紅外波段天堂鳳蝶微納結(jié)構(gòu)光譜反射特性

王正龍, 鄔文俊, 史　迎

(湖北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

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紅外波段天堂鳳蝶微納結(jié)構(gòu)光譜反射特性

王正龍, 鄔文俊, 史迎

(湖北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

[摘要]針對天堂鳳蝶在光照下鱗片呈現(xiàn)不同色彩這一現(xiàn)象，對其表面鱗片微觀結(jié)構(gòu)和形態(tài)進行觀察和實驗，從光學(xué)理論角度解釋其變色機理，并對其在近紅外波段的光學(xué)特性進行分析，得到反射光譜的變化曲線。研究了蝶翅處于不同波長情況下的反射效率，發(fā)現(xiàn)在紅外波段，蝶翅反射率并不與蝶翅表面顏色成正相關(guān)，其原因在于造成蝶翅鱗片色彩多變的因素不是其翅面顏色，而是與其內(nèi)部微納結(jié)構(gòu)有關(guān)。

[關(guān)鍵詞]紅外波段； 光學(xué)特性； 反射效率； 微納結(jié)構(gòu)

天堂鳳蝶蝶翅在陽光下呈現(xiàn)出亮麗的藍色，是由其翅面內(nèi)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的，是一種典型的結(jié)構(gòu)色[1]。在不同環(huán)境下形成多種多樣翅面顏色，使其面對天敵時能夠很好地隱身。目前，國內(nèi)外學(xué)者針對蝴蝶翅膀處于可見光下變色機理做了一系列研究。Vukusic通過實驗分析了蝶翅鱗片的反射特性，得出蝶翅色彩多變與其微納結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系；吉林大學(xué)課題組也對東北幾種常見蝴蝶的變色機理作了詳盡分析；華中科技大學(xué)團隊在已有的研究基礎(chǔ)上，對蝶翅在液體和氣體方面的應(yīng)用進行深入分析。然而，對蝶翅處于紅外波段的變色機理探索至今仍是空白。本文在紅外波段以實驗分析天堂鳳蝶的變色現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)與鱗片復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，得到反射光譜變化的曲線，并與異形紫斑蝶對比，揭示了其色彩變化的規(guī)律。

1試驗

為了探索天堂鳳蝶色彩多變是與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)還是蝶翅表面本身的化學(xué)色有關(guān)，本文分別以色彩亮麗的天堂鳳蝶和色彩較暗的異形紫斑蝶作為研究對象，采用高像素相機獲得其圖片(圖1)。圖中可見，天堂鳳蝶顏色十分亮麗，邊緣呈現(xiàn)樹葉狀條紋，并伴有金屬光澤；異形紫斑蝶顏色較暗，翅面上有點狀花斑。選取圖中標(biāo)注部位為樣品點。

圖 1　樣本

為了進一步觀察蝶翅的表面微觀結(jié)構(gòu)[2]，采用VHX-1000光學(xué)顯微鏡進行觀測，分別得到天堂鳳蝶和異形紫斑蝶單個鱗片的形狀及表面形貌(圖2)[3]，發(fā)現(xiàn)天堂蝶翅鱗片有規(guī)則地疊放在鱗翅表面，與基底成一定的傾斜角度，層層相疊，并且鱗片上有明顯的紋路，且鱗片形狀很規(guī)則，類似矩形；而異形紫斑蝶鱗片則像扇形，表面光滑，沒有明顯的紋理結(jié)構(gòu)。

圖 2　光學(xué)顯微鏡圖

光學(xué)顯微鏡能夠獲得鱗片整體概況，但單個鱗片的表面特征卻無法獲得，因此利用JEOL JSM-6390LV的掃描電鏡對其進行觀察，生物模板不導(dǎo)電，無法直接對鱗片進行觀察，因此需要對其表面進行噴金處理[4]，增加其導(dǎo)電性，得到天堂鳳蝶和異形紫斑蝶SEM圖(圖3)。圖中可見蝶翅鱗片表面由多條間距相同的脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)組成，在天堂鳳蝶脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)中間，有一個個的凹坑，類似于網(wǎng)狀，兩種蝶翅表面上規(guī)則的樹狀脊結(jié)構(gòu)類似于衍射光柵。

