一種基于流體光波導(dǎo)的一維可調(diào)諧光束方向調(diào)控方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光束整形技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種可調(diào)諧光束方向調(diào)控方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光束的整形技術(shù)包括了對(duì)光束的聚焦、準(zhǔn)直、偏轉(zhuǎn)、分束、耦合等調(diào)控，通常調(diào)控光學(xué)介質(zhì)的折射率分布就可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光束的聚焦、準(zhǔn)直、偏轉(zhuǎn)、分束等控制。近年來(lái)快速發(fā)展的微流控光學(xué)技術(shù)為我們提供了光束整形的新方法，其原理是通過(guò)控制流體流動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光線(xiàn)微觀尺度的控制(Mao X, Lin SS, Lapsley MI, Shi J, Juluri BK，Tunableliquid gradient refractive index (L-GRIN) lens with two degrees of freedom, Lab.Chip.,9(2009):2050-2058,具有2個(gè)自由度調(diào)節(jié)能力的可調(diào)諧液體漸變折射率透鏡，片上實(shí)驗(yàn)室，9 (2009):2050-2058 ;Yang Y, Liu AQ, Chin LK, Zhang XM, Tsai DP, Lin CL, LuC，Wang GP, Zheludev NI，Optofluidic waveguide as a transformat1n optics devicefor lightwave bending and manipulat1n，Nat.Commun.，3 (2012): 651-657，用于光波彎曲和控制的基于光流控波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換光學(xué)器件，自然-通信，3(2012):651-657) ο鑒于此，微流控技術(shù)和系統(tǒng)可以被引入光束方向沿一個(gè)或多個(gè)維度自由可調(diào)的流體微透鏡的設(shè)計(jì)和制作中。首先利用一種折射率較高的流體在折射率較低的流體中的擴(kuò)散和對(duì)流，形成一種可調(diào)控折射率分布的流體光波導(dǎo)，然后通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)控流體光波導(dǎo)的折射率分布來(lái)調(diào)諧光波在出射端的偏轉(zhuǎn)與聚焦，得到光束一維偏轉(zhuǎn)與聚焦的效果。
[0003]目前尚無(wú)光束方向沿一個(gè)或多個(gè)維度自由可調(diào)的透鏡結(jié)構(gòu)，光束方向的調(diào)節(jié)需要通過(guò)外置的精密機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜、尺寸大，而且也無(wú)法實(shí)現(xiàn)光束方向的連續(xù)動(dòng)態(tài)可調(diào)。難以滿(mǎn)足光電檢測(cè)領(lǐng)域和光傳感領(lǐng)域的迫切需求。為滿(mǎn)足應(yīng)用領(lǐng)域的迫切需求，本發(fā)明提出基于流體光波導(dǎo)的一維可調(diào)諧光束方向調(diào)控方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服已有微透鏡的需要外置精密機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)透鏡光束方向調(diào)諧、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸龐大、制作困難、調(diào)控靈活性差、集成度低的不足，本發(fā)明提供一種集成度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便、成本低廉的基于流體光波導(dǎo)的一維可調(diào)諧光束方向調(diào)控方法。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:
[0006]一種基于流體光波導(dǎo)的一維可調(diào)諧光束方向調(diào)控方法，該光束方向調(diào)控方法采用流體微透鏡，所述流體微透鏡包括流體光波導(dǎo)、入射激光器、光束接收面和流出流體貯存器，所述流體光波導(dǎo)上開(kāi)有用于承載微流體的流道，所述流道包括一個(gè)芯層流體入口、兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的包層流體入口、流體微腔和兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的流體出口，所述芯層流體入口、包層流體入口均與所述流體微腔的入口側(cè)連通，所述流體微腔的出口側(cè)與兩個(gè)流體出口連接，所述流體出口與流出流體貯存器連通，所述入射激光器和光束接收面同軸布置，所述入射激光器和光束接收面的軸線(xiàn)與流體流動(dòng)方向平行且方向一致沿微腔的中心軸線(xiàn)方向，所述芯層流體入口和包層流體入口內(nèi)安裝用以調(diào)節(jié)流體速度的流速調(diào)節(jié)設(shè)備，所述流速調(diào)節(jié)設(shè)備控制芯層流體和包層流體流速以便實(shí)現(xiàn)光束方向沿一個(gè)維度自由可調(diào)的效果；
