蝴蝶鳞片微观耦合结构及其光学性能与仿生研究

论文摘要

生物的结构色、形成机理及其应用研究是涉及物理学、化学、生物学、材料科学、工程学等领域的多学科交叉课题,一直是国际上研究的前沿和热点领域,受到世界发达国家学术界、工业界以及军方的高度重视,具有极其重要的学术意义、实际应用价值和广阔的应用前景,对于军事和国防的意义更加深远。本文对绿带翠凤蝶、柳紫闪蛱蝶、巴西蓝闪蝶、翠叶凤蝶和紫斑环蝶5种典型蝴蝶鳞片的形态和结构进行了较为系统的研究,揭示了其结构色的形成机理。采用紫外可见分光光度计测试蝴蝶鳞片在可见光范围内对光波的反射性能,揭示了蝴蝶鳞片形态、结构耦合与其光学性能的关系。设计了变色试验,通过改变入射角度和填充介质两种方法研究了蝴蝶鳞片的变色现象,是发现和鉴别蝴蝶结构色的有效手段。首次将鳞片多层薄层结构的结构色成色机理分成着色机理和变色机理两部分,并分别揭示了其着色机理和变色机理,建立了其光学性能的物理模型。根据蝴蝶鳞片的微观形态、结构和光学性能的测试和试验结果,首次优化设计出具有高反射性能的单色平行多层膜和具有高吸收性的复合色平行多层膜,构建了ABA型121组合的视频仿生隐身多层膜结构。蝴蝶鳞片的水平平行多层膜结构可以看作是一维光子晶体结构,本文根据蝴蝶鳞片结构参数,应用光子带隙计算软件Translight,对可见光范围内仿生平行多层膜结构的光学性能进行了理论计算,计算结果与试验结果吻合较好,为仿蝴蝶鳞片结构的视频仿生隐身材料的双光子聚合加工等提供了加工参数和理论模型。

论文目录

• 提要
• 第一章 绪论
• 1.1 选题的目的与意义
• 1.2 仿生非光滑与仿生耦合理论研究
• 1.2.1 仿生学基础
• 1.2.2 仿生非光滑理论
• 1.2.3 仿生耦合理论
• 1.3 生物结构色
• 1.3.1 结构色的产生原理
• 1.3.2 化学色的产生原理
• 1.3.3 结构色的分类
• 1.4 蝴蝶鳞片微观结构与光学特性
• 1.5 生物表面仿生研究拓展——视频隐身仿生研究
• 1.5.1 隐身技术的含义
• 1.5.2 实现隐身技术的途径
• 1.5.3 光色的隐身研究
• 1.5.4 可见光光谱调控致变色材料
• 1.5.5 生物色隐身特性
• 1.6 本文研究的主要内容
• 第二章 蝴蝶鳞片的微观耦合结构与优化模型
• 2.1 蝴蝶鳞片的形态与颜色
• 2.2 蝴蝶鳞片的微观结构
• 2.2.1 样品制备
• 2.2.2 体视显微镜分析
• 2.2.3 扫描电镜分析
• 2.2.4 透射电镜分析
• 2.2.5 五种典型蝴蝶鳞片微观耦合结构分析
• 2.3 蝴蝶鳞片结构的三维模型
• 2.3.1 鳞片表面形态结构模型
• 2.3.2 鳞片横截面结构模型
• 2.3.3 鳞片结构三维优化模型
• 2.4 本章小结
• 第三章 蝴蝶鳞片结构色光学试验研究
• 3.1 可见光与颜色
• 3.1.1 可见光
• 3.1.2 颜色的色学性质
• 3.1.3 几何光学
• 3.2 鳞片光学变色现象对比分析
• 3.2.1 改变填充介质变色
• 3.2.2 改变入射角度变色
• 3.2.3 鳞片结构色变色分析
• 3.3 光学试验
• 3.3.1 试验仪器
• 3.3.2 样品制备
• 3.3.3 试验过程
• 3.4 光学试验结果与分析
• 3.4.1 试验结果
• 3.4.2 高反射性能鳞片
• 3.4.3 高吸收性能鳞片
• 3.5 本章小结
• 第四章 蝴蝶鳞片结构色光学机理分析
• 4.1 颜色的产生机制
• 4.1.1 颜色的起因类型
• 4.1.2 光干涉产生结构色
• 4.2 结构色着色机理
• 4.2.1 薄膜干涉理论
• 4.2.2 三色光成色理论
• 4.3 理论计算分析
• 4.3.1 单色干涉色分析
• 4.3.2 复合色干涉色分析
• 4.4 结构色变色机理
• 4.4.1 薄层厚度变色分析
• 4.4.2 填充介质变色分析
• 4.4.3 角度变化变色分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 多层薄膜耦合结构仿生设计
• 5.1 生物表面仿生研究
• 5.2 多层薄膜耦合结构分析
• 5.3 多层薄膜耦合仿生设计
• 5.3.1 设计依据
• 5.3.2 单色膜结构设计
• 5.3.3 变色膜结构设计
• 5.4 本章小结
• 第六章 蝴蝶翅面鳞片光子晶体结构
• 6.1 光子晶体的基本理论
• 6.1.1 光子晶体的含义与分类
• 6.1.2 光子晶体的计算方法
• 6.2 一维光子晶体
• 6.3 仿蝴蝶鳞片一维光子晶体结构理论计算
• 6.3.1 计算软件
• 6.3.2 结构参数设置
• 6.3.3 一维光子晶体结构模型
• 6.3.4 理论计算结果
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 后续工作展望
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间的研究成果
• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 附录
• 导师及作者简介