材料视界 | 使用LAMBDA 1050+紫外/可见/近红外分光光度计及其通用型反射附件(URA)测量增强型镜面反射(ESR)膜

2025-06-27 12:42:39, 珀金埃尔默珀金埃尔默企业管理（上海）有限公司

增强型镜面反射（ESR）多层高分子干涉镜于20世纪60年代晚期首次面世。¹增强型镜面反射（ESR）膜，如3M公司的Vikuiti^™光学膜(请查阅www.vikuiti.com)等，是一种反射率超高，类似镜子的增强型光学膜，可在光回收液晶显示器应用中发挥高效增亮的作用。增强型镜面反射膜采用了多层高分子技术，非金属材质、柔韧性高以及厚度极薄（仅65微米）。薄膜的自身结构使其可被纳入各类配置和设备，包括电话、电视和监视器等。光回收技术可节约能耗，从而在不增加任何电力需求的情况下提高显示器的亮度。

Lambda^™1050+

紫外-可见-近红外分光光度计

目前，增强型镜面反射膜已应用于几乎所有液晶显示器的背光源，具体包括电视机、台式电脑、笔记本电脑、平板电脑、手机和移动设备的显示器。增强型镜面反射膜也可用于管理和优化其他行业对光的应用，包括建筑照明、汽车照明、太阳能照明（如管道式日光照明装置，例子如图3所示）等。

图1.增强型镜面反射高分子膜的轧制板

一般情况下，增强型镜面反射膜的发射率>98%，可以提高光的回收和反射，进而提高了显示器的亮度。增强型镜面反射膜降低了液晶显示器的电力需求量，并通过提高显示屏亮度扩大了可视角度。

图2所示的典型液晶显示器简图展示了增强型镜面反射膜的安装位置。

图2.展示增强型镜面反射膜通常安装位置的液晶显示器简图

管道式日光照明装置能够通过屋面穹顶获取阳光，接着通过一条从屋顶延伸到天花板的反射管（见图3）将获取的阳光传送到室内，最后利用一个散射器将阳光均匀分散到室内空间。在绝大多数的市售管道式日光照明装置中，增强型镜面反射膜安装于光传输管内壁，能够提供高反射率（可见光谱的反射率高达99.7%），从而以最小的日照热量提供最大的可见光。管道式日光照明装置的光输出率很高，其所提供的光照是普通天窗的数倍。有了管道式日光照明装置，白天就无需开灯，从而实现节能减排的功效。

图3.管道式日光照明装置的实例。所述管道式日光照明装置能够通过屋面穹顶获取阳光，接着通过一条从屋顶延伸到天花板的反射管（见图3）将获取的阳光传送到室内。在绝大多数的市售管道式日光照明装置中，增强型镜面反射膜安装于光传输管内壁，能够提供高反射率（可见光谱的反射率高达99.7%），从而以最小的日照热量提供最大的可见光。

测量难题

增强型镜面反射膜的性能验证代表了许多市售分光光度计系统的测量难题。

从设计要求来看，增强型镜面反射膜不仅在可见光谱范围内要有极高反射率（>98%），而且还要在任何入射角和光偏振状态下实现。因此，增强型镜面反射膜的测量需要可变角度绝对反射附件和自动偏振附件（相对镜面反射附件无法精确测量反射率极高的增强型镜面反射膜）。另外，由于增强型镜面反射膜厚度极薄，用户还将面临一个难题：如何妥善地将增强型镜面反射膜安装到反射样品架上，才能使增强型镜面反射膜的面对入射光束的那个表面保持充分平整。