[0007]所述芯層流體和包層流體彼此之間只存在擴(kuò)散和對(duì)流運(yùn)動(dòng)，包層流體環(huán)繞著芯層流體，所述芯層流體和包層流體是具有不同折射率的兩種流體，所述芯層流體和包層流體在流體微腔中流動(dòng)共同構(gòu)成流體光波導(dǎo)；
[0008]所述一維可調(diào)諧光束方向調(diào)控方法如下:通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)包層流體的流速比實(shí)現(xiàn)中心折射率的一維偏移。
[0009]進(jìn)一步，兩個(gè)包層流體入口以微腔的中心軸線(xiàn)左右對(duì)稱(chēng)，增大左右兩個(gè)包層流體的流速比，中心折射率向右偏移，減小左右兩個(gè)包層流體的流速比，中心折射率向左偏移。
[0010]或者是:兩個(gè)包層流體入口以微腔的中心軸線(xiàn)上下對(duì)稱(chēng)，增大上下兩個(gè)包層流體的流速比，中心折射率向下偏移，減小上下兩個(gè)包層流體的流速比，中心折射率向上偏移。當(dāng)然，除了左右和上下之外，也可以是其他對(duì)稱(chēng)的一維方向。
[0011]再進(jìn)一步，所述流速調(diào)節(jié)設(shè)備為注入流體的蠕動(dòng)泵。
[0012]更進(jìn)一步，所述包層流體折射率高于所述芯層流體折射率。
[0013]本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為:利用構(gòu)成流體光波導(dǎo)的芯層和包層兩種流體的擴(kuò)散和對(duì)流過(guò)程動(dòng)態(tài)調(diào)控波導(dǎo)折射率，影響兩種流體擴(kuò)散與對(duì)流過(guò)程并進(jìn)而影響流體光波導(dǎo)折射率分布的主要因素包括芯層和包層流體的流速以及不同折射率微流體的選擇。在有限長(zhǎng)的微溝道中如果流體流速比較低，則擴(kuò)散效應(yīng)明顯，此時(shí)無(wú)論是微腔的橫截面方向還是沿著流體流動(dòng)方向都要考慮擴(kuò)散效應(yīng)對(duì)濃度梯度的影響，而芯層流體在包層流體中的擴(kuò)散正是漸變折射率流體光波導(dǎo)能夠?qū)崿F(xiàn)的理論基礎(chǔ)。進(jìn)一步地，與以往基于微流控光學(xué)技術(shù)的漸變折射率透鏡不同，讓一側(cè)包層的流速大于另一側(cè)，形成折射率較高的芯層區(qū)域的偏移分布，并以此來(lái)進(jìn)行光束的偏轉(zhuǎn)與聚焦。因此，通過(guò)控制芯層流體和包層流體的流速和流體種類(lèi)不僅可以有效控制流體擴(kuò)散濃度以及折射率的空間分布，還可以控制光波的偏轉(zhuǎn)與聚焦效果O
[0014]本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在:1、基于微流控光學(xué)技術(shù)的光束整形方法，以?xún)煞N流體之間的對(duì)流和擴(kuò)散過(guò)程形成流體光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制芯層和包層流體的流速以及流體種類(lèi)，可以得到靈活多變的折射率分布，實(shí)現(xiàn)聚焦方向可調(diào)諧微透鏡，且偏轉(zhuǎn)的角度和焦距可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)；2、通過(guò)發(fā)明基于流體光波導(dǎo)的光束方向可調(diào)諧微透鏡，可以構(gòu)建一種兼具集成性和可調(diào)諧功能的新型光束方向沿一維自由可調(diào)的流體微透鏡；3、光束傳播方向沿著微透鏡的中心軸液體流動(dòng)方向，有效保證了漸變折射率分布對(duì)微透鏡光束方向的可調(diào)性；4、與傳統(tǒng)的光束方向調(diào)控方法相比，具有不需要外置機(jī)械機(jī)構(gòu)，單個(gè)微透鏡即可實(shí)現(xiàn)光束方向動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，且具有集成度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1是本發(fā)明基于流體光波導(dǎo)的光束方向沿一維自由可調(diào)的流體微透鏡的示意圖。
[0016]圖2是本發(fā)明基于流體光波導(dǎo)的光束方向沿一維自由可調(diào)的流體微透鏡中流體光波導(dǎo)承載微流體的空腔示意圖。
[0017]圖3是保持兩側(cè)包層流體流速相同，沿著流體流動(dòng)方向不同位置橫截面處的折射率分布。
[0018]圖4是兩側(cè)包層流體流速不同時(shí)，沿著流體流動(dòng)方向不同位置橫截面處的折射率分布O
[0019]圖5是改變一側(cè)包層流體流速，實(shí)現(xiàn)折射率分布的中心高折射率向一側(cè)偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光束方向向一側(cè)的偏轉(zhuǎn)。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0021]參照?qǐng)D1?圖5，一種基于流體光波導(dǎo)的一維可調(diào)諧光束方向調(diào)控方法，該光束方向調(diào)控方法采用流體微透鏡，所述流體微透鏡包括流體光波導(dǎo)1、入射激光器2、光束接收面3和流出流體貯存器4，所述流體光波導(dǎo)I上開(kāi)有用于承載微流體的流道，所述流道包括一個(gè)芯層流體入口 5、兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的包層流體入口 6、流體微腔