MKS技术说明之非相干光源

本文所讨论的非相干光源有一些特性可使其与激光器区分开来。非相干光产生从光源向各个方向发射的辐射。此外，与通过光激发或者电激发产生辐射物质的激光增益介质不同，这些光源最常用的激励机制是热激发。这就导致了宽带光谱辐射，这种辐射取决于下文所述的光源介质温度。这些光源的宽带特性加上其全向发射，使其成为家庭、工作场所和车辆照明的理想选择。在研究应用中，可以利用宽带输出来模拟太阳辐射，或者可以针对光谱学或显微学等应用进行光谱过滤。非相干光源主要通过其输出的波长范围和光谱形状进行分类。下面对这类光源进行详细介绍，包括氙灯光源、弧光灯光源、石英钨卤灯（QTH）光源和红外发射器。LED也是一种非相干光源，LED的发射光谱窄于这里讨论的非相干光源，因此通常会使用具有不同中心波长的多个LED来实现宽带发射，这一点十分关键。

▍黑体辐射

物质中的带电粒子被加热时会获得动能，由此产生的带电粒子运动会引起热能形式的电磁辐射。因此，温度高于绝对零度的任何材料都会发出热辐射。如果材料系统与周围环境处于热平衡状态并且是一个理想的发射器，那么它就被称作黑体辐射器。尽管大多数材料系统不是真正的黑体，但因为控制黑体发射的规律是简单且定量的，故通常可以作出这样的近似。普朗克定律描述了黑体内部辐射能量的光谱分布。根据这一定律产生的光谱通常以光谱辐射出射度或者光谱辐照度表征。这些光谱是平滑变化的曲线，其分布和输出与黑体的温度直接相关（见图1）。峰值波长和温度的反比关系，称为维恩定律，如图1所示。太阳以及构成下述非相干光源的材料系统等所组成的光源都有类似黑体的发射光谱。太阳表面温度接近6000K，如图1所示，这会产生0.5μm左右的峰值太阳辐射，与绿光相对应。即使室温下的物体也会发出热辐射，但是它们的峰值发射波长在10μm左右。由于不会产生可见光辐射，这成为了术语“黑体”的起源。

图1.各种黑体的光谱辐照度。维恩定律示于图中，使峰值波长(λm)和黑体温度(T)相关联。

▍光源类型

弧光灯的工作机制是使电流通过含有高压气体的放电管。电流使气体电离并产生能发出高强度光的电弧。气体通常为氙气或者汞-氙气混合物（见图2）。氙弧灯产生对应于6200K的类黑体辐射光谱，为明亮白光。氙弧灯的一般特征包括高辐照度输出，光源电弧小，紫外线输出强度高，以及光谱与自然光高度相似。因此这类光源被用作太阳光模拟器，也可用于电影放映机或者探照灯。弧光灯还可以发出极强的光脉冲，这不同于非相干光源典型的连续发射。此类脉冲光源通常被称为闪光灯，可用于光学泵浦固态激光介质。最后，除了与黑体类似的辐射之外，弧光灯还能产生强度大且尖锐的发射峰（见图2）。这些发射峰值是气体中原子能级跃迁产生的自发辐射所导致的（见图3）。由此产生的特定发射谱线非常适合用作光谱校准源。

图2.不同灯类型（上）和典型红外（IR）发射器（下）的光谱辐照度。

氘灯是一种弧光灯，其中分子氘在辐射衰减到基态之前被激发到更高能态。因此，氘灯是非相干光源中少数辐射过程与热辐射相反的自发辐射。氘灯发射光谱不是类黑体光谱，而是以紫外线为中心的连续谱。氘灯在所有灯中输出波长最短，在可见光和近红外光谱区域的输出可以忽略。氘灯既稳定，寿命又长，是紫外光谱学的优选光源。

QTH灯是传统白炽灯的一个变种，其中钨丝被加热以产生热辐射。卤素的存在使钨发生再生循环，从而提高整体寿命并防止黑化过程。由于这个过程的工作温度高于传统白炽灯，因此必须限制在石英制成的灯泡中，因为石英的熔点很高。QTH光源产生从近紫外到刚好进入近红外的光滑连续光谱。光源极其稳定，具有较高的可见光总输出，操作简单而且便宜。由于这些原因，当需要已知光谱辐照度时，QTH光源是校准光源的理想选择。此外，如果QTH光源耦合到单色仪中，该系统也可用作光谱校准源。

红外（IR）发射器对于红外光谱学是很好用的光源。红外发射器可发射一定强度的红外辐射，而弧光灯和QTH灯不会发出红外波长。红外发射器更为经济而且寿命更长。红外发射器几乎具备完美黑体的功能，可产生1—25μm的宽带红外光（见图2），发射效率很高。

图3.朗伯余弦定律表明强度（I）是如何随与法线所成的观察角(θ)变化的（左）。QTH灯强度最大的方向，沿着垂直于灯丝平面的轴（右）。

非相干光源的空间辐射特性取决于灯的形状。在QTH灯中，灯丝实际上是一个平面表面，因此发射与LED类似。其发射遵循朗伯定律，也就是说强度随着与法线所成角度的余弦值而降低，因而随着光偏离轴线强度下降（见图3）。当确定灯相对于目标的方向时必须要考虑辐射特性，这是因为通常都希望达到最高辐照度（见图3）。相反地，弧光灯中的电弧通常足够小，因此可将其视作一个点光源。它的辐射是各向同性的，与方位角无关。当使用透镜系统时，在收集、准直光方面也有明显优势。