片内焦距与焦斑动态可调的流体微透镜制造技术

一种片内焦距与焦斑动态可调的流体微透镜，所述流体微透镜包括微腔、芯层流道、包层流道和出口流道，所述包层流道与所述微腔的进口的周围一圈均连通，所述芯层流道与芯层入口连通，所述芯层入口的内径比所述微腔的内径小，且所述芯层入口与所述微腔在同一根轴线上，所述芯层入口的出口处与所述包层流道连通且正对所述微腔的进口，所述微腔的出口与所述出口流道连通。本发明专利技术提供一种有效动态调整焦距和焦斑、灵活性良好的片内焦距与焦斑动态可调的流体微透镜。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及流体光学微透镜，尤其是一种焦距与焦斑动态可调的流体微透镜。
技术介绍
现有的流体微透镜，通常采用液-液透镜，一般均为片外聚焦型流体微透镜， 无法实现片上系统的集成。最近，怀特赛兹教授小组开发了一种可动态调节液-液 透镜表面曲率的微透镜，实现了片内焦距可调（Tang,SindyK.Y. ;Stan,ClaudiuA.; Whitesides,GeorgeM?Dynamicallyreconfigurableliquid-coreliquid-cladding lensinamicrofluidicchannel，Lab.Chip. ,8(2008):395-401，基于微流体通道的动态 可调液体芯层-液体包层透镜，片上实验室，8 (2008) : 395-401)。然而，利用液-液透镜界 面实现的微透镜需要很高的层流速度来保持该曲面的稳定，意味着为保证微透镜的稳定持 续的工作，必须不间断注入大流量的液体。
技术实现思路
为了克服已有微透镜的无法动态调整焦距和焦斑、灵活性较差的不足，本专利技术提 供一种有效动态调整焦距和焦斑、灵活性良好的片内焦距与焦斑动态可调的流体微透镜。 本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是： 一种片内焦距与焦斑动态可调的流体微透镜，所述流体微透镜包括微腔、芯层流 道、包层流道和出口流道，所述包层流道与所述微腔的进口的周围一圈均连通，所述芯层流 道与芯层入口连通，所述芯层入口的内径比所述微腔的内径小，且所述芯层入口与所述微 腔在同一根轴线上，所述芯层入口的出口处与所述包层流道连通且正对所述微腔的进口， 所述微腔的出口与所述出口流道连通。 所述芯层流道、包层流道平行布置，且所述包层流道与所述微腔的轴线呈相互垂 直布置。 本专利技术的技术构思为：与现有的液-液透镜相比，渐变折射率流体微透镜 (L-GRIN)基于不同折射率层流的扩散和对流原理工作，而不是依赖于固定的液-液曲面， 因此不需要高层流速度，经证实对液体的消耗量比液-液透镜少了 100多倍。并且微透镜 是通过动态调节流体条件，而非改变微透镜表面曲率来实现折射率渐变的，因此其光学特 性实时可调谐。从原理上来看，渐变折射率流体微透镜（L-GRIN)有可能实现片内焦距与焦 斑动态可调。 本专利技术的有益效果主要表现在：有效动态调整焦距和焦斑、灵活性良好。【附图说明】 图1是片内焦距与焦斑动态可调的流体微透镜的结构图，其中，x、y、z代表坐标 轴，X轴方向代表流体流动方向、同时也是入射光束传播方向，yoz代表垂直光轴的截面， xoy代表包含光轴的截面。 图2是片内焦距与焦斑动态可调的流体微透镜的截面图。 图3是选取五个不同位置处的截面折射率的分布图。 图4是通过调整质量分数所调整的焦距的结果变形趋势图。 图5是横截面沿着液体流动方向上不同的折射率分布图。 图6是流速对焦距的影响图。 图7是沿着液体流动方向的不同横截面的折射率分布图。 图8是模拟的数据和拟合的曲线图。【具体实施方式】 下面结合附图对本专利技术作进一步描述。 