CN104570330A - 一种基于电湿润效应的全反射液体光开关 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于电湿润效应的全反射液体光开关。该光开关包括上基板、透明硬质腔体、下基板、疏水层、介质层、ITO电极 、ITO电极、导电液滴和无色透明液体。两块ITO电极依次嵌在下基板中，且两者之间有间隔，ITO电极接地，在ITO电极上依次镀有介质层和疏水层。透明硬质腔体粘在下基板上，且恰好将两块ITO电极完全覆盖。导电液滴放置在ITO电极上，且紧贴该侧的透明硬质腔体内壁，其周围填充无色透明液体。无色透明液体不导电。该液体光开关能实现100%的光通断的功能。

Description

一种基于电湿润效应的全反射液体光开关

技术领域

本发明涉及非机械式光开关技术，更具体地说，本发明涉及一种基于电湿润效应的全反射液体光开关技术。

背景技术

液体光开关器件可广泛应用于光网络、远程光通信和信息显示领域。由于液体器件内部不需要引入可移动的固体元部件，因而其具有小型化、制作简单和低能耗等优点。液体光开关从实现机理上大概可以分为三类：第一类是利用染色液体吸收入射光来达到光开关的功能。此类光开关制作简单、响应时间快。但是其光衰减度极大地受限于染色液体的浓度，因而从理论上讲无法达到100%的光衰减度。第二类是通过改变液体器件中液-液曲面的曲率，对光束进行汇聚或发散。但是通过光轴的光线不会受到影响，因而其光衰减度也是有限的。第三类是利用微流控通道改变填充液体，从而实现器件中填充液体折射率的动态变化，当入射光满足内部全反射条件时，此刻为光关状态。该类器件的缺点是制作非常复杂，其相应功耗较大。液体光开关从驱动原理来讲又可以分为机械式和非机械式两种。机械式需要外加驱动装置，其装置复杂、造价昂贵。且器件本身响应时间受外界驱动装置的固有频率影响，因而器件的可调控性差。非机械式光开关一般是基于电湿润效应和介电力效应来实现。但是由于介电力本身比较微弱，所以基于介电力效应的液体光开关尺寸一般较小，严重限制了其应用范围。因此就亟待研究一种光衰减能力强、制作简单、器件尺寸大小不受限制的液体光开关器件。

发明内容

本发明提出一种基于电湿润效应的全反射液体光开关。如附图1所示，该光开关包括上基板、透明硬质腔体、下基板、疏水层、介质层、ITO电极 、ITO电极、导电液滴和无色透明液体。两块ITO电极依次嵌在下基板中，且两者之间有间隔，ITO电极接地，在ITO电极上依次镀有介质层和疏水层。透明硬质腔体粘在下基板上，且恰好将两块ITO电极完全覆盖。导电液滴放置在ITO电极上，且紧贴该侧的透明硬质腔体内壁，其周围填充无色透明液体。无色透明液体不导电。

如附图1所示，液体器件为初始状态，ITO电极上依次镀有介质层和疏水层，其作用分别为提高器件的击穿电压和增大导电液滴和电极之间的接触角。导电液放置在ITO电极上，其周围充满无色透明液体。导电液滴和无色透明液体之间会形成液-液界面。当光束照射器件，需调整入射方向，使其照在液-液界面时恰好满足全反射的临界条件，光束被导电液滴全部反射，无法从器件底部出射，此时液体器件处在光关状态。如附图2所示，ITO电极接地，在ITO电极上外加电压V，由于电湿润效应，导电液滴会向ITO电极方向延伸铺展，保持光束照射器件的入射方向不变，由于此时液-液界面的曲率发生变化，所以照射在导电液滴上面时，入射角发生改变，不满足原来的全反射条件，故光束被导电液滴折射，在器件下方可以检测到光强，此时液体器件处在光开状态。因此可以通过控制导电液滴的形变来实现光束的通断功能。

