一種基于流體光波導的二維可調(diào)諧光束方向調(diào)控方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及光束整形技術領域，尤其是一種可調(diào)諧光束方向調(diào)控方法。
【背景技術】
[0002] 光束的整形技術包括了對光束的聚焦、準直、偏轉、分束、耦合等調(diào)控，通常調(diào)控光 學介質(zhì)的折射率分布就可以方便地實現(xiàn)對入射光束的聚焦、準直、偏轉、分束等控制。近年 來快速發(fā)展的微流控光學技術為我們提供了光束整形的新方法，其原理是通過控制流體流 動來實現(xiàn)對光線微觀尺度的控制（MaoX，LinSS，LapsleyMI,ShiJ，JuluriBK，Tunable liquidgradientrefractiveindex(L-GRIN)lenswithtwodegreesoffreedom,Lab. Chip.，9(2009) :2050-2058,具有2個自由度調(diào)節(jié)能力的可調(diào)諧液體漸變折射率透鏡，片 上實驗室，9 (2009) :2050-2058;YangY,LiuAQ,ChinLK,ZhangXM,TsaiDP,LinCL，Lu C,WangGP,ZheludevNI,Optofluidicwaveguideasatransformationopticsdevice forlightwavebendingandmanipulation，Nat.Commun.，3 (2012) : 651-657,用于光波彎 曲和控制的基于光流控波導的轉換光學器件，自然-通信，3 (2012) :651-657)。鑒于此，微 流控技術和系統(tǒng)可以被引入光束方向沿一個或多個維度自由可調(diào)的流體微透鏡的設計和 制作中。首先利用一種折射率較高的流體在折射率較低的流體中的擴散和對流，形成一種 可調(diào)控折射率分布的流體光波導，然后通過動態(tài)調(diào)控流體光波導的折射率分布來調(diào)諧光波 在出射端的偏轉與聚焦，得到一個或多個維度光束偏轉與聚焦的效果。
[0003] 目前尚無光束方向沿一個或多個維度自由可調(diào)的透鏡結構，光束方向的調(diào)節(jié)需要 通過外置的精密機械結構來實現(xiàn)，因此結構十分復雜、尺寸大，而且也無法實現(xiàn)光束方向的 連續(xù)動態(tài)可調(diào)。難以滿足光電檢測領域和光傳感領域的迫切需求。為滿足應用領域的迫切 需求，本發(fā)明提出基于流體光波導的二維可調(diào)諧光束方向調(diào)控方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服已有微透鏡的需要外置精密機械結構來實現(xiàn)透鏡光束方向調(diào)諧、結構復 雜、尺寸龐大、制作困難、調(diào)控靈活性差、集成度低的不足，本發(fā)明提供一種集成度高、結構 簡單、制作方便、成本低廉的基于流體光波導的二維可調(diào)諧光束方向調(diào)控方法。
[0005] 本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：
[0006] -種基于流體光波導的二維可調(diào)諧光束方向調(diào)控方法，該光束方向調(diào)控方法采用 流體微透鏡，所述流體微透鏡包括流體光波導、入射激光器和光束接收面，所述流體光波導 上開有用于承載微流體的流道，所述流道包括一個芯層流體入口、上下左右四個包層流體 入口、流體微腔和上下兩個流體出口，左右兩個包層流體入口以微腔的中心軸線對稱設置， 上下兩個包層流體入口和上下兩個流體出口均以微腔的中心軸線對稱設置，所述芯層流體 入口、四個包層流體入口均與所述流體微腔的入口側連通，所述流體微腔的出口側與兩個 流體出口連接，所述入射激光器和光束接收面同軸布置，所述入射激光器和光束接收面的 軸線與流體流動方向平行且方向一致沿微腔的中心軸線方向，所述芯層流體入口和包層流 體入口內(nèi)安裝用以調(diào)節(jié)流體速度的流速調(diào)節(jié)設備，所述流速調(diào)節(jié)設備控制芯層流體和包層 流體流速以便實現(xiàn)光束方向沿二個維度自由可調(diào)的效果；
