红外波段天堂凤蝶微纳结构光谱反射特性

王正龙, 邬文俊, 史　迎

(湖北工业大学机械工程学院， 湖北 武汉 430068)



红外波段天堂凤蝶微纳结构光谱反射特性

王正龙, 邬文俊, 史迎

(湖北工业大学机械工程学院， 湖北 武汉 430068)

[摘要]针对天堂凤蝶在光照下鳞片呈现不同色彩这一现象，对其表面鳞片微观结构和形态进行观察和实验，从光学理论角度解释其变色机理，并对其在近红外波段的光学特性进行分析，得到反射光谱的变化曲线。研究了蝶翅处于不同波长情况下的反射效率，发现在红外波段，蝶翅反射率并不与蝶翅表面颜色成正相关，其原因在于造成蝶翅鳞片色彩多变的因素不是其翅面颜色，而是与其内部微纳结构有关。

[关键词]红外波段； 光学特性； 反射效率； 微纳结构

天堂凤蝶蝶翅在阳光下呈现出亮丽的蓝色，是由其翅面内复杂的结构产生的，是一种典型的结构色[1]。在不同环境下形成多种多样翅面颜色，使其面对天敌时能够很好地隐身。目前，国内外学者针对蝴蝶翅膀处于可见光下变色机理做了一系列研究。Vukusic通过实验分析了蝶翅鳞片的反射特性，得出蝶翅色彩多变与其微纳结构有密切关系；吉林大学课题组也对东北几种常见蝴蝶的变色机理作了详尽分析；华中科技大学团队在已有的研究基础上，对蝶翅在液体和气体方面的应用进行深入分析。然而，对蝶翅处于红外波段的变色机理探索至今仍是空白。本文在红外波段以实验分析天堂凤蝶的变色现象，发现与鳞片复杂内部结构有关，得到反射光谱变化的曲线，并与异形紫斑蝶对比，揭示了其色彩变化的规律。

1试验

为了探索天堂凤蝶色彩多变是与其内部结构有关还是蝶翅表面本身的化学色有关，本文分别以色彩亮丽的天堂凤蝶和色彩较暗的异形紫斑蝶作为研究对象，采用高像素相机获得其图片(图1)。图中可见，天堂凤蝶颜色十分亮丽，边缘呈现树叶状条纹，并伴有金属光泽；异形紫斑蝶颜色较暗，翅面上有点状花斑。选取图中标注部位为样品点。

图 1　样本

为了进一步观察蝶翅的表面微观结构[2]，采用VHX-1000光学显微镜进行观测，分别得到天堂凤蝶和异形紫斑蝶单个鳞片的形状及表面形貌(图2)[3]，发现天堂蝶翅鳞片有规则地叠放在鳞翅表面，与基底成一定的倾斜角度，层层相叠，并且鳞片上有明显的纹路，且鳞片形状很规则，类似矩形；而异形紫斑蝶鳞片则像扇形，表面光滑，没有明显的纹理结构。

图 2　光学显微镜图

光学显微镜能够获得鳞片整体概况，但单个鳞片的表面特征却无法获得，因此利用JEOL JSM-6390LV的扫描电镜对其进行观察，生物模板不导电，无法直接对鳞片进行观察，因此需要对其表面进行喷金处理[4]，增加其导电性，得到天堂凤蝶和异形紫斑蝶SEM图(图3)。图中可见蝶翅鳞片表面由多条间距相同的脊状结构组成，在天堂凤蝶脊状结构中间，有一个个的凹坑，类似于网状，两种蝶翅表面上规则的树状脊结构类似于衍射光栅。

(a)天堂凤蝶

(b)异形紫斑蝶图 3　SEM图

上述对于蝶翅鳞片整体形状和单个鳞片特征的分析仍无法解释其变色机理与内部结构的关系，因此，本文利用一套小型光学测试系统测试其在红外波段的光学特性。测试系统采用NIRQuest近红外光谱仪，测量范围为900~2 100 nm，用于测量蝶翅样品的近红外波段反射率(图4)。整套系统由光源、光传输部分、反射平台部分和检测部分组成。光由HL-2000型钨卤白光源所发出，经光纤传输，通过光纤一端反射式探头作用到样品上；反射光经过探头接收后到达光谱仪；光谱仪与电脑相连，实现动态测量。

a-光源; b,e-准直透镜;c-偏振棱镜;d-半波片;f-光谱仪;g-载物台图 4　测试系统示意图

测试时，分别在天堂凤蝶和异形紫斑蝶蝶翅非脊脉部位(即图1样品点1)选取一块亮蓝色区域，裁取5 mm×5 mm的样块作为实验对象。将符合要求的蝶翅样块粘贴在载玻片上。由于采用垂直入射的方式，所以必须保持样品完整且平整，减小测量误差。测量发现，光纤探头距离样品2 mm左右时，光强最强，实验效果最好，因此，以2 mm作为测试距离。测量时，先将标准漫反射参考板放在测试平台上，得到一组亮光谱和暗光谱，测试条件保持不变，以此为参考，将蝶翅样块放到平台上进行测量。实验获取了20组测试数据，去除最大值和最小值，将剩余数据求取平均值后，利用MATLAB软件处理之后，得到天堂凤蝶和异形紫斑蝶反射率光谱。

