气体光源 

气体光源是用气体放电原理制成的，它将两个电极密封在玻壳中，再充入一些特殊气体 (氘、氢、氙、汞等），通过电极放电将气体电离出离子和电子。离子和电子在电场力作用下各自向两个电极运动，运动中与更多的原子碰撞，产生出更多的电子和离子。这个过程中，一些原子会被激发到激发态。激发态是一个不稳定的状态，在从激发态跃迁回到低能级时，原子便辐射出光子。在电源激励下，激发和跃迁反复进行，就是气体光源的发光原理。由于辐射机理的不同，气体光源有如下不同于热辐射光源的独特特性： 

 

1) 发光效率高：高压汞灯、低压汞灯的发光效率均可达601m/W以上，低压钠灯更高达180～220lm/W，高压钠灯为120lm/W。 

 

2) 寿命长：一般钠灯或汞灯的寿命在2500h以上。 

 

3) 覆盖光谱范围大：汞灯可以发出254nm远紫外线，普通高压汞灯的光谱成分中包括长波紫外线、中波紫外线、可见光及近红外光（其几个峰值约在400~550nm之间），氙灯则接近太阳光谱。 

 

4) 结构紧凑，耐振、耐冲击。 

 

鉴于以上特点，气体光源被广泛应用于光电仪器和工程照明中。下面对几种常用的气体光源作简要的介绍。 

 

1.氙灯 

 

利用高压和超高压惰性气体放电可制成一类效率很高的光源，其中以氙灯最为常用。各种惰性气体中，氙灯的放电辐射与日光最接近，且当电流与氙气压在很大范围内变动时，光谱能量分布变化很小。氙灯可分连续型和脉冲型两种。 

 

(1)连续氙灯 

 

按照电极间距的大小，连续氙灯又可分为长弧氙灯和短弧氙灯两种。电极间距在1.5~130cm的氙灯称为长弧氙灯，一般是细管型，工作气压一般为一个大气压（非法定计量单位，1at =98066. 5Pa)，发光效率在24~37lm/W之间，水冷式长弧氙灯的发光效率更可高达60lm/W。电极间距在毫米级的氙灯称为短弧氙灯，外表一般呈现球型，工作气压在1?2MPa左右，一般采取直流供电方式，其电弧亮度更高。典型的长弧氙灯、短弧氙灯

 

长弧氙灯的色温为5500～6000K，显色性较好，显色指数可达95，寿命可达3000h以上，功率可达W。长弧氙灯辐射的光谱能量分布和日光接近，由于这个特点， 它可用作电影摄影、彩色照相制版、复印及植物栽培等方面的光源，大功率的氙灯还可作为连续激光的泵浦。短弧氙灯中，氙蒸气的浓度比长弧氙灯中更高，电离度更大，由于谱线的压力加宽和多普勒加宽作用，光谱更趋于连续。图4-9所示是短弧氙灯的光谱能量分布，与曰光的光谱很接近。 

 

 

 

短弧氙灯近似是高亮度点光源，其阴极点的最大亮度可达几十万坎德拉每平方厘米，阳极要低一个数量级，发光体亮度不均匀。它的色温为6000K左右，光色好，显色指数可达95以上，启动时间短，功率从数十瓦到上万瓦不等。短弧氙灯常用于电影放映、模拟日光灯、探照灯、模拟太阳光等，小功率的短弧氣灯可用于各种光电仪器。 

 

(2)脉冲氙灯 

 

脉冲氙灯是非稳定的气体放电形式之一，其发光是不连续的，它用高压脉冲激发产生光脉冲，类似于火花放电，可在瞬时 获得除激光外最大的光通量和亮度。脉冲氙灯的管长一般在十几到二十几厘米，管外径约几毫米

 

 

 

脉冲氙灯的发光效率约为40lm/W，色温为7000~9000K,光谱特性也接近日光，电压增加会使峰值波长向短波移动。脉冲氣灯操作简便、耗电少、工作稳定、发光强度大，常用作激光器的泵浦光源。如果使用方法得当，闪光次数可达100万次以上。表4-1列出了脉冲氙灯的闪光能量与预期的工作寿命的关系。 

 

脉冲氙灯闪光能量和寿命的关系 

 

 

 

还有一种脉冲氙灯，称为频闪管。它不像光泵氙灯那样每秒只闪几次，或一两分钟闪一次。频闪管的能量小，闪得快，每秒闪1000次左右，一般用在科研、工业上测量高速旋转物体的转速。 

 

典型的脉冲氙灯光谱如图4-11所示。 

 

 

 

2.汞灯 

 

汞灯是利用汞蒸气放电发光的一类气体放电光源，据蒸气压的大小可分为低压汞灯、高压汞灯和超高压汞灯三类。 

 

(1)低压汞灯 

 

