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材料視界 | 使用LAMBDA 1050+紫外/可見/近紅外分光光度計(jì)及其通用型反射附件(URA)測量增強(qiáng)型鏡面反射(ESR)膜
增強(qiáng)型鏡面反射（ESR）多層高分子干涉鏡于20世紀(jì)60年代晚期首次面世,。1增強(qiáng)型鏡面反射（ESR）膜，如3M公司的Vikuiti?光學(xué)膜(請查閱)等,，是一種反射率超高,，類似鏡子的增強(qiáng)型光學(xué)膜，可在光回收液晶顯示器應(yīng)用中發(fā)揮高效增亮的作用,。增強(qiáng)型鏡面反射膜采用了多層高分子技術(shù),，非金屬材質(zhì)、柔韌性高以及厚度極?。▋H65微米）,。薄膜的自身結(jié)構(gòu)使其可被納入各類配置和設(shè)備，包括電話,、電視和監(jiān)視器等,。光回收技術(shù)可節(jié)約能耗,，從而在不增加任何電力需求的情況下提高顯示器的亮度。
Lambda?1050+
紫外-可見-近紅外分光光度計(jì)
目前,，增強(qiáng)型鏡面反射膜已應(yīng)用于幾乎所有液晶顯示器的背光源,，具體包括電視機(jī)、臺式電腦,、筆記本電腦、平板電腦,、手機(jī)和移動設(shè)備的顯示器,。增強(qiáng)型鏡面反射膜也可用于管理和優(yōu)化其他行業(yè)對光的應(yīng)用，包括建筑照明,、汽車照明,、太陽能照明（如管道式日光照明裝置，例子如圖3所示）等,。
圖1.增強(qiáng)型鏡面反射高分子膜的軋制板
一般情況下,，增強(qiáng)型鏡面反射膜的發(fā)射率>98%，可以提高光的回收和反射,，進(jìn)而提高了顯示器的亮度,。增強(qiáng)型鏡面反射膜降低了液晶顯示器的電力需求量，并通過提高顯示屏亮度擴(kuò)大了可視角度,。
圖2所示的典型液晶顯示器簡圖展示了增強(qiáng)型鏡面反射膜的安裝位置,。
圖2.展示增強(qiáng)型鏡面反射膜通常安裝位置的液晶顯示器簡圖
管道式日光照明裝置能夠通過屋面穹頂獲取陽光，接著通過一條從屋頂延伸到天花板的反射管（見圖3）將獲取的陽光傳送到室內(nèi),，最后利用一個散射器將陽光均勻分散到室內(nèi)空間,。在絕大多數(shù)的市售管道式日光照明裝置中，增強(qiáng)型鏡面反射膜安裝于光傳輸管內(nèi)壁,，能夠提供高反射率（可見光譜的反射率高達(dá)99.7%）,，從而以最小的日照熱量提供最大的可見光。管道式日光照明裝置的光輸出率很高,，其所提供的光照是普通天窗的數(shù)倍,。有了管道式日光照明裝置，白天就無需開燈,，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的功效,。
圖3.管道式日光照明裝置的實(shí)例。所述管道式日光照明裝置能夠通過屋面穹頂獲取陽光,，接著通過一條從屋頂延伸到天花板的反射管（見圖3）將獲取的陽光傳送到室內(nèi),。在絕大多數(shù)的市售管道式日光照明裝置中，增強(qiáng)型鏡面反射膜安裝于光傳輸管內(nèi)壁,，能夠提供高反射率（可見光譜的反射率高達(dá)99.7%）,，從而以最小的日照熱量提供最大的可見光,。
測量難題
增強(qiáng)型鏡面反射膜的性能驗(yàn)證代表了許多市售分光光度計(jì)系統(tǒng)的測量難題。
