用于植物培育實(shí)驗(yàn)的寬帶負(fù)濾光片的研制

傅晶晶徐永++馮利

摘要：

植物生長過程中對(duì)太陽光譜的吸收具有選擇性。由于植物在光合作用和生長發(fā)育中對(duì)藍(lán)紫光和紅光較為敏感，因此設(shè)計(jì)并鍍制了一種濾光片，目的是從太陽光譜中過濾掉植物吸收很少、且可能有害的黃綠光，從而采集植物生長所需要的藍(lán)紫光和紅光。通過離子源輔助電子槍蒸鍍的物理沉積方式在大尺寸的K9玻璃基底上鍍制了寬帶負(fù)濾光片，鍍膜后的濾光片在400～470 nm 和630～750 nm 波長范圍內(nèi)平均透過率大于90%，而500～580 nm波長范圍內(nèi)平均透過率小于0.2%。結(jié)果表明該寬帶負(fù)濾光片膜系的鍍制滿足植物培育實(shí)驗(yàn)的使用要求。

關(guān)鍵詞：

光學(xué)介質(zhì)薄膜； 電子槍蒸鍍； 植物生長； 截止黃綠光

中圖分類號(hào)： TB 43文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.05.015

引言

植物生命活動(dòng)以光照作為能量的源泉。光合作用是綠色植物吸收太陽光的能量，通過二氧化碳和水，制造出有機(jī)物并釋放氧的過程，它是植物生長的基礎(chǔ)。從光譜上看，太陽光譜是個(gè)連續(xù)光譜。有研究表明，植物并不是對(duì)所有波長的太陽光都均勻吸收，而是有選擇性的，植物的葉綠素在藍(lán)光和紅光部分有兩個(gè)很強(qiáng)的吸收峰，而綠光及黃光則大多被葉子所反射或透過，很少被利用，并且黃綠光還有可能抑制植物的生長。因此現(xiàn)有的研究多采用LED光源人工補(bǔ)充紅藍(lán)光的方法來提高植物的光合作用效率以達(dá)到增產(chǎn)增收的目的，然而對(duì)農(nóng)作物生長最為廉價(jià)而有效的還是自然光，但在自然光中如何濾出植物生長所需的紅藍(lán)光則是一個(gè)新的挑戰(zhàn)。因此，本文設(shè)計(jì)并鍍制了一種光學(xué)寬帶負(fù)濾光片，直接從太陽光中分離出滿足植物生長所需要的紅藍(lán)光波段，來研究從太陽光譜中濾除黃綠光部分后對(duì)植物生長的影響。

根據(jù)所設(shè)計(jì)的植物栽培的實(shí)驗(yàn)方案，要求從太陽光譜中有效地采集出植物光合作用最敏感、最佳的光波段：400～470 nm的藍(lán)紫光以及630～750 nm的紅光，同時(shí)要求從太陽光譜中過濾掉光合作用吸收極少并可能會(huì)抑制植物生長的黃綠光（500～580 nm）。因此，要求在邊長為100 mm、厚度為4 mm的K9玻璃基片上設(shè)計(jì)和鍍制光學(xué)薄膜。具體的膜系設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

2膜系設(shè)計(jì)與材料選擇

根據(jù)所提出的技術(shù)要求，首先考慮將高反膜系作

為初始基礎(chǔ)膜系。具體膜系為：sub │H （H L）9│air，其中，sub為K9玻璃基底，air為入射介質(zhì)空氣，H為高折射率材料，L為低折射率材料，（H L）9表示（H L）作為一個(gè)周期膜系重復(fù)9次。首先試用常規(guī)的高折射率材料TiO2和常規(guī)的低折射率材料SiO2通過膜系軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，按照設(shè)計(jì)要求，選擇中心波長λ0=530 nm。通過膜系軟件的模擬計(jì)算，得到如圖1所示的透射率曲線。

從圖1中可以看到，對(duì)于常規(guī)的高反膜系來說，截止帶符合設(shè)計(jì)要求，但是在兩旁的通帶波紋起伏較大，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，因此必須考慮消除通帶內(nèi)的波紋。通過膜系設(shè)計(jì)軟件將高反膜系進(jìn)行優(yōu)化修改，具體膜系為：sub│ （0.5H L 0.5H）9│air，其透射率曲線如圖2所示。從圖2（a）的理論曲線可以看到，修改后的長波通膜系很好地壓縮了長波通帶內(nèi)的波紋，但是短波通帶的波紋并沒有消除。而同樣地，如果修改膜系變?yōu)閳D2（b）所示的短波通膜系sub│ （0.5L H 0.5L）9│air，則情況剛好相反。因此，單純的使用長波通膜系或者短波通膜系都不能同時(shí)壓縮截止帶兩邊的波紋。

為了達(dá)到同時(shí)壓縮兩側(cè)通帶波紋的目的，嘗試在基礎(chǔ)高反膜系的兩側(cè)增加對(duì)稱膜系等效匹配層。通過計(jì)算，在高反基礎(chǔ)膜系的兩邊分別加入周期對(duì)稱膜系（3H 3L）2來消除通帶的波紋，并在最后增加一個(gè)減反膜系2H L來優(yōu)化波紋的透過率。通過膜系軟件的模擬和計(jì)算發(fā)現(xiàn)如果只選用高折射率TiO2和低折射率SiO2這兩種膜料代入周期對(duì)稱膜系和減反膜系，模擬出來的膜系還是達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，這時(shí)，就需要選擇三種或以上不同的膜料來設(shè)計(jì)負(fù)濾光片膜系。在光學(xué)薄膜的設(shè)計(jì)和鍍制過程中，常用的膜料一般有以下幾種，表2列出了它們的一些基本特性[7]。

