发散光输出全光谱太阳模拟器光源的设计

编号

本科生毕业设计

发散光输出全光谱太阳模拟器光源的设计

The Experimental Study of Lamp-house on the Divergent Light Continuous Spectrum Simulation of Solar Radiation

学生姓名王国名

学院光电工程学院

专业光电信息工程

指导教师张国玉研究员

学号0702124 34

撰写时间2011.03-2011.06

毕业设计（论文）原创承诺书

1．本人承诺：所呈交的毕业设计（论文）《发散光输出全光谱太阳模拟器光源的设计》，是认真学习理解学校的《长春理工大学本科毕业设计（论文）工作条例》后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。2．本人在毕业设计（论文）中引用他人的观点和研究成果，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中注明。

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以上承诺的法律结果将完全由本人承担！

作者签名：年月

发散光输出全光谱太阳模拟器光源的设计

摘要

太阳模拟器是一种模拟器太阳光的一种重要仪器，近年来在航天、气象、光伏领域中发挥巨大作用。作为太阳模拟器的光学系统的重要组成部分，太阳模拟器光源的优化选择设计显得十分重要。本文主要探讨太阳模拟器光源的选择原则，分析评价目前常用的各种光源性能，通过对白炽灯、卤素灯、金属卤化物灯进行综合分析，最后以氙灯为最终选择，并通过实验详细分析评价氙灯作为太阳模拟器光源的光谱测试结果及评价光源的相对光谱能量分布失配误差，从而选择最佳的太阳模拟器光源。

关键字：太阳模拟器；氙灯；光谱

ABSTRACT

The Solar Simulator is a kind of important instrument in simulating the solar radiation, which is very abroad on application of agriculture、aeronautics and pv industry. As one important part of optical system in Solar Simulator, light source design and optimization is significant. In this article，It will be investigated to the principle of the light source of Solar Simulator，and be analyzed to the function of some common sources. Then it selects Xenon as the final choice after evaluating the function of Incandescent、Halogen and Metal halide lamp. Finally, we will specifically analyze spectrum of Xenon and evaluate energy distributed deviation. Accordingly we can select the best light source.

Key words:Solar Simulator; Xenon ; spectrum

目录

第一章绪论 (1)

1.1课题的研究意义及国内外发展现状 (1)

1.1.1课题的提出及意义 (1)

1.1.2太阳辐射模拟与论文的研究目的 (1)

1.2太阳模拟器的光内外发展现状 (1)

1.2.1国外发展情况 (1)

1.2.2国内发展情况 (2)

1.3太阳模拟器的评价标准 (3)

1.3.1太阳模拟器的评价 (3)

1.3.2光谱匹配的测量 (4)

1.4本章小结 (5)

第二章太阳模拟器的光学系统及原理 (6)

2.1 常见的太阳模拟器光学系统 (6)

2.1.1 太阳模拟器光学系统的基本构成及作用 (6)

2.1.2普通太阳模拟器的光学系统成像原理 (6)

2.2太阳模拟器的光学系统结构类别 (7)

2.3本章小结 (8)

第三章连续光谱发散光输出太阳模拟器光源选择原则及常用光源 (9)

3.1太阳模拟器光源选择原则 (9)

3.2 常用的光源 (9)

3.2.1白炽灯 (9)

3.2.2卤钨灯 (10)

3.2.3金属卤化物灯 (11)

3.3 本章小结 (12)

第四章氙灯发光原理及光谱特性 (13)

4.1 氙灯的发光原理 (13)

4.2 氙灯的光谱特性 (13)

4.3 氙灯的结构 (13)

4.4关于氙灯相关的主要光电参数解释 (15)

4.5发散光输出下的氙灯相对光谱能量分布测量及光谱分析 (16)

4.5.1 太阳模拟器光源功率的选择 (16)

4.5.2氙灯光谱测量 (16)

4.5.3未加滤光片光谱测试结果分析 (18)

4.5.4滤光片的选取及测试结果 (19)

4.5.5加滤光片光谱测试结果分析 (20)

4.6 本章结束语 (21)

第五章课题总结与展望 (22)

5.1 全文总结 (22)

5.2课题展望 (22)

参考文献 (23)

致谢 (25)