低压汞灯的管内压强很小，工作电压也不高，一般在数十伏到220V，功率在数十瓦， 一般小于100W，工作温度也不高（40~50℃)，发光效率为40~50lm/w，寿命一般在2500h以上。某常用低压汞灯如图4 -12所示。 

 

 

低压汞灯种类很多，根据阴极材料的不同，低压汞灯又可分为冷阴极汞蒸气辉光灯和热阴极汞突光灯。低压汞灯的特征谱线，如365nm、405nm, 436nm、546nm、577nm, 579nm 等，常用于光谱仪器标定，其典型的光谱分布

 

(2) 高压汞灯 

 

高压汞灯管内压强一般为1~5个大气压，高压汞蒸气放电的发光效率可达40~50lm/W， 最高可达64lm/W，寿命一般在2500h以上，有的可达5000h，功率从几十瓦直至上万瓦。 高压汞灯发光体积更小，亮度和光效也更高。但由于压力展宽效应，高压汞灯的谱线较宽，很少用于光学仪器的照明。 

 

(3) 超高压汞灯 

 

普通高压莱灯f较高的发光效率，但是亮度还不够高。当汞蒸气压增加到10~20个大气压时，则可能获得高亮度的光源。超高压汞灯一般有球形和毛细管形两种，如图4-14所示。 

 

 

 

超高压汞灯的亮度可达，发光效率约为60lm/W，可以满足光学仪器、投影系统等对亮度要求很高的场合使用，寿命一般为2000h。随着汞蒸气压的升高，原子激发到高能级的几率增大，紫外辐射减弱，可见光谱线得到加宽，因此超高压汞灯具有连续的辐射谱线。 

 

3.幸内灯 

 

钠灯是一种高效节能新型光源,具有发光效率高、透雾性强、寿命长等柃点。由于钠的共振辐射线波长为589.0nm和589.6nm位于视见函数最大值附近，因此钠蒸气放电辐射有很高的发光效率。钠灯可分为高压钠灯与低压钠灯两种。目前，低压钠灯除用于偏振仪、旋光仪等光学仪器外，也用于照明；高压钠灯则多用于道路、广场、隊道、港口、码头、车站等室外的照明。 

 

(1)低压钠灯 

 

低压钠灯是利用低压钠蒸气放电发光的单色光源，在可见光区域内有两条极强的谱线，波长分别为589mn和589.6nm。低压钠灯的发光效率是气体放电灯中最高的，实际制成的钠灯发光效率可达到180~220lm/W。低压钠灯的寿命较长，可达5000h以上，仅次于高压钠灯。由于低压钠灯发出的是单色黄光，因此其显色性较差。低压钠灯常用作理想的仪器单色光源，同时由于其波长较长，易衍射，透雾性较好，也常用于对光源颜色要求不高的照明场所。 

 

(2)高压钠灯 

 

高压钠灯是利用高压钠蒸气放电发光的电光源，如图4-15所示。 它的光谱是一种连续光谱，这和高压汞灯的谱线加宽是类似的。 

 

 

 

高压钠灯的功率从几十瓦到上千瓦不等，选择余地比较卞，经济性比较好。另外高压钠灯的发光效率是高压气体放电灯中较高的，仅次于低压钠灯，可达120lm/W。它的寿命比较长，最高可达到1万h以上。 

 

4. 氢灯 

 

氢灯是一种冷阴极辉光放电灯，一般是将一对镍制电极封于硬质玻壳中，将管内充入高纯度氢气。当加高压启动后，氢灯可发出氢的特征谱线。当氢气压力为10²Pa时，用稳压电源供电，放电十分稳定，因而发光强度恒定。氢灯在波长160~375nm范围内发出连续光谱，但在165nm以下为线光谱。在波长大于400nm时，氢放电会产生叠加于连续光谱之上的发射线，其主要谱线波长为656.28mn、486.13nm、434.05mn、410.18nm，因此，氢灯被 广泛应用于棱镜折射仪、干涉仪等光电仪器中，作为单色光源使用。 

 

5. 氚灯 

 

氘灯是一种热阴极弧光放电灯，外壳一般是用透紫外性能良好的优质石英做成，将一只阳极和一只阴极封在其中；泡壳内充入高 纯度的氘气。氘灯能产生波长160~400nm的连续辐射，是一种紫外光源。 

 

氚灯（见图4-16)的种类很多，按窗口的形式分类可以分为端窗和侧窗两种。侧窗氘灯主要用于各种紫外光谱仪器中，性能比较 好的也可以作为标准灯使用，特别是在200nm以上的波长范围，经常使用侧窗氚灯做标准灯。端窗氚灯主要被用作紫外特别是真空紫外的标准灯。 

 

 

 

氘灯同氢灯相比具有发光强度高、稳定性好、寿命长、复现性好、体积小、使用方便等特点。氘灯的寿命一般可达1000h，有些产品甚至可达2000h。 

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