光源的概念與物理使用原理

光源指能發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。通常指能發出可見光的發光體。凡物體自身能發光者，稱做光源，又稱發光體，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，醫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，具有發射方向集中、亮度高、相干性優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

◇發光區域小，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，或者用作紫外激發光源

◇光譜輻射度標準光源：用于光譜儀器系統響應校正

◇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，同時還有發光區域大小、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，但后者的發光區域(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(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間內的光譜輻射度大約是15mWm-2nm-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。在經過優化的光源收集系統中，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域面積較大的應用中，輸出總功率更為重要。◆發光區域尺寸和形狀對光源發光區域的尺寸和形狀進行選擇，是為了得到與目標區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，溴鎢燈的光源穩定性要優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、時間穩定性和光斑均勻性，如下表(根據IEC60904-9規定)：

◆色溫(T)

為了表示一個熱輻射光源所發出光的光色性質，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譜也可能不相似，若規定的波長不同，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）