片內(nèi)焦距與焦斑動(dòng)態(tài)可調(diào)的流體微透鏡的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及流體光學(xué)微透鏡，尤其是一種焦距與焦斑動(dòng)態(tài)可調(diào)的流體微透鏡。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有的流體微透鏡，通常采用液-液透鏡，一般均為片外聚焦型流體微透鏡， 無(wú)法實(shí)現(xiàn)片上系統(tǒng)的集成。最近，懷特賽茲教授小組開發(fā)了一種可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)液-液 透鏡表面曲率的微透鏡，實(shí)現(xiàn)了片內(nèi)焦距可調(diào)（Tang,SindyK.Y. ;Stan,ClaudiuA.; Whitesides,GeorgeM?Dynamicallyreconfigurableliquid-coreliquid-cladding lensinamicrofluidicchannel，Lab.Chip. ,8(2008):395-401，基于微流體通道的動(dòng)態(tài) 可調(diào)液體芯層-液體包層透鏡，片上實(shí)驗(yàn)室，8 (2008) : 395-401)。然而，利用液-液透鏡界 面實(shí)現(xiàn)的微透鏡需要很高的層流速度來(lái)保持該曲面的穩(wěn)定，意味著為保證微透鏡的穩(wěn)定持 續(xù)的工作，必須不間斷注入大流量的液體。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了克服已有微透鏡的無(wú)法動(dòng)態(tài)調(diào)整焦距和焦斑、靈活性較差的不足，本發(fā)明提 供一種有效動(dòng)態(tài)調(diào)整焦距和焦斑、靈活性良好的片內(nèi)焦距與焦斑動(dòng)態(tài)可調(diào)的流體微透鏡。
[0004] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：
[0005] 一種片內(nèi)焦距與焦斑動(dòng)態(tài)可調(diào)的流體微透鏡，所述流體微透鏡包括微腔、芯層流 道、包層流道和出口流道，所述包層流道與所述微腔的進(jìn)口的周圍一圈均連通，所述芯層流 道與芯層入口連通，所述芯層入口的內(nèi)徑比所述微腔的內(nèi)徑小，且所述芯層入口與所述微 腔在同一根軸線上，所述芯層入口的出口處與所述包層流道連通且正對(duì)所述微腔的進(jìn)口， 所述微腔的出口與所述出口流道連通。
[0006] 所述芯層流道、包層流道平行布置，且所述包層流道與所述微腔的軸線呈相互垂 直布置。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為：與現(xiàn)有的液-液透鏡相比，漸變折射率流體微透鏡 (L-GRIN)基于不同折射率層流的擴(kuò)散和對(duì)流原理工作，而不是依賴于固定的液-液曲面， 因此不需要高層流速度，經(jīng)證實(shí)對(duì)液體的消耗量比液-液透鏡少了 100多倍。并且微透鏡 是通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)流體條件，而非改變微透鏡表面曲率來(lái)實(shí)現(xiàn)折射率漸變的，因此其光學(xué)特 性實(shí)時(shí)可調(diào)諧。從原理上來(lái)看，漸變折射率流體微透鏡（L-GRIN)有可能實(shí)現(xiàn)片內(nèi)焦距與焦 斑動(dòng)態(tài)可調(diào)。
[0008] 本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：有效動(dòng)態(tài)調(diào)整焦距和焦斑、靈活性良好。
【附圖說(shuō)明】
[0009] 圖1是片內(nèi)焦距與焦斑動(dòng)態(tài)可調(diào)的流體微透鏡的結(jié)構(gòu)圖，其中，x、y、z代表坐標(biāo) 軸，X軸方向代表流體流動(dòng)方向、同時(shí)也是入射光束傳播方向，yoz代表垂直光軸的截面， xoy代表包含光軸的截面。
[0010] 圖2是片內(nèi)焦距與焦斑動(dòng)態(tài)可調(diào)的流體微透鏡的截面圖。
[0011] 圖3是選取五個(gè)不同位置處的截面折射率的分布圖。
[0012] 圖4是通過(guò)調(diào)整質(zhì)量分?jǐn)?shù)所調(diào)整的焦距的結(jié)果變形趨勢(shì)圖。
