为什么氙灯光源是更佳模拟光源？

为什么氙灯是更佳模拟光源？

氙灯光源的特色有哪些？

老化测试对材料检测、光伏器件的重要性！

氙灯光谱分布宽广（典型氙灯光谱300-1100 nm），涵盖紫外、可见光和近红外波段，常应用于荧光光谱技术、生物和医学影像研究之光源；此外，氙灯色温高达6000 K接近真实太阳，常应用于太阳光模拟，进行老化测试、光催化实验。

氙灯光源的基础原理

氙灯(Xenon lamp, or Xenon arc lamp)是在石英玻璃管内填充氙气，利用高压电电离氙气产生光源。管内的氙气属惰性气体中原子序数较大的元素，原子半径较大；在弧光放电中，电子和气体发生弹性碰撞损失的能量同气体的原子量呈反比，因此，和其他惰性气体相比，氙气弧光放电时损失较小，发光效率高。此外，氙气的电离电势较低，放电时电极附近的电压降小，可延长电极寿命，使用寿命大约1500-2000小时。
氙灯的光谱能量稳定，光谱分布与日光光谱接近，波长范围为300-1100 nm，涵盖紫外、可见光和近红外波段，但氙灯在紫外光区的发射强度较低。

▲上图：典型氙灯光谱

氙灯光源主要特点：

1. 接近于日光的光谱特性

2.  色温（5500~6000 K）与日光相近

3. 具备良好的光学特性。

4.  连续光谱分布和灯输入功率变化无关，在灯泡寿命期间，光谱能量分布亦不亦变化。

5. 氙灯的光电参数一致性佳，不易受外界环境影响。

6. 具备稳定的光输出：在点燃瞬间，即可瞬时达到稳定的光输出。

7. 具备良好的触发性能及热触发特性

8. 灯泡寿命长

具备以上优点，氙灯在太阳光模拟、标准日光辐射光源等领域被广泛的应用.

氙灯光源的分类：

氙灯依照灯泡结构可分为：长弧氙灯、短弧氙灯和脉冲氙灯。

（一） 长弧氙灯
长弧氙灯又称管型氙灯，其辐照光谱能量分布、色温等参数与真实太阳光相近，故又被称为人造小太阳。长弧氙灯电极间距大于100 mm，工作气压一般为一个大气压，发光效率25~301 m/W；具有大功率、长寿命、高亮度和显色性佳、照射面积大等特优点，在许多产业中可做为不同的应用。例如小功率的长弧氙灯，常用于学校教学试验；大功率的长弧氙灯，常应用太阳能电池老化测试、太阳光光谱分析、可见光响应光解水制氢、光催化降解污染物等光化学、光老化等研究领域。
下图为长弧氙灯基本结构，依据不同的应用其结构设计亦会不同。

（二） 短弧氙灯
短弧氙灯又称为球型氙灯，亮度高、显色性佳、光色稳定且接近日光，具有瞬态的光学启动特性；短弧氙灯电极间距小于10 mm，灯内氙气气压约为1~2 MPa（10~20大气压）。
短弧氙灯乃由高电压触发而点亮，高电压脉冲通过电极后，使气体游离而放电产生电弧。一旦电弧产生后，随后仅需较低电压来持续维持电弧的放电。在电弧放电期间，电弧的针尖产生的等离子云将会发出高亮度的光，是目前气体放电灯中显色性更佳的光源，常用于太阳光模拟器之光源。
下图为短弧氙灯基本结构，依据不同的应用其结构设计亦会不同。

（三） 脉冲氙灯
脉冲氙灯光源为高闪光频率，用高压电脉冲激发产生光脉冲，能在短时间内发出强光，管内气压均在100 Pa以下（约一个大气压），其结构有管形、螺旋形和Ｕ形。脉冲光源的闪光持续是指1/3峰值光强所对应的时间间隔，称为脉冲宽度。它主要由光源的结构和点灯决定。脉冲氙灯广泛用于固体雷射的光泵、照相制版、高速摄影和光信号源等。

氙灯光源的主要光电参数说明

1. 色温(T)／黑体辐射：
   黑体是吸收所有入射电磁辐射（例如: 光）的物体：没有光通过或反射。然而，虽然叫做黑体，但其实黑体也会发出电磁辐射。根据普朗克定律所描述了热平衡状态下黑体的辐射如下：

    

    

其中ΦBB是在温度为T下，每单位波长发射表面单位面积下的辐射功率，K为波兹曼常数，h为普朗克常数，c为光速。透过测量黑体辐射的光谱，我们可以计算出此黑体的温度。下图为在不同温度下单位面积辐射功率随波长变化的曲线。

在现实生活中，宽带光源在频率和强度方面可能与理想的黑体有很大的差异。藉由比较光源和给定温度下的理想黑体辐射，我们可以表征出该光源且和此温度黑体辐射有相同的显色性，此即为该光源的色温，用T表示，单位K。

2. 显色指数(Ra)：指光源的光照射到物体上所产生的客观效果，如果效果与标准光源（黑体或日光）照射时一样，则认为该光源显色性好，反之即受照后物体颜色失真，则该光源显色性差。
3. 光通量(Φ)：光源在单位时间内所发出的光量；单位为lm流明。
4. 发光效率(η)：η=Φ／PL，单位lm／W；指一个光源所发出的光通量Φ和该光源所消耗的电功率PL之比。
5. 光强度(Iv)：Iv= Iv／Ω，单位cd，坎德拉；指光源在给定方向的单位立体角中发射的光通量，定义为光源在该方向的光强度。
6. 光照度(Ev)：Ev=Φ／S，单位lux、lm/m2；指物体表面被照明的程度，以每单位面积上受到的光通量表示。
7. 辉度(Lv)：Lv=Iv/S，单位cd/m2；表示光源在给定方向上单位投影面上的光强度。

氙灯光源老化测试应用

光老化是造成户外材料、产品受到破坏的主要因素，光老化造成的损害可能包括褪色、氧化、脆化、龟裂、亮度强度等下降等等，因此，想要了解材料、器件、太阳能电池等在户外使用的寿命，可透过氙灯光源模拟太阳光进行老化测试。
氙灯光源进行老化测试，能为科研界或产业材料开发、质量管理提供光照环境模拟和时间加速的测试；通常进行老化测试实验的光强度比实际户外光照强度更大，因此，可透过氙灯进行老化测试，缩短材料产生光老化所需的实际时间。此外，氙灯光源老化测试，常被应用在材料测试，例如太阳能电池，用以评估电池的耐用性等测试，供研究人员观察、了解材料和产品在模拟太阳光照射下产生老化的情形。