光源的概念與物理使用原理

光源指能發(fā)出一定波長范圍的電磁波(包括可見光與紫外線、紅外線和X光線等不可見光)的物體。通常指能發(fā)出可見光的發(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、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光的光源，可見光以及不可見光的光源還被廣泛地應用到工農(nóng)業(yè)，醫(yī)學和國防現(xiàn)代化等方面。

可見光光源常用于日常照明或顯示信號；不可見光光源通常用于醫(yī)療、通信、夜間照相等特殊用途。對光源光譜的研究，還可分析發(fā)光物質(zhì)的結構和成分。

光源主要分為：熱輻射光源，例如，太陽、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、相干性優(yōu)越和單色性好等特點。●如何選擇合適的光源？法蘭球閥

選擇合適的光源，首先要確定使用的波長范圍。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范圍如下圖所示：

◆氙燈：200-2500nm(250-1800nm)

◇具有很高的輻射度，色溫高達6000K

◇發(fā)光區(qū)域小，容易用來做準直光束

◇光譜覆蓋范圍寬

◇背反射鏡設計結構，可提升50%以上的光使用效率

◇紫外波段輸出能量高，適合用來做激發(fā)光源

◇能用來模擬太陽光譜◆氘燈：200-400nm

◇非常高效的紫外光源

◇紫外波段內(nèi)光譜平滑

◇具有多條特征譜峰，可用來作為波長校準光源◆溴鎢燈：250-2700nm(300-2500nm)

◇具有很高的輸出穩(wěn)定度

◇光譜覆蓋范圍寬

◇背反射鏡設計結構，可提升50%以上的光使用效率

◇全譜范圍內(nèi)光譜連續(xù)且平滑

◇可用來標定成為標準白光光源

◆紅外光源：1-16μm

◇光譜覆蓋范圍寬◇使用壽命長◆其它光源：

◇低壓汞燈光源：擁有多個特征峰，用于光譜儀器波長校正，或者用作紫外激發(fā)光源

◇光譜輻射度標準光源：用于光譜儀器系統(tǒng)響應校正

◇太陽光模擬器：用于模擬太陽光

◇復合光源：根據(jù)光譜覆蓋的需要，由兩個燈經(jīng)過光路優(yōu)化復合而成，也可根據(jù)客戶需要進行兩個以上的

燈泡復合光路設計，詳情請聯(lián)絡公司銷售部�！窆庠吹年P鍵性能指標◆光譜范圍

選擇光源時，特別是在光譜應用中，光譜范圍是第一考慮因素。同時，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，因為不需要的那部分光譜會引起雜散光的問題。

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，單就光譜范圍而言，有氙燈(200-2500nm)和溴鎢燈(250-2700nm)符合要求，但從實際測量角度來看，由于氙燈在這個范圍內(nèi)具有較多的尖銳的光譜峰，會造成測量的不準確，因而要選擇譜線平滑的溴鎢燈來進行測量。(光譜輻射度曲線請參考Page7)◆輻射功率

通常選擇光源功率時需要考慮實際使用條件下的輻射功率，這不僅有輸出功率的因素，同時還有發(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，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，通常我們可以通過選擇適當?shù)氖展庀到y(tǒng)來提高光的收集效率。

光譜輻射度的單位通常是：Wm-3Sr-1nm-1，或Wm-2nm-1，差異的部分實際是收光的立體角度(如圖)，它與收光系統(tǒng)(如透鏡)的相對孔徑數(shù)對應，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區(qū)間內(nèi)的光譜輻射度大約是15mWm-2nm-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構提升了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，對于同一類型的光源，功率不同的時候，光譜輻射度差異并不大，所以，在光譜系統(tǒng)中不能單純通過提高光源的功率的方式來提高信號的強度，還需要綜合考慮光源收集效率的問題。在經(jīng)過優(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�！糨敵隹偣β试诖蠖鄶�(shù)輻射區(qū)域面積較大的應用中，輸出總功率更為重要�！舭l(fā)光區(qū)域尺寸和形狀對光源發(fā)光區(qū)域的尺寸和形狀進行選擇，是為了得到與目標區(qū)域更匹配的的光斑形狀，從而提高光源的實際使用效率。比如，長條形的光斑更適合于光譜儀的狹縫設計�！艄庠淳鶆蛐院头�(wěn)定性對于某些光學測量，需要用到較高的空間均勻性和時間穩(wěn)定性，這時就需要進行特殊的光學設計和電源設計。比如太陽能電池的特性測量等。通常來說，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�！籼�陽光模擬器的主要特性及指標參數(shù)太陽光模擬器是用來模擬太陽光的光源，具有較高的太陽光譜匹配度、空間均勻性以及時間穩(wěn)定性。標準太陽光譜和穿透大氣層到達地球表面的太陽光譜如下：

根據(jù)國際相關標準規(guī)定，約1000W/m2(@AM1.5G濾光片)的光功率密度被稱為一個太陽常數(shù)。太陽光模擬器的不同級別對應的光譜匹配度、時間穩(wěn)定性和光斑均勻性，如下表(根據(jù)IEC60904-9規(guī)定)：

◆色溫(T)

為了表示一個熱輻射光源所發(fā)出光的光色性質(zhì)，常用到色溫度這個量，單位為K。色溫度是指在規(guī)定兩波長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)定的兩波長處的輻射比率來比較的，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光源光色的大概情況，一般來說，色溫高代表藍、綠光成分多些，色溫低則表示橙、紅光的成分多些。◆維恩位移定律單色輻射出射度最大值對應的波長λm與色溫T成反比：λm·T=2898(μm·K）