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    為什么氙燈光源是更佳模擬光源?

    作者:紫外光源事業部時間:2021-01-08 09:53:03瀏覽106 次

    信息摘要:

    氙燈光譜分布寬廣(典型氙燈光譜300-1100 nm),涵蓋紫外、可見光和近紅外波段,常應用于熒光光譜技術、生物和醫學影像研究之光源;此外,氙燈色溫高達6000 K接近真實太陽,常應用于太陽光模擬,進行老化測試、光催化實驗。

    為什么氙燈是更佳模擬光源?

    氙燈光源的特色有哪些?

    老化測試對材料檢測、光伏器件的重要性!

    氙燈光譜分布寬廣(典型氙燈光譜300-1100 nm),涵蓋紫外、可見光和近紅外波段,常應用于熒光光譜技術、生物和醫學影像研究之光源;此外,氙燈色溫高達6000 K接近真實太陽,常應用于太陽光模擬,進行老化測試、光催化實驗。

    氙燈光源的基礎原理

    氙燈(Xenon lamp, or Xenon arc lamp)是在石英玻璃管內填充氙氣,利用高壓電電離氙氣產生光源。管內的氙氣屬惰性氣體中原子序數較大的元素,原子半徑較大;在弧光放電中,電子和氣體發生彈性碰撞損失的能量同氣體的原子量呈反比,因此,和其他惰性氣體相比,氙氣弧光放電時損失較小,發光效率高。此外,氙氣的電離電勢較低,放電時電極附近的電壓降小,可延長電極壽命,使用壽命大約1500-2000小時。
    氙燈的光譜能量穩定,光譜分布與日光光譜接近,波長范圍為300-1100 nm,涵蓋紫外、可見光和近紅外波段,但氙燈在紫外光區的發射強度較低。

    1.jpg

    ▲上圖:典型氙燈光譜


    氙燈光源主要特點:

    1. 接近于日光的光譜特性

    2.  色溫(5500~6000 K)與日光相近

    3. 具備良好的光學特性。

    4.  連續光譜分布和燈輸入功率變化無關,在燈泡壽命期間,光譜能量分布亦不亦變化。

    5. 氙燈的光電參數一致性佳,不易受外界環境影響。

    6. 具備穩定的光輸出:在點燃瞬間,即可瞬時達到穩定的光輸出。

    7. 具備良好的觸發性能及熱觸發特性

    8. 燈泡壽命長

    具備以上優點,氙燈在太陽光模擬、標準日光輻射光源等領域被廣泛的應用.

    氙燈光源的分類:

    氙燈依照燈泡結構可分為:長弧氙燈、短弧氙燈和脈沖氙燈。

    種類 
    主要性能
    常見應用
    長弧氙燈
    Xenon long-arc lamp 紫外可見連續光譜,光色接近太陽光 
    大面積照明、材料老化測試
    短弧氙燈
    Xenon short-arc lamp 高亮度點光源,光色接近太陽光
    太陽光模擬器等光學儀器
    脈沖氙燈
    Xenon pulsed lamp 連續光譜,脈沖閃光0.2~1 ms 
    雷射光泵、光信號、高速攝影


    (一) 長弧氙燈
    長弧氙燈又稱管型氙燈,其輻照光譜能量分布、色溫等參數與真實太陽光相近,故又被稱為人造小太陽。長弧氙燈電極間距大于100 mm,工作氣壓一般為一個大氣壓,發光效率25~301 m/W;具有大功率、長壽命、高亮度和顯色性佳、照射面積大等特優點,在許多產業中可做為不同的應用。例如小功率的長弧氙燈,常用于學校教學試驗;大功率的長弧氙燈,常應用太陽能電池老化測試、太陽光光譜分析、可見光響應光解水制氫、光催化降解污染物等光化學、光老化等研究領域。
    下圖為長弧氙燈基本結構,依據不同的應用其結構設計亦會不同。