第一章绪论

1.1课题的研究意义及国内外发展现状

1.1.1课题的提出及意义

太阳模拟器是模拟太阳的辐照度，光谱分布，准直性等光学特性的设备。这一设备主要用于进行太阳辐照度模拟实际。近年来，在颜色光学、环境科学、遥感、农业、气象等领域得到重要应用，因此，太阳模拟器的研究很有意义。在光伏产业方面，为了统一衡量地面太阳电池的性能，由于户外环境多变，为了准确测量地面太阳电池，就需要人工模拟AMI.5标准太阳光谱辐照度，获得相关技术指标及数据。光源的选择是设计太阳模拟器中的重要内容，光源的光谱能否达到实验要求，直接影响到测量结果的可信度和准确度，故太阳模拟器的光源选择问题的提出和解决是极其有意义的。

1.1.2太阳辐射模拟与论文的研究目的

太阳辐射模拟分为空间太阳辐射模拟和地面太阳辐射模拟，两者的试验目的、试验要求和实现试验的方式不同，我们研究的是地面太阳辐射模拟。太阳辐射模拟不仅要模拟在地球表面上观察到的太阳辐射能量光谱分布和所接收到的太阳辐射强度，而且还要同时模拟相应的温度条件，有时还要同时模拟湿度、风速等条件。在本论文中，主要研究的是太阳辐射能量相对光谱分布。本论文主要研究的是寻求一种合适的光源，对多参数环境模拟中的太阳光谱相对能量分布进行模拟，即对太阳在大气质量为0～2之间的光谱和能量分布进行模拟，根据太阳模拟器通用规范或太阳辐照标准来检测所能满足的太阳模拟器级别。

1.2太阳模拟器的光内外发展现状

1.2.1国外发展情况

美国从1959年开始研制大型太阳模拟器，初期面临的主要问题是辐射源的能量低，60年代中后期至70年代，由于使用了大功率氙灯，这一问题得到了解决。美国波音公司研制的A-7000大型太阳模拟器采用了同轴准直光学系统，使用37只30kW氙灯，得到直径为6.1m的辐照面积，其辐照不均匀度为±10％。1966年建成的美国JPLSS15B太阳模拟器，采用了离轴准直光学系统，其离轴角

为14′，使用37只20kW 的氙灯准直镜为直径6m的整镜试验面直径为4.6m。由于积分器系统的使用，有效地提高了辐照均匀性，其辐照不均匀度为±4％，光谱为修正氙灯光谱。为了满足星际探测的需要，1972年该太阳模拟器做了改造，研制了两个新的积分器，一个用来产生直径 3.4m 的光柱，另一个用来产生直径2.7m的光柱，并且研制了一块新的准直镜用来产生直径 2.7m的光柱。这一改造使该太阳模拟器在直径3.4m的辐照面上辐照度可以达到8个太阳常数，在直径2.7m的辐照面上辐照度可以达到12个太阳常数。

德国1983年建成的大型太阳模拟器，采用离轴准直学系统，离轴角为27°辐照直径为3.6m，辐照不均匀度为±4％，该太阳模拟器后来做了两处改进，把积分器单元镜由圆形改为矩形，准直镜单元镜由61块六边形镜增加到84块。此外，扩大准直镜口径，增加了辐照面积并改变了辐照面形状，改造后该设备通过更换积分器可分别得到3.6m的辐照面和3.05mX4.5m的辐照面。

欧空局1983年在荷兰建成的大型太阳模拟器，吸取了各国的成熟技术和经验，采用了离轴准直光学系统，其离轴角为29°，可选用19只20、25或32kW 的氙灯，辐照直径为6.05m，深为6m，辐照面不均匀度为±4％，体不均匀度为±6％。该太阳模拟器代表了当今大型太阳模拟器的先进水平。

此外，俄罗斯、印度等国也建成了大型的太阳模拟器用于航天器试验。

1.2.2国内发展情况

我国进行太阳模拟器的研制工作始于1965年。长春光机所从事这项工作较早、技术水平较强。该所从六十年代中期开始研制了一定数量的大、中、小型太阳模拟器，并己投入国内有关单位的应用。航天部502、501、511所也进行了许多太阳模拟器的研究工作，并取得了一定的成果。各国早期研制的太阳模拟器多采用碳弧灯，后来才改用氙灯和适当的滤光片配合使用。如长春光机所研制的KM2太阳模拟器开始时由于受国内条件的限制采用碳弧灯，后来改为短弧氙灯，为我国人造卫星的发射做出了一定的贡献。