考慮到設(shè)計(jì)所需的折射率要求，以及各膜層之間的應(yīng)力匹配，最后選取了TiO2、ZrO2、Al3O2和MgF來設(shè)計(jì)負(fù)濾光片膜系[89]。通過軟件模擬計(jì)算設(shè)計(jì)的膜系具體為：sub│（3H2 3M）2 （3H1 3M）6 （3H2 3M）2 2H2 L│air。其中H1為折射率nH1=2.34的TiO2，H2為折射率nH2 =1.97的ZrO2，M為折射率nM=1.56的Al2O3，L為折射率nL=1.38的MgF，中心波長λ0=530 nm。膜系理論曲線如圖3（a）所示。

從圖中可以看到截止帶兩邊的通帶區(qū)波紋已經(jīng)很好地被壓縮，可以滿足平均透過率大于90%的要求，但是截止帶的寬度減小了，不能滿足截止帶帶寬的要求。因此將該膜系中心波長移到515 nm，在此基礎(chǔ)上疊加一個(gè)中心波長為560 nm的相同膜系，并增加高反膜系的周期數(shù)，通過軟件優(yōu)化后，將截止帶展寬至符合設(shè)計(jì)的要求。最終展寬之后的負(fù)濾光片理論膜系曲線如圖3（b）所示?？梢钥吹?，由于疊加了一個(gè)不同中心波長的膜系，截止帶中心的透射率有所上升，534 nm和542 nm處的透射率分別為1.38%和1.67%，但還是基本能滿足平均透射率小于0.2%的設(shè)計(jì)要求，而通帶區(qū)的波紋也變密了，這是因?yàn)閮蓚€(gè)高反膜系疊加相互影響而產(chǎn)生的。

3膜系鍍制工藝

該膜系使用成都現(xiàn)代南光真空設(shè)備有限公司生產(chǎn)的ZZS660型箱式真空鍍膜機(jī)，采用電子槍蒸鍍的物理沉積方式來完成。

由于該濾光片用于植物培養(yǎng)研究，要求鍍制在邊長為100 mm大尺寸的K9玻璃基底上，因此為了避免在基底不同區(qū)域上沉積膜厚的不均勻，在鍍制過程中使用了修正擋板，通過前期實(shí)驗(yàn)來修剪修正擋板的形狀，以便在鍍制過程中使膜料在基底上各個(gè)區(qū)域沉積的厚度達(dá)到均勻一致。因?yàn)榛壮叽巛^大，所以在鍍制過程中烘烤的溫度不宜過高，過高的溫度會(huì)使基底內(nèi)部應(yīng)力不均勻而破裂，因此將實(shí)驗(yàn)溫度控制在150 ℃，但是由于MgF在低溫下膜層較軟，所以在鍍制MgF膜層時(shí)將溫度適當(dāng)緩慢提高到180 ℃，并在鍍制結(jié)束后將降溫過程的時(shí)間適當(dāng)延長，避免基底因降溫過快而破裂。同時(shí)在鍍制薄膜過程中為了防止氧化物膜料

失氧而游離出金屬離子，所以通入氧氣，并采用輔助的霍爾離子源來輔助沉積，它可以通過對(duì)薄膜材料的轟擊從而給沉積的薄膜材料粒

子以額外的能量，使沉積的膜層在光學(xué)機(jī)械等性能上有所提高[1113]。

由于在膜系設(shè)計(jì)過程中，最終確定選擇的膜料有四種，而且層數(shù)較多，普通的光學(xué)監(jiān)控法難以逐一監(jiān)控，所以在鍍制過程中采用MDC360晶控設(shè)備來監(jiān)控膜料的沉積速率和膜層的物理厚度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

4鍍制結(jié)果和分析

用Lambda900紫外可見近紅外分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看到，截止帶500～580 nm波長處的透射率和理論設(shè)計(jì)曲線的差別不大，但兩側(cè)的通帶波紋有所起伏，透射率有所下降，486 nm處的透過率出現(xiàn)了較大幅度的降低，這是因?yàn)樵阱冎七^程中膜層數(shù)量太多，由于各層膜厚控制誤差的累積而造成的，但是在400～470 nm波長和630～750 nm波長區(qū)域內(nèi)的平均透射率還是可以達(dá)到大于90%的要求。

5結(jié)論

通過電子槍蒸鍍的物理沉積方法在大尺寸的K9玻璃基底上設(shè)計(jì)并鍍制了黃綠光截止，藍(lán)紫光和紅光高透的寬帶負(fù)濾光片。在鍍制過程中對(duì)膜層結(jié)構(gòu)和鍍制溫度進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)并使用了修正擋板可以避免膜料在大尺寸基底上不同區(qū)域沉積厚度的不均勻。同時(shí)在溫度較低的環(huán)境中使用了離子源輔助沉積來提高成膜的牢固度。所制備的光學(xué)薄膜在要求波段的透過率達(dá)到使用要求。

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（編輯：張磊）