CN104932109B - 一种基于流体光波导的一维可调谐光束方向调控方法 - Google Patents

一种基于流体光波导的一维可调谐光束方向调控方法 Download PDF

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Abstract

一种基于流体光波导的一维可调谐光束方向调控方法，该光束方向调控采用的流体微透镜包括流体光波导、入射激光器、光束接收面和流出流体贮存器，流体光波导上开有用于承载微流体的流道，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，芯层流体入口、包层流体入口均与流体微腔的入口侧连通，流体微腔的出口侧与两个流体出口连接，流体出口与流出流体贮存器连通，入射激光器和光束接收面同轴布置，两者的轴线与流体流动方向平行且方向一致沿微腔的中心轴线方向，该调控方法如下：通过调节两个包层流体的流速比实现中心折射率的一维偏移。本发明可动态调谐、集成度高、结构简单、制作方便、成本低廉。

Description

一种基于流体光波导的一维可调谐光束方向调控方法
技术领域
本发明涉及光束整形技术领域，尤其是一种可调谐光束方向调控方法。
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，通常调控光学介质的折射率分布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(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,Lin CL,LuC,Wang GP,Zheludev NI，Optofluidic waveguide as a transformation optics devicefor lightwave bending and manipulation，Nat.Commun.，3(2012):651-657，用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)。鉴于此，微流控技术和系统可以被引入光束方向沿一个或多个维度自由可调的流体微透镜的设计和制作中。首先利用一种折射率较高的流体在折射率较低的流体中的扩散和对流，形成一种可调控折射率分布的流体光波导，然后通过动态调控流体光波导的折射率分布来调谐光波在出射端的偏转与聚焦，得到光束一维偏转与聚焦的效果。
目前尚无光束方向沿一个或多个维度自由可调的透镜结构，光束方向的调节需要通过外置的精密机械结构来实现，因此结构十分复杂、尺寸大，而且也无法实现光束方向的连续动态可调。难以满足光电检测领域和光传感领域的迫切需求。为满足应用领域的迫切需求，本发明提出基于流体光波导的一维可调谐光束方向调控方法。
发明内容
为了克服已有微透镜的需要外置精密机械结构来实现透镜光束方向调谐、结构复杂、尺寸庞大、制作困难、调控灵活性差、集成度低的不足，本发明提供一种集成度高、结构简单、制作方便、成本低廉的基于流体光波导的一维可调谐光束方向调控方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于流体光波导的一维可调谐光束方向调控方法，该光束方向调控方法采用流体微透镜，所述流体微透镜包括流体光波导、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，所述入射激光器和光束接收面同轴布置，所述入射激光器和光束接收面的轴线与流体流动方向平行且方向一致沿微腔的中心轴线方向，所述芯层流体入口和包层流体入口内安装用以调节流体速度的流速调节设备，所述流速调节设备控制芯层流体和包层流体流速以便实现光束方向沿一个维度自由可调的效果；
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，包层流体环绕着芯层流体，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；
所述一维可调谐光束方向调控方法如下：通过调节两个包层流体的流速比实现中心折射率的一维偏移。
进一步，两个包层流体入口以微腔的中心轴线左右对称，增大左右两个包层流体的流速比，中心折射率向右偏移，减小左右两个包层流体的流速比，中心折射率向左偏移。
或者是：两个包层流体入口以微腔的中心轴线上下对称，增大上下两个包层流体的流速比，中心折射率向下偏移，减小上下两个包层流体的流速比，中心折射率向上偏移。当然，除了左右和上下之外，也可以是其他对称的一维方向。
再进一步，所述流速调节设备为注入流体的蠕动泵。
更进一步，所述包层流体折射率高于所述芯层流体折射率。
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并进而影响流体光波导折射率分布的主要因素包括芯层和包层流体的流速以及不同折射率微流体的选择。在有限长的微沟道中如果流体流速比较低，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。进一步地，与以往基于微流控光学技术的渐变折射率透镜不同，让一侧包层的流速大于另一侧，形成折射率较高的芯层区域的偏移分布，并以此来进行光束的偏转与聚焦。因此，通过控制芯层流体和包层流体的流速和流体种类不仅可以有效控制流体扩散浓度以及折射率的空间分布，还可以控制光波的偏转与聚焦效果。
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，实现聚焦方向可调谐微透镜，且偏转的角度和焦距可实时调节；2、通过发明基于流体光波导的光束方向可调谐微透镜，可以构建一种兼具集成性和可调谐功能的新型光束方向沿一维自由可调的流体微透镜；3、光束传播方向沿着微透镜的中心轴液体流动方向，有效保证了渐变折射率分布对微透镜光束方向的可调性；4、与传统的光束方向调控方法相比，具有不需要外置机械机构，单个微透镜即可实现光束方向动态调节的优点，且具有集成度高、结构简单、制作方便、成本低廉等优点。
附图说明
图1是本发明基于流体光波导的光束方向沿一维自由可调的流体微透镜的示意图。
图2是本发明基于流体光波导的光束方向沿一维自由可调的流体微透镜中流体光波导承载微流体的空腔示意图。
图3是保持两侧包层流体流速相同，沿着流体流动方向不同位置横截面处的折射率分布。
图4是两侧包层流体流速不同时，沿着流体流动方向不同位置横截面处的折射率分布。
图5是改变一侧包层流体流速，实现折射率分布的中心高折射率向一侧偏转，进而实现光束方向向一侧的偏转。
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5，一种基于流体光波导的一维可调谐光束方向调控方法，该光束方向调控方法采用流体微透镜，所述流体微透镜包括流体光波导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一致，所述芯层流体入口5和包层流体入口6内安装用以调节流体速度的流速调节设备，所述流速调节设备控制芯层流体和包层流体流速以便实现光束方向沿一个维度自由可调的效果；
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，包层流体环绕着芯层流体，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；
所述一维可调谐光束方向调控方法如下：通过调节两个包层流体的流速比实现中心折射率的一维偏移。
进一步，两个包层流体入口以微腔的中心轴线左右对称，增大左右两个包层流体的流速比，中心折射率向右偏移，减小左右两个包层流体的流速比，中心折射率向左偏移。
或者是：两个包层流体入口以微腔的中心轴线上下对称，增大上下两个包层流体的流速比，中心折射率向下偏移，减小上下两个包层流体的流速比，中心折射率向上偏移。当然，除了左右和上下之外，也可以是其他对称的一维方向。
进一步，所述流速调节设备为注入流体的蠕动泵，当然，也可以采用其他的流速调节设备。
再进一步，所述包层流体折射率高于所述芯层流体折射率。
本实施例的光束方向沿一维自由可调的流体微透镜，实现光束方向调控的方法包括以下步骤：
(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(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一致，所述光束接收面接收经过流体光波导后输出的光束；
(3)通过选择微流体种类，控制所述芯层流体的折射率高于所述包层流体的折射率；
(4)通过调节流体流速，控制流体扩散过程以及折射率的空间分布，实现光束的聚焦以及光束方向沿一个维度的自由偏转。
本实施例中，所述步骤(3)中，通过选择芯层流体和包层流体的种类，以及所述步骤(4)中，通过控制芯层流体和包层流体的流速可以有效控制扩散和对流的过程，从而控制流体扩散以及折射率的空间分布；具体如下：
1)流速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不同位置横截面处的折射率分布，其流速为芯层(Qcore)和左(Qleft)右包(Qright)层流速均为5000pL/s。
2)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不同位置横截面处的折射率分布作为参考，保持Qcore＝Qright＝2500pL/s，改变Qleft，为15000pL/s，另一侧包层流速分别选取了500pL/s、1500pL/s、2500pL/s、5000pL/s和10000pL/s这时的折射率分布如图4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。
3)当芯层流体采用折射率较高的乙二醇稀溶液，包层流体采用折射率较低的去离子水，同时保持芯层和一侧包层流体流速相等且不变。通过连续调整另一侧包层的流速来实现对高折射率的芯层区域的偏转。采用fr表示流速5000pL/s，如图5所示，当右侧的流速从1fr增加到10fr，折射率分布的高折射率中心从0μm增加到58μm。即折射率较高的芯层液体发生了明显的偏转效果。并且随着流速的增大这种偏转是连续可调的。

