CN103792664A

CN103792664A - 一种基于微流控光学技术的光束整形方法

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Publication number: CN103792664A
Application number: CN201410037562.3A
Authority: CN
Inventors: 乐孜纯; 孙运利; 王昌辉; 付明磊
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2014-01-26
Filing date: 2014-01-26
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2034-01-26
Also published as: CN103792664B

Abstract

一种基于微流控光学技术的光束整形方法，包括以下步骤：（1）所述芯层流体和包层流体彼此之间仅存在扩散和对流运动，包层流体均衡地环绕着芯层流体，所述芯层流体和包层流体是具有不同折射率的两种流体，所述芯层流体和包层流体在流体微腔中流动，共同构成流体光波导；（2）所述入射激光器将设定波长的激光束入射到所述流体光波导，光束传播方向与流体流动方向呈90°±10°，所述光束接收面接收经过流体光波导后输出的光束；（3）通过调节流体流速、温度、浓度、微流体种类，控制流体扩散过程以及折射率的空间分布，实现光束整形。本发明光传播过程损耗小、结构简化、制作方便、调控灵活性较好。

Description

一种基于微流控光学技术的光束整形方法

技术领域

本发明涉及光学器件和检测系统领域，尤其是一种光束整形方法。

背景技术

光束的整形技术包括了对光束的聚焦、准直、偏转、分束、耦合等调控，通常利用调控光学介质的介电常数和磁导率分布并进而改变空间电磁场分布来实现，比如对光学器件的折射率分布的调控就可以方便地实现对入射光束的聚焦、准直、偏转、分束等控制。近年来快速发展的微流控光学技术为我们提供了光束整形的新方法，其原理是通过控制流体流动来实现对光线微观尺度的控制。鉴于此，微流控技术和系统可以被引入可控折射率流体光波导的设计和制作中。如果一种折射率较高的流体能够在折射率较低的流体中扩散，并且在扩散的过程中能够实现一种稳定的分布，那么在流体扩散与对流的过程中就会呈现出可调控的折射率分布，比如，在基底材料上利用刻蚀技术制作微流体沟道，配合以恒流流体装置，便可以实现基于对流和扩散效应的微流体渐变折射率分布透镜（Mao X,Lin SS,Lapsley MI,Shi J,Juluri BK，Tunable liquid gradient refractive index(L-GRIN)lens withtwo degrees of freedom，Lab.Chip.,9(2009):2050-2058，具有2个自由度调节能力的可调谐液体渐变折射率透镜，片上实验室，9(2009):2050-2058；Yang Y,Liu AQ,Chin LK,Zhang XM,Tsai DP,LinCL,Lu C,Wang GP,Zheludev NI，Optofluidic waveguide as atransformation optics device for lightwave bending and manipulation，Nat.Commun.，3(2012):651-657，于光波弯曲和控制的基于光流控波导的转换光学器件，自然-通信，3(2012):651-657）。要利用微流控光学技术实现光束的动态整形，基于微流控光学技术的光束整形方法，以及基于该方法的流体光波导结构是必须要解决的核心技术问题。

发明内容

为了克服已有光束整形方法的光传播过程损耗大、结构复杂、制作困难、调控灵活性差的不足，本发明提供一种光传播过程损耗小、结构简化、制作方便、调控灵活性较好的基于微流控光学技术的光束整形方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于微流控光学技术的光束整形方法，该整形方法采用基于微流控光学技术的光束整形装置，所述光束整形装置包括流体光波导主体、入射激光器、光束接收面和流出流体贮存器，所述流体光波导主体上开有用于承载微流体的流道，所述流道包括一个芯层流体入口、两个对称的包层流体入口、流体微腔和两个对称的流体出口，所述芯层流体入口、包层流体入口均与所述流体微腔的入口侧连通，所述流体微腔的出口侧与两个流体出口连接，所述流体出口与流出流体贮存器连通，所述入射激光器和所述光束接收面同轴布置，所述入射激光器和所述光束接收面的轴线与流体流动方向轴线相交，所述入射激光器和所述光束接收面以相交点为对称中心对称放置，所述光束整形方法包括以下步骤：

（1）所述芯层流体和包层流体彼此之间只存在扩散和对流运动（所述芯层流体和包层流体彼此之间不发生化学反应），包层流体均衡地环绕着芯层流体，所述芯层流体和包层流体是具有不同折射率的两种流体，所述芯层流体和包层流体在流体微腔中流动，共同构成流体光波导；