1、国内小型太阳模拟器的研究

早期研制的太阳模拟器多以小型为主。这种模拟器一般辐照口径较小，在?250mm以下，可以采用透射式，其设计、加工、装调比较容易，但性能较低，不均匀度士10％左右，准直角4-5°。随着技术水平的不断提高，如今其性能指标可以达到很高的水平：不均匀度小于士3％，稳定性<1-2％，一般型准直角

于飞行器姿态控制和太阳敏感器标定用的精确准直型太阳模拟器的研制。到目前为止，研制出一系列此类产品并投入使用，其性能指标可靠，为飞行器姿态控制做出了贡献。

2、国内大中型太阳模拟器的研究

随着科学技术的发展，需要研制试验面积较大的大中型太阳模拟器。这就要求准直镜口径较大，而透射式的设计、加工、装调十分困难，甚至不能实现，因此采用反射式。反射式有同轴反射系统和离轴反射系统，前者存在中心遮拦，试验面出现中心暗区，虽然可以通过添加中心填充系统避免，但是系统结构复杂且难达到较高的辐射均匀性，中心和边缘部分光谱分布也不一致，因此，很难设计出高性能的太阳模拟器；而后者可以达到很高的辐照均匀性，不存在中心暗区，为许多高性能的太阳模拟器所采用，对于辐照面积达几米、辐照强度要求很高的大型太阳模拟器，准直镜或者采用多单元拼接系统或者采用拼接式准直镜，氙灯多采用多灯系统。美国最早研制大中型太阳模拟器，水平最高；日、法、德、英等国家起步也较早，研制了包括多灯系统、多单元拼接系统及拼接式大准直镜等各种类型的大中型模拟器。我国对大中型太阳模拟器的研制始于1967年，长春光机所研制的KM4为第一台，辐照面口径达?4m，采用多单元子系统拼接的方法。目前我国大型太阳模拟器和先进国家相比仍存在差距，近些年来通过不断的改进，取得了一定的成绩。511所研制的KF7706是一台离轴式太阳模拟器，它没有中心遮拦和二次反射及多次反射杂光，面和体均匀性都达到了较高水平，可以很好的模拟太阳光的准直角，是一台高精度高辐照度的太阳模拟器，达到了国外同类系统的先进性能。

1.3太阳模拟器的评价标准

1.3.1太阳模拟器的评价

根据IEC 60904-9标准要求，太阳模拟器的等级计量包括三部分：光谱匹配，辐照不均匀度及辐照不稳定度，其级别由各个单项技术指标的级别来分别确定，每个单项可划分为A、B、C三个级别，如表1-1所示。

表1-1太阳模拟器等级评定划分

下面是本文中出现的几个基本概念：

1．辐照度：辐射到面元上的辐射通量与该面元面积之比。

2．AM0条件：标定和测试航天用太阳电池规定的太阳辐照度和光谱分布。

3．AM1.5条件：标定和测试地面用太阳电池规定的太阳辐照度和光谱分布。

4．辐照不均匀度：在有效辐照面的整个范围内，辐照度随位置变化的最大相对偏差。

5．辐照不稳定度：在有效辐照面内任意给定位置上，在规定的时间间隔内，辐照度随时间变化的最大相对偏差。

1.3.2光谱匹配的测量

在室内测量时，太阳模拟器用来模拟太阳辐照来进行太阳电池光电转换特性测试，并且在测量太阳电池量子效率时，需要将太阳模拟器作为偏置光源照射在太阳电池上，因此，必须确定太阳模拟器的光谱辐照度分布与真实太阳的差别，才能准确分析太阳电池的光电转换特性。根据IEC60904—9标准，太阳模拟器的光谱匹配度是指在每个光谱波段内总辐照度占整个有效波段内总辐照度的百分比与标准AM1.5条件下光谱辐照度分布的偏差。任何波段与标准AM1.5光谱辐照度分布的偏差．任何波段都必须在一定的范围内，如A级的光谱匹配需控制在±25％以内。太阳模拟器光谱光谱匹配标准如表1-2所示。