[0007] 所述芯層流體和包層流體彼此之間只存在擴散和對流運動，包層流體環(huán)繞著芯層 流體，所述芯層流體和包層流體是具有不同折射率的兩種流體，所述芯層流體和包層流體 在流體微腔中流動共同構成流體光波導；
[0008] 所述二維可調(diào)諧光束方向調(diào)控方法如下：通過調(diào)節(jié)左右兩個包層流體的流速比實 現(xiàn)中心折射率的左右偏移，通過調(diào)節(jié)上下兩個包層流體的流速比實現(xiàn)中心折射率的上下偏 移，通過同時調(diào)節(jié)左右兩個包層流體的流速比、上下兩個包層流體的流速比實現(xiàn)中心折射 率在輸出平面任何方向的偏移。
[0009] 進一步，增大左右兩個包層流體的流速比，中心折射率向右偏移，減小左右兩個包 層流體的流速比，中心折射率向左偏移；增大上下兩個包層流體的流速比，中心折射率向下 偏移，減小上下兩個包層流體的流速比，中心折射率向上偏移。
[0010] 再進一步，所述流速調(diào)節(jié)設備為注入流體的蠕動栗。
[0011] 更進一步，所述包層流體折射率高于所述芯層流體折射率。
[0012] 本發(fā)明的技術構思為：利用構成流體光波導的芯層和包層兩種流體的擴散和對流 過程動態(tài)調(diào)控波導折射率，影響兩種流體擴散與對流過程并進而影響流體光波導折射率分 布的主要因素包括芯層和包層流體的流速以及不同折射率微流體的選擇。在有限長的微溝 道中如果流體流速比較低，則擴散效應明顯，此時無論是微腔的橫截面方向還是沿著流體 流動方向都要考慮擴散效應對濃度梯度的影響，而芯層流體在包層流體中的擴散正是漸變 折射率流體光波導能夠?qū)崿F(xiàn)的理論基礎。進一步地，與以往基于微流控光學技術的漸變 折射率透鏡不同，讓一側包層的流速大于另一側，形成折射率較高的芯層區(qū)域的偏移分布， 并以此來進行光束的偏轉與聚焦。因此，通過控制芯層流體和包層流體的流速和流體種類 不僅可以有效控制流體擴散濃度以及折射率的空間分布，還可以控制光波的偏轉與聚焦效 果。
[0013] 本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：1、基于微流控光學技術的光束整形方法，以兩種 流體之間的對流和擴散過程形成流體光波導結構，通過控制芯層和包層流體的流速以及流 體種類，可以得到靈活多變的折射率分布，實現(xiàn)聚焦方向可調(diào)諧微透鏡，且偏轉的角度和焦 距可實時調(diào)節(jié)； 2、通過發(fā)明基于流體光波導的光束方向可調(diào)諧微透鏡，可以構建一種兼具 集成性和可調(diào)諧功能的新型光束方向沿二維自由可調(diào)的流體微透鏡；3、光束傳播方向沿著 微透鏡的中心軸液體流動方向，有效保證了漸變折射率分布對微透鏡光束方向的可調(diào)性； 4、與傳統(tǒng)的光束方向調(diào)控方法相比，具有不需要外置機械機構，單個微透鏡即可實現(xiàn)光束 方向動態(tài)調(diào)節(jié)的優(yōu)點，且具有集成度高、結構簡單、制作方便、成本低廉等優(yōu)點。
【附圖說明】
[0014] 圖1是本發(fā)明基于流體光波導的光束方向沿二維自由可調(diào)的流體微透鏡的示意 圖。
[0015] 圖2是本發(fā)明基于流體光波導的光束方向沿二維自由可調(diào)的流體微透鏡中流體 光波導承載微流體的空腔示意圖。
[0016] 圖3是增加左側包層液體流速實現(xiàn)中心折射率往右偏移的折射率分布圖。
[0017] 圖4是增加下側包層液體流速實現(xiàn)中心折射率上方偏移的折射率分布圖。
[0018] 圖5是同時增加左側和下側包層液體流速實現(xiàn)中心折射率往右上方偏移的折射 率分布圖。
[0019] 圖6是當一側包層流速從lfr增加到9fr過程中，折射率分布中心的偏移量的變 化。
[0020] 圖7是一側包層流速為3fr(即Qleft= 1. 5X104pL/s)時，折射率中心的偏移分布 圖。
[0021] 圖8是一偵m層流速為2fr(即Qleft= 1X104pL/S)時，折射率中心的偏移分布圖。
【具體實施方式】
[0022] 下面結合附圖對本發(fā)明作進一步描述。
[0023] 參照圖1~圖5,一種基于流體光波導的二維可調(diào)諧光束方向調(diào)控方法，該光束方 向調(diào)控方法采用流體微透鏡，所述流