CN112731650B - 基于介电润湿效应的反射式光学调相装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于介电润湿效应的反射式光学调相装置，包括五边形ITO玻璃板、ITO玻璃基底、侧面长方形玻璃板、顶面长方形玻璃板、三孔玻璃隔板、导电液体、绝缘液体和透明薄片。整个装置内充满两种互不相溶、密度近似相同且折射率不同的液体。本发明借助介电润湿效应来实现对液体高度、光程差及光学相位的调节和控制。施加工作电压，两侧工作腔内导电液体和腔体壁面之间的接触角会发生变化，从而带来液‑液界面高度的变化。屋脊式顶面的存在，可以使得从一侧腔体入射进来的光线发生全反射，进而从另一侧腔体出射。由于两液体之间存在折射率差，出射光的光程将随着两侧工作腔内液‑液界面高度的变化而发生变化，从而达到改变相位的目的。
Description
技术领域
本发明属于光电信息集成器件、微流控光学分析和光学相位调制技术领域，特别涉及一种基于介电润湿效应的反射式光学调相装置及其使用方法。
背景技术
光学相位调制在工业生产和科学研究中有着广泛的应用。在光学相干层析成像系统中，要获得被测物体的层析图像，需要调整干涉仪中单臂的光程实现干涉图样。作为一种新的成像和测量技术，相移干涉技术需要在干涉参考臂上产生不同的相移，从而在记录平面上产生相应的不同相移的干涉图样。在通信系统中，电光调制器通过调制光的光学相位以实现信号传输。压电陶瓷相移器是典型的反射式调相装置，压电陶瓷在电压作用下产生一定的伸缩变形，带动反射镜产生微小的平移，从而导致光程的改变。这类调相装置件包含机械运动部件，存在结构复杂、尺寸大、偏振依赖、电磁干扰等问题。对于高性能光学系统来说，具有偏振无关性、结构简单、易于小型化、调制精度高、无电磁干扰的光学相位调制依然是急需的。
2013年，Juliet T.Gopinath设计了一种聚焦可调电润湿透镜的线性阵列，用于补偿透射光学系统中整个波长范围内的光学相位失真。该装置通过改变光程长度(OPL)实现对透射光相位的控制。然而该器件存在制作工艺复杂和成本高昂等问题。2017年美国威斯康星大学A.O.Ashtiani提出一种介电润湿驱动的液体可调谐光学移相器，该装置由多层SU-8构成，内部填充两层不混溶且折射率不同的液体，两层液体中间用平面SU-8膜隔开。当施加驱动电压时，两个液体层的厚度改变，引起光程差，导致相位移动，施加100V交流电压，能实现171°的相移，响应时间为110ms。该移相器的响应速度较快，驱动电压小，但是其可调谐范围较小，制作工艺较复杂。2019年，王琼华研制了一种基于介电润湿的光程可变装置，用于补偿成像系统后焦距，实现1.15mm的最大光程变化。2019年，本课题组设计了一种基于介电润湿效应的透射式液体光学调相器件，初步实现了6.68π的相位变化。
发明内容
本发明提供一种基于介电润湿效应的反射式光学调相装置及其使用方法，以解决现有技术中光学调相装置结构复杂、偏振依赖、尺寸较大、可调范围小以及精度不高等问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于介电润湿效应的反射式光学调相装置，包括两块五边形ITO玻璃板、ITO玻璃基底、两块侧面长方形玻璃板、两块顶面长方形玻璃板、两块三孔玻璃隔板、导电液体、绝缘液体和两块透明薄片；
所述ITO玻璃基底用作腔体的底面，两块五边形ITO玻璃板竖直连接在ITO玻璃基底一对互相平行的边上，组成调相装置主腔体的前后面，两块侧面长方形玻璃板竖直连接在ITO玻璃基底另一对互相平行的边上，作为主腔体的两边侧面，且两块侧面长方形玻璃板与两块五边形ITO玻璃板的侧边相连；所述两块三孔玻璃隔板平行放置在主腔体内，三孔玻璃隔板底边与ITO玻璃基底相连，并垂直于ITO玻璃基底，将主腔体分为工作腔、储液腔和工作腔，三孔玻璃隔板的小孔靠近隔板与ITO玻璃基底相连的一端；所述两块顶面长方形玻璃板拼接成屋脊式顶面，所述屋脊式顶面与五边形ITO玻璃板及侧面长方形玻璃板相连，构成一个密封的盒体装置；
所述装置内充满两种互不相溶、密度近似且折射率不同的液体，其中下层为导电液体，上层为绝缘液体；储液腔两侧的工作腔体内的液-液界面上放置经特殊处理的透明薄片，使得工作腔体内的液-液界面形成平界面；所述ITO玻璃基底接地，工作时在主腔体的前后两块五边形ITO玻璃板上施加工作电压。
