱 在可见光区域（包括紫外线）内并发生聚光化 学反应的装置。 聚光化学反应器由聚光源、透镜、滤光片、石 英反应池、恒温装置和功率计等几部分组成（ 图 9)。

3.4 一个分子从基态变为激发态,是由于分子中的� �个电子吸收光子后从原来能量较低的轨道跃� �到了能量较高的 轨道。一个电子的这种轨道跳跃，可以引起分 子在性质上的多方面的改变。即同一分子的基 态与激发态在物理和化学性 质上都有很大的不同。它们的性质变化主要有 ：激发态分子的能量高于基态，其间的能差一 般可以达到几百千焦每摩尔； 在激发部位键能减弱、键序降低和键长增加等 。

在激发态形成后，总是不可避免地发生激发态 的分子内的物理失活；而分子间的物理失活和 化学反应是否发生，就 P T/CN2010/001040

要看激发态分子的性质及其所处的环境。

3.4. 1 四元环的合成主要是烯烃 [ 2 + 2〗聚光环合加成反应和羰基化合物 [ 2 + 2 ]聚光环'合加成反应。 在烯烃 [ 2 + 2 ]聚光环合加成反应中，预先络合加成反应的� �个双键，就可控制生成环丁垸的立体化学；� �-碳 双键接上羟基后，产生极化， 能引起 [ 2 + 2 ]聚光环合加成反应选择性的加强； 原料中引入不对称中心， 使 [ 2 + 2 ] 加成反应生成旋光纯度很高的三元环、五元环 以及其他直接衍生物。

烯醚的加成反应是羰基化合物 [ 2 + 2 ]聚光环合加成反应的一种。烯醚作为电子给� �、羰基化合物的激发态作为 电子受体，形成激发复合物而发生[ 2 + 2 ]加成反应，其转换效率是相当高的。利用碳� �亚乙烯脂与二乙酰氧基丙酮 (羰基化合物）加成，合成 DL-芹菜糖。

3. . 2 三元环的合成主要有聚光诱导的双- -甲垸）重排反应和聚光诱导的 σ -迁移重排反应。

σ -迀移是指共轭烯烃体系中一端的 σ键移位到另一端，同时协同发生 7Γ键的移位过程；这一过程也经过环状过渡 态，但 σ -迁移的结果不一定生成环状化合物。裉据 Η原子从碳链上转移的位置，有[ 1， 3]、 [ 1， 5]、 [1， 7]等类型 的 σ -迀移。根据 ffoodTOrd-Hoffmari定则，光致 [ 1， 3]、 [ 1, 7]迁移是同面的，而 [1， 5]迁移是异面的。

3.4.3双烯反应物受聚光激发，由于它带有苯乙� ��基（Ar)而能直接吸收长波光发生环合加成反� ��生成笼状化合物 而笼状产物又能放出能量返回生成反应物。它 是太阳能储存的体系之一，并且该反应的量子 产率相当高。

3. .4 利用聚光化学可以合成天然产 —药物和香料及其重要中间体。

I型敏化聚光氧化反应是异丙醇的二苯酮敏化� �化。二苯酮吸收聚光后成为激发单线态，经� �间窜越， 形成激发三 线态，三线态的二苯酮提取异丙醇中的氢；异 丙醇成为自由基，异丙醇自由基接着与基态氧 作用生成过氧化自由基，过 氧化自由基再与异丙醇作用生成过氧化物，进 一步分解生成酮和过氧化氢。氢化二苯酮自由 基能与过氧化自由基作用而 生成二苯酮，可见二苯酮在反应中没有消耗， 只是起敏化剂的作用。

II型敏化聚光氧化反应是通过激发三线态的敏� ��剂，将激发能转移给基态氧，使氧生成激发� ��线态，单线态的氧与 反应分子生成过氧化物。对于不稳定的过氧化 物还可进一步分解。激发单线态的氧很容易与 烯烃发生加成反应。

利用日光进行光氧化反应的具体作法是：将反 应物先吸附在透明、透气的乙烯-乙酸乙烯酯� �共聚物小球或者薄膜上 然后将它们漂浮在水面上，接受聚光照射。反 应完成后，用不同有机溶剂，分别将产物及其 未反应的原料淋洗下来； 作 为载体的共聚物小球可以连续使用。这种方法 的转换率可达到 70%— 90%。

染料敏化聚光氧化反应采用的敏化剂一般为叶 绿素 a 蔓生植物的叶子）。 20L的玻璃瓶中装有 10L空气饱和的乙 醇溶液， 80g 萜品烯和 200--300g蔓生植物的叶子，经过聚光一天照射， 大约获得 20g驱蛔脑。

3.4. 5周环反应（pericyclic reaction)是一系列多烯化合物的聚光诱导同步（ concerted)反应。

聚光照射麦角固醇（la)、 7-去氢胆固醇（lb)发生周环反应；通过控制聚� ��的波长和反应进度，可以打开 B环， 生成以维生素 前体为主的开环产物 --预维生素 ¾ (2b)。预维生素 进一步进行热异构化反应，发生 [ 1， 7] σ - 迁移、氢迁移而得到维生素 ¾。

4、 根据光合 Α分子、吸光 A分子和光合色素的特性，通过光合作用的人� �模拟，可以实现光致电荷分离、固碳和放 氧等聚光化学反应等。 .

