用于植物培育實驗的寬帶負濾光片的研制

傅晶晶徐永++馮利

摘要：

植物生長過程中對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育中對藍紫光和紅光較為敏感，因此設計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濾光片，鍍膜后的濾光片在400～470 nm 和630～750 nm 波長范圍內平均透過率大于90%，而500～580 nm波長范圍內平均透過率小于0.2%。結果表明該寬帶負濾光片膜系的鍍制滿足植物培育實驗的使用要求。

關鍵詞：

光學介質薄膜； 電子槍蒸鍍； 植物生長； 截止黃綠光

中圖分類號： TB 43文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.05.015

引言

植物生命活動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，制造出有機物并釋放氧的過程，它是植物生長的基礎。從光譜上看，太陽光譜是個連續光譜。有研究表明，植物并不是對所有波長的太陽光都均勻吸收，而是有選擇性的，植物的葉綠素在藍光和紅光部分有兩個很強的吸收峰，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。因此現有的研究多采用LED光源人工補充紅藍光的方法來提高植物的光合作用效率以達到增產增收的目的，然而對農作物生長最為廉價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光則是一個新的挑戰。因此，本文設計并鍍制了一種光學寬帶負濾光片，直接從太陽光中分離出滿足植物生長所需要的紅藍光波段，來研究從太陽光譜中濾除黃綠光部分后對植物生長的影響。

根據所設計的植物栽培的實驗方案，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的藍紫光以及630～750 nm的紅光，同時要求從太陽光譜中過濾掉光合作用吸收極少并可能會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玻璃基片上設計和鍍制光學薄膜。具體的膜系設計參數如表1所示。

2膜系設計與材料選擇

根據所提出的技術要求，首先考慮將高反膜系作

為初始基礎膜系。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）作為一個周期膜系重復9次。首先試用常規的高折射率材料TiO2和常規的低折射率材料SiO2通過膜系軟件進行模擬計算，按照設計要求，選擇中心波長λ0=530 nm。通過膜系軟件的模擬計算，得到如圖1所示的透射率曲線。

從圖1中可以看到，對于常規的高反膜系來說，截止帶符合設計要求，但是在兩旁的通帶波紋起伏較大，達不到設計要求，因此必須考慮消除通帶內的波紋。通過膜系設計軟件將高反膜系進行優化修改，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，如果修改膜系變為圖2（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壓縮截止帶兩邊的波紋。

為了達到同時壓縮兩側通帶波紋的目的，嘗試在基礎高反膜系的兩側增加對稱膜系等效匹配層。通過計算，在高反基礎膜系的兩邊分別加入周期對稱膜系（3H 3L）2來消除通帶的波紋，并在最后增加一個減反膜系2H L來優化波紋的透過率。通過膜系軟件的模擬和計算發現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稱膜系和減反膜系，模擬出來的膜系還是達不到設計要求，這時，就需要選擇三種或以上不同的膜料來設計負濾光片膜系。在光學薄膜的設計和鍍制過程中，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]。

考慮到設計所需的折射率要求，以及各膜層之間的應力匹配，最后選取了TiO2、ZrO2、Al3O2和MgF來設計負濾光片膜系[89]。通過軟件模擬計算設計的膜系具體為：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波紋已經很好地被壓縮，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，在此基礎上疊加一個中心波長為560 nm的相同膜系，并增加高反膜系的周期數，通過軟件優化后，將截止帶展寬至符合設計的要求。最終展寬之后的負濾光片理論膜系曲線如圖3（b）所示。可以看到，由于疊加了一個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%的設計要求，而通帶區的波紋也變密了，這是因為兩個高反膜系疊加相互影響而產生的。

3膜系鍍制工藝

該膜系使用成都現代南光真空設備有限公司生產的ZZS660型箱式真空鍍膜機，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，通過前期實驗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區域沉積的厚度達到均勻一致。因為基底尺寸較大，所以在鍍制過程中烘烤的溫度不宜過高，過高的溫度會使基底內部應力不均勻而破裂，因此將實驗溫度控制在150 ℃，但是由于MgF在低溫下膜層較軟，所以在鍍制MgF膜層時將溫度適當緩慢提高到180 ℃，并在鍍制結束后將降溫過程的時間適當延長，避免基底因降溫過快而破裂。同時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機械等性能上有所提高[1113]。

由于在膜系設計過程中，最終確定選擇的膜料有四種，而且層數較多，普通的光學監控法難以逐一監控，所以在鍍制過程中采用MDC360晶控設備來監控膜料的沉積速率和膜層的物理厚度。實驗數據如表3所示。

4鍍制結果和分析

用Lambda900紫外可見近紅外分光光度計進行測試，測試結果如圖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計曲線的差別不大，但兩側的通帶波紋有所起伏，透射率有所下降，486 nm處的透過率出現了較大幅度的降低，這是因為在鍍制過程中膜層數量太多，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波長區域內的平均透射率還是可以達到大于90%的要求。

5結論

通過電子槍蒸鍍的物理沉積方法在大尺寸的K9玻璃基底上設計并鍍制了黃綠光截止，藍紫光和紅光高透的寬帶負濾光片。在鍍制過程中對膜層結構和鍍制溫度進行了優化設計并使用了修正擋板可以避免膜料在大尺寸基底上不同區域沉積厚度的不均勻。同時在溫度較低的環境中使用了離子源輔助沉積來提高成膜的牢固度。所制備的光學薄膜在要求波段的透過率達到使用要求。

參考文獻：

[1]徐景智，李同鍇，廖祥儒，等.溫室大棚作物生長發育對光色選擇性吸收的研究進展[J].河北大學學報：自然科學版，2002，22（2）：202207.

[2] 高榮孚，張鴻明.植物光調控的研究進展[J].北京林業大學學報，2002，24（5/6）：235243.

王藝，韋小麗.不同光照對植物生長、生理生化和形態結構影響的研究進展[J].山地農業生物學報，2010，29（4）：353359，370.

FOLTA K M，MAROHNICH S A.Green light：a signal to slow down or stop[J].Journal of Experimental Botany，2007，58（12）：30993111.

[5] 馬汶偉.光學薄膜在照明領域的應用[J].光學儀器，2004，26（2）：222224.

[6] 唐晉發，顧培夫，劉旭，等.現代光學薄膜技術[M].杭州：浙江大學出版社，2006：161167.

[7] 鐘迪生.真空鍍膜光學材料的選擇與應用[M].沈陽：遼寧大學出版社，2001：181245.

[8] 陳燾，羅崇泰，王多書，等.電子束蒸發制備二氧化鈦薄膜應力測量[J].真空科學與技術學報，2007，27（2）：168171.

[9] 潘永強，吳振森，杭凌俠，等.二氧化鋯薄膜表面粗糙度的研究[J].應用光學，2008，29（4）：606609.

王小輝，衛紅，曹一鳴，等.大面積戶外照明光學薄膜膜厚均勻性研究[J].光學儀器，2006，28（4）：172175.

[11]陳燾，羅崇泰，王多書，等.離子束轟擊對電子束蒸發制備二氧化鈦薄膜應力的影響[J].真空科學與技術學報，2009，29（2）：164167.

[12]齊紅基，程傳福，袁景梅，等.沉積工藝對二氧化鋯薄膜生長特性影響的研究[J].光學學報，2003，23（8）：974979.

[13]高鵬，陰曉俊，趙帥鋒，等.光學薄膜技術標準發展綜述[J].光學儀器，2014，36（5）：465470.

（編輯：張磊）