    2.jpg

    (二) 短弧氙燈
    短弧氙燈又稱為球型氙燈,亮度高、顯色性佳、光色穩定且接近日光,具有瞬態的光學啟動特性;短弧氙燈電極間距小于10 mm,燈內氙氣氣壓約為1~2 MPa(10~20大氣壓)。
    短弧氙燈乃由高電壓觸發而點亮,高電壓脈沖通過電極后,使氣體游離而放電產生電弧。一旦電弧產生后,隨后僅需較低電壓來持續維持電弧的放電。在電弧放電期間,電弧的針尖產生的等離子云將會發出高亮度的光,是目前氣體放電燈中顯色性更佳的光源,常用于太陽光模擬器之光源。
    下圖為短弧氙燈基本結構,依據不同的應用其結構設計亦會不同。

    3.jpg

    (三) 脈沖氙燈
    脈沖氙燈光源為高閃光頻率,用高壓電脈沖激發產生光脈沖,能在短時間內發出強光,管內氣壓均在100 Pa以下(約一個大氣壓),其結構有管形、螺旋形和U形。脈沖光源的閃光持續是指1/3峰值光強所對應的時間間隔,稱為脈沖寬度。它主要由光源的結構和點燈決定。脈沖氙燈廣泛用于固體雷射的光泵、照相制版、高速攝影和光信號源等。

    氙燈光源的主要光電參數說明

    1. 色溫(T)/黑體輻射:
      黑體是吸收所有入射電磁輻射(例如: 光)的物體:沒有光通過或反射。然而,雖然叫做黑體,但其實黑體也會發出電磁輻射。根據普朗克定律所描述了熱平衡狀態下黑體的輻射如下:

       

       


    Enli-Tech_Xenon-light_7.jpg

    其中ΦBB是在溫度為T下,每單位波長發射表面單位面積下的輻射功率,K為波茲曼常數,h為普朗克常數,c為光速。透過測量黑體輻射的光譜,我們可以計算出此黑體的溫度。下圖為在不同溫度下單位面積輻射功率隨波長變化的曲線。

    4.jpg


    在現實生活中,寬帶光源在頻率和強度方面可能與理想的黑體有很大的差異。藉由比較光源和給定溫度下的理想黑體輻射,我們可以表征出該光源且和此溫度黑體輻射有相同的顯色性,此即為該光源的色溫,用T表示,單位K。

    2. 顯色指數(Ra):指光源的光照射到物體上所產生的客觀效果,如果效果與標準光源(黑體或日光)照射時一樣,則認為該光源顯色性好,反之即受照后物體顏色失真,則該光源顯色性差。
    3. 光通量(Φ):光源在單位時間內所發出的光量;單位為lm流明。
    4. 發光效率(η):η=Φ/PL,單位lm/W;指一個光源所發出的光通量Φ和該光源所消耗的電功率PL之比。
    5. 光強度(Iv):Iv= Iv/Ω,單位cd,坎德拉;指光源在給定方向的單位立體角中發射的光通量,定義為光源在該方向的光強度。
    6. 光照度(Ev):Ev=Φ/S,單位lux、lm/m2;指物體表面被照明的程度,以每單位面積上受到的光通量表示。
    7. 輝度(Lv):Lv=Iv/S,單位cd/m2;表示光源在給定方向上單位投影面上的光強度。

    氙燈光源老化測試應用

    光老化是造成戶外材料、產品受到破壞的主要因素,光老化造成的損害可能包括褪色、氧化、脆化、龜裂、亮度強度等下降等等,因此,想要了解材料、器件、太陽能電池等在戶外使用的壽命,可透過氙燈光源模擬太陽光進行老化測試。
    氙燈光源進行老化測試,能為科研界或產業材料開發、質量管理提供光照環境模擬和時間加速的測試;通常進行老化測試實驗的光強度比實際戶外光照強度更大,因此,可透過氙燈進行老化測試,縮短材料產生光老化所需的實際時間。此外,氙燈光源老化測試,常被應用在材料測試,例如太陽能電池,用以評估電池的耐用性等測試,供研究人員觀察、了解材料和產品在模擬太陽光照射下產生老化的情形。

     


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