（2）所述入射激光器将设定波长的激光束入射到所述流体光波导，光束传播方向与流体流动方向呈90°±10°，所述光束接收面接收经过流体光波导后输出的光束；

（3）通过调节流体流速、温度、浓度、微流体种类，控制流体扩散过程以及折射率的空间分布，实现光束整形。

进一步，所述光束传播方向垂直于流体流动方向，光束接收面与入射激光器同轴。

更进一步，所述步骤（3）中，设定芯层流体与包层流体对流和扩散过程中的扩散系数为常数，设定包层与芯层流体的流速相同，并让沿着流体方向和垂直流体方向的扩散效果都比较明显，得出沿着流体流动方向不同位置的横截面处的折射率分布，对垂直入射的激光束的焦距进行调控。

所述步骤（3）中，保持温度、浓度、微流体种类不变，选择沿着流体流动方向中心位置横截面处的折射率分布作为参考，得出流体流速对波导折射率分布的影响，在光束位置不变情况下通过调节流速达到调节折射率分布，从而实现对光束会聚的连续可调，即对光束的连续动态整形。

所述步骤（3）中，保持一侧的包层流体不变，改变另一侧包层流体流速，则调节流体光波导的折射率分布，得到沿光轴不对称的折射率分布，进而调控光束的偏转。

所述步骤（3）中，包层流体折射率高于芯层流体折射率，当连续调整流体流速大小时，得出沿着流体流动方向中心位置横截面处的折射率分布，折射率分布出现了中心凹陷，实现光束分光比的连续可调。

所述光束整形装置还包括注入流体的蠕动泵，所述注入流体的蠕动泵位于芯层流体入口、包层流体入口，通过控制蠕动泵实现对流体流速的调节。

更进一步，通过控制蠕动泵实现对流体的温度的调节。

本发明的技术构思为：利用构成流体光波导的芯层和包层两种流体的扩散和对流过程动态调控波导折射率，影响两种流体扩散与对流过程的因素很多，比如温度、浓度、流速以及微流体种类的选定、流体光波导主体结构和尺寸，并进而影响折射率分布。在有限长的微沟道中如果流体流速很高，芯层流体的扩散作用有限，这时对流效应占主导地位，此时流体光波导可以近似看成是阶跃折射率分布（垂直于流体流动方向）波导结构；而当流体流速较低，则扩散效应明显，此时无论是微腔的横截面方向还是沿着流体流动方向都要考虑扩散效应对浓度梯度的影响，而芯层流体在包层流体中的扩散正是渐变折射率流体光波导能够实现的理论基础。因此，通过控制芯层流体和包层流体的流速和流体种类可以有效控制扩散和对流的过程，从而控制流体扩散浓度以及折射率的空间分布。

本发明的有益效果主要表现在：1、基于微流控光学技术的光束整形方法，以两种流体之间的对流和扩散过程形成流体光波导结构，通过控制芯层和包层流体的流速以及流体种类，可以得到灵活多变的折射率分布；2、通过发明基于微流控光学技术的流体光波导，可以构建对光束进行聚焦、准直、分束、偏转等功能的新型器件；3、实现了光束聚焦、分束、偏转的动态可调、且属于在线实时调节；4、光束传播方向垂直于流体流动方向，有效降低了光束的传播损耗。

