体微透镜的截面设计如图2,入口直径设计为50ym，包层 进口的直径设计为150ym。己二醇溶液（巧层液体）与去离子水值I，包层液体）同时注 入腔体，xoy截面上轴对称的渐变折射率分布；近轴折射率最大，沿着腔中屯、轴线方向和垂 直轴线方向的折射率分布渐变减小。
[0039] 采用有限元法（FEM)和光线追迹法来模拟和优化参数。器件的折射率分布可W通 过模拟和计算两相流体扩散和对流过程稳定后在微腔中的浓度获得。在微腔内，流体的扩 散和对流影响了流体微透镜的折射率分布，对流扩散过程，U= (Qt",+QtiJ/R2 3i代表腔体 的流体速度，Q。。,。和Q分布代表巧层和包层的流速，R为包层流体的直径。
[0040] 因为扩散对流过程的决定性因素包括流体平均速度U和扩散系数D，而扩散系数 又受浓度C和温度T的影响，因此改变流体平均速度U、浓度W及温度，会对流体微透镜的 性能有很重要的调节作用。例如，己二醇溶液中的质量分数由0. 025变为0. 95时，去离 子水和己二醇之间的扩散系数从3. 75XIcrWmVs变为1. 17Xl(T9mVs。另外，己二醇质量 分数为0. 8不变，当温度变化从30°C到50°C时，液体的扩散系数从3. 15Xl(rV/s变为 6. 45Xl(rV/s。因此在假定液体的温度不变的前提下，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主要影响因素，其直接决定了微透镜的聚焦性能。假设将去离 子水和己二醇溶液分别选为包层和巧层液体，并且假定包层巧层液体流速相同无相对滑移 进行计算。高流速可W实现焦斑大小的调节。因此，输出光束的焦斑可W通过调节流体的 速度来实现。
[0041] 在平均流速和巧层流速足够高的情况下，微腔中屯、流速两相流体并没有足够的时 间扩散。该时腔内的折射率分布将会有一种特殊的现象，即中屯、区域的折射率保持最高并 且为恒定值。该种情况下，中屯、区域的折射率不会对入射光线有有效的聚焦作用。该时的 入射光线通过微透镜的折射率不变的中屯、区域时，伴随着边缘的渐变折射率的聚焦作用， 将产生一个较大的出射光线焦斑。主要分析该种复杂的折射率分布对光线焦斑的影响，包 括流速足够高且两相流体无相对滑移和流速相对较低且两相流体有相对滑移两种情况。 为了控制可变因素，保持包层流速不变为40X103pL/s，巧层的流速变化从2X103pL/s到 50X103pL/s步长为5X103pL/s。图3展示了沿着液体流动方向的不同横截面的折射率分布 情况，位置分别为X= 50ym, 100ym, 150ym, 200ym和250ym。仿真结果显示，沿着液体流 动方向折射率几乎不发生变化，该验证了前面的假设。在巧层流速保持9。。,。= 25X10 3pL/ S不变时，图3给出了中屯、折射率不变的区域宽度为24ym。该个折射率不变的区域的半径 直接决定了出射光线的焦斑半径。渐变折射率分布曲线的半高宽和中屯、区域的宽度与巧层 流速有直接关系。边界的扩散区域与巧层折射率不变的区域共同决定了折射率分布，从而 调控焦距与焦斑的状态。同时发现，当巧层流速大于10X103pL/s时，流速对焦斑和焦距的 调节也变得缓慢。因此，在此范围内可W有效控制焦斑的大小。
[0042] 采用六级多项式作为拟合曲线。由图3可W看出，入射和出口的折射率分布并没 有明显的变化。该个折射率分布可W表达为：
[0043]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
[0044]其中，变量5'=?^//+22，7和2代表图1所示坐标轴7轴和2牵由对应的坐标参量； 图4给出了模拟的数据和拟合的曲线。通过光线追迹法，模拟了入射光线经过器件的过程 和聚焦效果。结果显示焦斑大小为23.5ym，焦距为235.3ym。该种可W调整焦斑大小的 能力在片上聚焦W及检测系统有着十分重要的应用。
[0045] 本实施例的流体微透镜，调控己二醇（巧层液体）的质量分数和两种液体的流 速是改变输出光束的焦距的有效方法；当质量分数从0.05提升到0.4的过程中，焦距 从942ym减小到11ym;当保持流速不变时，通过将巧层流速从0. 5X103pL/s增加至 5X103pL/s，微透镜焦距变化从127. 1ym降至8ym。并且，当保持包层流速较大时，通过增 加巧层的流速可W有效调整出射焦斑的大小。
【主权项】
1. 一种基于渐变折射率流体微透镜的焦斑动态调节方法，其特征在于：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、芯层流道、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，所述芯层流道与芯层 入口连通，所述芯层入口的内径比所述微腔的内径小，且所述芯层入口与所述微腔在同一 根轴线上，所述芯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以下步骤： (1) 通过所述芯层流道和包层流道，向所述微腔中注入芯层流体和包层流体，所述芯层 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 着芯层流体，所述芯层流体和包层流体之间不存在相对滑移，所述芯层流体和包层流体是 具有不同折射率的两种流体； (2) 所述微透镜的光束传播方向与流体流动方向一致； (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； (4) 在流体高流速的情况下，进行焦斑尺寸动态调节：当平均流速和芯层流速大于高 流速阈值时，微腔中心的两相流体之间没有足够的时间扩散，这时腔内的折射率分布的中 心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。
2. 如权利要求1所述的一种基于渐变折射率流体微透镜的焦斑动态调节方法，其特征 在于：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。
3. 如权利要求1或2所述的一种基于渐变折射率流体微透镜的焦斑动态调节方法，其 特征在于：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。
4. 如权利要求1或2所述的一种基于渐变折射率流体微透镜的焦斑动态调节方法， 其特征在于：所述步骤（4)中，保持液体温度、质量分数、微流体种类不变，且芯层流速大于 5 X 103pL/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。
5. 如权利要求1或2所述的一种基于渐变折射率流体微透镜的焦斑动态调节方法，其 特征在于：沿着液体流动方向的折射率分布用公式表示为： n = I. I X l(T12s6-2· 2 X l(T13s5-6· 45 X l(T9s4-2· 73 X l(T10s3+3· 62 X KT6S2 +1. 99X1(T6s+1. 3533 其中，变量
y和z代表坐标轴y轴和z轴对应的坐标参量。
6. 如权利要求1或2所述的一种基于渐变折射率流体微透镜的焦斑动态调节方法，其 特征在于：所述中心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 区域与中心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。
7.如权利要求1或2所述的一种基于渐变折射率流体微透镜的焦斑动态调节方法，其 特征在于：所述芯层流道、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。
【专利摘要】一种基于渐变折射率流体微透镜的焦斑动态调节方法，包括以下步骤：(1)向微腔中注入芯层流体和包层流体，芯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芯层流体，芯层流体和包层流体之间不存在相对滑移，两者是具有不同折射率的两种流体；(2)微透镜的光束传播方向与流体流动方向一致；(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，实现对微腔中折射率空间分布的调控；(4)当平均流速和芯层流速大于高流速阈值时，腔内的折射率分布的中心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。本发明有效地动态调节焦斑、灵活性良好。
【IPC分类】G02B3-14, G02B26-02
【公开号】CN104865622
【申请号】CN201510179211
【发明人】乐孜纯, 孙运利, 杜颖
【申请人】浙江工业大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年4月16日