CN110989159A

CN110989159A - 一种基于介电润湿效应的液体光学调相装置

Info

Publication number: CN110989159A
Application number: CN201911256025.7A
Authority: CN
Inventors: 赵瑞; 张雯洁; 丁文轩; 梁忠诚
Original assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2019-12-10
Filing date: 2019-12-10
Publication date: 2020-04-10

Abstract

本发明提供了一种基于介电润湿效应的液体光学调相装置，包括设于下、上方的导电玻璃下底片、圆形上盖片，以及粘合设置在二者之间的内外环形腔结构，内外环形腔结构包括外圆柱腔体及同轴套设于外圆柱腔体内部的内圆柱腔体，内外环形腔结构的顶部盖设有圆环形盖片；导电玻璃下底片的上表面刻蚀有平面电极，并从下至上依次涂覆有介电层和中空结构的疏水层；内外环形腔结构的内部满灌有绝缘液体，内圆柱腔体的底部与疏水层之间注射有不相溶的导电液滴，导电液滴与绝缘液体在内圆柱腔体内的分界面处设置有透明薄片。本发明通过改变装置光程差，实现调相功能，具有结构简单、成本低廉、响应速度快、驱动电压小、调相精度高等优点。

Description

一种基于介电润湿效应的液体光学调相装置

技术领域

本发明涉及一种液体光学调相装置，具体涉及一种基于介电润湿效应的液体光学调相装置，属于自适应光学技术领域。

背景技术

自适应光学技术是以光学波前为对象的自动控制系统，利用对光学波前的实时测量-控制-校正，使光学系统具有自动适应外界条件变化、始终保持良好工作状态的能力，在自由空间光通信、高分辨率成像和人眼成像系统中都取得了重大应用成果。目前，自适应光学系统通常采用可变形反射镜系统，常见的有压电变形镜、薄膜变形镜和微机械变形镜等。上述系统往往需要一整套庞大的外围设备，存在体积大、制作成本高、响应速度慢、驱动电压大、可调谐范围有限等缺点。

20世纪90年代，Gordon D. Love提出用液体空间光调制器作为波前校正器的液晶自适应光学技术，利用向列型液晶在外加电压下晶畴转动引起折射率变化产生相位调制，每一个像素就是一个调制单元，因此单元数可以很多，单元间隔可小到10μm量级，能够实现0-2π的相位校正，具有体积小、可以批量生产的优点，但是其响应速度较慢，只能用于偏振光，光谱范围不宽，不能耐受强光等缺点限制了其应用。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于介电润湿效应的液体光学调相装置，通过改变装置光程差，实现调相功能，具有结构简单、成本低廉、响应速度快、驱动电压小、调相精度高等优点。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种基于介电润湿效应的液体光学调相装置，包括设于下方的导电玻璃下底片和设于上方的圆形上盖片，以及粘合设置在所述导电玻璃下底片、所述圆形上盖片之间的内外环形腔结构，所述内外环形腔结构包括外圆柱腔体及同轴套设于所述外圆柱腔体内部的内圆柱腔体，所述内外环形腔结构的顶部盖设有用于垂直固定所述内圆柱腔体的圆环形盖片；所述导电玻璃下底片的上表面刻蚀有平面电极，并从下至上依次涂覆有介电层和中空结构的疏水层；所述内外环形腔结构的内部满灌有绝缘液体，所述内圆柱腔体的底部与所述疏水层之间注射有与所述绝缘液体互不相溶的导电液滴，所述导电液滴与所述绝缘液体在所述内圆柱腔体内的分界面处设置有透明薄片；所述平面电极施有工作电压，所述导电液滴在介电润湿效应作用下使所述内圆柱腔体内的导电液柱及所述透明薄片的高度改变以进行调相。