☆

装有通用反射附件的珀金埃尔默LAMBDA^™ 1050+是研究上述超薄薄膜性能的理想工具。图4显示了装有通用反射附件的LAMBDA^™ 1050+的设备图片。珀金埃尔默LAMBDA^™ 1050+是目前最先进的的研究级紫外/可见/近红外分光光度之一。由于LAMBDA^™ 1050+在安装Littrow双单色器的基础上整合了全息光栅、采用扇区切光器、自动光束衰减片和高灵敏度检测器，其在紫外/可见光谱范围内的杂散光<0.00007%T。通用反射附件是珀金埃尔默公司专为高精度绝对镜面反射研发的一款产品。

图4. 配有通用反射附件的LAMBDA^™ 1050+

这一独特配件的角度变化范围为8~70°，角度增量为0.5°，无需样品架。使用时，只需将样品平放在附件顶部的测量板上，通过附件内部光学机构将光束引导至测量口（见图5）。

图5.通用反射附件的样品测量表面。通过附件内部光学机构将光束引导至中心的测量口。平放样品，盖住测量口。

通用反射附件自身拥有动态探测器模块和光程补偿器，可在背景和样品测量之间保持相同的光程和入射角。通用反射附件测量包括基线测量和样品测量。在样品测量中，需要对样品进行反射。在基线测量状态和样品测量状态发生切换时，其中一个反射镜和探测器附件将自动发生旋转和移动。图6显示了入射角为70°时的通用反射附件测量状态。输入镜旋转，引导管束照射在待测样品上。同时，探测器附件移动，保持与输入镜相同的关系。这样的话，总光程相同，从而确保了两次测量之比为样品的反射率。

图6.入射角为70°时通用反射附件的样品测量和基线测量

测量时，只需将样品平放在通用反射附件的测量端口之上。这有助于实现精确地测量增强型镜面反射膜的镜面反射率。由于增强型镜面反射膜的厚度极薄（一般为65微米），因此，在常规绝对镜面反射附件的垂直样品架上测量增强型镜面反射膜的难度极大。要想在专为玻璃和滤光片设计的样品架上妥当的固定超薄增强型镜面反射膜并使样品面对入射光束的那个表面保持绝对平整，这几乎是不可能的。如果增强型镜面反射膜面对入射光束的那个表面无法保持绝对平整，那么无论在任何入射角和偏振状态之下的测量结果都将存在误差。

通用反射附件由LAMBDA系列产品专用的UVWinlab^™ V7软件控制，允许用户自行确定角度序列与测量光斑大小。一旦建立测量方法，设备将自动执行测量程序。UVWinlab中通用反射附件的设置如图7所示。

图7.UVWinlab中通用反射附件的设置界面。可微调测量角度与光斑大小。

可在图中所示的UVWinlab界面输入一个测量角度，或者在样品表内输入一系列的测量角度。注意，可在该界面控制测量口处照射样品的束斑大小，控制范围为0.1 × 0.1 mm至5.0 × 5.0 mm，控制增量为0.1 mm。这个范围可轻松容纳难以测量的小样品。

除了安装通用反射附件外，LAMBDA^™ 1050+的样品室内还配有自动偏振驱动附件（如图8所示）。

图8.偏振器驱动附件（左）与安装在LAMBDA^™ 1050+样品室的驱动附件（右）。此电动附件可实现偏振角的自动编程。

当与格兰泰勒或格兰汤普森偏振器（由方解石晶体制成）一起安装时，上述偏振器驱动附件可以实现样品光束的偏振态在0—360°范围内的变更。如在UVWinlab软件中“样品表”的设置为显示偏振器样品（见图8标签1），则可以方便地将偏振角输入样品表序列且实现自动测定。

使用LAMBDA 1050+

测量增强型镜面反射膜

LAMBDA 1050+通过UVWinlab V7软件实现操作。这种易于使用的软件采用了一种现代、先进的工作流设计，可与Windows® 10和11兼容。该软件可设计一种将通用反射附件和偏振附件集成至样品序列的方法。

