CN108152945A - 一种基于微流控的光开关 - Google Patents

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王琼华
王金辉
李磊
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    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/004—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements based on a displacement or a deformation of a fluid

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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Abstract

本发明公开一种基于微流控的光开关，包括密封层、流体层、流体I、流体II、流体III、控制层、入口通道1、入口通道2、入口通道3、出口通道4、玻璃基板。将光线自上而下射向通光孔时，充斥着流体III的区域不通光，其余地方可以通光。保持流速V1和V3不变，逐渐增加流速V2，流体III的面积逐渐增大，不透光的面积也逐渐增加，反之，不透光的面积也逐渐减小，即光开关面积随着流速V2的变化而变化。也可以通过控制V1、V2、V3，使开关呈现出不同的形状。通过控制通道2的阀门，将流体III换为可吸收另外波段光的流体，但需要满足不与流体I、流体II相容且密度相同的条件，就可以实现不同波段光的控制。

Description

一种基于微流控的光开关
一、技术领域
本发明涉及一种光开关，更具体地说，本发明涉及一种基于微流控的光开关。
二、背景技术
随着光学技术的蓬勃发展，光学器件的可调化、微型化、集成化已成为光学技术的重要发展方向，随着固态器件可调性差、体积大等问题日益突出，液体光学器件引起了研究者的广泛兴趣。其中，液体光开关作为光交换系统的基本单元具有十分广泛的应用，因此受到了学者们广泛的研究。目前，学者们已经提出了多种液体光开关器件，它们的实现机理主要分为三类：通过改变液-液交界面的曲率或者调节器件腔体内部填充液体的折射率对光线进行偏折或发散；利用全内反射原理控制光路；在器件内部充入染色液体吸收光束，通过操控染色液滴的形状或位置，从而控制光路的通断。而现今，微流控是一种正在快速发展的应用技术，它在生物、化学、医药和光学等诸多领域有着广泛的应用。它最吸引人的地方在于对微量液体精准地自动化控制，我们可以用来操控所需液体的位置和形状。这样，我们不仅可以实现光路的通断，而且可以实现长波段光路的切换。因此，基于微流控的光开关可以满足当下光学系统的迫切需求，比如，芯片实验室系统、显示系统和可调光阀等。
三、发明内容
本发明提出一种基于微流控的光开关。如附图1所示，该光开关包括：密封层、流体层、流体I、流体II、流体III、入口通道1、入口通道2、入口通道3、出口通道4、通光孔、玻璃基板。其中，所有的入口和出口通道均嵌在流体层；流体I和流体II是同一种液体，不染色，可见光和近红外光均可通过；流体III用于吸收光线，在控制不同波段的光时需要换不同的流体；流体I、流体II与流体III均不相溶，且密度相同；密封层即为光线的入射面板，玻璃即为光线的出射面板。
本发明的基于微流控的光开关的工作原理如附图2所示。首先，用微流泵通过入口通道1和入口通道3分别注入流体I和流体II，注入速度均为V1＝V2＝V，将通光孔内空气排出，然后通过入口通道2注入流体III，注入速度为V3≠V。此时，在通光孔里会充斥着三层流体，流体III将流体I和流体II分在两边。将光线自上而下射向通光孔时，充斥着流体III的区域不通光，其余地方可以通光。接下来，保持流速V1和V2不变，逐渐增加流速V3，流体III的面积逐渐增大，不透光的面积也逐渐增加，反之，不透光的面积也逐渐减小，即光开关面积随着流速V3的变化而变化。此外，我们可以通过控制V1、V2、V3，使开关呈现出不同的形状，例如椭圆、圆、半圆等。最后，通过控制通道2的阀门，将流体III换为可吸收另外波段光的液体，就可以实现不同波段光的控制。
优选地，密封层厚度d1≥0.05mm且d1≤0.5mm。
优选地，通光孔直径d2≥1mm且d2≤20mm，流体层的厚度d3≥0.5mm且d3≤5mm。
优选地，控制层厚度d1≥0.05mm且d1≤0.5mm。
优选地，填充流体I和流体II为同一液体，且不与流体III相容但密度相同。
优选地，入口通道1、入口通道2、入口通道3孔径一致，d4＝d5＝d6≥0.05mm且d4＝d5＝d6≤0.5mm，出口通道4的口径为入口通道口径的1.3-2倍。
优选地，流体I和流体II为苯基硅油与全氟硅油的混合油，流体III为光学油SL-5267加适量墨汁染色或者甘油。
优选地，当流体III为光学油SL-5267加适量墨汁时，开关工作在可见光波段；当流体III为甘油时，开关工作在近红外波段。
优选地，密封层为PMMA板，流体层为PDMS。
优选地，基于微流控的光开关的驱动方式为机械驱动。
四、附图说明
附图1为本发明的基于微流控的光开关的3D结构图。
附图2为本发明的基于微流控的光开关的工作原理示意图。
附图3为实施例中基于微流控的光开关的效果图。
上述各附图中的图示标号为：
1密封层，2流体层，3流体I，4流体II，5流体III，6入口通道1，7入口通道2，8入口通道3，9出口通道4，10通光孔，11玻璃基板。
应该理解上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。
五、具体实施方式
下面详细说明本发明提出的一种基于微流控的光开关的实施例，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：如附图1所示，本实施例中密封层厚度为0.2mm，流体层厚度为1mm，控制层厚度为0.1mm，玻璃厚度为0.2mm，通光孔直径为10mm。流体I和流体II为苯基硅油与全氟硅油的混合油，其密度为1.26g/cm3；流体III在控制可见光波段时为墨汁加光学油SL-5267按照一定比例混合而成，在控制近红外波段时为甘油，其密度均为1.26g/cm3。
本实施例采用的工作波段为可见光波段和近红外波段。对本发明调整三种流体的流速，从而引起吸收光的液体的面积改变，从而实现光开关孔径的变化。与此同时本发明中通过切换流体II，该光开关可控制工作波段。需要指出的本发明实施例中流体I和流体II的流速为95μL/s，流体III的流速为125μL/s。

Claims (6)

1.一种基于微流控的光开关，其特征在于，该光开关包括：密封层、流体层、流体I、流体II、流体III、入口通道1、入口通道2、入口通道3、出口通道4、通光孔、玻璃基板，其中，所有的入口和出口通道均嵌在流体层；流体I、流体II是同一种液体，不染色，可见光和近红外光均可通过；流体III用于吸收光线，在控制不同波段的光时需要切换液体类型；流体I、流体II与流体III均不相容，且密度相同；密封层即为光线的入射面板，玻璃即为光线的出射面板。
2.根据权利要求1所述的一种基于微流控的光开关，其特征在于，流体I和流体II为同一液体，且不与流体III相容但密度相同。
3.根据权利要求1所述的一种基于微流控的光开关，其特征在于，流体I和流体II为苯基硅油与全氟硅油的混合油，流体III为光学油SL-5267加适量墨汁或者甘油，当流体III为光学油SL-5267加适量墨汁时，开关工作在可见光波段；当流体III为甘油时开关工作在近红外波段。
4.根据权利要求1所述的一种基于微流控的光开关，其特征在于，密封层为PMMA板，流体层为PDMS。
5.根据权利要求1所述的一种基于微流控的光开关，其特征在于，入口通道1、入口通道2、入口通道3孔径一致，出口通道4的口径为入口通道口径的1.3～2倍。
6.根据权利要求1所述的一种基于微流控的光开关，其特征在于，驱动模式为机械驱动。
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