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脉冲氙灯的工作分为起辉、预燃和高压放电三阶段。其工作过程比较复杂，是一种非稳态的气体放电。它是一种亮度很高的物理光源，它属于非稳定的、类似于火花放电的气体放电光源，其闪光可以在瞬间完成。它的辐射光谱是连续的，与日光的光谱能量分布相近，有人造“小太阳”之称。
起辉阶段，放电首先在石英管内壁接近触发丝处产生电离通道，气体由于与电子碰撞而被加热，灯内的氙气迅速电离，发生辉光放电。脉冲变压器T、电容C2、可控硅VT2和电阻R2构成起辉电路，当VT2关断时，电压U1通过电阻R2给电容C2充电，在电容C2上存储能量，通常U1为1kV左右，充电时间很短。当VT2导通时，电容C2和脉冲变压器T的电感谐振放电，在变压器T的副端产生5kV左右的起辉电压，脉冲氙灯在很强的轴向电场及触发高压脉冲作用下，气体被击穿，形成放电通道。
预燃阶段，当输入的能量足够大时，电极加热到具有一定的热发射能力，灯管中的气体则由辉光放电过渡到弧光放电。此时，脉冲氙灯可近似为一电阻，电压U2通过电阻R1和二极管D加到脉冲氙灯两端形成预燃回路。
高压放电阶段，脉冲氙灯为弧光放电，当VT1关断时，电压U3向电容C1充电，当VT1导通时，电容C1向脉冲氙灯放电，从而脉冲氙灯出现弧光频闪现象。在高压放电阶段，预燃电路一直给脉冲氙灯提供维持电流（约100mA）。