Дифракционная окраска насекомых
Дифракционная (структурная) окраска птиц, бабочек и жуков весьма распространена в природе.
Большое разнообразие в оттенках дифракционных цветов свойственно павлинам, фазанам, чёрным аистам, колибри, бабочкам тропической зоны и многим видам жуков (среди них рогачи, долгоносики, листоеды и др.).
Дифракционную окраску животных изучали не только биологи, но и физики, например Релей, Вуд, Майкельсон.
Внешняя поверхность оперения у многих птиц и верхний покров тела бабочек и жуков характеризуются регулярным повторением элементов структуры с периодом от одного до нескольких микрон.
У некоторых животных подобные структуры могут покрывать тело в несколько слоёв, образуя многоэтажную (объёмную) дифракционную решётку.
Наряду с дифракционной животные могут иметь и чисто интерференционную окраску, образующуюся на тонких и прозрачных внешних покровах (клинообразных по сечению вдоль основной оси симметрии) с толщиной оптически деятельного слоя от десятых долей микрона до нескольких микрон.
На рисунках 1 и 2 вы видите снимки крыла бабочки-переливницы и спинки жука — азиатского листоеда (выбраны участки с дифракционной окраской).
Снимки 1, 2, 3 получены с помощью микроскопа со стократным увеличением.
Для выявления элементов структуры использовалось боковое освещение.
На снимках чётко видно повторение элементов структуры.
Рис. 1
Рис. 2
Рис. 3. Структура центральных глазков хвостового оперения павлина.
Цвет глазков меняется в зависимости от того, как падает на них свет, под каким углом мы на них смотрим.
(На фотографии, помещённой на первой странице обложки, эти глазки синие.)
Цвет поверхностного покрова может изменяться в зависимости от того, под каким углом падает свет на поверхность решётки, как ориентированы лучи света по отношению к элементам структуры, под каким углом рассматривается поверхность.
Рис. 4
Очевидно, что окраска поверхности связана с отражением лучей.
Рассмотрим количественно дифракцию в отражённом свете.
Пусть лучи света падают на решётку под углом , и отражаются от неё под углом (рис. 4).
Разность хода лучей 1 и 2 равна
или
Поскольку для дифракционных максимумов (, 2, ), то
Наибольшая энергия локализована в первом дифракционном максимуме ().
Для этого максимума, полагая, что близко к , из выражения (3) получим
Пусть (в рассматриваемом случае дифракция в отражённом свете наблюдается при наклонном падении лучей), а (примерно 0,05 рад).
Тогда, например, для длина волны дифрагированного света из уравнения (4) равна .
Полученная величина соответствует синей области спектра.
Чаще всего дифракционная окраска в природе наблюдается в зелёном, синем или голубом свете.
Из формулы (4) видно, что длина волны зависит от угла падения света .
Действительно, если освещать поверхность под разными углами, окраска может изменяться.
В случае многослойной дифракционной решётки условие образования дифракционных максимумов описывается уравнением
где — расстояние между соседними слоями решётки.
Это уравнение получается путём определения разности хода , между лучами 1 и 2 (рис. 5) и замены для дифракционных максимумов через .
Рис. 5
Полагая , из выражения (5) получим
Отсюда следует, что дифракция на многослойной структуре возможна при .