对于光学检测仪器而言，发光系统堪称重中之重，发光是否准确、稳定是衡量仪器质量的重要标准，也是是影响实验结果主要因素之一。上一篇文章简单讨论了不同滤光元件的分光特点，此外，还有一类元件从根本上影响着入射光的稳定性与准确性，它就是——光源。

 太阳光、汞灯、氙灯、白光LED光谱对比

目前光化学实验中常用的光源主要有LED、氙灯、卤素灯（汞灯）3种，这3种光源发光原理及特点如下。

氙灯（氙气灯）

氙灯发光原理是在UV-cut抗紫外线水晶石英玻璃管内，以多种化学气体充填（其中大部份为氙气与碘化物等），替代传统的钨丝，经过高压震幅激发石英管内的氙气电子游离，在两电极之间产生光源，也就是所谓的气体放电。

其发出的光为连续光谱，从200 nm～2000 nm都有能量分布，意味着可以完成从紫外光到红外光不间断的能量输出，尤其在可见光谱区，氙灯的能量分布特性和太阳光谱的能量分布特性极为相似。

因此国内外的学者常将氙灯作为太阳光的模拟光源，比如在光催化分解水制氢/氧/全分解水、CO₂还原、光降解等各类光催化实验中，氙灯光源就经常出镜。

太阳光与两种氙灯光谱对比

需要重点强调的是，紫外加强型的氙灯光源在紫外区的能量是连续分布的，并不像汞灯只有某几个特征峰的线光谱。

除此之外，氙灯在近红外光谱区（800 nm～1200 nm）有很强的能量分布，所以氙灯也可以作为红外光源使用。

氙灯工作时所需的电流量仅为3.5A，亮度是传统卤素灯泡的三倍，使用寿命比传统卤素灯泡长10倍。

氙灯具备如下特点：

1. 光谱形态接近太阳光谱

在光谱图中，可以清楚的看到太阳光谱与氙灯光谱的相似程度，如果有更高的需求，氙灯光源还可以搭配全反射滤光片+AM 1.5G滤光片的形式来获得更高拟合度的太阳光谱。

2.连续光谱

氙灯光源为连续光谱，当实验中需要连续光谱（如光谱扫描）时，选氙灯就非常合适。同时氙灯光源也可以通过滤光片、单色仪等配件实现窄带波长的输出。

3.更高的光功率密度

氙灯光源在其出光口位置，光功率密度可达1500mW/cm²，远高于太阳光的光功率密度100mW/cm²，因此，氙灯光源在光催化实验中，能够更好的促进反应的进行。

几种典型的惰性气体光源

卤素灯（汞灯）

卤素灯又称为钨卤灯泡、石英灯泡，是白炽灯的一个变种。卤素灯泡与白炽灯的最大差别在于一点，就是卤素灯的玻璃外壳中充有一些卤族元素气体（通常是碘或溴），其原理为：当灯丝发热时，钨原子被蒸发后向玻璃管壁方向移动，当接近玻璃管壁时，钨蒸气被冷却并和卤素原子结合在一起，形成卤化钨（碘化钨或溴化钨）。卤化钨因热流向玻璃管中央继续移动，又重新回到被氧化的灯丝上，遇热后又会重新分解成卤素蒸气和钨，这样钨又在灯丝上沉积下来，弥补被蒸发掉的部分。通过这种再生循环过程，灯丝的使用寿命不仅得到了大大延长（几乎是白炽灯的4倍），同时由于灯丝可以工作在更高温度下，从而得到了更高的亮度，更高的色温和更高的发光效率。

不同色温的金卤灯短波区域区别较长波更明显

光化学实验中常采用汞灯作为光源。汞灯的光谱偏向于紫外区域，当一些实验中的催化剂只有紫外光响应，没有可见光响应时，常采用汞灯作为光源来模拟紫外光，比如TiO₂只有在紫外光下才能被激发产生电子空穴对，才会有较好的光催化性能。

与氙灯不同的是，汞灯所发出的光其光谱为特征谱线，典型波长为254 nm、313 nm、550 nm等，汞灯的输出光谱与汞蒸气的填充压力有关。

汞灯可分为低压汞灯、高压汞灯和超高压汞灯3种：

低压汞灯点燃时汞蒸气压<1 atm，此时汞原子主要辐射波长为253.7 nm的紫外线。

高压汞灯放电时波长253.7 nm的共振线（辐外光谱）被吸收，可见谱线强度增加，主要辐射的是404.7 nm、435.8 nm、546.1 nm和577.0～579.0 nm的可见谱线，此外还辐射较强的365.0 nm的长波紫外线。

超高压汞灯的工作时汞蒸气压>1 MPa，该灯从长波紫外到可见光都有很强的辐射，主要辐射波长在546.1 nm。

LED光源

LED即发光二极管，发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某些半导体材料的p-n结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。

当LED处于正向工作状态时，电流从LED阳极流向阴极，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。

LED光源的光谱范围比太阳光谱范围窄，主要是在其特定的单色光波长范围内。光谱波长由短到长依次呈现为蓝色、绿色、黄绿色、黄色、黄橙色、红色，常见几种颜色的典型峰值波长分别为：紫外光365 nm、蓝色475 nm、蓝绿色500 nm、绿色525 nm、黄色590 nm、橙色610 nm、红色625 nm。

不同色温白光LED光谱及其在480nm处的能量缺失

LED的白光是由蓝色LED激发黄色荧光粉产生的，所以白光LED在480 nm附近会有能量缺失，因此白光LED与太阳光谱存在较大差异。LED光源通常也以色温来衡量：色温3000 k以下偏黄、3000～3300 k为暖白、4000～4500 k为自然白、6000～6500 k为正白、大于7000 k为冷白光。

白光LED光谱

LED光源主要用于单波长条件下的光化学研究，在光化学实验中，常常会使用一些单波长的LED光源，用来探究光催化量子效率。

LED光源具备如下特点：

1.单色性好

对于单波长的LED，其半峰宽（FWHM）与输出波长有关，通常为10 nm，低于氙灯+滤光片，因此在进行量子效率测试时，LED光源能更准确的计算量子效率。

2. 冷光源

LED光源为冷光源，与氙灯、汞灯的输出光相比，其几乎没有热量。因此，在进行光热催化实验或对输出光热量有要求时，LED光源具有明显优势，LED照射不会使反应体系发生明显的温度变化。

3.寿命长

LED主要是靠载流子的不断移动而发光，基本不存在老化和烧断的现象，这种发光机理决定了LED光源的发光寿命能长达10000 h，远高于氙灯和汞灯。

4.节能

前面提到LED光源为冷光源，几乎没有热量，因此与其它能产生很多热量的光源相比，LED光源消耗的能量会大大减少。

5.环保

LED为全固体发光体，其耐冲击不易破碎、废弃物可回收、不含汞和氙等有害元素。

以上即是光化学实验中3种常用光源的光学原理及发光特点，综合以上内容，结合具体的实验需求，即可选择适宜的光源。

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