光致电荷分离是太阳能转化为化学能的关键问 题；通常以卟啉、酞菁与吖啶等类分子作为吸 收光的色素分子。这主 要是由于这些分子具有较宽的吸收光谱，并且 激发态的能量能够满足后续的电荷分离过程的 电化学参数要求。

由于电子通过相互间以共价键相连的分子链进 行转移，可以合成诸多以通用式 C - P - Q表示的超分子化合物。其 中 C为一类易于给出电子的分子（即电子给体）� �具有代表性的这类分子是胡萝卜素 (carotene)； P为一类具有宽的吸 收光谱并可作为吸光色素使用的分子，具有代 表性的这类分子是卟啉 (^rphrin)； Q是一类易于得到一个电子的受体分 子，具有代表性的这类化合物是醌（qiiinone)。 这种三元 C _ P - Q、四元 C - P - - Q _B 或五元胡萝卜素-双卟啉 -双苯 醌（C - P _Zn - P - ¾- )的超分子化合物已经合成出来。

将一个胡萝卜素（C)分子；一个卟啉（P)分子� �一个苯醌（Q)分子合成在一起，形成了一个 C - P - Q三元化合 物。用纳秒聚光激发该 C.- P - Q化合物的二氯甲烷溶液，生成电荷分离态 C ⁺ - P - Q―。在该体系中， 胡萝卜素分子具 有吸光作用，受光激发可以向卟啉发生单重 单重态能量传递。另外胡萝卜素分子还能够通 过三重态能量传递淬灭卟啉 的三重态，可避免卟啉敏化氧发生单重态氧的 氧化反应，从而达到保护卟啉的作用。 · 采用铂（Pt) /硫化镉 (CdS) /二氧化钌（ ) ₂ )和 Ru (EDTA-H) ¾0协同催化，在 505纳米波长的聚光照射下，可 以将二氧化碳还原生成甲酸和甲醛。

在绿色植物的光合系统 II起放氧作用的酶中，含有金属锰离子。为了� ��拟这一体系，将 3价锰的氢氧化物作为催化 剂， 并采用对这类催化剂具有稳定作用的多糖类物 质一淀粉作为载体，可获得对水氧化放氧具有 较好选择性和活性的催 化剂体系。

除了以上完全采用人工合成材料组成聚光水解 体系外，还可以采用部分来自天然的材质组合 而成的体系。将来自某 些植物的光合 A分子与甲基紫精和氢化酶组合在一起，在聚� �照射下实现了水的水解与放氧过程。

5、灯用荧光粉主要是稀土三基色荧光粉，即� �能够分别发出红、绿、蓝三原色光的红粉、� �粉、蓝粉按照一定比例 混合而成。红粉如 YA _: Eu ³⁺ ;绿粉如 ¾Α1„0 _19: Ce ³⁺ _; 蓝粉如 (P0 ₄ ) ₆ C1 _2: E _U ²⁺ 等。

用紫外线、可见光或者红外线激发的材料能够 发光的现象，称为光致发光。这种材料称为光 致发光材料。它分为荧 光材料和磷光材料两类。荧光材料主要为芳香 类和杂环类化合物，如酚类、蒽类、荧光素、 罗丹宁、荧光染料以及某些 液晶等。荧光材料的发光效率较高。磷光材料 主要由基质和激活剂两部分组成。选择的激活 剂与基质应当相匹配。

产生跃迁矩是分子激发的基本条件； 电荷分布发生改变， 会导致分子极性和偶极矩的改变。这正是溶剂 极性增加会 导致分子吸收光谱红移和蓝移的原因。

聚光的红外辐射几乎占有 50% ;利用光致发光材料中的上转换材料，可将红� �光转换为可见光，并消除其热的影响。 光致发光转换系统， 由光纤稱合器和光致发光转换器等装置组成。 它工作过程为： 聚集光线经过光聚集器、传输光 纤之后， 由传输光纤的终端，经过光纤耦合器到光致发 光转换器，生成的光线，送到需要聚光化学的 空间或聚光化学反 应器。光致发光转换器一般由磷光剂、氧化钛 、氧化硅、氧化锆或者氧化铝等构成；它可将 靠近可见光范围内的红外线 和 /或紫外线，转换为可见光。