(a)天堂鳳蝶

(b)異形紫斑蝶圖 3　SEM圖

上述對于蝶翅鱗片整體形狀和單個鱗片特征的分析仍無法解釋其變色機理與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的關(guān)系，因此，本文利用一套小型光學(xué)測試系統(tǒng)測試其在紅外波段的光學(xué)特性。測試系統(tǒng)采用NIRQuest近紅外光譜儀，測量范圍為900~2 100 nm，用于測量蝶翅樣品的近紅外波段反射率(圖4)。整套系統(tǒng)由光源、光傳輸部分、反射平臺部分和檢測部分組成。光由HL-2000型鎢鹵白光源所發(fā)出，經(jīng)光纖傳輸，通過光纖一端反射式探頭作用到樣品上；反射光經(jīng)過探頭接收后到達光譜儀；光譜儀與電腦相連，實現(xiàn)動態(tài)測量。

a-光源; b,e-準(zhǔn)直透鏡;c-偏振棱鏡;d-半波片;f-光譜儀;g-載物臺圖 4　測試系統(tǒng)示意圖

測試時，分別在天堂鳳蝶和異形紫斑蝶蝶翅非脊脈部位(即圖1樣品點1)選取一塊亮藍色區(qū)域，裁取5 mm×5 mm的樣塊作為實驗對象。將符合要求的蝶翅樣塊粘貼在載玻片上。由于采用垂直入射的方式，所以必須保持樣品完整且平整，減小測量誤差。測量發(fā)現(xiàn)，光纖探頭距離樣品2 mm左右時，光強最強，實驗效果最好，因此，以2 mm作為測試距離。測量時，先將標(biāo)準(zhǔn)漫反射參考板放在測試平臺上，得到一組亮光譜和暗光譜，測試條件保持不變，以此為參考，將蝶翅樣塊放到平臺上進行測量。實驗獲取了20組測試數(shù)據(jù)，去除最大值和最小值，將剩余數(shù)據(jù)求取平均值后，利用MATLAB軟件處理之后，得到天堂鳳蝶和異形紫斑蝶反射率光譜。

2分析與討論

獲得天堂鳳蝶和異形紫斑蝶在紅外波段的反射光譜圖如圖5所示。

(a)天堂鳳蝶

(b)異形紫斑蝶圖 5　天堂鳳蝶和異形紫斑蝶在紅外波段反射光譜圖

圖中，當(dāng)光垂直入射時，在全紅外波段，光的發(fā)射率在1 000 nm處急劇上升，在1 000~1 200 nm波段達到一個峰值，然后下降，在1 200 nm處降到最低，之后再有一個平穩(wěn)的上升。總體來說，反射光譜在1 000~1 200 nm波段有明顯下降的趨勢，隨著波長增加，反射光譜平穩(wěn)升高，沒有突變現(xiàn)象，總體趨勢變化不大，由此可判斷蝶翅在這個范圍內(nèi)對光的敏感性比較強，因此本文主要對該波段進行討論。圖中發(fā)現(xiàn)，兩種蝶翅都在900 nm處達到峰值，在1 200 nm處最低。從峰值點看，天堂鳳蝶的反射率約為4.3%，異形紫斑蝶約為9.1%，最低點天堂鳳蝶約為3.4%，異形紫斑蝶約為8%，異形紫斑蝶反射率約為天堂鳳蝶的2倍。

圖1中，在可見光下，天堂鳳蝶測試點亮度遠高于異形紫斑蝶，在紅外波段對比兩者測試部位，結(jié)合反射光譜卻發(fā)現(xiàn)：其反射效率并不與表面觀察顏色成正比。為了更進一步驗證結(jié)論，減少實驗系統(tǒng)誤差，選擇天堂鳳蝶自身較暗的部位(圖1樣品點2)進行分析測試，得到反射光譜(圖6)。

