仿蝴蝶翅膀微納結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、Morpho蝴蝶翅膀呈現(xiàn)出耀眼的藍(lán)色光澤,這與蝶翅鱗片表面遍布的微納結(jié)構(gòu)有密切聯(lián)系。基于這種結(jié)構(gòu)色現(xiàn)象,提出了用優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法,將光學(xué)特性和仿生設(shè)計(jì)結(jié)合起來,進(jìn)行了一系列研究。
　　首先分析了Morpho didius蝴蝶翅膀鱗片表面微納結(jié)構(gòu)的形態(tài),通過測量提取了微納結(jié)構(gòu)的相關(guān)尺寸參數(shù),建立了較為精確的生物模型。將生物模型簡化為了非對稱和對稱兩種仿生結(jié)構(gòu),降低了仿真與制造的難度。
　　然后確立了優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論和方法,使用嚴(yán)格

2、耦合波理論求解微納結(jié)構(gòu)反射率,并使用遺傳算法作為優(yōu)化算法。通過研究程序和大量試優(yōu)化,確定了遺傳算法操作步驟為實(shí)數(shù)編碼、排序法標(biāo)定、隨機(jī)均勻選擇、分散法交叉和自適應(yīng)變異;其算法參數(shù)為種群規(guī)模30～50、交叉概率0.2、進(jìn)化代數(shù)200代。經(jīng)試優(yōu)化驗(yàn)證這套算法效率較高。
　　接著以最大化仿生結(jié)構(gòu)的藍(lán)光波段反射率為目標(biāo),使用遺傳算法在兩種偏振模式下對不同層數(shù)的對稱仿生結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算,通過優(yōu)化得出的最優(yōu)結(jié)構(gòu)都具有藍(lán)光波段的選擇反射特性,

3、其反射光譜峰值均位于470nm附近,且反射率與原仿生結(jié)構(gòu)相比有明顯提升。
　　隨后依次改變了原優(yōu)化試驗(yàn)的優(yōu)化目標(biāo)、約束條件和各結(jié)構(gòu)參數(shù),進(jìn)行了多組優(yōu)化設(shè)計(jì)。將優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn):最優(yōu)結(jié)構(gòu)對特定波長入射光的高反射率現(xiàn)象主要源自多層膜干涉效應(yīng);特定的層厚值和上層薄片寬度在多層膜干涉效應(yīng)中起主導(dǎo)作用,為提高反射率作出了主要貢獻(xiàn);脊柱寬度 w、最小間隙寬度 b、樹狀結(jié)構(gòu)排列周期 p和材料折射率 n2這些參數(shù)的改變都會(huì)對反射光譜產(chǎn)生影響,