從設(shè)計(jì)要求來看,，增強(qiáng)型鏡面反射膜不僅在可見光譜范圍內(nèi)要有極高反射率（>98%）,，而且還要在任何入射角和光偏振狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)。因此,，增強(qiáng)型鏡面反射膜的測量需要可變角度絕對反射附件和自動偏振附件（相對鏡面反射附件無法精確測量反射率極高的增強(qiáng)型鏡面反射膜）,。另外，由于增強(qiáng)型鏡面反射膜厚度極薄,，用戶還將面臨一個難題：如何妥善地將增強(qiáng)型鏡面反射膜安裝到反射樣品架上,，才能使增強(qiáng)型鏡面反射膜的面對入射光束的那個表面保持充分平整。
☆
裝有通用反射附件的珀金埃爾默LAMBDA? 1050+是研究上述超薄薄膜性能的理想工具,。圖4顯示了裝有通用反射附件的LAMBDA? 1050+的設(shè)備圖片,。珀金埃爾默LAMBDA? 1050+是目前最先進(jìn)的的研究級紫外/可見/近紅外分光光度之一。由于LAMBDA? 1050+在安裝Littrow雙單色器的基礎(chǔ)上整合了全息光柵,、采用扇區(qū)切光器,、自動光束衰減片和高靈敏度檢測器，其在紫外/可見光譜范圍內(nèi)的雜散光<0.00007%T,。通用反射附件是珀金埃爾默公司專為高精度絕對鏡面反射研發(fā)的一款產(chǎn)品,。
圖4. 配有通用反射附件的LAMBDA? 1050+
這一獨(dú)特配件的角度變化范圍為8~70°，角度增量為0.5°,，無需樣品架,。使用時(shí)，只需將樣品平放在附件頂部的測量板上,，通過附件內(nèi)部光學(xué)機(jī)構(gòu)將光束引導(dǎo)至測量口（見圖5）,。
圖5.通用反射附件的樣品測量表面。通過附件內(nèi)部光學(xué)機(jī)構(gòu)將光束引導(dǎo)至中心的測量口,。平放樣品,，蓋住測量口。
通用反射附件自身擁有動態(tài)探測器模塊和光程補(bǔ)償器,，可在背景和樣品測量之間保持相同的光程和入射角,。通用反射附件測量包括基線測量和樣品測量。在樣品測量中,，需要對樣品進(jìn)行反射,。在基線測量狀態(tài)和樣品測量狀態(tài)發(fā)生切換時(shí)，其中一個反射鏡和探測器附件將自動發(fā)生旋轉(zhuǎn)和移動,。圖6顯示了入射角為70°時(shí)的通用反射附件測量狀態(tài),。輸入鏡旋轉(zhuǎn)，引導(dǎo)管束照射在待測樣品上,。同時(shí),，探測器附件移動,，保持與輸入鏡相同的關(guān)系。這樣的話,，總光程相同,，從而確保了兩次測量之比為樣品的反射率。
圖6.入射角為70°時(shí)通用反射附件的樣品測量和基線測量
測量時(shí),，只需將樣品平放在通用反射附件的測量端口之上,。這有助于實(shí)現(xiàn)精確地測量增強(qiáng)型鏡面反射膜的鏡面反射率。由于增強(qiáng)型鏡面反射膜的厚度極?。ㄒ话銥?5微米）,，因此，在常規(guī)絕對鏡面反射附件的垂直樣品架上測量增強(qiáng)型鏡面反射膜的難度極大,。要想在專為玻璃和濾光片設(shè)計(jì)的樣品架上妥當(dāng)?shù)墓潭ǔ≡鰪?qiáng)型鏡面反射膜并使樣品面對入射光束的那個表面保持絕對平整,，這幾乎是不可能的,。如果增強(qiáng)型鏡面反射膜面對入射光束的那個表面無法保持絕對平整,，那么無論在任何入射角和偏振狀態(tài)之下的測量結(jié)果都將存在誤差。
通用反射附件由LAMBDA系列產(chǎn)品專用的UVWinlab? V7軟件控制,，允許用戶自行確定角度序列與測量光斑大小,。一旦建立測量方法，設(shè)備將自動執(zhí)行測量程序,。UVWinlab中通用反射附件的設(shè)置如圖7所示,。
