仿蝴蝶鳞翅微纳结构光学特性研究

论文摘要

Morpho蝴蝶是自然界结构色中最受关注的例子之一,其鳞翅微纳结构可以对光产生干涉、衍射等效应,使蝴蝶呈现出闪亮耀眼的蓝色光芒。针对蝴蝶结构色机理的研究已经成为了仿生学中的一个重要内容。本文实验和仿真相结合,对Morpho蝴蝶鳞翅微纳结构的光学特性进行了深入研究。其中,实验部分改进了两套光学测试平台,检测Morpho蝴蝶鳞翅微纳结构的反射光谱。在蝴蝶鳞翅的上表面滴加一些液体介质后,蝴蝶鳞翅的颜色将由蓝色转变为绿色,而后又重新恢复为蓝色。在液体介质完全浸润之后的挥发过程初期,蝴蝶鳞翅反射光谱可以维持一段时间稳定;随着液体介质进一步挥发,蝴蝶鳞翅反射光谱会在微小的波动后开始明显变化,峰值也开始大幅上升,而峰值波长则会往波长较小一侧偏移减小。同时,参照Morpho蝴蝶鳞翅微纳结构进行了建模仿真,引入了严格耦合波理论(RCWA),进行仿蝴蝶鳞翅微纳结构光学特性分析。仿真结果表明,仿蝴蝶鳞翅微纳结构的反射特性会随着模型参数的调整而发生改变:增大纵向周期高度,反射光谱峰值反射率增加,且峰值波长向较大方向偏移;减小纵向周期数,峰值显著下降,波峰变宽,峰值波长也向较大一侧偏移;增大横向周期宽度,峰值略有下降,峰值波长也向波长较大一侧偏移,但整体变化不大;改变环境条件,即增大环境折射率,峰值亦大幅下降,峰值波长向波长较大一侧明显偏移。进一步,针对滴加液体介质后的蝴蝶鳞翅颜色变化过程进行了模拟仿真,结果与实验匹配性较好,但仿真模拟得到的反射光谱可以在液体介质完全挥发后恢复到滴加液体之前原始状态,而实验中,反射光谱会随着滴加液体次数的增加而发生变化,这与液体介质对蝴蝶鳞翅角质层材料的损毁作用有关。上述结论有助于揭示Morpho蝴蝶鳞翅变色机理,为今后开展相关或类似的研究提供了借鉴,对具有气体检测功能的仿生微纳结构的设计、制造及应用具有指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 选题目的及意义
• 1.3 国内外研究概况
• 1.4 本文主要研究内容
• 2 蝴蝶鳞翅微纳结构光学特性实验研究
• 2.1 蝴蝶鳞翅形态及微纳结构
• 2.2 光学测试平台
• 2.3 蝴蝶鳞翅颜色变化现象实验研究方案
• 2.4 蝴蝶鳞翅颜色变化现象结果分析
• 2.5 本章小结
• 3 仿蝴蝶鳞翅微纳结构光学特性仿真分析
• 3.1 仿蝴蝶鳞翅微纳结构建模
• 3.2 理论基础与仿真工具
• 3.3 模型参数分析
• 3.4 蝴蝶鳞翅颜色变化现象仿真分析方案
• 3.5 蝴蝶鳞翅颜色变化现象实验及仿真结果对比分析
• 3.6 结果差异性讨论
• 3.7 本章小结
• 4 结论及展望
• 4.1 本文结论
• 4.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读学位期间发表论文目录