一、引言

      氙燈光源作為一種基于氣體放電原理的高強度電光源，憑借其光譜覆蓋范圍廣（190 nm~1100 nm）、發光強度高、色溫接近日光等獨特優勢，廣泛應用于汽車照明、激光泵浦、應急搶修、醫療美容、半導體檢測等多個領域。隨著下游應用對光源能效、穩定性及使用壽命要求的不斷提升，深入解析氙燈光源的發光機制，研發高效的光效提升技術，成為推動氙燈光源產業高質量發展的核心課題。本文將系統闡述氙燈光源的基本發光機制，重點分析當前主流的光效提升技術路徑，并展望未來技術發展趨勢。

二、氙燈光源發光機制

      氙燈光源的發光核心是高氣壓或超高氣壓氙氣的放電過程，本質上是電能向光能的轉換過程，其物理機制基于氣體放電、等離子體動力學及光輻射傳輸理論，具體可分為電離激發、輻射躍遷及放電維持三個關鍵階段。

2.1 電離激發階段

      氙燈內部填充高純度氙氣（通常純度不低于99.999%），部分應用場景會摻雜氪、氬等其他惰性氣體或金屬鹵化物以優化光譜特性。當在電極兩端施加足夠高的觸發電壓（汽車氙燈可達2萬伏以上，脈沖氙燈可達數千伏）時，燈內氙氣分子被擊穿電離，形成由電子、離子及中性原子組成的導電等離子體。在電場作用下，電子獲得動能并加速運動，與氙氣原子發生頻繁碰撞，使氙氣原子從能量較低的基態躍遷到能量較高的激發態，這一過程完成了電能向原子內能的轉化。

2.2 輻射躍遷階段

      處于激發態的氙氣原子極不穩定，會在極短時間內自發躍遷回基態。根據能量守恒定律，躍遷過程中原子內能的差值將以光子的形式釋放，從而產生發光現象。氙燈光譜呈現連續譜與線狀譜疊加的復合結構，連續譜源于等離子體的黑體輻射，線狀譜則源于Xe I（中性氙原子）等的電子能級躍遷，其中823.2 nm、881.9 nm和904.5 nm等近紅外波段存在顯著發射峰。典型工況下，其可見光區域（400~700 nm）能量占比約65%，紫外（190~400 nm）和近紅外（700~1100 nm）分別占比18%和17%，這種光譜分布使其具備廣泛的應用適配性。

2.3 放電維持階段

      電離激發與輻射躍遷過程啟動后，需通過穩定的供電系統維持放電持續進行。例如汽車氙燈通過電子鎮流器將12V直流電壓轉換為穩定的高頻交流電，脈沖氙燈則通過儲能電容在微秒至毫秒量級釋放能量，確保等離子體通道穩定存在，實現持續發光。這一階段的放電穩定性直接影響光源的光輸出均勻性和壽命，受電極結構、電源參數及散熱條件等因素顯著影響。

2.4 不同類型氙燈的放電特性差異

      脈沖氙燈作為高能瞬時光源，放電過程分為預擊穿、主放電與衰減三個階段，電子溫度可達10,000~30,000 K，中心等離子體電子密度達101?~101? cm?3，輻射功率密度峰值超過1 MW/cm2，適用于激光泵浦等高能需求場景。而連續工作的汽車氙燈或應急氙燈則更注重放電穩定性，通過穩壓器精準控制電壓，確保光輸出波動幅度控制在合理范圍，滿足照明的均勻性要求。

三、氙燈光源光效提升技術路徑

      氙燈光源的光效提升核心在于優化能量轉換效率（減少電能向熱能等其他形式能量的損耗）、增強有效光譜輸出（匹配應用場景的光譜需求）及延緩光衰（維持長期穩定的光輸出能力）。當前主流技術路徑可分為材料優化、放電調控、電源驅動升級及熱管理強化四大方向。

