老化測試最佳光源首選:氙燈Xenon Lamp

為什麼氙燈是最佳模擬光源?
氙燈的特色有哪些?
老化測試對材料檢測、光伏器件的重要性!

氙燈光譜分布寬廣(典型氙燈光譜300-1100 nm),涵蓋紫外、可見光和近紅外波段,常應用於螢光光譜技術、生物和醫學影像研究之光源;此外,氙燈色溫高達6000 K接近真實太陽,常應用於太陽光模擬,進行老化測試、光催化實驗。

一、 氙燈的基礎原理
氙燈(Xenon lamp, or Xenon arc lamp)是在石英玻璃管內填充氙氣,利用高壓電電離氙氣產生光源。管內的氙氣屬惰性氣體中原子序數較大的元素,原子半徑較大;在弧光放電中,電子和氣體發生彈性碰撞損失的能量同氣體的原子量呈反比,因此,和其他惰性氣體相比,氙氣弧光放電時損失較小,發光效率高。此外,氙氣的電離電勢較低,放電時電極附近的電壓降小,可延長電極壽命,使用壽命大約1500-2000小時。
氙燈的光譜能量穩定,光譜分佈與日光光譜接近,波長範圍為300-1100 nm,涵蓋紫外、可見光和近紅外波段,但氙燈在紫外光區的發射強度較低。

上圖:典型氙燈光譜

二、 氙燈主要特點:
1. 接近於日光的光譜特性
2. 色溫(5500~6000 K)與日光相近
3. 具備良好的光學特性。
4. 連續光譜分布和燈輸入功率變化無關,在燈泡壽命期間,光譜能量分布亦不亦變化。
5. 氙燈的光電參數一致性佳,不易受外界環境影響。
6. 具備穩定的光輸出:在點燃瞬間,即可瞬時達到穩定的光輸出。
7. 具備良好的觸發性能及熱觸發特性
8. 燈泡壽命長
具備以上優點,氙燈在太陽光模擬、標準日光輻射光源等領域被廣泛的應用。

三、 氙燈分類:
氙燈依照燈泡結構可分為:長弧氙燈、短弧氙燈和脈衝氙燈。

種類 主要性能 常見應用
長弧氙燈
Xenon long-arc lamp
紫外可見連續光譜,光色接近太陽光 大面積照明、材料老化測試
短弧氙燈
Xenon short-arc lamp
高亮度點光源,光色接近太陽光 太陽光模擬器等光學儀器
脈衝氙燈
Xenon pulsed lamp
連續光譜,脈衝閃光0.2~1 ms 雷射光泵、光信號、高速攝影


(一) 長弧氙燈

長弧氙燈又稱管型氙燈,其輻照光譜能量分布、色溫等參數與真實太陽光相近,故又被稱為人造小太陽。長弧氙燈電極間距大於100 mm,工作氣壓一般為一個大氣壓,發光效率25~301 m/W;具有大功率、長壽命、高亮度和顯色性佳、照射面積大等特優點,在許多產業中可做為不同的應用。例如小功率的長弧氙燈,常用於學校教學試驗;大功率的長弧氙燈,常應用太陽能電池老化測試、太陽光光譜分析、可見光響應光解水制氫、光催化降解汙染物等光化學、光老化等研究領域。
下圖為長弧氙燈基本結構,依據不同的應用其結構設計亦會不同。

(二) 短弧氙灯

短弧氙燈又稱為球型氙燈,亮度高、顯色性佳、光色穩定且接近日光,具有瞬態的光學啟動特性;短弧氙燈電極間距小於10 mm,燈內氙氣氣壓約為1~2 MPa(10~20大氣壓)。
短弧氙燈乃由高電壓觸發而點亮,高電壓脈衝通過電極後,使氣體游離而放電產生電弧。一旦電弧產生後,隨後僅需較低電壓來持續維持電弧的放電。在電弧放電期間,電弧的針尖產生的等離子雲將會發出高亮度的光,是目前氣體放電燈中顯色性最佳的光源,常用於太陽光模擬器之光源。
下圖為短弧氙燈基本結構,依據不同的應用其結構設計亦會不同。

(三) 脈衝氙燈

脈衝氙燈光源為高閃光頻率,用高壓電脈衝激發產生光脈衝,能在短時間內發出強光,管內氣壓均在100 Pa以下(約一個大氣壓),其結構有管形、螺旋形和U形。脈衝光源的閃光持續是指1/3峰值光強所對應的時間間隔,稱為脈衝寬度。它主要由光源的結構和點燈決定。脈衝氙燈廣泛用於固體雷射的光泵、照相製版、高速攝影和光信號源等。