[0013] 圖5是橫截面沿著液體流動(dòng)方向上不同的折射率分布圖。
[0014] 圖6是流速對(duì)焦距的影響圖。
[0015] 圖7是沿著液體流動(dòng)方向的不同橫截面的折射率分布圖。
[0016] 圖8是模擬的數(shù)據(jù)和擬合的曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0018] 參照?qǐng)D1~圖8,一種片內(nèi)焦距與焦斑動(dòng)態(tài)可調(diào)的流體微透鏡，所述流體微透鏡包 括微腔1、芯層流道2、包層流道3和出口流道4,所述包層流道3與所述微腔1的進(jìn)口的周 圍一圈均連通，所述芯層流道2與芯層入口 5連通，所述芯層入口 5的內(nèi)徑比所述微腔1的 內(nèi)徑小，且所述芯層入口 5與所述微腔1在同一根軸線上，所述芯層入口 5的出口處與所述 包層流道3連通且正對(duì)所述微腔1的進(jìn)口，所述微腔1的出口與所述出口流道4連通。
[0019] 所述芯層流道2、包層流道3平行布置，且所述包層流道3與所述微腔1的軸線呈 相互垂直布置。
[0020] 本實(shí)施例中，芯層液體和包層液體分別注入通過(guò)芯層入口 5和包層入口，分別通 過(guò)出口流出。流體微透鏡的主要部分是一個(gè)微型圓柱腔，圓柱腔內(nèi)的流體的擴(kuò)散和對(duì)流過(guò) 程將會(huì)出現(xiàn)漸變折射率分布。流體微透鏡的截面設(shè)計(jì)如圖2,入口直徑設(shè)計(jì)為50ym，包層 進(jìn)口的直徑設(shè)計(jì)為150ym。乙二醇溶液（芯層液體）與去離子水（DI，包層液體）同時(shí)注 入腔體，xoy截面上軸對(duì)稱的漸變折射率分布：近軸折射率最大，沿著腔中心軸線方向和垂 直軸線方向的折射率分布漸變減小。
[0021] 采用有限元法（FEM)和光線追跡法來(lái)模擬和優(yōu)化參數(shù)。器件的折射率分布可以通 過(guò)模擬和計(jì)算兩相流體擴(kuò)散和對(duì)流過(guò)程穩(wěn)定后在微腔中的濃度獲得。在微腔內(nèi)，流體的擴(kuò) 散和對(duì)流影響了流體微透鏡的折射率分布，對(duì)流擴(kuò)散過(guò)程，U= (〇。_+〇。13(1)/R2JT代表腔體 的流體速度，9。_和Qdad分別代表芯層和包層的流速，R為包層流體的直徑。
[0022] 因?yàn)閿U(kuò)散對(duì)流過(guò)程的決定性因素包括流體平均速度U和擴(kuò)散系數(shù)D，而擴(kuò)散系數(shù) 又受濃度C和溫度T的影響，因此改變流體平均速度U、濃度以及溫度，會(huì)對(duì)流體微透鏡的 性能有很重要的調(diào)節(jié)作用。例如，乙二醇溶液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.025變?yōu)?.95時(shí)，去離 子水和乙二醇之間的擴(kuò)散系數(shù)從3. 75XKTltlmVs變?yōu)?. 17Xl(T9m2/s。另外，乙二醇質(zhì)量 分?jǐn)?shù)為〇. 8不變，當(dāng)溫度變化從30°C到50°C時(shí)，液體的擴(kuò)散系數(shù)從3. 15XKTV/s變?yōu)?6. 45XlO^nVs。因此在假定液體的溫度不變的前提下，液體的擴(kuò)散系數(shù)D、濃度C和平均 速度U將是擴(kuò)散對(duì)流過(guò)程的主要影響因素，其直接決定了微透鏡的聚焦性能。假設(shè)將去離 子水和乙二醇溶液分別選為包層和芯層液體，并且假定包層芯層液體流速相同無(wú)相對(duì)滑移 進(jìn)行計(jì)算。低流速下可以實(shí)現(xiàn)有效的焦距調(diào)節(jié)，高流速可以實(shí)現(xiàn)焦斑大小的調(diào)節(jié)。因此，焦 距和輸出光束的焦斑可以通過(guò)調(diào)節(jié)流體的速度來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0023] 為了形成擴(kuò)散對(duì)流效果，高折射率的乙二醇（neOTe= 1. 432)和低折射率的去離子 水（ndad= 1. 332)將沿著同一個(gè)方向注入到所設(shè)計(jì)的微透鏡的微腔中。從芯層和包層液體 注入到微腔開始，擴(kuò)散對(duì)流過(guò)程便開始發(fā)生，這里的U和D將是確定的值。并且這個(gè)初速度 可以用公式U= (〇。_+〇。13(1)/R2 來(lái)計(jì)算得到?？紤]到包層截面的面積是芯層面積的8倍， 為了保持芯層和包層液體無(wú)相對(duì)滑移，模擬的過(guò)程同樣采用Q&d/Q。^= 8。