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光譜用光源介紹
-卓立漢光公司----（轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處）
光源指能發(fā)出一定波長(zhǎng)范圍的電磁波（包括可見(jiàn)光與紫外線、紅外線和X光線等不可見(jiàn)光）的物體。通常指能發(fā)出可見(jiàn)光的發(fā)光體。凡物體自身能發(fā)光者，稱做光源，又稱發(fā)光體，如太陽(yáng)、恒星、燈以及燃燒著的物質(zhì)等都是。但像月亮表面、桌面等依靠它們反射外來(lái)光才能使人們看到它們，這樣的反射物體不能稱為光源。
在我們的日常生活中離不開可見(jiàn)光的光源，可見(jiàn)光以及不可見(jiàn)光的光源還被廣泛地應(yīng)用到工農(nóng)業(yè)，醫(yī)學(xué)和國(guó)防現(xiàn)代化等方面。
可見(jiàn)光光源常用于日常照明或顯示信號(hào)；不可見(jiàn)光光源通常用于醫(yī)療、通信、夜間照相等特殊用途。對(duì)光源光譜的研究，還可分析發(fā)光物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和成分。
光源主要分為：熱輻射光源，例如，太陽(yáng)、白熾燈；氣體放電光源，例如，炭精燈、水銀燈、熒光燈等。
激光器是一種新型光源，具有發(fā)射方向集中、亮度高、相干性*和單色性好等特點(diǎn)。
一、如何選擇合適的光源？
選擇合適的光源，首先要確定使用的波長(zhǎng)范圍。卓立漢光可以提供氘燈、溴鎢燈、氙燈及紅外光源等多種光源，各種光源涵蓋的波長(zhǎng)范圍如下圖所示：
1.氙燈：200-2500nm（250-1800nm）
①具有很高的輻射度，色溫高達(dá)6000K；
②發(fā)光區(qū)域小，容易用來(lái)做準(zhǔn)直光束；
③光譜覆蓋范圍寬；
④背反射鏡設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，可提升50%以上的光使用效率；
⑤紫外波段輸出能量高，適合用來(lái)做激發(fā)光源；
⑥能用來(lái)模擬太陽(yáng)光譜。
2.氘燈：200-400nm
①非常的紫外光源；
②紫外波段內(nèi)光譜平滑；
③具有多條特征譜峰，可用來(lái)作為波長(zhǎng)校準(zhǔn)光源。
3.溴鎢燈：250-2700nm（300-2500nm）
①具有很高的輸出穩(wěn)定度；
②光譜覆蓋范圍寬；
③背反射鏡設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，可提升50%以上的光使用效率；
④全譜范圍內(nèi)光譜連續(xù)且平滑；
⑤可用來(lái)標(biāo)定成為標(biāo)準(zhǔn)白光光源。
4.紅外光源：1-16μm
①光譜覆蓋范圍寬；
②使用壽命長(zhǎng)。
5.其它光源：
①低壓汞燈光源：擁有多個(gè)特征峰，用于光譜儀器波長(zhǎng)校正，或者用作紫外激發(fā)光源；
②光譜輻射度標(biāo)準(zhǔn)光源：用于光譜儀器系統(tǒng)響應(yīng)校正；
③太陽(yáng)光模擬器：用于模擬太陽(yáng)光；
④復(fù)合光源：根據(jù)光譜覆蓋的需要，由兩個(gè)燈經(jīng)過(guò)光路優(yōu)化復(fù)合而成，也可根據(jù)客戶需要進(jìn)行兩個(gè)以上的燈泡復(fù)合光路設(shè)計(jì)，詳情請(qǐng)聯(lián)絡(luò)公司銷售部。
二、光源的關(guān)鍵性能指標(biāo)：
1.光譜范圍
選擇光源時(shí)，特別是在光譜應(yīng)用中，光譜范圍是*考慮因素。同時(shí)，需要注意的是，要選擇的光源，盡可能在需要的光譜范圍內(nèi)具有較高的光輸出效率，在不需要的光譜范圍內(nèi)具有較低的光輸出效率，因?yàn)椴恍枰哪遣糠止庾V會(huì)引起雜散光的問(wèn)題。
另外，如果是做透射、反射/吸收光譜，需要特別注意的是，必須選擇在測(cè)量范圍內(nèi)光譜曲線平滑的光譜。比如，在做800-1100nm光譜范圍內(nèi)的反射光譜時(shí)，單就光譜范圍而言，有氙燈（200-2500nm）和溴鎢燈（250-2700nm）符合要求，但從實(shí)際測(cè)量角度來(lái)看，由于氙燈在這個(gè)范圍內(nèi)具有較多的尖銳的光譜峰，會(huì)造成測(cè)量的不準(zhǔn)確，因而要選擇譜線平滑的溴鎢燈來(lái)進(jìn)行測(cè)量。（光譜輻射度曲線請(qǐng)參考Page 7）
2.輻射功率
通常選擇光源功率時(shí)需要考慮實(shí)際使用條件下的輻射功率，這不僅有輸出功率的因素，同時(shí)還有發(fā)光區(qū)域大小、收光效率等方面的影響。比如，在不考慮收光效率等因素的影響條件下，比較75W氙燈和150W氙燈在相同的空間位置上能夠產(chǎn)生的輻射功率，75W氙燈是150W氙燈的2.7倍，這是由于雖然前者輸出功率只有后者的一半，但后者的發(fā)光區(qū)域（弧光）是前者的8.8倍，因而在相同的空間位置上的功率密度反而小。
