一种基于渐变折射率流体微透镜的焦斑动态调节方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学微透镜领域，尤其设及一种基于渐变折射率流体微透镜的焦斑动 态调节方法。
【背景技术】
[0002] 现有的流体微透镜，通常采用液-液透镜，一般均为片外聚焦型流体微透镜， 无法实现片上系统的集成。最近，怀特赛兹教授小组开发了一种可动态调节液-液 透镜表面曲率的微透镜，实现了片内焦距可调（Tang,SindyK.Y. ;Stan,ClaudiuA.; Whitesides,GeorgeM，Dynamicallyreconfigurableliquid-coreliquid-cladding lensinamicrofluidicchannel,L油.Qiip., 8 (2008): 395-401，基于微流体通道的动态 可调液体巧层-液体包层透镜，片上实验室，8 (2008) : 395-401)。然而，利用液-液透镜界 面实现的微透镜需要很高的层流速度来保持该曲面的稳定，意味着为保证微透镜的稳定持 续的工作，必须不间断注入大流量的液体。
【发明内容】
[0003] 为了克服已有流体微透镜无法动态调节焦斑、灵活性较差的不足，本发明提供一 种可W有效地动态调节焦斑、灵活性良好的基于渐变折射率流体微透镜的焦斑动态调节方 法。
[0004] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0005] 一种基于渐变折射率流体微透镜的焦斑动态调节方法，该焦斑动态调节方法采用 片内焦斑动态可调的流体微透镜，所述流体微透镜包括微腔、巧层流道、包层流道和出口流 道，所述包层流道与所述微腔的进口的周围一圈均连通，所述巧层流道与巧层入口连通， 所述巧层入口的内径比所述微腔的内径小，且所述巧层入口与所述微腔在同一根轴线上， 所述巧层入口的出口处与所述包层流道连通且正对所述微腔的进口，所述微腔的出口与所 述出口流道连通，所述焦斑动态调节方法包括W下步骤：
[0006] (1)通过所述巧层流道和包层流道，向所述微腔中注入巧层流体和包层流体，所述 巧层流体和包层流体彼此之间只存在扩散和对流运动而不发生化学反应，包层流体均衡地 环绕着巧层流体，所述巧层流体和包层流体之间不存在相对滑移，所述巧层流体和包层流 体是具有不同折射率的两种流体；
[0007] (2)所述微透镜的光束传播方向与流体流动方向一致；
[0008] (3)通过调节流体流速、温度、浓度或微流体种类，控制流体扩散过程，实现对所述 微腔中折射率空间分布的调控；
[0009] (4)在流体高流速的情况下，进行焦斑尺寸动态调节；当平均流速和巧层流速大 于高流速阔值时，微腔中屯、的两相流体之间没有足够的时间扩散，该时腔内的折射率分布 的中屯、区域的折射率最高且为恒定值，伴随着微腔边缘区域的渐变折射率分布，形成出射 光线焦斑。
[0010] 进一步，所述步骤（3)中，所述扩散对流过程由流体平均速度U和扩散系数D决 定，其中扩散系数D受浓度C和温度T影响，因此改变流体平均速度U、浓度C和温度T会对 渐变折射率流体微透镜的性能有调控作用。
[0011] 更进一步，所述步骤（3)中，在假定液体温度不变，液体的扩散系数D、浓度C和平 均速度U将是扩散对流过程的影响因素，直接决定渐变折射率流体微透镜的聚焦性能。
[0012] 所述步骤（4)中，保持液体温度、质量分数、微流体种类不变，且巧层流速大于 5Xl〇3pL/s，得出流速变化对微腔内流体折射率分布的影响，从而实现对渐变折射率流体 微透镜的焦斑尺寸的动态调节。
[0013] 更进一步，沿着液体流动方向的折射率分布用公式表示为：
[0014]n=1. 1X1〇-i2s6-2. 2X1〇-"s5-6. 45X1Q-V-2. 73X1Q-1V+3. 62X1〇-6s2+1.99X1 〇-6s+l. 3533
[00巧]其中，变量.V=人+z2，y和z代表坐标轴y轴和z轴对应的坐标参量；
[0016] 所述中屯、折射率恒定区域的尺寸是决定焦斑尺寸的主要因素，边缘渐变折射率区 域与中屯、恒定折射率区域共同决定了渐变折射率流体微透镜的折射率分布，从而实现焦斑 尺寸的动态调控。
[0017] 所述巧层流道、包层流道平行布置，且所述包层流道与所述微腔的轴线呈相互垂 直布置。