Claims (5)

1.一种基于流体光波导的一维可调谐光束方向调控方法，其特征在于：该光束方向调控采用流体微透镜，所述流体微透镜括流体光波导、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，所述入射激光器和光束接收面同轴布置，所述入射激光器和光束接收面的轴线与流体流动方向平行且方向一致沿微腔的中心轴线方向，所述芯层流体入口和包层流体入口内安装用以调节流体速度的流速调节设备；
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，包层流体环绕着芯层流体，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；
所述一维可调谐光束方向调控方法如下：通过调节两个包层流体的流速比实现中心折射率的一维偏移；
两个包层流体的流速相同时的折射率中心在流体微腔的中心处，通过保持一侧的包层流体流速不变，改变另一侧包层流体流速，可以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；折射率分布呈中心对称，中心对应的点为中心折射率，折射率分布的偏移通过中心折射率的位置偏移表示，折射率分布偏移后，中心折射率的数值变小，折射率分布偏移的变化对光线最直接的影响是可以实现光束的聚焦偏转，且偏转角度随着包层的变化连续可调。
2.如权利要求1所述的基于流体光波导的一维可调谐光束方向调控方法，其特征在于：两个包层流体入口以微腔的中心轴线左右对称，相对于两个包层流体的流速相同时的中心折射率，增大左右两个包层流体的流速比，中心折射率位置向右偏移，减小左右两个包层流体的流速比，中心折射率位置向左偏移。
3.如权利要求1所述的基于流体光波导的一维可调谐光束方向调控方法，其特征在于：两个包层流体入口以微腔的中心轴线上下对称，相对于两个包层流体的流速相同时的中心折射率，增大上下两个包层流体的流速比，中心折射率位置向下偏移，减小上下两个包层流体的流速比，中心折射率位置向上偏移。
4.如权利要求1～3之一所述的基于流体光波导的一维可调谐光束方向调控方法，其特征在于：所述流速调节设备为注入流体的蠕动泵。
5.如权利要求1～3之一所述的基于流体光波导的一维可调谐光束方向调控方法，其特征在于：所述包层流体折射率高于所述芯层流体折射率。
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Assignor: JIANG University OF TECHNOLOGY

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Denomination of invention: A one-dimensional tunable beam direction control method based on fluid optical waveguides

Granted publication date: 20180123

License type: Common License

Record date: 20231227

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