紫外定标光源研究

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3.0 陈辉 2024-11-20 12 4 2.33MB 80 页 15积分
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I
摘 要
在紫外探测器研究及其应用中，一个十分关键的问题在于必须对探测器件进
行光谱响应测试及定标。众所周知，未定标的探测器件，无法应用于光学测量，
也无法进行各种实际应用。为了给紫外探测器实现精确定标，使用满足定标需求
的紫外光源是实现精确定标的关键一环。本文正是针对紫外定标系统对光源的特
殊需求展开了一系列的工作。
本文根据紫外定标系统的功能，分析了系统对紫外光源的特殊要求，通过分
析不同发光体的光谱特性及功率特性，选择了氙灯作为紫外定标光源的发光体。
根据氙灯的低压大电流的供电要求，设计了半桥变换式开关电源，实现了给氙灯
恒流供电，满足系统对于电源体积和效率的要求。为了实现氙灯的紫外光功率的
稳定输出，设计了稳功率输出反馈控制系统，利用紫外探测器将氙灯光强波动转
换成电压信号，反馈控制氙灯开关电源的输出电流，实现了紫外功率输出波动率
不大于 1%的要求。为了满足定标系统对紫外光源输出方式的要求，设计了不同的
光学系统，实现了紫外光源的点光源输出、平行光输出、均匀光场输出。最后，
依托于紫外定标系统，利用锁相微弱信号检测方法，编写 VC 程序实现了光源的光
谱测量、稳功率性能测试。
本课题是上海市青年科学基金项目——“紫外探测器件精确光学定标平台建
设”的一部分。
关键字：氙灯 恒流开关电源 稳功率输出 点光源 均匀光场
II
ABSTRACT
In the UV detector and its application, a very crucial issue is the need of detector
spectral response testing and calibration. As everyone knows, uncalibrated detector can
not be used in optical measurements, can not carry out a variety of practical application.
In order to achieve the precise UV detector calibration, the use of UV light source to
meet the needs of detector calibration is one of the key to achieve precise calibration.
Therefore, the paper focused on the requirements of calibration system for UV light
source, and launched the relevant research on it.
Based on the UV calibration function, analyzed the special requirements of
detector calibration for UV light source, by analyzing the spectral characteristics of
different luminous body and power characteristics, selected xenon lamp as the UV
calibration light source emitters. According to xenon lamp power supply requirements,
designed a half-bridge switching power supply to achieve a constant-current power
supply. In order to achieve a stable power output, designed stable power output
feedback control system, converted light intensity into voltage signal by UV detector,
calculated a control signal to adjust the output current of switching power supply,
achieved the UV power output volatility is not more than 1%. In order to meet the
requirements of calibration system for ultraviolet light source output mode, designed
different optical system to achieve point light output, parallel light output, uniform
light field output. Finally, relying on the UV calibration system, programming by VC,
achieved light source spectral measurement, stable power performance testing.
Keywords: xenon lamp, constant-current switching power supply,
stable power output, Point light source, uniform light field
I
目录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .......................................................... 1
§1.1 课题的来源及意义 ............................................. 1
§1.2 紫外光源的国内外现状 ......................................... 2
§1.3 本论文的研究内容及实施方案 ................................... 3
第二章 紫外定标光源系统的建立 ........................................ 4
§2.1 紫外辐射定标系统介绍 ......................................... 4
§2.2 定标系统对光源的要求 ......................................... 5
§2.2.1 对波长的要求 ............................................. 5
§2.2.2 对光强的的要求 ........................................... 6