附图说明

图1是本发明基于微流控光学技术的光束整形装置的示意图。

图2是本发明基于微流控光学技术的光束整形装置中流体光波导主体承载微流体的空腔示意图。

图3是本发明流体光波导沿着流体流动方向不同横截面处的折射率分布。

图4是不同流速情况下，沿着流体流动方向中心位置横截面处（即激光光束入射处）的折射率分布。

图5是当两侧包层流速不同的情况下，改变一侧包层流体流速，沿着流体流动方向中心位置横截面处（即激光光束入射处）的折射率分布。

图6是包层流体折射率高于芯层流体折射率时，流体光波导折射率分布随流速的变化。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图6，一种基于微流控光学技术的光束整形方法，该整形方法采用基于微流控光学技术的光束整形装置，所述光束整形装置包括流体光波导主体1、入射激光器2、光束接收面3和流出流体贮存器4，所述流体光波导主体1上开有用于承载微流体的流道，所述流道包括一个芯层流体入口5、两个对称的包层流体入口6、流体微腔7和两个对称的流体出口8，所述芯层流体入口5、包层流体入口6均与所述流体微腔7的入口侧连通，所述流体微腔7的出口侧与两个流体出口8连接，所述流体出口8与流出流体贮存器4连通，所述入射激光器2和所述光束接收面3同轴布置，所述入射激光器和所述光束接收面的轴线与流体流动方向轴线相交，所述入射激光器和所述光束接收面以相交点为对称中心对称放置，所述光束整形方法包括以下步骤：

所述步骤（3）中，所述光束整形装置还包括注入流体的蠕动泵，所述注入流体的蠕动泵位于芯层流体入口、包层流体入口，通过控制蠕动泵实现对流体流速的调节。

更进一步，通过控制蠕动泵实现对流体温度的调节。

本实施例中，通过控制芯层流体和包层流体的流速和流体种类可以有效控制扩散和对流的过程，从而控制流体扩散浓度以及折射率的空间分布；具体如下：

1）流体光波导不同横截面的折射率分布，假设芯层流体与包层流体对流和扩散过程中的扩散系数为常数（1×10^-9m²/s），设定蠕动泵控制参数，使得包层与芯层流体的流速相同（同为2500pL/s），并让沿着流体方向和垂直流体方向的扩散效果都比较明显，得出沿着流体流动方向不同位置的横截面处的折射率分布，如图3所示，折射率分布随着远离流体入口，折射率分布曲线渐渐趋于平缓。这种折射率分布最直接的效果就是可以对垂直入射的激光束的焦距进行调控。

2）流速对折射率分布的影响，为了研究流体流速的对折射率分布的影响，保持其他参数不变，选择沿着流体流动方向中心位置横截面处（即激光光束入射处）的折射率分布作为参考，得出流体流速对波导折射率分布的影响，如图4所示，流速较低时（Q₁＝Q₂＝Q_c＝1000pL/s），折射率分布比较平缓，流速较高时（Q₁＝Q₂＝Q_c＝5000pL/s），折射率分布比较尖锐。这种变化可以在光束位置不变情况下通过调节流速达到调节折射率分布，从而实现对光束会聚的连续可调，即对光束的连续动态整形。

3）两侧包层流速不同对折射率分布的影响，前面讨论的条件是芯层流速与两侧包层相同流速的情况，这种流速条件得到的结果是折射率中心在流体微腔的中心处。如果保持一侧的包层流体不变，改变另一侧包层流体流速，则可以更加灵活地调节流体光波导的折射率分布，得到沿光轴不对称的折射率分布，进而可以调控光束的偏转。同样选择沿着流体流动方向中心位置横截面处（即激光光束入射处）的折射率分布作为参考，保持Q_c＝Q₂＝2500pL/s，改变Q₁，即一侧包层与芯层流速恒定为2500pL/s，另一侧包层流速分别选取了500pL/s、1500pL/s、2500pL/s、5000pL/s和10000pL/s这时的折射率分布中心从-25μm变化到28μm，如图5所示。这种空间折射率偏移的变化对光线最直接的影响就是可以实现光束的聚焦偏转，且偏转角度随着包层流速的变化连续可调。

4）包层流体折射率高于芯层流体折射率对流体光波导折射率分布的影响，当包层流体采用折射率较高的乙二醇稀溶液，芯层流体采用折射率较低的去离子水，同时保持芯层和包层流体流速相等。当连续调整流体流速大小时，得出沿着流体流动方向中心位置横截面处（即激光光束入射处）的折射率分布，如图6所示。从图6可以看出，折射率分布出现了中心凹陷，这种分布最简单的应用是在光束的分束器件上，并在分束的同时实现了光束的聚焦。此外，动态调节包层流体的流速，例如图6左下方曲线显示了Q₁＝10000pL/s、Q_c＝Q₂＝2500pL/s时的折射率分布，可以实现光束分光比的连续可调。