进一步地，所述导电液滴通过所述中空结构与所述介电层直接接触。

进一步地，所述中空结构的直径与所述内圆柱腔体的内径相同。

进一步地，所述内圆柱腔体的内径也与所述圆环形盖片的内径相同。

进一步地，所述导电液滴为电解质溶液或离子液体。

进一步地，所述绝缘液体为硅油或矿物油。

进一步地，所述工作电压为直流电压或交流电压。

与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提供的基于介电润湿效应的液体光学调相装置，采用平面电极，结构简化；采用内外环形腔结构，提高了调相装置的有效通光孔径；此外，本发明采用介电润湿方式驱动，仅通过改变施加电压，就可达到调相目的，无需任何机械移动，操作便捷。本发明通过改变装置光程差，实现调相功能，具有结构简单、成本低廉、响应速度快、驱动电压小、调相精度高等优点。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是本发明实施例未加电压时导电液滴接触角为初始接触角的工作状态示意图；

图3是本发明实施例施加电压时导电液滴接触角变化、液面高度下降的工作状态示意图；

图4是本发明实施例中平面电极的结构示意图；

其中：1、导电玻璃下底片；2、平面电极；3、介电层；4、疏水层；5、导电液滴；6、绝缘液体；7、透明薄片；8、外圆柱腔体；9、内圆柱腔体；10、圆环形盖片；11、圆形上盖片；12、中空结构；13、导电液柱；14、内外环形腔结构。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步详细的说明。所述实施例的示例在附图中示出，在下述本发明的实施方式中描述的具体的实施例仅作为本发明的具体实施方式的示例性说明，旨在用于解释本发明，而不构成为对本发明的限制。

本发明提供一种基于介电润湿效应的液体光学调相装置，如图1所示，包括设置于下方的导电玻璃下底片1和设置于上方的圆形上盖片11，以及设置在所述导电玻璃下底片1和所述圆形上盖片11之间的内外环形腔结构14。

图1中示出，所述内外环形腔结构14包括外圆柱腔体8，以及同轴套设于所述外圆柱腔体8内部的内圆柱腔体9。所述内外环形腔结构14的顶部盖设有圆环形盖片10，且所述圆环形盖片10可垂直固定所述内圆柱腔体9。

进一步地，所述内圆柱腔体9的内径也与所述圆环形盖片10的内径相同。

所述导电玻璃下底片1的上表面刻蚀有平面电极2，所述平面电极2的结构如图4所示。所述导电玻璃下底片1的上表面从下至上依次涂覆有介电层3和疏水层4，所述疏水层4具有中空结构12，所述中空结构12的直径与所述内圆柱腔体9的内径相同。

图1中示出，所述内外环形腔结构14的内部满灌有绝缘液体6，进一步地，所述绝缘液体6为硅油或矿物油。所述内圆柱腔体9的底部与所述疏水层4之间通过注射方式填充有导电液滴5，进一步地，所述导电液滴5通过所述中空结构12与所述介电层3直接接触。所述导电液滴5在所述内圆柱腔体9的内部形成导电液柱13，进一步地，所述导电液滴5为电解质溶液或离子液体。所述导电液滴5与所述绝缘液体6的密度相似，但所述导电液滴5与所述绝缘液体6的折射率不同且互不相溶。

如图1所示，所述导电液柱13与所述绝缘液体6的分界面处设置一经特殊处理的透明薄片7，即所述导电液滴5与所述绝缘液体6在所述内圆柱腔体9的内部用所述透明薄片7隔开，使有效通光孔径中的液-液界面保持水平。

当不同的工作电压施加于所述平面电极2上时，所述导电液滴5在介电润湿效应作用下使得导电液柱13的高度予以改变；即根据介电润湿效应，导电液滴5的接触角发生变化，所述内圆柱腔体9中的液-液界面（即所述透明薄片7）上下移动，因所述导电液滴5与所述绝缘液体6两种液体的折射率不同，导致光程发生变化，实现本发明的调相功能。未加电压时，导电液滴接触角为初始接触角，如图2所示；当施加电压于所述平面电极2上时，导电液滴5接触角变化，液-液界面（即所述透明薄片7）下降，如图3所示。

由于所述导电液滴5与所述绝缘液体6两液体之间存在折射率差，液-液界面高度发生变化后，垂直入射通过所述内圆柱腔体9的光线的光程也发生变化，光程差导致本发明相位变化，最终使得本发明达到调相的目的。所产生的相位差满足公式

