MC方案｜太陽光模擬器

太陽的表面溫度約為5800 K，這意味著太陽輻射的電磁頻譜與5800 K 的黑體相似，但它包含了精細(xì)的結(jié)構(gòu)，這是由于太陽外圍的冷氣體吸收(Fraunhofer 線)。當(dāng)太陽與地球相距1 個(gè)天文單位( 地球-太陽平均距離為149,597,890 km) 時(shí)，地球外層大氣的太陽輻照度為1360 W m-2。這個(gè)值稱為太陽常數(shù)，是整個(gè)電磁光譜的總體輻照度。圖1 顯示了地球大氣層外太陽輻射的電磁光譜，所示的范圍為200—2500 nm，包括到達(dá)地球的總輻照度的96.3%，其余3.7% 大部分為較長波長。

圖 1. 太陽輻射光譜與地球大氣層外的5800 K 黑體的光譜比較。

地球表面太陽輻射的電磁頻譜受多種因素的影響，包括直接輻射和散射輻射。直接輻射是從太陽直接照射到 地球表面的能量，而散射輻射是從天空散射的光中接收能量，并被周圍環(huán)境反射( 圖2)。在地表測量的總輻射 稱為全局輻射，其中目標(biāo)表面的方向由全局輻照度確定。對(duì)于直接輻射，目標(biāo)表面與入射輻射正交。太陽是一個(gè) 球形光源，直徑約1.39x106 km。到地球的平均距離為一個(gè)天文單位。太陽輻射的直接部分是準(zhǔn)直的，角度約為 0.53( 全角)，而“散射"部分是從半球天空和地面反射和散射入射的。全局輻射，即直接輻射和散射輻射的總和， 本質(zhì)上是均勻的。

圖 2. 地球上的總輻射，包含直接輻射、散射輻射和反射。

太陽輻射入射到地球表面的數(shù)量受經(jīng)過大氣層的數(shù)量的影響。在任何位置，這條到達(dá)地面的路徑的長度隨著 時(shí)間的推移而變化，隨著太陽角度的變化，白天地面太陽輻射水平也有明顯的變化。此外，由于吸收和散射長度 的變化，光譜的形狀每天都在變化。由于不穿過任何氣團(tuán)，所以地外光譜被稱為氣團(tuán)0 (AM 0) 光譜。正午時(shí)分， 太陽直射地球赤道，太陽輻射直接穿過大氣層。在這種條件下，海平面上的太陽光譜稱為氣團(tuán)1 光譜。太陽直射 的全局輻射同樣被稱為氣團(tuán)1 全局輻射(AM1G)。任何天頂角的大氣路徑都被簡單地描述為相對(duì)于頭頂?shù)臍鈭F(tuán)( 圖 3)。實(shí)際路徑長度可以對(duì)應(yīng)小于1 的氣團(tuán)( 高海拔地區(qū))，也可以對(duì)應(yīng)日落前非常高的氣團(tuán)。 太陽光模擬 器使用過濾器來模擬空氣質(zhì)量為0 和1.5 時(shí)的光譜，這是大多數(shù)比較測試工作的基礎(chǔ)。

圖 3. 路徑長度( 以氣團(tuán)為單位) 隨天頂角的變化而變化。

太陽光模擬器提供了與太陽光譜接近的光譜匹配。雖然不是很精確，但已是大多數(shù)應(yīng)用程序中好的。圖 4 顯示了一個(gè)典型的太陽光模擬器的光學(xué)原理。該裝置核心的氙氣弧光燈有一個(gè)小而高的發(fā)光弧，允許有效的 光束準(zhǔn)直。它發(fā)出的光譜類似于5800 K 的黑體，偶爾有線條結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)包括低焦距比采集圖形，光束均勻化和濾波，最后是準(zhǔn)直。該模擬器在均勻、準(zhǔn)直的光束中產(chǎn)生連續(xù)的太陽光譜輸出。光束準(zhǔn)直模擬了地球上 的光束，并模擬表征了輻射誘發(fā)的現(xiàn)象。

圖 4. 太陽光模擬器的光程模擬系統(tǒng)。

由于氙氣具有強(qiáng)原子發(fā)射線，氙燈的輸出在800—1100 nm 波長范圍內(nèi)，與太陽光譜不同。太陽光模 擬器使用過濾器來減少這些原子發(fā)射線的影響。紅外失配的影響取決于應(yīng)用場合。AM Direct 和AM 1.5 濾波器 對(duì)光譜的可見光和紫外光部分進(jìn)行了修改，使其與標(biāo)準(zhǔn)的太陽光譜能夠更好地匹配。

紫外增強(qiáng)型太陽光模擬器適用于需要強(qiáng)紫外光源的工作，而不需要復(fù)雜的可見光和紅外加熱。這對(duì)于活體生物研究尤為重要。紫外增強(qiáng)模擬器類似于全光譜太陽光模擬器，然而，為減少輻射在可見光和紅外區(qū)域的光譜， 它們的光譜分布需要修改。自然陽光包括UVA 和UVB 輻射，UVA 和UVB 區(qū)域的研究引起人們廣泛的關(guān)注。