聚光太阳光模拟器的原理

最新推荐文章于 2025-11-30 19:43:53 发布

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聚光太阳光模拟器与常规太阳光模拟器的技术差异是：其以高光谱匹配性的氙灯点光源为核心；依托椭球面反射镜实现光能高效汇聚，直接突破常规设备的辐照度瓶颈；更通过透镜阵列与准直镜组合，针对性解决传统模拟光场的 “热点” 并提升准直度，最终构建 “高辐照度 - 高均匀性 - 高平行度” 的模拟体系。原理核心是借助光源与光学系统协同作用，可拆解为光源、聚光系统、均匀化与准直系统三部分，下文紫创测控 Luminbox将详解各模块功能与工作原理。

聚光太阳光模拟器的原理

聚光太阳光模拟器的原理是通过光学元件（如反射镜或透镜）将光源发出的光线聚焦到一个小的区域上，从而产生高亮度、高温的模拟太阳光。其核心在于控制光源的模拟光谱、辐射强度和均匀性，以满足不同应用场景的需求。目前主流设备以氙灯光源为核心，搭配聚光镜、反射镜及光学积分器，形成高通量、高集中度的光输出链路，原理可拆解为光源、聚光系统、均匀化与准直系统三个核心部分。

1. 光源

氙灯配光曲线图

氙灯是聚光太阳光模拟器最常用的光源。其优势体现在两方面：

光谱匹配性：氙灯在可见光至近红外波段的光谱分布与自然太阳光高度重合，可覆盖多数应用场景对光谱的需求；

点光源特性：氙灯发光区域集中，属于高亮度点光源，能被后续光学系统以高效率收集并汇聚。

2. 聚光系统

使用椭球面反射镜的太阳模拟器的辐照分布

聚光系统的核心目标是最大化收集光源发出的光能，减少光能损耗；并将其定向汇聚至指定区域，是实现高辐照度的关键。

核心元件：椭球面反射镜是当前最主流的选择，其几何特性决定了高效汇聚能力；

工作原理：椭球面存在两个物理焦点，将氙灯的点光源精准定位在第一个焦点（物焦点）处，根据椭球面的光学反射定律，从物焦点发出的任意光线经镜面反射后，都会精准汇聚至第二个焦点（像焦点），从而实现光能的定向、高效汇聚。

3. 均匀化与准直系统（光学积分器）

经椭球面反射镜汇聚的光场虽能达到高辐照度，但存在两大关键问题：

辐照度不均：光场中心辐照度远高于边缘，形成明显 “热点”（中心 - 边缘辐照度差异可达 30% 以上），无法满足实验对均匀光场的需求；

准直度不足：汇聚光线呈锥形发散，与自然太阳光的平行光特性差异显著，影响光伏器件等对入射角度敏感的实验准确性。

光学积分器成像原理图

为了解决这些问题，需要引入光学积分器，最常见的是透镜阵列（也称复眼透镜）。

工作原理：首先，汇聚光场照射到由数百个微透镜单元组成的透镜阵列上，每个微透镜单元独立将入射光分割为 “子光场”，并通过调整微透镜曲率实现子光场的均匀化；随后，子光场经场镜叠加，在目标平面形成辐照度均匀性≥90% 的方形或圆形光斑，消除 “热点”；若需模拟自然太阳光的平行特性（如光伏器件极限效率测试），则在光路末端加入准直透镜，通过调整透镜焦距使锥形光线转化为准直度≤0.5° 的平行光，进一步贴近自然太阳光特性。

聚光太阳光模拟器的工作链路

高亮度点光源（氙灯）→ 椭球面反射镜（收集光能并汇聚至第二焦点）→ 透镜阵列（分割光场并实现均匀化）→ 准直镜（将光场转化为平行光）→ 目标测试面（生成高辐照度、高均匀性、高光谱匹配度的模拟太阳光源）。

综上，聚光太阳光模拟器的原理可简要概括为：光源为模拟太阳光提供光谱基础，聚光系统实现光能的高效汇聚以达成高辐照度，均匀化与准直系统则优化光场特性、消除 “热点” 并提升准直度，三者共同构建出符合实验需求的高质量模拟光环境。该设备有效突破了自然光源的应用限制，可为新能源、材料科学等领域的技术研发与科学实验提供标准化、可重复的关键条件，进一步提升相关领域的实验效率与研究深度。

Luminbox 聚光太阳光模拟器

紫创测控 Luminbox 聚光太阳光模拟器以高性能氙灯为核心光源，精准复现 AM1.5G 太阳光谱（可选 AM0、AM1.5D 光谱版本），可输出高聚光能量，辐照稳定可控，可为环境模拟、材料测试及航空航天验证提供专业光照解决方案。