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(cè)試對(duì)材料檢測(cè)、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(jiàn)光和近紅外波段，常應(yīng)用于熒光光譜技術(shù)、生物和醫(yī)學(xué)影像研究之光源；此外，氙燈色溫高達(dá)6000 K接近真實(shí)太陽(yáng)，常應(yīng)用于太陽(yáng)光模擬，進(jìn)行老化測(cè)試、光催化實(shí)驗(yàn)。

氙燈光源的基礎(chǔ)原理

氙燈(Xenon lamp, or Xenon arc lamp)是在石英玻璃管內(nèi)填充氙氣，利用高壓電電離氙氣產(chǎn)生光源。管內(nèi)的氙氣屬惰性氣體中原子序數(shù)較大的元素，原子半徑較大；在弧光放電中，電子和氣體發(fā)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(shí)損失較小，發(fā)光效率高。此外，氙氣的電離電勢(shì)較低，放電時(shí)電極附近的電壓降小，可延長(zhǎng)電極壽命，使用壽命大約1500-2000小時(shí)。
氙燈的光譜能量穩(wěn)定，光譜分布與日光光譜接近，波長(zhǎng)范圍為300-1100 nm，涵蓋紫外、可見(jiàn)光和近紅外波段，但氙燈在紫外光區(qū)的發(fā)射強(qiáng)度較低。

▲上圖：典型氙燈光譜

氙燈光源主要特點(diǎn)：

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(xué)特性。

4.  連續(xù)光譜分布和燈輸入功率變化無(wú)關(guān)，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(shù)一致性佳，不易受外界環(huán)境影響。

6. 具備穩(wěn)定的光輸出：在點(diǎn)燃瞬間，即可瞬時(shí)達(dá)到穩(wěn)定的光輸出。

7. 具備良好的觸發(fā)性能及熱觸發(fā)特性

8. 燈泡壽命長(zhǎng)

具備以上優(yōu)點(diǎn)，氙燈在太陽(yáng)光模擬、標(biāo)準(zhǔn)日光輻射光源等領(lǐng)域被廣泛的應(yīng)用.

氙燈光源的分類(lèi)：

氙燈依照燈泡結(jié)構(gòu)可分為：長(zhǎng)弧氙燈、短弧氙燈和脈沖氙燈。

（一） 長(zhǎng)弧氙燈
長(zhǎng)弧氙燈又稱(chēng)管型氙燈，其輻照光譜能量分布、色溫等參數(shù)與真實(shí)太陽(yáng)光相近，故又被稱(chēng)為人造小太陽(yáng)。長(zhǎng)弧氙燈電極間距大于100 mm，工作氣壓一般為一個(gè)大氣壓，發(fā)光效率25~301 m/W；具有大功率、長(zhǎng)壽命、高亮度和顯色性佳、照射面積大等特優(yōu)點(diǎn)，在許多產(chǎn)業(yè)中可做為不同的應(yīng)用。例如小功率的長(zhǎng)弧氙燈，常用于學(xué)校教學(xué)試驗(yàn)；大功率的長(zhǎng)弧氙燈，常應(yīng)用太陽(yáng)能電池老化測(cè)試、太陽(yáng)光光譜分析、可見(jiàn)光響應(yīng)光解水制氫、光催化降解污染物等光化學(xué)、光老化等研究領(lǐng)域。
下圖為長(zhǎng)弧氙燈基本結(jié)構(gòu)，依據(jù)不同的應(yīng)用其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)亦會(huì)不同。

（二） 短弧氙燈
短弧氙燈又稱(chēng)為球型氙燈，亮度高、顯色性佳、光色穩(wěn)定且接近日光，具有瞬態(tài)的光學(xué)啟動(dòng)特性；短弧氙燈電極間距小于10 mm，燈內(nèi)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(fā)而點(diǎn)亮，高電壓脈沖通過(guò)電極后，使氣體游離而放電產(chǎn)生電弧。一旦電弧產(chǎn)生后，隨后僅需較低電壓來(lái)持續(xù)維持電弧的放電。在電弧放電期間，電弧的針尖產(chǎn)生的等離子云將會(huì)發(fā)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(yáng)光模擬器之光源。
下圖為短弧氙燈基本結(jié)構(gòu)，依據(jù)不同的應(yīng)用其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)亦會(huì)不同。

（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(fā)產(chǎn)生光脈沖，能在短時(shí)間內(nèi)發(fā)出強(qiáng)光，管內(nèi)氣壓均在100 Pa以下（約一個(gè)大氣壓），其結(jié)構(gòu)有管形、螺旋形和Ｕ形。脈沖光源的閃光持續(xù)是指1/3峰值光強(qiáng)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔，稱(chēng)為脈沖寬度。它主要由光源的結(jié)構(gòu)和點(diǎn)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(hào)源等。

氙燈光源的主要光電參數(shù)說(shuō)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(méi)有光通過(guò)或反射。然而，雖然叫做黑體，但其實(shí)黑體也會(huì)發(fā)出電磁輻射。根據(jù)普朗克定律所描述了熱平衡狀態(tài)下黑體的輻射如下：

    

    

其中ΦBB是在溫度為T(mén)下，每單位波長(zhǎng)發(fā)射表面單位面積下的輻射功率，K為波茲曼常數(shù)，h為普朗克常數(shù)，c為光速。透過(guò)測(cè)量黑體輻射的光譜，我們可以計(jì)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(zhǎng)變化的曲線(xiàn)。

在現(xiàn)實(shí)生活中，寬帶光源在頻率和強(qiáng)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(shù)(Ra)：指光源的光照射到物體上所產(chǎn)生的客觀(guān)效果，如果效果與標(biāo)準(zhǔn)光源（黑體或日光）照射時(shí)一樣，則認(rèn)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(shí)間內(nèi)所發(fā)出的光量；單位為lm流明。
4. 發(fā)光效率(η)：η=Φ／PL，單位lm／W；指一個(gè)光源所發(fā)出的光通量Φ和該光源所消耗的電功率PL之比。
5. 光強(qiáng)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(fā)射的光通量，定義為光源在該方向的光強(qiáng)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(qiáng)度。

氙燈光源老化測(cè)試應(yīng)用

光老化是造成戶(hù)外材料、產(chǎn)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(qiáng)度等下降等等，因此，想要了解材料、器件、太陽(yáng)能電池等在戶(hù)外使用的壽命，可透過(guò)氙燈光源模擬太陽(yáng)光進(jìn)行老化測(cè)試。
氙燈光源進(jìn)行老化測(cè)試，能為科研界或產(chǎn)業(yè)材料開(kāi)發(fā)、質(zhì)量管理提供光照環(huán)境模擬和時(shí)間加速的測(cè)試；通常進(jìn)行老化測(cè)試實(shí)驗(yàn)的光強(qiáng)度比實(shí)際戶(hù)外光照強(qiáng)度更大，因此，可透過(guò)氙燈進(jìn)行老化測(cè)試，縮短材料產(chǎn)生光老化所需的實(shí)際時(shí)間。此外，氙燈光源老化測(cè)試，常被應(yīng)用在材料測(cè)試，例如太陽(yáng)能電池，用以評(píng)估電池的耐用性等測(cè)試，供研究人員觀(guān)察、了解材料和產(chǎn)品在模擬太陽(yáng)光照射下產(chǎn)生老化的情形。