进一步的，所述屋脊式顶面由两块顶面长方形玻璃板拼接而成，两块顶面长方形玻璃板相互垂直，其夹角为90度，且两块长方形玻璃板与水平方向成45度角放置。
进一步的，所述两侧工作腔和中间储液腔形成连通器，保证工作腔和储液腔内的双液体界面能够随着工作电压的变化自如地升高或者下降。
进一步的，所述透明薄片的材质为PVC。
进一步的，入射光经由其中一个工作腔垂直入射到屋脊式玻璃面，发生全反射，反射光在另一侧屋脊面上再次发生全反射，最终经过两次全反射的反射光从另一个工作腔垂直出射。
进一步的，所述透明薄片的上下表面分别与绝缘液体和导电液体完全接触，使绝缘液体和导电液体之间的液-液分界面呈与侧壁垂直的平界面状态。
进一步的，所述导电液体包括电解质溶液或离子液体，所述绝缘液体包括硅油或矿物油。
进一步的，所述五边形ITO玻璃板内表面依次涂覆绝缘介电层、疏水层；ITO玻璃基底内表面涂覆绝缘介电层。
进一步的，所述疏水层分别涂覆在两侧工作腔腔体的四个壁面，用于增大导电液体与腔体壁面的初始接触角。
一种基于介电润湿效应的反射式光学调相装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤1、在装置前后两块五边形ITO玻璃板上施加工作电压，根据介电润湿效应，当施加工作电压，两侧工作腔内导电液体和腔体壁面之间的接触角会发生变化，液-液界面高度也随之发生变化；当两侧工作腔内液-液界面高度升高，则中间储液腔内的导电液体将通过隔板上的小孔流入两侧工作腔内；当两侧工作腔内液-液界面降低，则两侧工作腔内的导电液体将通过隔板上的小孔流入中间储液腔；
步骤2、当光从左侧工作腔垂直入射到屋脊式顶面，发生全反射，反射光在另一侧屋脊面上再次发生全反射，最终经过两次全反射后将从右侧工作腔垂直出射；当两侧工作腔内的液-液界面高度发生变化后，由于两液体之间存在折射率差，通过工作腔的光程发生变化，进而带来系统光学相位变化；所产生的相位差满足公式
其中：
表示相位差，Δn是两种液体的折射率差，Δh是液-液界面总的变化高度差，λ表示入射光波长。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明所提出的反射式光学调相装置，入射光可以在两侧工作腔体内分别实现光程的变化，调相范围更大。
2、本发明所提出的反射式光学调相装置，入射光与出射光从装置底部垂直进出，可应用于一些特殊应用场景。
3、本发明所提出的反射式光学调相装置，将经过特殊处理的薄片放置在工作腔中两种液体的分界面，使得液体分界面为与侧壁垂直的平界面。
4、本发明所提出的反射式光学调相装置，工作物质为液体，通过电压调节相位，无机械运动带来的震动，解决了现有的光学调相装置共相方法复杂问题。
5、本发明所提出的反射式光学调相装置，可以通过选择折射率差较小的液体组合，达到提高器件调相精度的目的，解决了现有的光学调相装置精度不高问题。
6、本发明所提出的反射式光学调相装置，可以通过选择折射率差较大的液体组合，达到提高器件调相范围的目的，解决了现有的光学调相装置调相范围不高的问题。
7、本发明所提出的反射式光学调相装置，调节测量与计算过程较为简便，制作容易且成本较低，具有较高的技术价值和经济价值。
附图说明
图1为本发明装置的立体图；
图2为本发明装置的主视图；
图3为本发明装置的侧视图；
图4为本发明装置的附视图；
图5为本发明未施加电压时的工作原理示意图；
图6为本发明施加电压光程增大时的工作原理示意图；
图7为本发明施加电压光程减小时的工作原理示意图；
其中：1-顶面长方形玻璃板与侧面长方形玻璃板交界线、2-绝缘液体、3-疏水层、4-三孔玻璃隔板、5-透明薄片、6-导电液体、7-绝缘介电层、8-屋脊式顶面、9-五边形ITO玻璃板、10-ITO玻璃基底、11-侧面长方形玻璃板、12-顶面长方形玻璃板。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