表1-2标准光谱辐照度相对分布

1.4本章小结

本章提出论文撰写的目的和意义，通过对近些年来太阳模拟器在各领域的广泛应用分析了解，提出对太阳模拟器的光源研究的必要性。近些年来，太阳模拟器在国内外都得到重视和发展，本章做了一些简要归纳，得到了近年来国内外发展的线索，最后，简要给出太阳模拟器的评价标准和评价方法，并给出了标准的评价标准，以便后文对氙灯的光谱测试有相应的对比标准。

第二章太阳模拟器的光学系统及原理

2.1 常见的太阳模拟器光学系统

太阳模拟技术所涉及到的光学系统是一种复杂的强光照明系统。与其它光学系统不同，在光学系统设计中，并不是把消除系统的像差，提高成像质量作为主要研究对象，而是把注意力集中在如下几个方面：其一是选择合理的光学系统，优化光学设计参数，在满足辐照度要求的前提下尽可能地提高试验空间的辐照均匀度；其二是优化设计聚光系统，提高对光源辐射能量的利用率。因此，其光学系统的设计思想和结果的评价方法与通常的光学系统设计相比另有特点。

2.1.1 太阳模拟器光学系统的基本构成及作用

1光源：通常选用光谱特性与太阳标准光谱相适应的光源，要求还要有较高的光辐射能量。

2.聚光系统：通常选用内反射椭球镜，主要用来提高光源的光辐射效率。

3.反射镜：主要用于折转光路，优化太阳模拟器的整体结构，要求较高的反射率。

3.光学积分器：通常由场镜透镜组和投影镜元素透镜组成。其作用是将氙弧在椭球聚光镜第二焦面形成的氙弧像对称分割，叠加再成像，从而得到一个均匀辐照面。

4.滤光片：在不影响光源岀射辐照度的情况下，对光源光谱进行修正，以达到设计光源的要求.

5.准直镜：对积分器分割重组的光线进行准直，使出射光以准直光出射，利于实验研究的顺利进行。

2.1.2普通太阳模拟器的光学系统成像原理

下面以普通折射式太阳模拟器光学系统为例，机体介绍太阳模拟器光学系统工作原理。具体结构如图2-1所示。

图2-1普通准直型太阳模拟器光路示意图

图2-1是普通折射式准直型太阳模拟器光学系统，光路基本工作原理如下：位于椭球镜第一焦点附近氙灯发出的光辐射通量，经椭球面聚光镜汇聚并反射，以给定的包容角投影到椭球聚光镜第二焦面上，形成一个较大范围的辐照分布。这个较大范围的辐照分布被位于第二焦面上的N个小元素透镜组成的光学积分器场镜阵列对称分割成N个小的辐照范围，再经光学积分器投影镜阵列中对应的元素透镜叠加成像到无穷远，形成一个较均匀的辐照范围。这N个被成像到无穷远的“辐照范围”再经准直系统以一定的照明孔径角(即准直角)投影到准直物镜的后焦面附近，形成一个较均匀辐照面。朝准直透镜看去，辐照光束来自位于准直透镜焦面上的光学积分器投影镜组，如同来自无穷远处的太阳。滤光片使输出光束的光谱辐照分布与AM0或AM1．5标准太阳光谱辐照分布在规定的精度级别内相匹配。

本文重点讲述发散性光源的光谱匹配特性，即研究太阳模拟器光源在不加准直镜和光学积分时的光谱特性，这时的太阳模拟器的辐射均匀性和不稳定度有影响，但光谱失配误差没有太大影响。

2.2太阳模拟器的光学系统结构类别

太阳模拟器按辐照面积的大小可以分为大型太阳模拟器、中型太阳模拟器和小型太阳模拟器三种。大型的主要是在人造卫星和航天器在地面空间环境模拟实验室内进行的真空热平衡试验中使用。而其他两种则应用于社会生产和生活中的不同领域。例如在室内进行的模拟遥感试验、社会生产中太阳能电池的检验等。

太阳模拟器按照使用用途可分为通用型、专用型两种太阳模拟器。

太阳模拟器的结构按其光学系统中心轴位置特点可分为两大类，同轴系统和离轴系统。图2-2是典型的两种光学系统结构示意图。同轴光学系统的特点是均

匀辐照体积或均匀辐照面积的对称轴与光学系统光轴重合，多用于小型太阳模拟器中。现代大型太阳模拟器多采用离轴准直光学系统。可获得的辐照体不均匀度低于5％。由于试验面的对称轴同光学积分器光轴有一定夹角，因此可以消除被辐照体表面二次和多次反射带来的辐照度误差。

