光的薄膜幹涉圖解（蝴蝶也懂物理學）

2023-04-30 15:07:57

自然界的動物們擁有各種各樣的顏色，但唯獨藍色是最稀有的。以蝴蝶為例，它們基本上擁有最全的顏色，並且利用這些顏色來傳遞信息：例如「我有毒」或「我是雄性」等。如果放大蝴蝶的翅膀，我們會看到這些顏色來自微小的鱗片。這些鱗片含有色素分子，它們會吸收其他顏色的光，反射我們所見顏色的光。例如，紅色色素分子反射紅色光，吸收所有其他顏色的光。

但蝴蝶翅膀的顏色並不都是這個原理，有一種稱為大藍閃蝶的蝴蝶，它翅膀的藍色就有些特別，它的鱗片實際上並沒有藍色色素分子，藍色主要來源於鱗片本身的排列。這種顏色被稱為結構色，生物體的結構色是由光波與折射率不同的生物納米結構的物理相互作用產生的。如果我們以不同的角度觀察大藍閃蝶，我們會發現它的藍色是處於變化之中的，就像全息圖一樣。順便說一下，只有雄性的大藍閃蝶才有美麗的藍色。

大藍閃蝶的結構顏色歸結於多種物理機制，包括多重幹涉、衍射、布拉格散射、廷德爾散射和瑞利散射。在本文中，我們將談論的是最主要的幹涉機制。不過，在此之前，我們需要先簡單複習一下薄膜幹涉。

假設有一束光照射於薄膜，這束光會在薄膜上表面發生發射，同時它也會折射進入薄膜下表面，然後再被下表面所反射。最後，這兩束反射光會幹涉形成新的光波。在這裡，我們要注意的是，當從光疏介質進入光密介質的時候，會發生半波損失。於是，我們可以計算兩束反射光的光程差，如果光程差是半波長的奇數倍，則發生相長幹涉；如果是偶數倍，則發生相消幹涉。

薄膜幹涉在實際生活中應用廣泛，我們最常見的應用之一應該是增透膜。我們希望相機在拍攝過程中，不受歡迎的顏色的光能少進入相機，而其他顏色的光能多進入相機，這時候增透膜就派上了用場，通過特殊的折射率和厚度設計，它能讓不受歡迎的光相長幹涉，其他光就能更多的進入相機。相機鏡頭前的顏色就是被反射出來的光的顏色。

那麼，大藍閃蝶的藍色和這一切有什麼關係呢？如果我們放大翅膀上的鱗片，我們會看到一些小山脊形狀。繼續放大這些山脊，我們會看到它的形狀像小聖誕樹，而「樹枝」的排列使它的翅膀呈現藍色。當光線進入該結構時，一部分光會在「樹枝」的上表面發生反射，另一部分光會進入並在下表面發生反射，結果和剛才薄膜幹涉一樣，兩束反射光會發生幹涉。

藍光的波長範圍在400至480納米，而該結構的尺度造成的光程差大約為200納米，剛好等於藍光波長的一半，它們發生的是相長幹涉。而其他波長的光，則發生相消幹涉。此外，鱗片附著在含有黑色素的基底，它會吸收掉紅、黃的等雜散光，這就更加突出了藍色。

如果我們用其他東西（比如酒精）填充這些微小的空隙，那麼藍色就會消失。這是因為，這改變了折射率，也就改變了它們的光程差。那麼，你可能會想問，下雨的時候它為什麼不會改變顏色？因為這些鱗片由天然防水材料製成，水是無法填充這些空隙的。