，其中Δn是两种液体的折射率差，Δh是液-液界面变化的高度。

根据设计需要，本发明的外圆柱腔体8、内圆柱腔体9、圆环形盖片10和圆形上盖片11均选取聚甲基丙烯酸甲酯材料，其中，内圆柱腔体9的内径为5mm、外径9mm、高8mm、壁厚2mm，外圆柱腔体8的内径为15mm、外径19mm、高10mm、壁厚2mm，圆环形盖片10的内径为5mm、外径为19mm、厚1mm，圆形上盖片11的直径为19mm、厚1mm。内圆柱腔体9顶部开有4个高4mm、宽2mm的U型槽。导电玻璃下底片1的尺寸为19mm×24mm、厚1.1mm，导电玻璃下底片1的上表面刻蚀的平面电极如图4所示，材料为透明的氧化铟锡(ITO)薄膜，膜厚200nm。介电层3为SU-8光刻胶，厚度约6μm；疏水层4的材质为的fluoropel cytop（一种疏水亲油的氟化聚合物），厚度为300nm；中空结构12的直径为5mm。导电液滴5为25%氯化钠溶液，折射率为1.380，密度为1g/cm³；绝缘液体6为甲基硅油，折射率为1.400，密度为0.970g/cm³。透明薄片7为聚氯乙烯材质，直径5mm、厚0.2mm，且透明薄片7在与绝缘液体6接触的一面已进行疏水处理。内外环形腔结构14与圆形上盖片11及导电玻璃下底片1的粘合均采用紫外固化胶。本发明入射光线采用氦氖激光，线性工作区在50V-150V，每调节1V电压，光程变化0.3个波长，相位变化0.6π。

综上所述，本发明提供的基于介电润湿效应的液体光学调相装置，采用平面电极，结构简化；采用内外环形腔结构，提高了调相装置的有效通光孔径；此外，本发明采用介电润湿方式驱动，仅通过改变施加电压，就可达到调相目的，无需任何机械移动，操作便捷。本发明通过改变装置光程差，实现调相功能，具有结构简单、成本低廉、响应速度快、驱动电压小、调相精度高等优点。

应该注意的是，上述实施例是对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的数据或步骤。

Claims

1.一种基于介电润湿效应的液体光学调相装置，其特征在于：包括设于下方的导电玻璃下底片（1）和设于上方的圆形上盖片（11），以及粘合设置在所述导电玻璃下底片（1）、所述圆形上盖片（11）之间的内外环形腔结构（14），所述内外环形腔结构包括外圆柱腔体（8）及同轴套设于所述外圆柱腔体（8）内部的内圆柱腔体（9），所述内外环形腔结构的顶部盖设有用于垂直固定所述内圆柱腔体（9）的圆环形盖片（10）；所述导电玻璃下底片（1）的上表面刻蚀有平面电极（2），并从下至上依次涂覆有介电层（3）和中空结构（12）的疏水层（4）；所述内外环形腔结构的内部满灌有绝缘液体（6），所述内圆柱腔体（9）的底部与所述疏水层（4）之间注射有与所述绝缘液体（6）互不相溶的导电液滴（5），所述导电液滴（5）与所述绝缘液体（6）在所述内圆柱腔体（9）内的分界面处设置有透明薄片（7）；所述平面电极（2）施有工作电压，所述导电液滴（5）在介电润湿效应作用下使所述内圆柱腔体（9）内的导电液柱（13）及所述透明薄片（7）的高度改变以进行调相。

2.根据权利要求1所述的基于介电润湿效应的液体光学调相装置，其特征在于：所述导电液滴（5）通过所述中空结构（12）与所述介电层（3）直接接触。

3.根据权利要求2所述的基于介电润湿效应的液体光学调相装置，其特征在于：所述中空结构（12）的直径与所述内圆柱腔体（9）的内径相同。

4.根据权利要求3所述的基于介电润湿效应的液体光学调相装置，其特征在于：所述内圆柱腔体（9）的内径也与所述圆环形盖片（10）的内径相同。

5.根据权利要求1所述的基于介电润湿效应的液体光学调相装置，其特征在于：所述导电液滴（5）为电解质溶液或离子液体。

6.根据权利要求5所述的基于介电润湿效应的液体光学调相装置，其特征在于：所述绝缘液体（6）为硅油或矿物油。

7.根据权利要求1所述的基于介电润湿效应的液体光学调相装置，其特征在于：所述工作电压为直流电压或交流电压。