四、 氙燈的主要光電參數說明

1. 色溫(T)/黑體輻射:
黑體是吸收所有入射電磁輻射(例如: 光)的物體:沒有光通過或反射。然而,雖然叫做黑體,但其實黑體也會發出電磁輻射。根據普朗克定律所描述了熱平衡狀態下黑體的輻射如下:


其中ΦBB是在溫度為T下,每單位波長發射表面單位面積下的輻射功率,K為波茲曼常數,h為普朗克常數,c為光速。透過測量黑體輻射的光譜,我們可以計算出此黑體的溫度。下圖為在不同溫度下單位面積輻射功率隨波長變化的曲線。


在現實生活中,寬頻光源在頻率和強度方面可能與理想的黑體有很大的差異。藉由比較光源和給定溫度下的理想黑體輻射,我們可以表徵出該光源且和此溫度黑體輻射有相同的顯色性,此即為該光源的色溫,用T表示,單位K

2. 顯色指數(Ra):指光源的光照射到物體上所產生的客觀效果,如果效果與標準光源(黑體或日光)照射時一樣,則認為該光源顯色性好,反之即受照後物體顏色失真,則該光源顯色性差。
3. 光通量(Φ):光源在單位時間內所發出的光量;單位為lm流明。
4. 發光效率(η):η=Φ/PL,單位lm/W;指一個光源所發出的光通量Φ和該光源所消耗的電功率PL之比。
5. 光強度(Iv):Iv= Iv/Ω,單位cd,坎德拉;指光源在給定方向的單位立體角中發射的光通量,定義為光源在該方向的光強度。
6. 光照度(Ev):Ev=Φ/S,單位lux、lm/m2;指物體表面被照明的程度,以每單位面積上受到的光通量表示。
7. 輝度(Lv):Lv=Iv/S,單位cd/m2;表示光源在給定方向上單位投影面上的光強度。

五、 氙燈老化測試應用
光老化是造成戶外材料、產品受到破壞的主要因素,光老化造成的損害可能包括褪色、氧化、脆化、龜裂、亮度強度等下降等等,因此,想要了解材料、器件、太陽能電池等在戶外使用的壽命,可透過氙燈光源模擬太陽光進行老化測試。
氙燈光源進行老化測試,能為科研界或產業材料開發、品質管理提供光照環境模擬和時間加速的測試;通常進行老化測試實驗的光強度比實際戶外光照強度更大,因此,可透過氙燈進行老化測試,縮短材料產生光老化所需的實際時間。此外,氙燈光源老化測試,常被應用在材料測試,例如太陽能電池,用以評估電池的耐用性等測試,供研究人員觀察、了解材料和產品在模擬太陽光照射下產生老化的情形。

六、材料、光伏器件老化測試最佳光源首選:LH-300研究型氙燈光源
LH-300研究形氙燈光源是高光強、自由調整出光方向的高穩定光源系統,可結合單光儀輸出單色光源,進行多方研究整合。
LH-300採用300 W氙燈燈泡,光譜範圍300~1100 nm,燈泡置於燈箱內部,準直透鏡的焦點上;電弧的長軸會與透鏡平面呈現平行的狀態,以產生準直光束。獨家設計的燈源箱結構,包含冷卻風扇、氙燈調節窗口、可調整高度腳座、準直透鏡,以及可搭配調整出光方向等相關配件,以利研究人員在不同測試條件下進行操作。

■ 準直光束光學原理:
氙燈燈泡設置於燈箱內部,準直透鏡的焦點上;電弧的長軸會與透鏡平面呈現平行狀態,以產生準直光束。其中凹面反射鏡的目的為將燈泡背面放射出去的光,反射回原發光處後再被前置透鏡所收集,而前置透鏡的目的乃將氙燈發出的光產生準直光束。

LH-300氙燈光源特點如下:
● 高自由度出光:水平、上下、左右
 ● 多方研究整合:整合積分球測定吸收度、穿透率;搭載太陽光光譜濾片做為光觸媒光源;整合量子效率量測系統測定各式太陽能電池
● 高光強:提供高吸收度樣品的有效吸收光譜測定
● 光穩定度高:無論在長時間、短時間測定都具有一樣效果
● 自由調整出光模式:可形成平行光、聚焦光、發散光,應用於多方研究領域
● 光強調變功能:搭配不同的光強衰減片,進行樣品對光強反應的試驗
● 電流光強線性調節:標準配備即配有50% ~ 100%的光強線性調節,可不需額外花費來達到簡易的光強調變
● 自由導光功能:可搭配光纖,將光導到所需的實驗空間,利於實驗空間的活用
● 高光纖出光光強:可高達2 suns。(依不同光纖core而異)
● 搭配偏振光源:可添加偏振片配件, 成為具有偏振行為的光源,可提供線偏、圓偏、橢圓偏振光