电子说
自然界中太阳光、闪电、烟火和高压放电中都有紫外光谱。太阳光中包含从紫外到红外的所有光谱成份,其中280nm以下紫外光受大气层中臭氧的吸收,基本达不到地球近地表面,所以把这一区间的紫外光称作“日盲紫外”;闪电和烟火中包含300-400nm的紫外光;高压放电过程中,在空气中会产生等离子体,其光谱分布集中在200-400nm。另外,飞机和导弹飞行过程中,尾部喷出的尾焰中也有紫外光谱。
在实际应用于中,往往希望有一些能够通过人工控制的紫外光源,根据使用需要对光源的强度、光谱和辐射方向等进行调节。为此,人们研制了多种人工紫外光源,广泛应用到科研生产中。
紫外光源大体可分为气体放电紫外光源、超高温辐射体和半导体紫外光源等几类。
1、气体放电紫外光源
气体放电紫外光源是由外界电场加速放电管中的电子,通过气体(包括某些金属蒸气)放电而导致原子发光,如汞灯、氙灯、氪灯和氘灯等。放电电压有低气压、高气压和超高气压三种。
汞灯产生的弧光是非常有效的紫外光源,其大部分输出在紫外波段(在254nm附近)。氙灯、氪灯和氘灯在紫外波段能产生强连续光谱,光谱范围与灯丝的成份有关。光谱短波段的输出主要受限于窗口的光源透过性能。
准分子激光器也是一种气体紫外光源,激光器的波长与使用的气体混合物类型有关。常用的准分子激光器有ArF、KrCl、KrF、XeCl和XeF等几种。
2、超高温辐射体
根据黑体辐射定理(也称普朗克辐射定理),当辐射体温度达到3200K以上时,可以辐射出200-2400nm的光谱,其中紫外光谱辐射可以作为连续紫外光源使用。黑体的加热元件主要有石墨和钨灯。由于石墨和钨丝在高温情况(2800K以上)下容易发生氧化,所以,在实际设备中,往往需要把石墨和钨丝放置在充有惰性气体或者真空环境中,以延长其使用寿命。同时,在设备中,需要采用水冷或风冷的方式,对加热元件周围进行散热,实现恒温控制。
3、半导体紫外光源
半导体紫外光源,主要有紫外LED和紫外激光器。
紫外LED是由夹在较薄的GaN结构中的一个或多个InGaN量子阱组合,形成有源区。通过改变InGaN量子阱中InN-GaN的相对比例,可产生从紫外到可见的光谱。以AlGaN作为量子阱,也可以产生350-370nm的紫外光。采用含铝的氮化物,如AlGaN和AlGaInN等,可产生波长更短的紫外光,波长247nm的紫外二极管已经商业化,波长为210nm的紫外LED也已研制成功。
全固态紫外激光器激光产生的方法有两种,一种是利用晶体材料的非线性效应实现变频,对红外全固体激光器的输出光在腔内或墙外进行3倍频或者4倍频,直接输出紫外激光;另一种是利用倍频技术,得到二次谐波后,再利用和频技术,得到紫外激光。
常见紫外光源参数对比:
种类 | 波长 | 工作电压 | 光功率 |
高压汞灯 | 365.0nm,404.7nm,435.8nm | 100-1000V | 250-20KW |
氙灯 | 250-1500nm | 220V | 几百-几千W |
氪灯 | 300-900nm | 100V | 100-3000W |
氘灯 | 190-360nm | 220V | 10-100W |
紫外LED | 250-400nm | 5V DC | 十几W(单颗) |
准分子 激光器 |
193nm(ArF),222nm(KrCl),248nm(KrF),308nm(XeCl)和351nm(XeF) | 220V | 10-100W |
固体紫外 激光器 |
266nm,351nm,355nm | 220V | 20-30W |
审核编辑 黄宇
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