用於 MKS 的非相干光源技術說明

Mondo 科技 更新 2024-02-27

本文中討論的非相干光源具有一些區別於雷射的特性。 非相干光產生從光源向各個方向發射的輻射。 此外,與通過光激發或電激發產生輻射物質的雷射增益介質不同,這些光源最常用的激發機制是熱激發。 這導致了寬頻光譜輻射,這取決於光源介質的溫度,如下所述。 這些光源的寬頻特性,加上它們的全向發射,使其成為家庭、工作場所和車輛照明的理想選擇。 在研究應用中,寬頻輸出可用於模擬太陽輻射,或者光譜學或顯微鏡等應用可以執行光譜濾波。 非相干光源主要根據其輸出的波長範圍和光譜形狀進行分類。 以下是這些光源的詳細說明,包括氙氣光源、弧光源、石英滷鎢(QTH)光源和紅外線發射器。 LED也是非相干光源,LED的發射光譜比這裡討論的非相干光源要窄,因此經常使用多個不同中心波長的LED來實現寬頻發射至關重要。

物質中的帶電粒子在加熱時獲得動能,由此產生的帶電粒子的運動以熱能的形式引起電磁輻射。 因此,任何溫度高於絕對零度的材料都會發出熱輻射。 如果材料系統與周圍環境處於熱平衡狀態,並且是理想的發射器,則稱為黑體發射器。 儘管大多數物質系統都不是真正的黑體,但通常可以進行這種近似,因為控制黑體發射的定律是簡單和定量的。 蒲朗克定律描述了黑體內部輻射能的光譜分布。 根據該定律產生的光譜通常以光譜輻射度或光譜輻照度為特徵。 這些光譜是平滑變化的曲線,它們的分布和輸出與黑體的溫度直接相關(見圖1)。 峰值波長與溫度之間的反比關係,稱為維恩定律,如圖1所示。 由太陽和構成下面描述的非相干光源的物質系統組成的光源具有類似於黑體的發射光譜。 太陽表面溫度接近6000 K,如圖1所示,產生0峰值太陽輻射約為 5 m,對應於綠光。 即使是室溫下的物體也會發出熱輻射,但它們的峰值發射波長約為 10 m。 由於不產生可見光輻射,這成為“黑體”一詞的由來。

圖1.各種黑體的光譜輻照度。 維恩定律如圖所示,並將峰值波長 (m) 與黑體溫度 (t) 相關聯。

弧光燈的工作機制是使電流通過含有高壓氣體的放電管。 電流使氣體電離並產生發出高強度光的電弧。 氣體通常是氙氣或汞氙氣混合物(見圖2)。 氙弧燈產生對應於 6200 K 的類黑色輻射光譜,即明亮的白光。 氙弧燈的一般特性包括高輻照度輸出、光源弧度小、紫外線輸出強度高以及與自然光高度相似的光譜。 因此,這種型別的光源被用作太陽光模擬器,也可用於電影放映機或探照燈。 弧光燈還可以發出極強的光脈衝,這與非相干光源典型的連續發射不同。 這種型別的脈衝光源通常被稱為閃光燈,可用於光學幫浦浦固態雷射介質。 最後,除了類似於黑體的輻射外,弧光燈還會產生強烈而尖銳的發射峰(見圖2)。 這些發射峰是由氣體中原子能級躍遷的自發發射引起的(見圖3)。 由此產生的特定發射譜線非常適合用作光譜校準源。

圖2.不同燈型別(上)和典型紅外 (IR) 發射器(下)的光譜輻照度。

氘燈是一種弧光燈,其中分子氘在輻射衰減到基態之前被激發到更高的能量狀態。 因此,氘燈是少數非相干光源中的自發發射,其中輻射過程與熱輻射相反。 氘燈發射光譜不是黑色光譜,而是以紫外線為中心的連續光譜。 氘燈的輸出波長是所有燈中最小的,可見光和近紅外光譜區域的輸出可以忽略不計。 氘燈穩定耐用,是紫外光譜學的首選光源。

QTH燈是傳統白熾燈的一種變體,其中鎢絲被加熱以產生熱輻射。 鹵素的存在使鎢經歷再生迴圈,從而延長整體壽命並防止變黑過程。 由於該過程在比傳統白熾燈更高的溫度下執行,因此必須將其限制在具有高熔點的石英製成的燈泡中。 QTH光源產生從近紫外到近紅外的平滑連續光譜。 光源極其穩定,總可見光輸出高,操作簡單且成本低廉。 由於這些原因,當需要已知的光譜輻照度時,QTH光源是校準光源的理想選擇。 此外,如果QTH光源與單色器耦合,該系統還可以用作光譜校準源。

紅外 (IR) 發射器是紅外光譜學的有用光源。 紅外線發射器發射一定強度的紅外輻射,而弧光燈和QTH燈不發射紅外波長。 紅外線發射器更經濟,使用壽命更長。 紅外發射器具有近乎完美的黑體功能,可以產生1到25公尺的寬頻紅外光(見圖2),發射效率非常高。

圖3.朗伯余弦定律顯示了強度 (i) 如何隨法線(左)的觀測角度 ( ) 而變化。 QTH燈強度最大的方向,沿垂直於燈絲平面的軸(右)。

非相干光源的空間輻射特性取決於燈的形狀。 在QTH燈中,燈絲實際上是乙個平坦的表面,因此發射類似於LED的發射。 它的發射遵循朗伯定律,這意味著強度隨著與法線角度的余弦值而減小,因此隨著光偏離軸而減小(見圖3)。 在確定燈相對於目標的方向時,必須考慮輻射特性,因為通常需要最高的輻照度(見圖3)。 相反,弧光燈中的弧光通常足夠小,可以被認為是點光源。 它的輻射是各向同性的,與方位角無關。 當使用透鏡系統時,在收集、準直光方面也有明顯的優勢。

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