§2.3 发光体的选择 ................................................. 6
§2.4 氙灯的特性 .................................................. 10
§2.4.1 氙灯介绍 ................................................ 10
§2.4.2 短弧氙灯的亮度特性 ....................................... 10
§2.4.2 短弧氙灯的电弧特性 ....................................... 11
§2.5 紫外定标光源系统 ............................................ 11
§2.5.1 光源系统原理 ............................................ 11
§2.5.2 光源机械结构 ............................................ 12
第三章 氙灯开关电源 ................................................. 15
§3.1 开关电源介绍 ................................................ 15
§3.2 氙灯开关电源拓扑结构选择 .................................... 15
§3.3 电路设计 .................................................... 16
§3.3.1 输入整流电路 ............................................ 16
§3.3.2 驱动电路 ................................................ 17
§3.3.3 辅助电源 ................................................ 18
§3.3.4 PWM 输出电路 ............................................ 18
§3.3.5 输出整流电路 ............................................ 20
§3.3.6 电流检测电路 ............................................ 22
§3.4 变压器的绕制 ................................................ 23
§3.5 氙灯触发器 .................................................. 24
第四章 稳光强输出反馈控制系统 ....................................... 26
II
§4.1 稳光强输出的原理及系统框图 .................................. 26
§4.2 光信号的采集 ................................................ 27
§4.2.1 探测器的选择 ............................................ 27
§4.2.2 光强信号的采集 .......................................... 28
§4.3 信号的处理 .................................................. 31
§4.3.1 放大电路 ................................................ 31
§4.3.2 滤波电路 ................................................ 32
§4.3.3 比较电路 ................................................ 33
§4.4 数据的显示 .................................................. 34
§4.4.1 光强大小的显示 .......................................... 34
§4.4.2 累计开灯时间的显示 ...................................... 37
§4.5 稳功率效果测试及分析 ........................................ 39
§4.5.1 氙灯功率稳定性监测方法 .................................. 39
§4.5.2 测试结果及分析 .......................................... 40
第五章 光源的光学系统设计分析 ....................................... 44
§5.1 平行光输出 ...................................................44
§5.1.1 利用透镜获得平行光输出 ................................... 44
§5.1.2 利用抛物面获得平行光输出 ................................. 45
§5.2 点光源输出 ...................................................46
§5.3 均匀光场的获得方法研究 .......................................47
§5.3.1 利用透镜阵列获得均匀光场 ................................. 47
§5.3.2 利用积分方棒获得均匀光场 ................................. 50
第六章 光谱测量软件的实现 ........................................... 52
§6.1 软件功能介绍 .................................................52
§6.2 仪器的控制与通讯 .............................................52
§6.2.1 单色仪的控制与通讯 ....................................... 52
§6.2.2 三维电控位移台的控制与通讯 ............................... 54
§6.2.3 SR830 锁相放大器的控制与通讯 ............................ 55
§6.3 功能模块介绍 .................................................56
§6.3.1 定点波长光谱实时监测 ..................................... 57