3.1 材料體系優化

      材料性能是決定氙燈光效與壽命的基礎，核心優化方向包括電極材料、燈管材料及填充氣體三大類。

      在電極材料方面，傳統鎢電極易在高溫放電過程中發生晶粒粗化和濺射，導致電極損耗并污染燈管內壁，降低透光率。采用鎢-錸（W-Re）復合電極可顯著提升電極的耐高溫性和抗濺射能力，哈爾濱工業大學與華榮股份的聯合試驗表明，采用W-3%Re電極的氙燈在1500小時高負載工況下光通維持率達88.7%，遠優于普通鎢電極的72.4%。

      燈管材料方面，摻鈰石英管憑借優異的紫外透過率（250 nm透過率>92%）和抗輻照損傷能力，已成為氙燈的主流選擇，可有效減少紫外光在燈管內的損耗，同時延緩石英管析晶老化。雙層石英管結構則通過增強隔熱性能，進一步降低管壁熱損耗，提升能量利用效率。

      填充氣體的純度與配比優化同樣關鍵。中船重工718所2025年投產的99.9999%高純氙氣產線，可有效減少雜質氣體對放電過程的干擾，降低能量損耗；在特定應用場景中，通過調整氙氣壓強（10~500 Torr）或摻雜氪氣、氬氣，可實現光譜的定制化優化，例如激光泵浦應用中通過提高氙氣壓強至300 Torr以上，增強800~900 nm波段輸出，提升泵浦效率。

3.2 放電過程調控

      通過優化放電物理過程，可顯著提升電能向光能的轉換效率，核心技術包括預電離技術和放電參數優化。

      預電離技術是脈沖氙燈光效提升的關鍵手段，通過在主放電前施加短暫的高壓脈沖預先激發氙氣分子，形成初始電子雪崩，為后續主放電構建均勻的等離子體通道。實驗數據顯示，采用預電離技術可使氙燈光效提升7.8%，同時改善光輸出的穩定性。

      放電參數優化主要包括抽運脈寬、電流密度及電極間距的精準調控。研究發現，將抽運脈寬（預電離脈沖到主脈沖的延遲時間）縮短至50微秒時，有效光輸出能量可提升2.0%，這是因為更短的脈寬減少了能量在傳輸過程中的衰減，加速了能量轉換進程。此外，優化電極間距和幾何結構，可避免弧斑集中和局部過熱，確保放電均勻性，減少熱能損耗。

3.3 智能驅動電源升級

      驅動電源的性能直接決定放電過程的穩定性和能量利用效率，當前升級方向聚焦于高頻化、智能化和精準匹配。

      采用SiC MOSFET固態開關的高頻驅動電路，可支持脈沖氙燈高100 Hz穩定輸出，相較于傳統開關器件，其能量損耗更低，響應速度更快，配合低電感放電回路設計，可使氙燈能量轉換效率提升至65%~70%，較傳統設計提高12個百分點。

      智能驅動電源集成自診斷、動態功率調節及AI壽命預警功能，可實時監測啟動次數、電流波形畸變率及色溫漂移，通過動態調整供電參數適配不同工況需求，同時提前48小時預警潛在失效，減少非計劃停機。在應急搶修氙燈中，此類智能電源使平均修復時間從4.7小時壓縮至1.9小時，顯著提升運維效率。

3.4 高效熱管理系統構建

      氙燈工作過程中約30%~40%的電能會轉化為熱能，若散熱不及時，將導致燈管溫度過高、電極損耗加劇、氣體純度劣化，加速光衰并縮短壽命。高效熱管理系統通過主動散熱與被動散熱結合的方式，實現溫度精準控制。

      脈沖氙燈采用微通道液冷與紅外熱反饋閉環系統，可在50 Hz連續工作下將燈管表面溫升控制在45 K以內，確保放電穩定性和壽命（達1.5×10?次脈沖）。應急搶修氙燈則通過優化散熱鋁基板結構、采用高效導熱材料，配合IP67以上防護等級外殼，在45℃高濕環境下將基板溫度控制在安全范圍，同時提升環境適應性。對于高寒地區應用，通過加裝特種啟動電容與預熱電路，可實現-35℃環境下98.7%的一次點火成功率，保障低溫工況下的光效輸出。