本发明的工作原理：在装置前后两块五边形ITO玻璃板9上施加工作电压，根据介电润湿效应，施加工作电压，两侧工作腔内导电液体6和腔体壁面之间的接触角会发生变化，从而带来液-液界面高度的变化。当两侧工作腔内液-液界面高度升高，则中间储液腔内的导电液体6将通过隔板上的小孔流入两侧工作腔内；当两侧工作腔内液-液界面降低，则两侧腔内的导电液体6将通过隔板上的小孔流入中间储液腔。入射光经由一侧工作腔垂直入射到屋脊式顶面8，经过两次全反射后从另一侧工作腔垂直出射。由于两液体之间存在折射率差，出射光的光程将随着两侧工作腔内液-液界面高度的变化而发生变化，从而达到改变相位的目的。
实施例1
一种基于介电润湿效应的反射式光学调相装置，包括两块五边形ITO玻璃板9、ITO玻璃基底10、两块侧面长方形玻璃板11、两块顶面长方形玻璃板12、两块三孔玻璃隔板4、导电液体6、绝缘液体2和两块透明薄片5。所述ITO玻璃基底10用作腔体的底面；两块五边形ITO玻璃板9竖直拼接在ITO玻璃基底10上，组成调相装置主腔体的前后面；两块侧面长方形玻璃板11作为主腔体的两边侧面，且两块侧面长方形玻璃板11与两块五边形ITO玻璃板9的侧边相连；所述两块三孔玻璃隔板4平行放置在主腔体内，三孔玻璃隔板4底边与ITO玻璃基底10相连，并垂直于ITO玻璃基底10，将主腔体分为工作腔、储液腔和工作腔，三孔玻璃隔板4的小孔靠近隔板与ITO玻璃基底10相连的一端；所述两块顶面长方形玻璃板12拼接成屋脊式顶面8，所述屋脊式顶面8与五边形ITO玻璃板9及侧面长方形玻璃板11相连，构成一个密封的盒体装置；
整个装置内充满两种互不相溶、密度近似相同且折射率不同的液体，其中下层为导电液体6，上层为绝缘液体2。两侧工作腔体内的液-液界面上放置经特殊处理的透明薄片5，使得工作腔体内的液-液界面形成平界面。
作为一个优选方式，拼接成屋脊式顶面8的两块顶面长方形玻璃板12相互垂直，夹角为90度，且两块长方形玻璃板12与水平方向成45度角放置。入射光要垂直入射，保证入射光线经由一侧工作腔入射至屋脊式顶面8，发生两次全反射，随后从另一侧工作腔垂直出射，出射光与入射光平行。
作为一个优选方式，所述五边形ITO玻璃板9依次涂覆绝缘介电层7、疏水层3；ITO玻璃基底10涂覆绝缘介电层7。
作为一个优选方式，所述疏水层3分别涂覆在两侧工作腔腔体的四个壁面，用于增大导电液体6与壁面的初始接触角。
作为一个优选方式，调相装置内部填充两种折射率不同、密度相似且不混溶的液体，一种是导电液体6，包括电解质溶液或离子液体，另一种是绝缘液体2，包括硅油或矿物油。
作为一个优选方式，所述透明薄片5的上下表面分别与绝缘液体2和导电液体6完全接触，使液-液分界面呈与内壁垂直的平界面状态。
所述透明薄片5的材质为PVC，大小为边长9.5mm的正方形，其厚度为2mm左右。
作为一个优选方式，所述ITO玻璃基底10尺寸为26.4mm*12.2mm，两块顶面长方形玻璃基板11尺寸为12.2mm*19.3mm，两块侧面长方形玻璃基板12尺寸为12.2mm*15mm，两块三孔玻璃隔板4尺寸为10mm*12mm，且两块隔板4之间的间隙为3mm。
实施例2
一种基于介电润湿效应的反射式光学调相装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤1、在装置前后两块五边形ITO玻璃板9上施加工作电压，根据介电润湿效应，当施加工作电压，两侧工作腔内导电液体6和腔体壁面之间的接触角会发生变化，液-液界面高度也随之发生变化。当两侧工作腔内液-液界面高度升高，则中间储液腔内的导电液体6将通过隔板上的小孔流入两侧工作腔内；当两侧工作腔内液-液界面降低，则两侧工作腔内的导电液体6将通过隔板上的小孔流入中间储液腔。
步骤2、当光从左侧工作腔垂直入射到屋脊式顶面8，经过两次全反射后将从右侧工作腔垂直出射。当两侧工作腔内的液-液界面高度发生变化后，由于两液体之间存在折射率差，通过工作腔的光程发生变化，进而带来系统光学相位变化；所产生的相位差满足公式
其中：
表示相位差，Δn是两种液体的折射率差，Δh是液-液界面总的变化高度差，λ表示入射光波长。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于介电润湿效应的反射式光学调相装置，其特征在于：包括两块五边形ITO玻璃板（9）、ITO玻璃基底（10）、两块侧面长方形玻璃板（11）、两块顶面长方形玻璃板（12）、两块三孔玻璃隔板（4）、导电液体（6）、绝缘液体（2）和两块透明薄片（5）；