§6.3.2 连续波长光谱相对扫描 .................................... 60
§6.3.3 紫外探测器绝对扫描 ....................................... 64
第七章 总结与展望 ................................................... 69
III
§7.1 本文的研究结论与创新点 ...................................... 69
§7.2 今后的改进建议 .............................................. 69
参考文献 ............................................................ 71
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 73
致谢 ................................................................ 74
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题的来源及意义
近年来，随着环境问题、气候问题的日益突出，人们正采用包括紫外监测等多
种手段监测这些问题带来的影响，同时伴随着人类对空间探测热情的不断高涨，
都大大推动了紫外领域的研究和发展。特别是自上世纪 90 年代以来，随着 GaN、
AlxGa1-xN 等宽禁带半导体材料的发展，半导体紫外探测器及其应用研究得到了
迅猛发展，在工业、农业、医学、空间、军事等领域展现出重大应用价值和广阔
的发展前景[1~3]。紫外探测技术成为继红外和激光探测技术之后发展起来的又一军
民两用光电探测技术，已成为近年来国际上十分重视的课题。
在紫外辐射测量研究及其应用中，涉及到的一个十分关键的问题在于必须对
紫外辐射进行精确的光学定标。众所周知，没有经过定标的探测器件是无法应用
于先进的光学测量中的。近年来，包括中国在内的世界各国相继开展了大规模的
地球观测和空间探测计划。为保证测量结果的定量化水平，对紫外辐射定标精确
水平提出了越来越高的要求。
测量紫外光谱需要的一个重要的前提条件是需要有稳定的紫外光源。在基于
热释电探测器的紫外辐射电学定标系统中，虽然紫外器件的光谱定标是采用热释
电探测器作为基准探测器给被测探测器进行定标，但在定标实验中，必须应用紫
外光源分别进行定标器件和被定标器件的光谱响应测量。紫外光源的不稳定性能，
将会严重影响测量精度。因此，紫外光源的稳定性能是影响整个系统精度的关键
部件之一。此外，还同时要求所用的光源在紫外波段具有较大的辐亮度,才能够获
得较高紫外单色光谱的辐照度,从而使探测器在接收紫外辐射时有较大的光谱响
应输出。
近年来包括中国在内的世界各国相继开展大规模的地球观测计划。为保证测
量结果的定量化水平和可利用价值，对光电探测器的辐射定标精确水平提出了越
来越高的要求。在国际上，少数发达国家都建立了专门的工作基准装置，如 NIST
专门建立了用于 UV 测量的 UV SCF (Ultraviolet Spectral Comparator Facility)工作基
准装置，其量值传递的标准探测器总不确定度就可达 0.4%～2%。我国作为急速发
展的发展中国家，在紫外光学领域已落后于发达国家，特别是在紫外光源、紫外
指数预报、空间紫外探测、紫外遥感、紫外与农业发展、紫外测量手段、紫外探
测器件、民用紫外设备等都落后于发达国家。为了能够跟上世界紫外先进的发展
步伐，开创我国自主的紫外产业及产业链，必须建立高精确度的紫外探测器响应
定标系统，而高亮度宽光谱稳光强的紫外光源的研究是其中重要的一环，对我国
紫外定标光源研究
2
紫外产业的发展及工业、农业、航天、国防的发展都具有重要的意义！
§1.2 紫外光源的国内外现状
到目前为止，国内外的紫外光源主要是采用高压气体放电灯。它的原理是在
UV-CUT 抗紫外线水晶石英玻璃管内，以多种化学气体充填。其中大部份为惰性
气体，然后再通过触发器将低压的直流电压瞬间增加到很高，经过高压振幅激发
石英管内的电子游离，在两电极之间产生光源。已知的高压气体紫外光源中，在
紫外波段具有良好的连续谱线的有氘灯、氙灯，非连续谱线的有汞灯，它在紫外
的光谱由若干条谱线构成；而汞氙灯具有连续谱又有峰值谱线。氘灯与氙灯、汞
氙灯相比较稳定性最好，但是光强较弱，汞氙灯特征峰值较多，而且特征峰值处
能量比非特征峰值处高出很多，而氙灯光谱紫外谱区基本是连续光谱。
气体放电灯的工作电压为直流低电压、大电流。传统的紫外光源采用线性电源
供电。线性电源通过工频(50Hz)变压器降压，可控硅整流，采用磁饱和电抗器改变
交流输入回路的电感量从而控制主电源回路输出的电流大小并达到稳定输出电流
的目的。它具有电路结构简单纹波系数小等优点，但效率低下，体积庞大。而开
关电源不需要使用工频变压器，只用体积很小的高频变压器来实现电源与电网的
隔离，功耗小、效率高、体积小、重量轻、电压适应范围宽，已被广泛的应用于
各种电源中。国内外的各种紫外光源已普遍采用开关电源供电。
在传统紫外辐射光源逐渐走向成熟的同时，一些新型的紫外光源也不断涌现，
譬如紫外辐射 LED，各种紫外激光器，微波紫外光源等。LED 是利用 PN 结中电
子和空穴的复合辐射发光的，光的波长由 PN 结的材料决定，目前的紫外辐射 LED
主要是 InGaN 基，即在 GaN 中掺杂少量的金属 In，紫外 LED 体积小巧，寿命长，
广泛应用于紫外固化、化工、医学等领域。目前的紫外激光器有氩离子激光器、
准分子激光器、翠绿石激光器、氟分子激光器、氦镉激光器、金属蒸汽激光器、
氮分子激光器等，都是利用光的受激辐射原理发光的，发出的紫外光是相干光，
为单一波长的紫外光。微波紫外灯是利用微波放电原理发光的一种新型无极紫外
光源，其光谱分布类似于高压汞灯，微波无极紫外灯具有点燃快、稳定快、寿命
长、再点燃快、光效高等优点，可以通过改变灯内物质的种类和比例改变灯的辐
射特性。
在紫外探测器定标试验中，需要测试探测器对于不同紫外波长的响应，所以需
要紫外谱线连续的紫外光源，目前，可满足紫外光谱测试系统和紫外探测器件精
确定标系统要求的国产紫外光源仅北京畅拓、北京卓立汉光仪器等少量公司可生
产，目前的国产光源结构简单，功能单一，光功率的稳定性很差，而且灯的使用
摘要：

I摘要在紫外探测器研究及其应用中，一个十分关键的问题在于必须对探测器件进行光谱响应测试及定标。众所周知，未定标的探测器件，无法应用于光学测量，也无法进行各种实际应用。为了给紫外探测器实现精确定标，使用满足定标需求的紫外光源是实现精确定标的关键一环。本文正是针对紫外定标系统对光源的特殊需求展开了一系列的工作。本文根据紫外定标系统的功能，分析了系统对紫外光源的特殊要求，通过分析不同发光体的光谱特性及功率特性，选择了氙灯作为紫外定标光源的发光体。根据氙灯的低压大电流的供电要求，设计了半桥变换式开关电源，实现了给氙灯恒流供电，满足系统对于电源体积和效率的要求。为了实现氙灯的紫外光功率的稳定输出，设计了...

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