圖7.UVWinlab中通用反射附件的設(shè)置界面?？晌⒄{(diào)測量角度與光斑大小,。
可在圖中所示的UVWinlab界面輸入一個測量角度，或者在樣品表內(nèi)輸入一系列的測量角度,。注意,，可在該界面控制測量口處照射樣品的束斑大小，控制范圍為0.1 × 0.1 mm至5.0 × 5.0 mm,，控制增量為0.1 mm,。這個范圍可輕松容納難以測量的小樣品。
除了安裝通用反射附件外,，LAMBDA? 1050+的樣品室內(nèi)還配有自動偏振驅(qū)動附件（如圖8所示）,。
圖8.偏振器驅(qū)動附件（左）與安裝在LAMBDA? 1050+樣品室的驅(qū)動附件（右）。此電動附件可實(shí)現(xiàn)偏振角的自動編程,。
當(dāng)與格蘭泰勒或格蘭湯普森偏振器（由方解石晶體制成）一起安裝時(shí),，上述偏振器驅(qū)動附件可以實(shí)現(xiàn)樣品光束的偏振態(tài)在0—360°范圍內(nèi)的變更。如在UVWinlab軟件中“樣品表”的設(shè)置為顯示偏振器樣品（見圖8標(biāo)簽1）,，則可以方便地將偏振角輸入樣品表序列且實(shí)現(xiàn)自動測定,。
使用LAMBDA 1050+
測量增強(qiáng)型鏡面反射膜
LAMBDA 1050+通過UVWinlab V7軟件實(shí)現(xiàn)操作,。這種易于使用的軟件采用了一種現(xiàn)代、先進(jìn)的工作流設(shè)計(jì),，可與Windows? 10和11兼容,。該軟件可設(shè)計(jì)一種將通用反射附件和偏振附件集成至樣品序列的方法。
在第一批測量中,，使用通用反射附件和主光束消偏振器（用于采集消偏振光）分五個角度（8°,、15°、30°,、45°和60°）對1200—350 nm范圍內(nèi)的增強(qiáng)型鏡面反射膜樣品進(jìn)行掃描,。已創(chuàng)建的樣品表如下圖所示。圖中顯示的是通用反射附件測量光束的寬度和長度（實(shí)際使用的是4.0 × 4.0 mm光束）以及通用反射附件角度的輸入框,。
圖9.樣品表示例
一旦定義樣品表,，系統(tǒng)將自動輸入通用反射附件測量的角度并進(jìn)行測定。圖10顯示的是所有測量的重疊數(shù)據(jù),。對于多層薄膜而言,，輕微的干涉圖案是正常的。
圖10.通過LAMBDA? 1050+及其通用反射附件在1200—350 nm處采集到的增強(qiáng)型鏡面反射膜樣品的絕對反射光譜,。此過程使用的通用反射附件角度為8°,、15°、30°,、45°和60°,，束斑大小為4.0 ×4.0 mm，光線為消偏振光,。此光譜的局部放大圖如圖11所示,。
圖11.光譜（見圖10）的展開圖。
在本例中,，UVWinlab軟件通過數(shù)據(jù)處理公式計(jì)算的可見光范圍內(nèi)平均反射率為98%或以上（見圖12）,。
圖12.表中顯示的計(jì)算平均值
注意：增強(qiáng)型鏡面反射膜的輕微表面磨損和薄膜表面上的微小顆粒會影響反射率。通用反射附件只收集鏡面反射,，不收集散射,。因此，如果觀察到曲線在向短波長方向下降,，那么這很可能是由于散射損耗引起的,。