四、光效提升技術的應用效果與挑戰

4.1 應用效果驗證

      通過上述技術的協同應用，當前國內主流脈沖氙燈在500 J/200 μs工況下電-光轉換效率已達55%~65%，實驗室樣機突破70%，10?次脈沖壽命測試后光衰減率控制在15%以內。在汽車照明領域，采用優化技術的氙燈功耗僅為35瓦，光通量是傳統鹵素燈的2倍以上，電能轉化效率提升80%以上，同時使用壽命延長至2000小時以上。應急搶修場景中，500W氙燈在150米處照度可達1120 lux，顯著優于同等功率LED陣列（780 lux），且連續高強度工作下光衰率低于3%/1000小時。

4.2 現存技術挑戰

      盡管氙燈光效提升技術已取得顯著進展，但仍面臨三大核心挑戰：一是材料自主化不足，部分石英管與W-Re復合電極仍依賴進口，供應鏈安全存在風險；二是超高頻（>50 Hz）長壽命應用中，電極材料耐久性瓶頸尚未突破，光衰控制難度較大；三是環保壓力凸顯，傳統氙燈含微量汞蒸氣，需符合RoHS等環保標準，無汞氙燈研發仍處于攻堅階段，預計2027年前實現小批量試產。此外，LED/激光二極管在低能段應用的滲透，也對氙燈光源的成本控制和能效提升提出更高要求。

五、未來發展趨勢

      結合行業發展需求與技術演進規律，未來氙燈光源光效提升技術將圍繞“高定制化、高穩定性、高能效、綠色化"四大方向推進。在材料領域，將進一步研發新型耐高溫、抗濺射電極材料和高透過率、長壽命燈管材料，實現材料全鏈條自主可控；在放電調控方面，通過數字孿生技術模擬放電過程，實現放電參數的精準動態優化，提升不同工況下的光效適配性；在系統集成層面，推動氙燈光源與固態光源的融合架構發展，實現系統功耗降低11%、體積縮減30%的協同降本效應；在環保領域，加速無汞氙燈量產進程，構建綠色全生命周期產業體系。

      預計到2030年，國產高性能脈沖氙燈平均效率將突破70%，壽命達2×10?次，產品占比超60%，在激光泵浦、半導體前道檢測、紫外消殺等新興場景形成結構性優勢，同時在應急照明等傳統優勢領域持續鞏固競爭力，構建具備競爭力的自主產業體系。

六、結論

      氙燈光源的發光機制基于氙氣的電離激發-輻射躍遷-放電維持全過程，其光效提升依賴材料體系、放電調控、驅動電源與熱管理的協同突破。當前，鎢-錸復合電極、摻鈰石英管、預電離技術及智能驅動電源等關鍵技術的應用，已顯著提升氙燈光效與穩定性，但材料自主化、長壽命技術及環?；忍魬鹑孕韫タ?。未來，隨著定制化光譜調控、數字孿生優化及綠色材料研發的深入推進，氙燈光源將在高能效、高可靠性領域持續突破，為多行業應用提供更優質的光源解決方案。

產品展示

       SSC-PCX300-3A是一款基于300W PerkinElmer氙燈光芯科研光源，光譜范圍覆蓋300-2500nm，精準模擬AM1.5G太陽光譜，適用于光催化、光電化學、太陽能電池測試、生物光照等前沿領域。通過復眼透鏡系統與智能反饋技術，實現光斑均勻性＜5%，為實驗提供穩定、可靠的模擬日光環境。

產品優勢：

為何選擇SSC-PCX300-3A？

1、極近日光光譜：光譜匹配度高達99%，替代自然光，實驗數據更精準。

2、均光技術：六邊形光斑設計，結合復眼透鏡系統，光照均勻性＜5%，遠超行業標準。

3、智能光強調控：支持0.1-5Sun（10-500mW/cm2）無級調光，搭配OPM2000光功率計，實時顯示并穩流光強。

4、全自動化實驗：四種智能模式（基礎/輻照/反饋/智能），可編程模擬全天日光變化，支持自定義開關次數及光強曲線，解放人力。

 5、安全可靠：多級防護設計（接地保護、高壓隔離），電源穩定性＜0.1%，連續工作無衰減。

 6、靈活適配：標配M62/M52圓形濾光片接口，可選配50mm×50mm濾光片夾具，兼容多種實驗需求。