在第一批测量中，使用通用反射附件和主光束消偏振器（用于采集消偏振光）分五个角度（8°、15°、30°、45°和60°）对1200—350 nm范围内的增强型镜面反射膜样品进行扫描。已创建的样品表如下图所示。图中显示的是通用反射附件测量光束的宽度和长度（实际使用的是4.0 × 4.0 mm光束）以及通用反射附件角度的输入框。

图9.样品表示例

一旦定义样品表，系统将自动输入通用反射附件测量的角度并进行测定。图10显示的是所有测量的重叠数据。对于多层薄膜而言，轻微的干涉图案是正常的。

图10.通过LAMBDA^™ 1050+及其通用反射附件在1200—350 nm处采集到的增强型镜面反射膜样品的绝对反射光谱。此过程使用的通用反射附件角度为8°、15°、30°、45°和60°，束斑大小为4.0 ×4.0 mm，光线为消偏振光。此光谱的局部放大图如图11所示。

图11.光谱（见图10）的展开图。

在本例中，UVWinlab软件通过数据处理公式计算的可见光范围内平均反射率为98%或以上（见图12）。

图12.表中显示的计算平均值

注意：增强型镜面反射膜的轻微表面磨损和薄膜表面上的微小颗粒会影响反射率。通用反射附件只收集镜面反射，不收集散射。因此，如果观察到曲线在向短波长方向下降，那么这很可能是由于散射损耗引起的。

在第二批增强型镜面反射膜样品的测量中，通过配有偏振器驱动配件和格兰泰勒偏振器（由方解石晶体制成）的LAMBDA^™ 1050+及其通用反射附件研究偏振光与入射角的影响。使用通用反射附件分四个角度（15°、30°、45°和60°）对1200—350 nm范围内的增强型镜面反射膜样品进行扫描，其中采用的偏振角为0°、30°、45°和90°。理论上，若增强型镜面反射膜状态良好，则无论入射角或偏振角多大，增强型镜面反射膜对可见光的反射率都应极高。

在上述测量中，应如图13所示方式创建UVWinlab软件的样品表。图中显示了通用反射附件测量光束的宽度和长度（实际使用的是4.5 × 4.5 mm光束）、通用反射附件角度以及偏振角的输入框。

图13.用于增强型镜面反射膜测量的样品表。所述测量将验证增强型镜面反射膜的反射率与入射角和极化角之间的关系。

第二批测量所得数据如图14所示。可以观察到，无论入射角或偏振态如何，增强型镜面反射膜对可见光的反射率始终很高。

图14.使用通用反射附件分四个入射角度（15°、30°、45°和60°）对增强型镜面反射膜样品进行的测量。每个入射角度分别对应的偏振角为0°、30°、45°和90°。测量结果显示，增强型镜面反射膜样品的性能符合设计目标，即，无论入射角或偏振态如何，增强型镜面反射膜对可见光的反射率始终很高。

结论

装有通用反射附件和自动偏振驱动附件的LAMBDA 1050+是完备的研究增强型镜面反射膜性能的理想工具。无论入射角或偏振态如何，增强型镜面反射膜对可见光的反射率始终很高。由于增强型镜面反射膜的反射率极高(> 98%)且厚度极薄，因此，常规的分光光度计系统和附件无法对增强型镜面反射膜进行测量。要想对增强型镜面反射膜进行精确镜面反射测量，需要可变角度的绝对镜面反射附件和能够验证偏振反应的偏振器附件。

如本文所述，在LAMBDA 1050+中安装马达驱动变角的通用反射附件和马达驱动的偏振器附件，可轻松实现增强型镜面反射膜性能的自动验证。由于增强型镜面反射膜的厚度极薄且柔软，因此，要想在常规分光光度计系统和附件中专为硬质滤光片和玻璃设计的垂直样品架上妥当地固定超薄增强型镜面反射膜的难度极大。通用反射附件的独特设计（即，无样品架设计，样品只需平放在顶板的测样口上）能够确保精确地测量增强型镜面反射膜的镜面反射率。

Summary

参考文献

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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