因此在選擇光源時(shí)，不僅要考慮光源輸出功率，還要考慮其它因素，特別是光斑大小引起的輻射功率密度的影響，通常我們可以通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)氖展庀到y(tǒng)來(lái)提高光的收集效率。
光譜輻射度的單位通常是：W m-3 Sr-1nm-1，或W m-2 nm-1，差異的部分實(shí)際是收光的立體角度（如圖），它與收光系統(tǒng)（如透鏡）的相對(duì)孔徑數(shù)對(duì)應(yīng)，被稱為收光系數(shù)。
舉例：在收光系數(shù)為0.05的150W氙燈光源系統(tǒng)中，計(jì)算400-600nm范圍能夠得到的光譜輻射功率。從光譜輻射度曲線中可以查到在這個(gè)區(qū)間內(nèi)的光譜輻射度大約是15m W m-2 nm-1，收光系數(shù)為0.05，光譜帶寬為200nm，由于使用了背反射鏡結(jié)構(gòu)提升了50%光使用效率，所以總的輸出光輻射功率大約是：15×0.05×200×（1+50%）=225mW。
另外，從光譜輻射度曲線（Page7）可以看出，對(duì)于同一類型的光源，功率不同的時(shí)候，光譜輻射度差異并不大，所以，在光譜系統(tǒng)中不能單純通過(guò)提高光源的功率的方式來(lái)提高信號(hào)的強(qiáng)度，還需要綜合考慮光源收集效率的問(wèn)題。在經(jīng)過(guò)優(yōu)化的光源收集系統(tǒng)中，往往可以采用較小功耗的光源取代高功耗的光源。
3.輸出總功率
在大多數(shù)輻射區(qū)域面積較大的應(yīng)用中，輸出總功率更為重要。
4.發(fā)光區(qū)域尺寸和形狀
對(duì)光源發(fā)光區(qū)域的尺寸和形狀進(jìn)行選擇，是為了得到與目標(biāo)區(qū)域更匹配的的光斑形狀，從而提高光源的實(shí)際使用效率。比如，長(zhǎng)條形的光斑更適合于光譜儀的狹縫設(shè)計(jì)。
5.光源均勻性和穩(wěn)定性
對(duì)于某些光學(xué)測(cè)量，需要用到較高的空間均勻性和時(shí)間穩(wěn)定性，這時(shí)就需要進(jìn)行特殊的光學(xué)設(shè)計(jì)和電源設(shè)計(jì)。比如太陽(yáng)能電池的特性測(cè)量等。
通常來(lái)說(shuō)，溴鎢燈的光源穩(wěn)定性要優(yōu)于氙燈等弧光放電類型的光源。
6.太陽(yáng)光模擬器的主要特性及指標(biāo)參數(shù)
太陽(yáng)光模擬器是用來(lái)模擬太陽(yáng)光的光源，具有較高的太陽(yáng)光譜匹配度、空間均勻性以及時(shí)間穩(wěn)定性。
標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜和穿透大氣層到達(dá)地球表面的太陽(yáng)光譜如下：
根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，約1000W/m2（@AM1.5G濾光片）的光功率密度被稱為一個(gè)太陽(yáng)常數(shù)。
太陽(yáng)光模擬器的不同級(jí)別對(duì)應(yīng)的光譜匹配度、時(shí)間穩(wěn)定性和光斑均勻性，如下表（根據(jù)IEC60904-9規(guī)定）：
| A 級(jí) | B 級(jí) | C 級(jí) | |
| 光譜匹配度 | 0.75~1.25 | 0.6~1.4 | 0.4~2.0 |
| 時(shí)間穩(wěn)定性 | ≤±2% | ≤±5% | ≤±10% |
| 光斑均勻性 | ≤±2% | ≤±5% | ≤±10% |
三、不同類型光源的光譜輻射度曲線：
1.色溫（T）
為了表示一個(gè)熱輻射光源所發(fā)出光的光色性質(zhì)，常用到色溫度這個(gè)量，單位為K。色溫度是指在規(guī)定兩波長(zhǎng)處具有與熱輻射光源的輻射比率相同的黑體的溫度。色溫度并非熱輻射光源本身的溫度。
由于色溫度是按規(guī)定的兩波長(zhǎng)處的輻射比率來(lái)比較的，所以色溫度相同的熱輻射光源的連續(xù)譜也可能不相似，若規(guī)定的波長(zhǎng)不同，色溫度往往也不相同。至于非熱輻射光源，色溫度只能給出這個(gè)光源光色的大概情況，一般來(lái)說(shuō)，色溫高代表藍(lán)、綠光成分多些，色溫低則表示橙、紅光的成分多些。
2.維恩位移定律
單色輻射出射度 大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λm與色溫T成反比：λm·T=2898（μm·K）
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