圖 6　天堂鳳蝶和異形紫斑蝶反射光譜圖

圖6中，虛線、點畫線和實線分別為異形紫斑蝶、天堂鳳蝶顏色較暗部位和顏色較亮部位的反射光譜。對比發(fā)現(xiàn)，異形紫斑蝶反射率最高，天堂鳳蝶蝶翅較暗部位次之，閃亮藍色部位最低，可見反射率并不受表面觀察顏色的影響，顏色暗未必反射率就低；同一蝶翅，閃亮的區(qū)域反射率也要低于暗的區(qū)域。

通過對蝶翅紅外波段反射光譜的分析與討論，結(jié)合光學(xué)理論中薄膜干涉理論可知，發(fā)生這種現(xiàn)象的原因在于：當(dāng)光入射蝶翅表面時，由于其鱗翅表面有許多薄層[5]，光在每層薄層都會發(fā)生反射和折射，反射光和折射光的光程差為半波長的偶數(shù)倍時，發(fā)生疊加，奇數(shù)倍時，則發(fā)生相消干涉[6]。其外在表現(xiàn)就在于，可見光下蝶翅表面能夠發(fā)生閃亮的色彩，而在紅外波段卻表現(xiàn)為反射率極低，充分說明天堂鳳蝶產(chǎn)生的耀眼光澤是一種典型的結(jié)構(gòu)色，由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)所決定，與其表面化學(xué)色并無關(guān)系。

3結(jié)束語

利用蝶翅反射光譜分析討論其鱗翅表面光學(xué)特

性，發(fā)現(xiàn)紅外波段光譜反射率有別于可見光波段，可見光中顏色亮麗的區(qū)域反射率較高，較暗部位則相對較低，紅外波段卻截然不同，亮麗部位反射光譜峰值卻較低。此外，具有結(jié)構(gòu)色的鱗片在光譜中表現(xiàn)與無結(jié)構(gòu)色鱗片有明顯不同，前者表面亮麗色彩是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生一系列的反射和折射形成的干涉所引起的。基于上述分析，可準(zhǔn)確辨別出具有結(jié)構(gòu)色的蝴蝶。下一步將探究蝶翅表面的復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，為結(jié)構(gòu)的制備打下基礎(chǔ)，使仿生微納材料能夠真正應(yīng)用于紅外隱身領(lǐng)域。

[參考文獻]

[1]左海波. 仿蝴蝶鱗翅微納結(jié)構(gòu)光學(xué)特性研究[D].武漢：華中科技大學(xué),2011.

[2]任飛多. 仿蝴蝶翅膀微納結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計[D].武漢：華中科技大學(xué),2012.

[3]韓志武,鄔立巖,邱兆美,等. 紫斑環(huán)蝶鱗片的微結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)色[J]. 科學(xué)通報,2008,22:2692-2696.

[4]鄔文俊. 蝶翅微納結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性及變色機理研究[D].武漢：華中科技大學(xué),2012.

[5]任露泉,邱兆美,韓志武,等. 綠帶翠鳳蝶翅面結(jié)構(gòu)光變色機理的試驗研究[J]. 中國科學(xué)(E輯:技術(shù)科學(xué)),2007,07:952-957.

[6]Berthier S, Charron E, Silva A D. Determination of the cuticle index of the scales of the iridescent butterfly Morpho Menelaus[J]. Optics Communications, 2003,228：349-356.

[責(zé)任編校： 張眾]

Refection Characteristics Based on the Infrared of Nanostructures of Papilio Ulysses

WANG Zhenglong,WU Wenju, SHI Ying

(SchoolofMechanicalEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

Abstract：The reflection spectra curves of the Papilio Ulysses in light with different colors which was observed and experienced were obtained by explaining the mechanism of its color and analyzing its optical properties in the near-infrared band. The reflection efficiency of butterfly wings at different wavelengths was studied and found to be positively correlated with the surface color of the wing. The reason is that the color of the wing scale is not the color of its wings.

Keywords：infrared band; photometric characteristics; reflection efficiency; nano-micro structure

[中圖分類號]O43

[文獻標(biāo)識碼]：A

[文章編號]1003-4684(2016)01-0012-03

[作者簡介]王正龍(1988-)， 男， 湖北襄陽人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向為精密儀器及機械人

[基金項目]國家自然科學(xué)基金(51305129)

[收稿日期]2015-11-20