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光譜用光源介紹

[ 2010-8-10 ]  [轉載請注明來源:就是要儀器網 m.mrboha.com]

光譜用光源介紹
       
        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業(yè),醫(yī)學和國防現代化等方面。
    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?
    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:根據光譜覆蓋的需要,由兩個燈經過光路優(yōu)化復合而成,也可根據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。
光源的關鍵性能指標
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具有較高的光輸出效率,在不需要的光譜范圍內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光譜曲線平滑的光譜。比如,在做800-1100nm光譜范圍內的反射光譜時,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Page 7
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的收光系統(tǒng)來提高光的收集效率。
    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)的相對孔徑數對應,被稱為收光系數。

       
 舉例:在收光系數為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)間內的光譜輻射度大約是15m W m-2 nm-1,收光系數為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。
◆ 輸出總功率
在大多數輻射區(qū)域面積較大的應用中,輸出總功率更為重要。
◆ 發(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。
◆ 光源均勻性和穩(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。
◆ 太陽光模擬器的主要特性及指標參數
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。
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,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)
       



 
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