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蝴蝶彩色戏法在实验室中的再现

衍射光学工程的创新:美国的研究人员受蝴蝶翅膀的启发制造出了一种能够实现光的反向衍射的新材料

美国的研究人员受蝴蝶翅膀的启发制造出了一种能够实现光的反向衍射的新材料。这种结构混合蝴蝶反向衍射光栅和常规衍射光栅的特点,使它呈现出一种在自然结构中不存在的附加特点。研究人员相信它可以应用于太阳电池、LED以及防伪标签等广泛的领域。

许多动物进化出了精致的色彩方案,常常用于吸引配偶或迷惑捕食者。2010年,Jean Pol Vigneron以及他在比利时那慕尔大学的同事与巴拿马的合作者一起,在雄性Pieralla Luna蝴蝶的翅膀上发现了一些令们好奇的彩虹色的斑点,通常被称为森林地面色。颜色的产生是因为蝴蝶翅膀上的鳞片像衍射光栅一样,虽然有些扭曲。一个常规的衍射光栅,波长最长的光衍射最厉害。所以随着视角更加倾斜,颜色从紫色变化到绿色到红色。然而Pieralla Luna发现的蝴蝶翅膀上的斑点,却是通过一种相反的方式来改变颜色:当倾斜看的话是紫色当几乎垂直看是红色。

分析翅膀的结构,Vigneron和他的同事发现衍射源自翅膀鳞片表面的的扇形状图案:这些鳞片边缘向上弯曲,形成垂直于翅膀的衍射光栅。蝴蝶这结构的功能尚不清楚,但是该结构在雌性蝴蝶上并不存在,表明这种结构有性信号功能(参考“单调的蝴蝶揭示其隐藏的色彩”)。

的行

哈佛大学的研究人员已经通过带有圆齿状边缘的微米级硅板复制出了这种结构,并增加了结构扭曲。翅膀上的鳞片相距几十微米,其间距不规则,所以不同鳞片反射的光相互没有干涉。但是在他们的硅片光栅上,研究人员间距仅5微米、间距10微米的间隔设置规则的长方形支柱板。这种周期性使得支柱板在整体上表现出等级性的双衍射光栅----一种常规的衍射光栅,但是每个衍射元件本身是一个反向衍射光栅。

垂直衍射元件(板子上产生反向衍射的扇形)比常规的衍射元件(板子本身)靠更近,因此反向衍射图案传播要宽泛得多。“因为它是一个小得多的周期性,你只能在实际的实验结果中看到一,”哈佛的Grant England解释混合后的衍射图案表明多套衍射条纹来自于常规的衍射图案,但是每一套条纹的颜色的相对强度是由反向衍射图案的宽条纹调制的。

两个衍射光栅可以独立操作,使研究人员更好地控制混合的衍射图案。通过移动板子使之靠近或分得更远,周期的子产生的衍射级位置形成位移,但是叠加的反向衍射图案却不受影响。相反的,当研究者剪切表面,从而弯曲板而不改变他们的间距,反向衍射光栅的光的入射角发生了变化,而常规衍射光栅的入射角保持不变,每组的条纹保持在同一位置,但是每种条纹颜色的相对强度发生了变化

批量复制

研究人员使用工业兼容技术来生产这种仿生光栅批量生产所需数量光栅之前刻蚀一个母片光栅。团队的Mathias Kolle相信这结构能拥有多种技术用途。“在蝴蝶这个案例中,很可能是一种显示功能”他说,“在信号理论中,这将是一个独特的识别结构,所以我们想到的显而易见的事情就是防伪印刷。认为,这项技术可以用于钞票和信用卡的防伪标签。除此以外,他认为也有可能应用与LED管理或光伏电池中

英国埃克塞特大学的超材料科学家Roy Sambles说道:“大家都知道麦克斯韦方程组,也知道衍射方程,在衍射光学中没有什么新的东西”但是在工程方面,他却颇感震惊:“你在垂直方向得到了一个多衍射结构,然后你在水平的两个方向都有衍射光栅,在某种程度上说,这是一个三重衍射结构----这是一个相当整洁聪明的技术。”

文章编译自 Butterfly's colourful trick of the light recreated in the lab, Physics World, Oct 10, 2014. 原文作者Tim Wogan. 研究内容发表于Proceedings of the National Academy of Sciences.

 

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