(a)离轴系统(b)同轴系统

1．光源2．椭圆聚光镜3．叠加透镜

4．滤光镜5．光学积分器6．准直镜

图2-2太阳模拟器的光学系统

2.3本章小结

本章以同轴准直型太阳模拟器光学系统为例，介绍了太阳模拟器基本光学系统结构，并阐述了其光学成像基本原理。太阳模拟器本身是作为一种模拟光源的仪器，故其光学系统主要关注的是光学系统的辐照度和其均匀性，对光学系统的像差要求较弱。太阳模拟器光学系统分为反射式有同轴反射系统和离轴反射系统两种，同轴式存在中心遮拦，试验面出现中心暗区，虽然可以通过添加中心填充系统避免，但是系统结构复杂且难达到较高的辐射均匀性，中心和边缘部分光谱分布也不一致，因此，多适用于中小型太阳模拟器；而后者可以达到很高的辐照均匀性，不存在中心暗区，为许多高性能的中大型太阳模拟器所采用。

第三章连续光谱发散光输出太阳模拟器光源选择原

则及常用光源

3.1太阳模拟器光源选择原则

作为太阳模拟器光源，其要遵守的原则首先辐射效率要高，且辐射绝大部分都集中在可见区和近红外区，其二，在光伏领域里，要与太阳电池的吸收光谱匹配较好，同时应具有很高的负载强度和较高的辐射效率以及接近太阳表面的色温度。其三，光谱能量分布基本保持不变，光强分布好，能保证试验得到均匀的辐射强度;其四，启动装置比较简单，便于操作，且要求光源使用寿命长，具有较好的稳定性。其五，要充分考虑好经济性和实用性。

3.2 常用的光源

3.2.1白炽灯

1901年人们制成了碳极弧光灯，把电源的两极接在两根碳棒上，碳棒通电接触后，拉开一定距离，由于碳棒之间电阻较大，产生高热，发出耀眼的电弧。弧光灯的光线很强，发光效率高达40～60流明/瓦特，可把街道照得很亮。但由于它会辐射大量的紫外线，放出有害气体，对人体有伤害，而且耗电太大、不稳定，而且维护麻烦寿命又很短，因此人们一直在寻找更好的照明灯源。十九世纪中期以后，人们做了很多的科学实验。到了1910年，人们用金属钨拉制成钨丝，并用钨丝取代了原来白炽灯中的碳丝，制成了钨丝白炽灯。这种灯通电后，钨丝温度可提高到2200～2400K，灯丝白炽发光，光效率提高到6～9流明/瓦，寿命也相对长得多。1913年，又将不与钨丝化合的惰性气体-氩氮混合气充入玻璃泡内，充入惰性气体可抑制钨的蒸发，使白炽灯的工作温度又能提高到2700K以上，光效率甚至可达13流明/瓦。这种充气白炽灯的光色、光效和寿命都有很大改进，加上它还具有价格低廉、使用简便，又可连续调节其光强度的优点，因此广泛在照明领域，包括电影放映等技术中得到应用。白炽灯的工作温度与灯丝的材料有关，一般而言白炽灯的灯丝为钨丝，故它的色温不可能太高，最高也在3000K 左右，而太阳的色温在5500K左右，故单独用白炽灯来模拟太阳光谱是不可行的。

3-1钨丝灯辐射与太阳辐射的比较

从3-1图上可以看出，钨丝灯的主要辐射为红外线，缺乏紫外线，另外可见光部分占的比例也不大。

3.2.2卤钨灯

1. 卤钨灯的工作原理

卤钨灯是在充填的惰性气体中另加有微量的卤素物质，利用充填气体中的卤素物质的化学反应的一种钨丝灯。大家都知道，在普通白炽灯中，要提高灯的光效和缩小灯的尺寸，往往由于钨丝蒸发热的加剧，使灯泡的壳迅速变黑，光输出大幅度下降，而导致灯的寿命终止。而卤钨灯是利用卤钨循环来防止管壁发黑，卤钨灯工作时，蒸发出来的大部分钨和充填的卤素原子或分子，在管壁附近反应，生成卤化钨。卤化钨的蒸汽压较高，因为管内壁具有相当的温度可使卤化钨不能附着在灯管内壁上，故能防止管壁发黑。卤化钨通过浓度扩散或对流，从管壁附近向灯丝方向扩散，部分卤化钨在灯丝的高温区被分解。分解出来的卤素，又和蒸发出来的钨反应，分解出来的钨则吸附在灯丝表面，这就是卤钨再生循环。