参照图1~图8,一种片内焦距与焦斑动态可调的流体微透镜，所述流体微透镜包 括微腔1、芯层流道2、包层流道3和出口流道4,所述包层流道3与所述微腔1的进口的周 围一圈均连通，所述芯层流道2与芯层入口 5连通，所述芯层入口 5的内径比所述微腔1的 内径小，且所述芯层入口 5与所述微腔1在同一根轴线上，所述芯层入口 5的出口处与所述 包层流道3连通且正对所述微腔1的进口，所述微腔1的出口与所述出口流道4连通。 所述芯层流道2、包层流道3平行布置，且所述包层流道3与所述微腔1的轴线呈 相互垂直布置。 本实施例中，芯层液体和包层液体分别注入通过芯层入口 5和包层入口，分别通 过出口流出。流体微透镜的主要部分是一个微型圆柱腔，圆柱腔内的流体的扩散和对流过 程将会出现渐变折射率分布。流体微透镜的截面设计如图2,入口直径设计为50ym，包层 进口的直径设计为150ym。乙二醇溶液（芯层液体）与去离子水（DI，包层液体）同时注 入腔体，xoy截面上轴对称的渐变折射率分布：近轴折射率最大，沿着腔中心轴线方向和垂 直轴线方向的折射率分布渐变减小。 采用有限元法（FEM)和光线追迹法来模拟和优化参数。器件的折射率分布可以通 过模拟和计算两相流体扩散和对流过程稳定后在微腔中的浓度获得。在微腔内，流体的扩 散和对流影响了流体微透镜的折射率分布，对流扩散过程，U= (〇。_+〇。13(1)/R2JT代表腔体 的流体速度，9。_和Qdad分别代表芯层和包层的流速，R为包层流体的直径。 因为扩散对流过程的决定性因素包括流体平均速度U和扩散系数D，而扩散系数 又受浓度C和温度T的影响，因此改变流体平均速度U、浓度以及温度，会对流体微透镜的 性能有很重要的调节作用。例如，乙二醇溶液中的质量分数由0.025变为0.95时，去离 子水和乙二醇之间的扩散系数从3. 75XKTltlmVs变为1. 17Xl(T9m2/s。另外，乙二醇质量 分数为〇. 8不变，当温度变化从30°C到50°C时，液体的扩散系数从3. 15XKTV/s变为 6. 45XlO^nVs。因此在假定液体的温度不变的前提下，液体的扩散系数D、浓度C和平均 速度U将是扩散对流过程的主要影响因素，其直接决定了微透镜的聚焦性能。假设将去离 子水和乙二醇溶液分别选为包层和芯层液体，并且假定包层芯层液体流速相同无相对滑移 进行计算。低流速下可以实现有效的焦距调节，高流速可以实现焦斑大小的调节。因此，焦 距和输出光束的焦斑可以通过调节流体的速度来实现。 为了形成扩散对流效果，高折射率的乙二醇（neOTe= 1. 432)和低折射率的去离子 水（ndad= 1. 332)将沿着同一个方向注入到所设计的微透镜的微腔中。从芯层和包层液体 注入到微腔开始，扩散对流过程便开始发生，这里的U和D将是确定的值。并且这个初速度 可以用公式U= (〇。_+〇。13(1)/R2 来计算得到。考虑到包层截面的面积是芯层面积的8倍， 为了保持芯层和包层液体无相对滑移，模拟的过程同样采用Q&d/Q。^= 8。当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种片内焦距与焦斑动态可调的流体微透镜，其特征在于：所述流体微透镜包括微腔、芯层流道、包层流道和出口流道，所述包层流道与所述微腔的进口的周围一圈均连通，所述芯层流道与芯层入口连通，所述芯层入口的内径比所述微腔的内径小，且所述芯层入口与所述微腔在同一根轴线上，所述芯层入口的出口处与所述包层流道连通且正对所述微腔的进口，所述微腔的出口与所述出口流道连通。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：乐孜纯，孙运利，杜颖，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33