优选地，透明硬质腔体长d ₁≥10mm且d ₁≤12mm，宽d ₂≥6mm且d ₂≤8mm，高d ₃≥6mm且d ₃≤8mm。

优选地，ITO电极 和ITO电极 尺寸相同，长d ₄≥5mm且d ₄≤d ₂，宽d ₅≥2mm且d ₅≤2.5mm，两块电极两两间隔为d ₆≥0.25mm且d ₆≤0.5mm。

优选地，透明硬质腔体中无色透明液体的折射率大于导电液滴的折射率，且两种液体密度相同。

附图说明

附图1为一种基于电湿润效应的全反射液体光开关初始关状态示意图。

附图2为一种基于电湿润效应的全反射液体光开关加电开状态示意图。

附图3为实施例中外加电压同接触角和出射角的关系示意图。

上述各附图中的图示标号为：

1上基板、2透明硬质腔体、3下基板、4疏水层、5介质层、6 ITO电极、7 ITO电极、8无色透明液体、9导电液滴。

应该理解上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。

具体实施方式

下面详细说明本发明提出的一种基于电湿润效应的全反射液体光开关的实施例，对本发明进行进一步的描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

本发明的一个实施例为:上基板和下基板均为10mm×8mm PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）材料制成，透明硬质腔体为10mm×8mm×8mm PMMA材料制成。ITO电极和ITO电极尺寸均为8mm×3.5mm，介质层为Parylene-C，厚度为1 µm，疏水层为Teflon-layer，厚度为1 µm。两块电极两两间隔为0.5mm。导电液滴为氯化钠溶液，密度为1.23 g/cm³，折射率为1.34。透明硬质腔体中填充的无色透明液体为硅油，密度为1.21g/cm³，折射率为1.45。如附图1所示，初始状态时，导电液滴位于腔体一侧，入射光与水平方向成60°入射，此时照在导电液体上面时恰好发生全反射，在器件下方的探测器无法探测到光强，液体器件处在光关状态。当把ITO电极接地，给ITO电极外加电压V，由于电湿润效应，导电液滴会向ITO电极方向涌动，此时由于导电液滴的曲面发生变化，入射角随之变化，光束就不满足全反射定律，光束可以被导电液滴折射，探测器可以检测到光强，如图2所示，此时，器件为光开状态。

附图3是实施例中外加电压同接触角和出射角的关系示意图。如附图3所示，随着外加电压的改变，导电液滴同下基板之间的接触角发生改变，同时经导电液滴折射后光束的出射角也随之变化。

Claims (4)

1.一种基于电湿润效应的全反射液体光开关，包括：上基板、透明硬质腔体、下基板、疏水层、介质层、ITO电极I、ITO电极II、导电液滴和无色透明液体；两块ITO电极依次嵌在下基板中，且两者之间有间隔，ITO电极I接地，在ITO电极II上依次镀有介质层和疏水层；透明硬质腔体粘在下基板上，且恰好将两块ITO电极完全覆盖；导电液滴放置在ITO电极I上，且紧贴该侧的透明硬质腔体内壁，其周围填充无色透明液体；无色透明液体不导电。

2.根据权利要求1所述的一种基于电湿润效应的全反射液体光开关，其特征在于，透明硬质腔体长d ₁≥10mm且d ₁≤12mm，宽d ₂≥6mm且d ₂≤8mm，高d ₃≥6mm且d ₃≤8mm，ITO电极I 和ITO电极II 尺寸相同，长d ₄≥9mm且d ₄≤d ₂，宽d ₅≥2mm且d ₅≤2.5mm，两块电极两两间隔为d ₆≥0.25mm且d ₆≤0.5mm。

3.根据权利要求1所述的一种基于电湿润效应的全反射液体光开关，其特征在于，器件在光开状态时，调整光束入射角度至恰好在液-液界面发生全反射条件；器件在光关状态时，保持光束入射角度不变，外加电压使得液-液界面曲率发生变化，不满足全反射条件。

4.根据权利要求1所述的一种基于电湿润效应的全反射液体光开关，其特征在于，透明硬质腔体中无色透明液体的折射率大于导电液滴的折射率，且两种液体密度相同。