2.卤钨灯的性能

卤钨灯的发射光谱和白炽灯大致相同，可见区域主要为红橙黄光，短波蓝紫光较弱，卤钨灯与普通钨丝灯相比其特点是：①卤钨灯的体积比同功率白炽灯要小得多，只是其0.5～3％；②卤钨循环防止了泡壁发黑，所以灯的光通量稳定，灯寿终时光通量只是开始时的95～98％，而白炽灯寿终时光通量只是开始时的

60％；③光效高，可达20～30流明/瓦，而白炽灯为10～20流明/瓦；④色温较高，可达3300K，整个寿命期间卤钨灯色温降低50K左右，而比白炽灯约降低100K；

⑤寿命长。卤钨灯的缺点仍和白炽灯相似，与太阳相比，色温仍太低，光谱中的蓝紫光成份仍减少，我们的实验中将对卤钨灯的表面进行一些处理，即考查能否通过镀单层膜或多层膜的方式来改变卤钨灯的光谱。

3.2.3金属卤化物灯

1.金属卤灯的工作原理

金属镝灯点亮后，放电产生的热量加热了泡壳，附着在管壁的金属卤化物从管壁处蒸发，然后向电弧中心扩散。当金属卤化物分子在电弧的高温下分解成金属原子和卤素原子，金属原子在电弧中受激而发出该金属的特征光谱。另一方面，电弧中的金属原子和卤素原子也向管壁扩散，而管壁温度远低于电弧温度，当金属原子和卤素原子在比较冷的管壁区域相遇时，它们将再次化合形成卤化物。在管壁温度下，卤化物又向电弧中心扩散，重复刚才所述的过程。金属卤化物就是这样在灯内循环过程中，不断地向电弧提供金属蒸汽。常见的金属卤化物灯有钠铊铟灯、镝灯、镓灯等，在这儿我们主要讨论的是镝灯。

2镝灯

镝灯是一种金属卤化物灯，是一种具有高光效( 75流明/瓦以上)、高显色性(显色指数80以上)，长寿命(可达5000小时)的新型气体放电光源。它利用充入的碘化镝、碘化亚铊、汞等物质发出其特有的密集型光谱，该光谱接近于太阳光谱，从而使灯的发光效率及显色性大为提高。故做为模拟地球表面太阳光的光源，镝灯也可能较为合适。镝灯光谱如图3-2所示。

3-2镝灯辐射光谱与太阳辐射比较

3.2.4 氙灯

氙灯是由惰性气体——氙的石英泡壳内两个钨两个电极之间的高温电弧放电，从而发出强光。高压氙灯的辐射光谱是连续的，与日光的光谱能量分布相近，色温为6000K左右，显色指数90以上，因此有“小太阳”之称。

氙灯可分为长弧氙灯、短弧氙灯和脉冲氙灯三种。当氙灯的电极间距15-30cm,时称为长弧氙灯，是细管型。它的工作气压一般为一个大气压，发光效率25-30/W。

当氙灯的电极间距缩短到毫米数量级称为段弧氙灯。灯内的氙气气压约为1-2MPa（10-20大气压）左右。一般为直流供电，立式工作，上端为阳极，下端为阴极。该等的电弧亮度很高，其阴极点的最大亮度可达到几十万坎德拉每平方厘米，电弧亮度在阴极和阳极距离上分布是很不均匀的，短弧氙灯常用于电影放映、荧光分光光度计及模拟日光等场合。

脉冲氙灯的发光是不连续的，能在很短的时间内发出很强的光。它的结构有管形、螺旋形和U型三种。管内气压在100Pa(约一个大气压)以下。它用高压电脉激发产生脉冲。脉冲氙灯广泛用作固体激光器的光泵、照相机制版、高速摄影和光信号源等方面。

