老化测试最佳光源首选:氙灯Xenon Lamp

为什么氙灯是最佳模拟光源?
氙灯的特色有哪些?
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。

一、 氙灯的基础原理
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

二、 氙灯主要特点:
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。

三、 氙灯分类:
氙灯依照灯泡结构可分为:长弧氙灯、短弧氙灯和脉冲氙灯。

种类 主要性能 常见应用
长弧氙灯
Xenon long-arc lamp
紫外可见连续光谱,光色接近太阳光 大面积照明、材料老化测试
短弧氙灯
Xenon short-arc lamp
高亮度点光源,光色接近太阳光 太阳光模拟器等光学仪器
脉冲氙灯
Xenon pulsed lamp
连续光谱,脉冲闪光0.2~1 ms 雷射光泵、光信号、高速摄影


(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最佳的光源,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。

四、 氙灯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。

五、 氙灯老化测试应用
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。

六、材料、光伏器件老化测试最佳光源首选:LH-300研究型氙灯光源
LH-300研究形氙灯光源是高光强、自由调整出光方向的高稳定光源系统,可结合单光仪输出单色光源,进行多方研究整合。
LH-300采用300 W氙灯灯泡,光谱范围300~1100 nm,灯泡置于灯箱内部,准直透镜的焦点上;电弧的长轴会与透镜平面呈现平行的状态,以产生准直光束。独家设计的灯源箱结构,包含冷却风扇、氙灯调节窗口、可调整高度脚座、准直透镜,以及可搭配调整出光方向等相关配件,以利研究人员在不同测试条件下进行操作。

■ 准直光束光学原理:
氙灯灯泡设置于灯箱内部,准直透镜的焦点上;电弧的长轴会与透镜平面呈现平行状态,以产生准直光束。其中凹面反射镜的目的为将灯泡背面放射出去的光,反射回原发光处后再被前置透镜所收集,而前置透镜的目的乃将氙灯发出的光产生准直光束。

LH-300氙灯光源特点如下:
● 高自由度出光:水平、上下、左右
 ● 多方研究整合:整合积分球测定吸收度、穿透率;搭载太阳光光谱滤片做为光触媒光源;整合量子效率量测系统测定各式太阳能电池
● 高光强:提供高吸收度样品的有效吸收光谱测定
● 光稳定度高:无论在长时间、短时间测定都具有一样效果
● 自由调整出光模式:可形成平行光、聚焦光、发散光,应用于多方研究领域
● 光强调变功能:搭配不同的光强衰减片,进行样品对光强反应的试验
● 电流光强线性调节:标准配备即配有50% ~ 100%的光强线性调节,可不需额外花费来达到简易的光强调变
● 自由导光功能:可搭配光纤,将光导到所需的实验空间,利于实验空间的活用
● 高光纤出光光强:可高达2 suns。(依不同光纤core而异)
● 搭配偏振光源:可添加偏振片配件, 成为具有偏振行为的光源,可提供线偏、圆偏、椭圆偏振光