2分析与讨论

获得天堂凤蝶和异形紫斑蝶在红外波段的反射光谱图如图5所示。

(a)天堂凤蝶

(b)异形紫斑蝶图 5　天堂凤蝶和异形紫斑蝶在红外波段反射光谱图

图中，当光垂直入射时，在全红外波段，光的发射率在1 000 nm处急剧上升，在1 000~1 200 nm波段达到一个峰值，然后下降，在1 200 nm处降到最低，之后再有一个平稳的上升。总体来说，反射光谱在1 000~1 200 nm波段有明显下降的趋势，随着波长增加，反射光谱平稳升高，没有突变现象，总体趋势变化不大，由此可判断蝶翅在这个范围内对光的敏感性比较强，因此本文主要对该波段进行讨论。图中发现，两种蝶翅都在900 nm处达到峰值，在1 200 nm处最低。从峰值点看，天堂凤蝶的反射率约为4.3%，异形紫斑蝶约为9.1%，最低点天堂凤蝶约为3.4%，异形紫斑蝶约为8%，异形紫斑蝶反射率约为天堂凤蝶的2倍。

图1中，在可见光下，天堂凤蝶测试点亮度远高于异形紫斑蝶，在红外波段对比两者测试部位，结合反射光谱却发现：其反射效率并不与表面观察颜色成正比。为了更进一步验证结论，减少实验系统误差，选择天堂凤蝶自身较暗的部位(图1样品点2)进行分析测试，得到反射光谱(图6)。

图 6　天堂凤蝶和异形紫斑蝶反射光谱图

图6中，虚线、点画线和实线分别为异形紫斑蝶、天堂凤蝶颜色较暗部位和颜色较亮部位的反射光谱。对比发现，异形紫斑蝶反射率最高，天堂凤蝶蝶翅较暗部位次之，闪亮蓝色部位最低，可见反射率并不受表面观察颜色的影响，颜色暗未必反射率就低；同一蝶翅，闪亮的区域反射率也要低于暗的区域。

通过对蝶翅红外波段反射光谱的分析与讨论，结合光学理论中薄膜干涉理论可知，发生这种现象的原因在于：当光入射蝶翅表面时，由于其鳞翅表面有许多薄层[5]，光在每层薄层都会发生反射和折射，反射光和折射光的光程差为半波长的偶数倍时，发生叠加，奇数倍时，则发生相消干涉[6]。其外在表现就在于，可见光下蝶翅表面能够发生闪亮的色彩，而在红外波段却表现为反射率极低，充分说明天堂凤蝶产生的耀眼光泽是一种典型的结构色，由其内部结构所决定，与其表面化学色并无关系。

3结束语

利用蝶翅反射光谱分析讨论其鳞翅表面光学特

性，发现红外波段光谱反射率有别于可见光波段，可见光中颜色亮丽的区域反射率较高，较暗部位则相对较低，红外波段却截然不同，亮丽部位反射光谱峰值却较低。此外，具有结构色的鳞片在光谱中表现与无结构色鳞片有明显不同，前者表面亮丽色彩是由其内部结构发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，可准确辨别出具有结构色的蝴蝶。下一步将探究蝶翅表面的复杂内部结构，对结构进行优化设计，为结构的制备打下基础，使仿生微纳材料能够真正应用于红外隐身领域。

[参考文献]

[1]左海波. 仿蝴蝶鳞翅微纳结构光学特性研究[D].武汉：华中科技大学,2011.

[2]任飞多. 仿蝴蝶翅膀微纳结构的优化设计[D].武汉：华中科技大学,2012.

[3]韩志武,邬立岩,邱兆美,等. 紫斑环蝶鳞片的微结构及其结构色[J]. 科学通报,2008,22:2692-2696.

[4]邬文俊. 蝶翅微纳结构的光学特性及变色机理研究[D].武汉：华中科技大学,2012.

[5]任露泉,邱兆美,韩志武,等. 绿带翠凤蝶翅面结构光变色机理的试验研究[J]. 中国科学(E辑:技术科学),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.

[责任编校： 张众]

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

[中图分类号]O43

[文献标识码]：A

[文章编号]1003-4684(2016)01-0012-03

[作者简介]王正龙(1988-)， 男， 湖北襄阳人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为精密仪器及机械人

[基金项目]国家自然科学基金(51305129)

[收稿日期]2015-11-20