太陽光模擬器的核心使命,是在實驗室內復現接近真實太陽光的光譜、強度與空間分布。其中,光強均勻性直接決定了實驗數據的可靠性。其發展路徑,正是一部從傳統氙燈到先進激光光源的演進史,每一步都伴隨著技術與挑戰。
氙燈時代:光學系統的高度補償
短弧氙燈是模擬器的經典光源,其光譜與太陽光譜匹配度較高。然而,氙燈本身是一個高亮度的點光源,其原始光斑中心與邊緣的光強差異巨大。為了提升均勻性,技術路徑依賴于復雜的光學積分系統,如積分器(光棒)和復眼透鏡。這些系統通過分割、疊加光束,將不均勻的光源像“打散”再“重組”,從而實現光強的均勻化。此路徑的挑戰在于:系統復雜、體積龐大、光路校準精密,且存在巨大的光能損耗,最終照射面上的均勻性通常難以突破±2%的瓶頸。
LED陣列的革新:電子調制的靈活性
LED光源通過將不同波長的LED芯片集成陣列,實現了光譜的電子可調。在均勻性方面,其優勢在于可以通過精確排布陣列中每個LED的位置,并獨立控制其驅動電流,從光源層面主動“塑造”光場分布。這種方法比被動光學矯正更靈活。但其挑戰在于:每個LED仍是朗伯體發光,混光距離要求高,且要避免不同波長LED之間的光學串擾,實現高等級,均勻性仍需精密的光學設計和復雜的校準算法。
激光光源:方案的潛在挑戰
激光是方向性、單色性光源。理論上,通過將不同波長的激光器組合,并配合擴散片和振動鏡進行散射,可以獲得均勻性的光斑。這條路徑潛力巨大,有望實現超高性能。但其面臨的挑戰也最為嚴峻:
散斑效應:激光的相干性會在照射面產生嚴重的干涉散斑,破壞均勻性。消除散斑需要復雜且昂貴的技術(如旋轉擴散片、聲光調制器等)。
成本與安全性:多波長激光器系統成本高昂,且高功率激光帶來顯著的安全隱患。
結論:從氙燈到激光,太陽光模擬器光強均勻性的提升路徑,是一個從依賴“后期光學補救”走向“源頭光場設計”的進程,其核心挑戰也從克服光源自身的不均勻性,轉向了如何馴服激光的相干性這一更高階的難題。