所述ITO玻璃基底（10）用作腔体的底面；两块五边形ITO玻璃板（9）竖直拼接在ITO玻璃基底（10）上，组成调相装置主腔体的前后面；两块侧面长方形玻璃板（11）作为主腔体的两边侧面，且两块侧面长方形玻璃板（11）与两块五边形ITO玻璃板（9）的侧边相连；所述两块三孔玻璃隔板（4）平行放置在主腔体内，三孔玻璃隔板（4）底边与ITO玻璃基底（10）相连，并垂直于ITO玻璃基底（10），将主腔体分为工作腔、储液腔和工作腔，三孔玻璃隔板（4）的小孔靠近隔板与ITO玻璃基底（10）相连的一端；所述两块顶面长方形玻璃板（12）拼接成屋脊式顶面（8），所述屋脊式顶面（8）与五边形ITO玻璃板（9）及侧面长方形玻璃板（11）相连，构成一个密封的盒体装置；
所述装置内充满两种互不相溶且折射率不同的液体，其中下层为导电液体（6），上层为绝缘液体（2）；储液腔两侧的工作腔体内的液-液界面上放置透明薄片（5），使得工作腔体内的液-液界面形成平界面； 所述ITO玻璃基底（10）接地，工作时在主腔体的前后两块五边形ITO玻璃板（9）上施加工作电压。
2.根据权利要求1所述的基于介电润湿效应的反射式光学调相装置，其特征在于：所述屋脊式顶面（8）由两块顶面长方形玻璃板（12） 拼接而成，两块顶面长方形玻璃板（12）相互垂直，其夹角为90度，且两块长方形玻璃板（12）与水平方向成45度角放置。
3.根据权利要求1所述的基于介电润湿效应的反射式光学调相装置，其特征在于：所述两侧工作腔和中间储液腔形成连通器，保证工作腔和储液腔内的双液体界面能够随着工作电压的变化而升高或者下降。
4.根据权利要求1所述的基于介电润湿效应的反射式光学调相装置，其特征在于：所述透明薄片（5）的材质为PVC。
5.根据权利要求1所述的基于介电润湿效应的反射式光学调相装置，其特征在于：入射光经由其中一个工作腔垂直入射到屋脊式玻璃面（8），发生全反射，反射光在另一侧屋脊面上再次发生全反射，最终经过两次全反射的反射光从另一个工作腔垂直出射。
6.根据权利要求1所述的基于介电润湿效应的反射式光学调相装置，其特征在于：所述透明薄片（5）的上下表面分别与绝缘液体（2）和导电液体（6）完全接触，使绝缘液体（2）和导电液体（6）之间的液-液分界面呈与侧壁垂直的平界面状态。
7.根据权利要求1所述的基于介电润湿效应的反射式光学调相装置，其特征在于：所述导电液体（6）包括电解质溶液或离子液体，所述绝缘液体（2）包括硅油或矿物油。
8.根据权利要求1所述的基于介电润湿效应的反射式光学调相装置，其特征在于：所述五边形ITO玻璃板（9）内表面依次涂覆绝缘介电层（7）、疏水层（3）；所述ITO玻璃基底（10）内表面涂覆绝缘介电层（7）。
9.根据权利要求8所述的基于介电润湿效应的反射式光学调相装置，其特征在于：所述疏水层（3）分别涂覆在两侧工作腔腔体的四个壁面，用于增大导电液体（6）与腔体壁面的初始接触角。
10.根据权利要求1-9任一所述的基于介电润湿效应的反射式光学调相装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在装置前后两块五边形ITO玻璃板（9）上施加工作电压，根据介电润湿效应，当施加工作电压，两侧工作腔内导电液体（6）和腔体壁面之间的接触角会发生变化，液-液界面高度也随之发生变化；当两侧工作腔内液-液界面高度升高，则中间储液腔内的导电液体（6）将通过隔板上的小孔流入两侧工作腔内；当两侧工作腔内液-液界面降低，则两侧工作腔内的导电液体（6）将通过隔板上的小孔流入中间储液腔；
步骤2、当光从左侧工作腔垂直入射到屋脊式顶面（8），发生全反射，反射光在另一侧屋脊面上再次发生全反射；经过两次全反射后，最终将从右侧工作腔垂直出射；当两侧工作腔内的液-液界面高度发生变化后，由于两液体之间存在折射率差，通过工作腔的光程发生变化，进而带来系统光学相位变化；所产生的相位差满足公式，其中：Δφ表示相位差，Δn是两种液体的折射率差，Δh是液-液界面总的变化高度差，𝜆表示入射光波长。
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