在第二批增強(qiáng)型鏡面反射膜樣品的測量中，通過配有偏振器驅(qū)動配件和格蘭泰勒偏振器（由方解石晶體制成）的LAMBDA? 1050+及其通用反射附件研究偏振光與入射角的影響,。使用通用反射附件分四個角度（15°,、30°、45°和60°）對1200—350 nm范圍內(nèi)的增強(qiáng)型鏡面反射膜樣品進(jìn)行掃描，其中采用的偏振角為0°,、30°,、45°和90°。理論上,，若增強(qiáng)型鏡面反射膜狀態(tài)良好,，則無論入射角或偏振角多大，增強(qiáng)型鏡面反射膜對可見光的反射率都應(yīng)極高,。
在上述測量中,，應(yīng)如圖13所示方式創(chuàng)建UVWinlab軟件的樣品表。圖中顯示了通用反射附件測量光束的寬度和長度（實(shí)際使用的是4.5 × 4.5 mm光束）,、通用反射附件角度以及偏振角的輸入框,。
圖13.用于增強(qiáng)型鏡面反射膜測量的樣品表。所述測量將驗(yàn)證增強(qiáng)型鏡面反射膜的反射率與入射角和極化角之間的關(guān)系,。
第二批測量所得數(shù)據(jù)如圖14所示,。可以觀察到,，無論入射角或偏振態(tài)如何,，增強(qiáng)型鏡面反射膜對可見光的反射率始終很高。
圖14.使用通用反射附件分四個入射角度（15°,、30°,、45°和60°）對增強(qiáng)型鏡面反射膜樣品進(jìn)行的測量,。每個入射角度分別對應(yīng)的偏振角為0°,、30°、45°和90°,。測量結(jié)果顯示,，增強(qiáng)型鏡面反射膜樣品的性能符合設(shè)計(jì)目標(biāo)，即,，無論入射角或偏振態(tài)如何,，增強(qiáng)型鏡面反射膜對可見光的反射率始終很高。
結(jié)論
裝有通用反射附件和自動偏振驅(qū)動附件的LAMBDA 1050+是完備的研究增強(qiáng)型鏡面反射膜性能的理想工具,。無論入射角或偏振態(tài)如何,，增強(qiáng)型鏡面反射膜對可見光的反射率始終很高。由于增強(qiáng)型鏡面反射膜的反射率極高(> 98%)且厚度極薄,，因此,，常規(guī)的分光光度計(jì)系統(tǒng)和附件無法對增強(qiáng)型鏡面反射膜進(jìn)行測量。要想對增強(qiáng)型鏡面反射膜進(jìn)行精確鏡面反射測量,，需要可變角度的絕對鏡面反射附件和能夠驗(yàn)證偏振反應(yīng)的偏振器附件,。
如本文所述，在LAMBDA 1050+中安裝馬達(dá)驅(qū)動變角的通用反射附件和馬達(dá)驅(qū)動的偏振器附件，可輕松實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型鏡面反射膜性能的自動驗(yàn)證,。由于增強(qiáng)型鏡面反射膜的厚度極薄且柔軟,，因此，要想在常規(guī)分光光度計(jì)系統(tǒng)和附件中專為硬質(zhì)濾光片和玻璃設(shè)計(jì)的垂直樣品架上妥當(dāng)?shù)毓潭ǔ≡鰪?qiáng)型鏡面反射膜的難度極大,。通用反射附件的獨(dú)特設(shè)計(jì)（即,，無樣品架設(shè)計(jì)，樣品只需平放在頂板的測樣口上）能夠確保精確地測量增強(qiáng)型鏡面反射膜的鏡面反射率,。
Summary
參考文獻(xiàn)
1. Weber, M., Stover, C., Gilbert, L., Nevitt, T., Ouderkirk, J., “Giant Birefringent Optics in Multilayer Polymer Mirrors”, Science, Vol. 287, March 31, 2000
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