5）温度、浓度、微流体种类对流体光波导折射率分布的影响，所述温度变化对流体光波导折射率分布的影响，表现在芯层和包层流体温度的升高使得扩散系数变大（例如，芯层流体采用质量分数为0.8的乙二醇溶液时，当温度从30℃变化到50℃，扩散系数变化从3.19×10^-10m²/s变化到4.63×10^-10m²/s），进而使得流体光波导的折射率分布曲线更平缓；所述温度变化对芯层流体和包层流体的影响是一致的。所述浓度变化对流体光波导折射率分布的影响，浓度越高则扩散系数越小（例如，当乙二醇与去离子水浓度比在0.0250-0.950之间时,扩散系数的变化范围在9.28×10^-10m²/s到1.67×10^-10m²/s之间），进而使得流体光波导的折射率分布曲线更尖锐；所述浓度变化对芯层流体和包层流体的影响的趋势是一致的，但可以单独调控。所述微流体种类对流体光波导折射率分布的影响，表现在不同微流体具有不同的粘滞系数，流体微腔壁与流体之间的粘滞阻力对微流体扩散过程产生影响，靠近流体微腔壁的位置处，流体速率比微腔中心处的流速要小，流速减小的区域扩散更明显，因此相对于中心处的折射率分布曲线，边缘处的折射率分布相对平滑。

Claims

1.一种基于微流控光学技术的光束整形方法，其特征在于：该整形方法采用基于微流控光学技术的光束整形装置，所述光束整形装置包括流体光波导主体、入射激光器、光束接收面和流出流体贮存器，所述流体光波导主体上开有用于承载微流体的流道，所述流道包括一个芯层流体入口、两个对称的包层流体入口、流体微腔和两个对称的流体出口，所述芯层流体入口、包层流体入口均与所述流体微腔的入口侧连通，所述流体微腔的出口侧与两个流体出口连接，所述流体出口与流出流体贮存器连通，所述入射激光器和所述光束接收面同轴布置，所述入射激光器和所述光束接收面的轴线与流体流动方向轴线相交，所述入射激光器和所述光束接收面以相交点为对称中心对称放置，所述光束整形方法包括以下步骤：

（1）所述芯层流体和包层流体彼此之间仅存在扩散和对流运动，包层流体均衡地环绕着芯层流体，所述芯层流体和包层流体是具有不同折射率的两种流体，所述芯层流体和包层流体在流体微腔中流动，共同构成流体光波导；

2.如权利要求1所述的一种基于微流控光学技术的光束整形方法，其特征在于：所述光束传播方向垂直于流体流动方向，光束接收面与入射激光器同轴。

3.如权利要求1或2所述的一种基于微流控光学技术的光束整形方法，其特征在于：所述步骤（3）中，设定芯层流体与包层流体对流和扩散过程中的扩散系数为常数，设定包层与芯层流体的流速相同，并让沿着流体方向和垂直流体方向的扩散效果都比较明显，得出沿着流体流动方向不同位置的横截面处的折射率分布，对垂直入射的激光束的焦距进行调控。

4.如权利要求1或2所述的一种基于微流控光学技术的光束整形方法，其特征在于：所述步骤（3）中，保持温度、浓度、微流体种类不变，选择沿着流体流动方向中心位置横截面处的折射率分布作为参考，得出流体流速对波导折射率分布的影响，在光束位置不变情况下通过调节流速达到调节折射率分布，从而实现对光束会聚的连续可调，即对光束的连续动态整形。

5.如权利要求1或2所述的一种基于微流控光学技术的光束整形方法，其特征在于：所述步骤（3）中，保持一侧的包层流体不变，改变另一侧包层流体流速，则调节流体光波导的折射率分布，得到沿光轴不对称的折射率分布，进而调控光束的偏转。

6.如权利要求1或2所述的一种基于微流控光学技术的光束整形方法，其特征在于：所述步骤（3）中，包层流体折射率高于芯层流体折射率，当连续调整流体流速大小时，得出沿着流体流动方向中心位置横截面处的折射率分布，折射率分布出现了中心凹陷，实现光束分光比的连续可调。

7.如权利要求1或2所述的一种基于微流控光学技术的光束整形方法，其特征在于：所述步骤（3）中，所述光束整形装置还包括注入流体的蠕动泵，所述注入流体的蠕动泵位于芯层流体入口、包层流体入口，通过控制蠕动泵实现对流体流速的调节。

8.如权利要求7所述的一种基于微流控光学技术的光束整形方法，其特征在于：通过控制蠕动泵实现对流体温度的调节。