3.3 本章小结

本章从太阳模拟器的光源的通用原则入手，详细分析了太阳模拟器光源的选择要求，太阳模拟器光源的选择原则不仅有技术参数、技术指标的要求，还需要从经济型、实用性、可操作性及使用寿命等方面考虑，从而找到最佳的光源。另外，介绍了太阳模拟器发明以来的普遍使用的几类光源使用原理及特点，并给出了各自辐射与太阳辐射的比较图，直观的表现了各自的特性。从各种光源的特性上看，镝灯和氙灯较为理想的光源，下文将详细分析氙灯作为发散光输出太阳模拟器光源的特点及氙灯的光谱特性，从理论和试验的角度论证选择的可行性。

第四章氙灯发光原理及光谱特性

4.1 氙灯的发光原理

氙灯发光属惰性气体放电发光。惰性气体的共振辐射波长很短，在高气压、超高压下，惰性气体的原子被激发到更高的能级并大量电离，氙气放电的光谱与日光最为接近，氙灯的辐射是连续的，在可见区，它与6200K的黑体辐射接近，氙灯的光辐射集中在800~1000nm的近红外区，超高压短弧氙灯在高强度直流电流作用下，使气体等离子体放电产生电磁辐射。为了提高短弧氙灯的亮度，工作时氙气的气压必须在超高压(810.6~4053kPa)范围内。当电流密度很大，压力很高时，在紫外和可见光范围内，具有连续辐射光谱的特征，在近红外光谱范围内，则具有线状光谱的特点，其辐射功率在光谱范围的分布为0.2~0.25μm内0.22%，在0.25~0.75μm内占33.3%，在0.75~2.2μm内占66.3%。

4.2 氙灯的光谱特性

a、氙灯光谱能量分布中连续光谱很强，线光谱较弱，在可见区与6000k黑体辐射接近，光色接近太阳光。

b、氙灯连续光谱部分的光谱分布几乎与氙灯输入功率变化无关，在寿命期内氙灯的光谱能量分布也几乎不变。

c、氙灯的光、电参数一致性好，工作状态受制灯工艺、工作环境和冷却条件的影响小。

d、氙灯一经燃点就可瞬时辐射80％以上的光输出，数十秒内即可接近稳定的峰值光输出，氙灯熄灭后，可立即再点燃。

e、由于氙灯的连续紫外辐射和近红外线辐射都很强，而且它的电位梯度较低，因此它的光效不高，一般在201m／W～501m／W范围。

综上所述，氙灯亮度高、发光区域小、显色性好，光色接近日光且光色稳定，广泛用于太阳模拟器的研制中，只要选择合适的滤光片，可以获得理想的光谱分布。本论文提出的宽光谱太阳模拟器，其可见光和近红外部分即是采用氙灯作为光源。

4.3 氙灯的结构

氙灯按封接方法可分为三种结构:

(1)气泡钼箔封接型(如目前常州玉宇电光器件有限公司的产品结构)见图

4-1(a)；(2)过渡玻璃封接型(如上海灯泡三厂的产品结构)见图4-1(b)；(3)实心石英柱封接型，通常也称ORC型(是美国光辐射公司的封接方法，ORC是该公司名字缩写)见图4-1(c)。

（a）气泡钼箔封接型（b）过渡玻璃封接型（c）实心石英柱封接型

图4-1 几种氙灯结构类型

上述三种结构的氙灯各具以下的特点:

(1)气泡钼箔封接型：灯管结实、可靠，在包装运输中损坏率相对少，其最大特点是与过渡玻璃型相比在同功率、同气压的情况下，光通量高，稳定时间短，适用于大、中、小功率生产，但也存在对封接工人的技术水平要求高，劳动强度大，同心度难以掌控，成本高，生产率较低的缺陷。

（2)过渡玻璃封接型：此结构应该说比较好，欧、美、日市场，如德国OSRAM、日本USHIO公司的灯均采用此结构，但目前国内由于过渡玻璃段烧结工艺、配方还存在问题，过渡段道数较多、过长，造成机械强度差，运输过程中易碎，生产合格率也相对较低，若做5kW以上的灯难度更大，漏气率较高，易炸灯。但它具有生产成本低，生产率高，易实现在玻璃车床上加工，同心度好，并且还有不易烧引线的优点。

(3)实心石英柱封接型:最大优点是结实、美观、同心度好。但目前国内无掌握好该结构引出线的点焊工艺，造成易烧引出线及易炸情况，其成本也高，故只适用于2kW以下的氙灯