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脈沖氙燈的工作分為起輝、預燃和高壓放電三階段。其工作過程比較復雜，是一種非穩態的氣體放電。它是一種亮度很高的物理光源，它屬于非穩定的、類似于火花放電的氣體放電光源，其閃光可以在瞬間完成。它的輻射光譜是連續的，與日光的光譜能量分布相近，有人造“小太陽”之稱。
起輝階段，放電首先在石英管內壁接近觸發絲處產生電離通道，氣體由于與電子碰撞而被加熱，燈內的氙氣迅速電離，發生輝光放電。脈沖變壓器T、電容C2、可控硅VT2和電阻R2構成起輝電路，當VT2關斷時，電壓U1通過電阻R2給電容C2充電，在電容C2上存儲能量，通常U1為1kV左右，充電時間很短。當VT2導通時，電容C2和脈沖變壓器T的電感諧振放電，在變壓器T的副端產生5kV左右的起輝電壓，脈沖氙燈在很強的軸向電場及觸發高壓脈沖作用下，氣體被擊穿，形成放電通道。
預燃階段，當輸入的能量足夠大時，電極加熱到具有一定的熱發射能力，燈管中的氣體則由輝光放電過渡到弧光放電。此時，脈沖氙燈可近似為一電阻，電壓U2通過電阻R1和二極管D加到脈沖氙燈兩端形成預燃回路。
高壓放電階段，脈沖氙燈為弧光放電，當VT1關斷時，電壓U3向電容C1充電，當VT1導通時，電容C1向脈沖氙燈放電，從而脈沖氙燈出現弧光頻閃現象。在高壓放電階段，預燃電路一直給脈沖氙燈提供維持電流（約100mA）。