[001引本发明的技术构思为：与上述液-液透镜相比，渐变折射率流体微透镜（L-GRIN) 基于不同折射率层流的扩散和对流原理工作，而不是依赖于固定的液-液曲面，因此不需 要高层流速度，经证实对液体的消耗量比液-液透镜少了 100多倍。并且L-GRIN微透镜是 通过动态调节流体条件，而非改变微透镜表面曲率来实现折射率渐变的，因此其光学特性 实时可调谐。从原理上来看，渐变折射率流体微透镜（L-GRIN)有可能实现片内焦距动态可 调。
[0019] 本发明的有益效果主要表现在：能有效地动态调控焦距、调控灵活性好。
【附图说明】
[0020] 图1是片内焦距与焦斑动态可调的流体微透镜的结构图，其中，X、y、Z代表坐标 轴，X轴方向代表流体流动方向、同时也是入射光束传播方向，yoz代表垂直光轴的截面， xoy代表包含光轴的截面。
[0021] 图2是片内焦距与焦斑动态可调的流体微透镜的截面图。
[0022] 图3是沿着液体流动方向的不同横截面的折射率分布图。
[0023] 图4是模拟的数据和拟合的曲线图。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0025] 参照图1~图4, 一种基于渐变折射率流体微透镜的焦斑动态调节方法，该焦斑动 态调节方法采用片内焦斑动态可调的流体微透镜，所述流体微透镜包括微腔1、巧层流道 2、包层流道3和出口流道4,所述包层流道3与所述微腔1的进口的周围一圈均连通，所述 巧层流道2与巧层入口 5连通，所述巧层入口 5的内径比所述微腔1的内径小，且所述巧层 入口 5与所述微腔1在同一根轴线上，所述巧层入口 5的出口处与所述包层流道3连通且 正对所述微腔1的进口，所述微腔1的出口与所述出口流道4连通，所述焦斑动态调节方法 包括W下步骤：
[0026] (1)通过所述巧层流道和包层流道，向所述微腔中注入巧层流体和包层流体，所述 巧层流体和包层流体彼此之间只存在扩散和对流运动而不发生化学反应，包层流体均衡地 环绕着巧层流体，所述巧层流体和包层流体之间不存在相对滑移，所述巧层流体和包层流 体是具有不同折射率的两种流体；
[0027] (2)所述微透镜的光束传播方向与流体流动方向一致；
[0028] (3)通过调节流体流速、温度、浓度或微流体种类，控制流体扩散过程，实现对所 述微腔中折射率空间分布的调控；
[0029] (4)在流体高流速的情况下，进行焦斑尺寸动态调节；当平均流速和巧层流速大 于高流速阔值时，微腔中屯、的两相流体之间没有足够的时间扩散，该时腔内的折射率分布 的中屯、区域的折射率最高且为恒定值，伴随着微腔边缘区域的渐变折射率分布，形成出射 光线焦斑。
[0030] 进一步，所述步骤（3)中，所述扩散对流过程由流体平均速度U和扩散系数D决 定，其中扩散系数D受浓度C和温度T影响，因此改变流体平均速度U、浓度C和温度T会对 渐变折射率流体微透镜的性能有调控作用。
[0031] 更进一步，所述步骤（3)中，在假定液体温度不变，液体的扩散系数D、浓度C和平 均速度U将是扩散对流过程的影响因素，直接决定渐变折射率流体微透镜的聚焦性能。
[0032] 所述步骤（4)中，保持液体温度、质量分数、微流体种类不变，且巧层流速大于 5Xl〇3pL/s，得出流速变化对微腔内流体折射率分布的影响，从而实现对渐变折射率流体 微透镜的焦斑尺寸的动态调节。
[0033] 更进一步，沿着液体流动方向的折射率分布用公式表示为：
[0034]n= 1. 1X1〇-i2s6-2. 2X1〇-"s5-6. 45X10_V-2. 73X1Q-1V+3. 62Xl〇-6s2+l. 99X1 〇-6s+l. 3533
[003引其中，变量=yly-+z-，y和z代表坐标轴y轴和z轴对应的坐标参量。
[0036] 所述中屯、折射率恒定区域的尺寸是决定焦斑尺寸的主要因素，边缘渐变折射率区 域与中屯、恒定折射率区域共同决定了渐变折射率流体微透镜的折射率分布，从而实现焦斑 尺寸的动态调控。
[0037] 所述巧层流道2、包层流道3平行布置，且所述包层流道3与所述微腔1的轴线呈 相互垂直布置。
[003引本实施例中，巧层液体和包层液体分别注入通过巧层入口 5和包层入口，分别通 过出口流出。流体微透镜的主要部分是一个微型圆柱腔，圆柱腔内的流体的扩散和对流过 程将会出现渐变折射率分布。流