MC方案｜太阳光模拟器

太阳的表面温度约为5800 K，这意味着太阳辐射的电磁频谱与5800 K 的黑体相似，但它包含了精细的结构，这是由于太阳外围的冷气体吸收(Fraunhofer 线)。当太阳与地球相距1 个天文单位( 地球-太阳平均距离为149,597,890 km) 时，地球外层大气的太阳辐照度为1360 W m-2。这个值称为太阳常数，是整个电磁光谱的总体辐照度。图1 显示了地球大气层外太阳辐射的电磁光谱，所示的范围为200—2500 nm，包括到达地球的总辐照度的96.3%，其余3.7% 大部分为较长波长。

图 1. 太阳辐射光谱与地球大气层外的5800 K 黑体的光谱比较。

地球表面太阳辐射的电磁频谱受多种因素的影响，包括直接辐射和散射辐射。直接辐射是从太阳直接照射到 地球表面的能量，而散射辐射是从天空散射的光中接收能量，并被周围环境反射( 图2)。在地表测量的总辐射 称为全局辐射，其中目标表面的方向由全局辐照度确定。对于直接辐射，目标表面与入射辐射正交。太阳是一个 球形光源，直径约1.39x106 km。到地球的平均距离为一个天文单位。太阳辐射的直接部分是准直的，角度约为 0.53( 全角)，而“散射”部分是从半球天空和地面反射和散射入射的。全局辐射，即直接辐射和散射辐射的总和， 本质上是均匀的。

图 2. 地球上的总辐射，包含直接辐射、散射辐射和反射。

太阳辐射入射到地球表面的数量受经过大气层的数量的影响。在任何位置，这条到达地面的路径的长度随着 时间的推移而变化，随着太阳角度的变化，白天地面太阳辐射水平也有明显的变化。此外，由于吸收和散射长度 的变化，光谱的形状每天都在变化。由于不穿过任何气团，所以地外光谱被称为气团0 (AM 0) 光谱。正午时分， 太阳直射地球赤道，太阳辐射直接穿过大气层。在这种条件下，海平面上的太阳光谱称为气团1 光谱。太阳直射 的全局辐射同样被称为气团1 全局辐射(AM1G)。任何天顶角的大气路径都被简单地描述为相对于头顶的气团( 图 3)。实际路径长度可以对应小于1 的气团( 高海拔地区)，也可以对应日落前非常高的气团。 太阳光模拟 器使用过滤器来模拟空气质量为0 和1.5 时的光谱，这是大多数比较测试工作的基础。

图 3. 路径长度( 以气团为单位) 随天顶角的变化而变化。

太阳光模拟器提供了与太阳光谱接近的光谱匹配。虽然不是很精确，但已是大多数应用程序中好的。图 4 显示了一个典型的太阳光模拟器的光学原理。该装置核心的氙气弧光灯有一个小而高的发光弧，允许有效的 光束准直。它发出的光谱类似于5800 K 的黑体，偶尔有线条结构。系统的设计特点包括低焦距比采集图形，光束均匀化和滤波，最后是准直。该模拟器在均匀、准直的光束中产生连续的太阳光谱输出。光束准直模拟了地球上 的光束，并模拟表征了辐射诱发的现象。

图 4. 太阳光模拟器的光程模拟系统。

由于氙气具有强原子发射线，氙灯的输出在800—1100 nm 波长范围内，与太阳光谱不同。太阳光模 拟器使用过滤器来减少这些原子发射线的影响。红外失配的影响取决于应用场合。AM Direct 和AM 1.5 滤波器 对光谱的可见光和紫外光部分进行了修改，使其与标准的太阳光谱能够更好地匹配。

紫外增强型太阳光模拟器适用于需要强紫外光源的工作，而不需要复杂的可见光和红外加热。这对于活体生物研究尤为重要。紫外增强模拟器类似于全光谱太阳光模拟器，然而，为减少辐射在可见光和红外区域的光谱， 它们的光谱分布需要修改。自然阳光包括UVA 和UVB 辐射，UVA 和UVB 区域的研究引起人们广泛的关注。