光的薄膜干涉图解（蝴蝶也懂物理学）

自然界的动物们拥有各种各样的颜色，但唯独蓝色是最稀有的。以蝴蝶为例，它们基本上拥有最全的颜色，并且利用这些颜色来传递信息：例如“我有毒”或“我是雄性”等。如果放大蝴蝶的翅膀，我们会看到这些颜色来自微小的鳞片。这些鳞片含有色素分子，它们会吸收其他颜色的光，反射我们所见颜色的光。例如，红色色素分子反射红色光，吸收所有其他颜色的光。

但蝴蝶翅膀的颜色并不都是这个原理，有一种称为大蓝闪蝶的蝴蝶，它翅膀的蓝色就有些特别，它的鳞片实际上并没有蓝色色素分子，蓝色主要来源于鳞片本身的排列。这种颜色被称为结构色，生物体的结构色是由光波与折射率不同的生物纳米结构的物理相互作用产生的。如果我们以不同的角度观察大蓝闪蝶，我们会发现它的蓝色是处于变化之中的，就像全息图一样。顺便说一下，只有雄性的大蓝闪蝶才有美丽的蓝色。

大蓝闪蝶的结构颜色归结于多种物理机制，包括多重干涉、衍射、布拉格散射、廷德尔散射和瑞利散射。在本文中，我们将谈论的是最主要的干涉机制。不过，在此之前，我们需要先简单复习一下薄膜干涉。

假设有一束光照射于薄膜，这束光会在薄膜上表面发生发射，同时它也会折射进入薄膜下表面，然后再被下表面所反射。最后，这两束反射光会干涉形成新的光波。在这里，我们要注意的是，当从光疏介质进入光密介质的时候，会发生半波损失。于是，我们可以计算两束反射光的光程差，如果光程差是半波长的奇数倍，则发生相长干涉；如果是偶数倍，则发生相消干涉。

薄膜干涉在实际生活中应用广泛，我们最常见的应用之一应该是增透膜。我们希望相机在拍摄过程中，不受欢迎的颜色的光能少进入相机，而其他颜色的光能多进入相机，这时候增透膜就派上了用场，通过特殊的折射率和厚度设计，它能让不受欢迎的光相长干涉，其他光就能更多的进入相机。相机镜头前的颜色就是被反射出来的光的颜色。

那么，大蓝闪蝶的蓝色和这一切有什么关系呢？如果我们放大翅膀上的鳞片，我们会看到一些小山脊形状。继续放大这些山脊，我们会看到它的形状像小圣诞树，而“树枝”的排列使它的翅膀呈现蓝色。当光线进入该结构时，一部分光会在“树枝”的上表面发生反射，另一部分光会进入并在下表面发生反射，结果和刚才薄膜干涉一样，两束反射光会发生干涉。

蓝光的波长范围在400至480纳米，而该结构的尺度造成的光程差大约为200纳米，刚好等于蓝光波长的一半，它们发生的是相长干涉。而其他波长的光，则发生相消干涉。此外，鳞片附着在含有黑色素的基底，它会吸收掉红、黄的等杂散光，这就更加突出了蓝色。

如果我们用其他东西（比如酒精）填充这些微小的空隙，那么蓝色就会消失。这是因为，这改变了折射率，也就改变了它们的光程差。那么，你可能会想问，下雨的时候它为什么不会改变颜色？因为这些鳞片由天然防水材料制成，水是无法填充这些空隙的。