AAA级太阳模拟器的设计与研制

Design and development of a class AAA solar simulatorGAO Yan，LIU Hong-bo ，WANG Li，GU Guo-chao(Changchun Institute of Optics，Fine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 1 30033，China)Corresponding author，E-mail：hbliu120### sina.cornAbstract：This paper designs and develops a class AAA solar simulator and its spectral matching，Irradiancenon-uniformity and irradiance temporal instability al can reach class A standard.It firstly describes the lightsource selection of the solar simulator and gives the design process of the filter.Then，it introduces the opticalsystem and mechanical structure of the solar simulator.Finaly the technical specifications of the simulator aremeasured.The experiments show that the solar simulator spectral match meet the ASTM E927-10 the AM1.5Gclass A requirements in the wavelength range of 400-1 1 00 nm.In an effective irradiated surface area of55 mm ×55 mm，its average irradiance，Irradiance non-uniformity，and irradiance temporal instability havebeen up to 1 000 W/m ，1.35% and 1.27% ，respectively.Obtained data demonstrate that the solar simula-tor meets the standard ASTM E927-10 class AAA。

Key words：solar simulator；xenon lamp；spectral match；irradiance uniformity；irradiance stability收稿日期：2013433-12；修订日期 ：2013-05-13572 中国光学 第6卷料 。

镀膜采用箱式光学镀膜机，该设备配有光学膜厚控制仪(光控)和 IC/5石英晶体膜厚控制仪(晶控)。通常光控法适合控制光学厚度为 1/4A整数倍的膜层，而晶控法可以控制任意厚度的膜层，由于优化后的膜系为非周期膜系，所以本实验采用了晶控。在镀膜过程中，基片的烘烤温度为300℃，真空度高于5 X 10～Pa，充氧后的工作真空度为 1.4×10～Pa，膜层均采用离子束辅助电子束热蒸发技术进行沉积 J。镀制完成后，进行了滤光片抗高温测试：将滤光片样品放在太阳模拟器中的相应位置，点燃 3 000 W氙灯对其进行连续照射 ，24 h后取出样品，在高倍显微镜下观察，发现膜层表面结构没有变化。在实际使用中对膜系进行强制风冷换热，因此膜层温度耐受度没有问题。

实际镀制的滤光片曲线如图2所示。滤光片膜层厚度 中心波长 920 Dm处 的透射率 约为20%，半宽度约250 nm；400～700/lm波段内，平均透射率 Tai>95%，1 200-1 400 nm内平均透射率Tai>92%，对于AM1.5G光谱的太阳模拟器来说，1 400 nm后的光谱可不作要求。

图2 实际光谱透过率曲线Fig.2 Measured transmittance of the filter滤光之后的氙灯光谱与太阳光谱的比较如图3所 示，由对 比 图可 以看 出，氙灯 在 800～1 100 nm之间的尖峰大幅减小，同时滤光片的设计还可以改进，氙灯光谱 300～400 13I15之间应再降-些，800～1 100 nm之间应再提升-些，光谱会接近AM1.5G标准太阳光谱。

2.3 太阳模拟器光谱匹配标准图 3 太阳光谱与加滤光片的氙灯光谱Fig.3 Solar spectrum and xenon-lamp spectrum withoptical filter表 2给出了 ASTM E927.10光谱匹配等级。

表 2 ASTM E927.10等级标准Tab.2 ASTM class specifications表3 ASTM 3种标准光谱的照度分布Tab.3 ASTM spectral irradiance forthree standard spectra太阳模拟器光谱匹配检测结果：实际光谱测试图如图4所示，对比结果见表4。

由检测结果可知，最大偏差为 19.29%，太阳模拟器光谱匹配满足 A级标准。

574 中国光学 第6卷算，不断优化，从而得出系统最优的设计结果 。

通过仿真达到有效辐照面上的能量与氙灯离焦量的关系如图7所示，在氙灯正向离焦0.3 mm时，有效辐照面上的能量达到最大值 10.28 w。

图7 系统能量和离焦量的关系Fig.7 Relation between system energy and of-focusdistance3.2 模拟器的结构如图8所示，模拟器的整体结构采用铸铝件，分为底座，下箱体，上箱体，前箱体四部分，箱体采用铸件性能比较稳定，能够保证光学件的安装精度。箱体内壁喷黑色无反射涂层，减少杂散光。

图8 系统结构布局Fig.8 Structural layout of system系统整机高610 mm，有效辐照面积 55 mm×55 mm，位于准直镜下方200 mm处。调灯机构设计为三向调节，用来调节氙灯的中心位置和离焦量。

第-反射镜和第二反射镜均采用三紧三拉调整机构来对光束方向进行微调。最后太阳模拟器的调试，如图9所示。通过激光自准直法调整光轴，达到系统要求。

图9 太阳模拟器调试Fig.9 Debugging of solar simulation4 太阳模 拟器技术指标的测试测量仪器使用的是以色列 OPHIR公 司的激光功率计，探头接收面积 为 西9.5 mm。在55 mm×55 mm的有效辐照面内平均分布 25点进行测试 ，如图 10所示。辐照不均匀度按下式计算 。。：E ±E.，ax-Emin×1。。%图 10 辐照不均匀度的测试Fig.1 0 Test of the irradiance non-uniformity第4期 高 雁 ，等：AAA级太阳模拟器的设计与研制 575式中：E为辐照不均匀度；E 为辐照面上(或体积内)的辐照度最大值；E 为辐照面上(或体积内)的辐照度最小值。

同时在有效辐照面 4-30 IBm两处用同样的方法测 试，辐 照 不 均 匀 度 分 别 为 4-1.42%、4-1.35%、±1.49%。由此可知，太阳模拟器的辐照不均匀度指标满足 ASTM E927-10 A级标准。

太阳模拟器的辐照不稳定度主要撒于氙灯供电电源的稳定性。模拟器氙灯采用高精度开关电源，电源本身的供电稳定性小于 1%，外部采用电流负反馈方式对氙灯进行稳流，氙灯电源原理如图 1 1所示。

A图 11 氙灯电源原理框图Fig.1 1 Principle of xenon-lamp power supply在有效辐照面的中心作为测试辐照不稳定度的位置，氙灯点燃后需要 20 min才能达到稳定状态，为了更加精确，辐照不稳定性从点灯 20 min后开始计算，测试曲线如图 12所示。