一種基于漸變折射率流體微透鏡的焦距動態(tài)調(diào)節(jié)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)微透鏡領(lǐng)域，尤其涉及一種基于漸變折射率流體微透鏡的焦距動態(tài)調(diào)節(jié)方法。
【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, Sindy K.Y.;Stan, Claudiu A.；Whitesides, George M，Dynamically reconfigurable liquid-core Iiquid-claddinglens in a microfluidic channel，Lab.Chip.，8 (2008): 395-401，基于微流體通道的動態(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) ο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]為了克服已有流體微透鏡無法動態(tài)調(diào)節(jié)距、靈活性較差的不足，本發(fā)明提供一種可以有效地動態(tài)調(diào)節(jié)焦距、靈活性良好的基于漸變折射率流體微透鏡的焦距動態(tài)調(diào)節(jié)方法。
[0004]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0005]一種基于漸變折射率流體微透鏡的焦距動態(tài)調(diào)節(jié)方法，該焦距動態(tài)調(diào)節(jié)方法采用片內(nèi)焦距與焦斑動態(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]所述焦距動態(tài)調(diào)節(jié)方法包括以下步驟:
[0007](I)通過所述芯層流道和包層流道，向所述微腔中注入芯層流體和包層流體，所述芯層流體和包層流體彼此之間只存在擴(kuò)散和對流運(yùn)動而不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，包層流體均衡地環(huán)繞著芯層流體，所述芯層流體和包層流體之間不存在相對滑移，所述芯層流體和包層流體是具有不同折射率的兩種流體；
[0008](2)所述微透鏡的光束傳播方向與流體流動方向一致；
[0009](3)通過調(diào)節(jié)流體流速、溫度、濃度或微流體種類，控制流體擴(kuò)散過程，實(shí)現(xiàn)對所述微腔中折射率空間分布的調(diào)控；
[0010](4)在流體低流速(小于5X103pL/s)的情況下進(jìn)行，所述低流速為流速小于5 X 103pL/s，通過流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化或流速變化實(shí)現(xiàn)焦距的動態(tài)調(diào)節(jié)。
[0011]進(jìn)一步，所述步驟(3)中，所述擴(kuò)散對流過程由流體平均速度U和擴(kuò)散系數(shù)D決定，其中擴(kuò)散系數(shù)D受濃度C和溫度T影響，因此改變流體平均速度U、濃度C和溫度T會對漸變折射率流體微透鏡的性能有調(diào)控作用。
[0012]更進(jìn)一步，所述步驟(3)中，在假定液體溫度不變，液體的擴(kuò)散系數(shù)D、濃度C和平均速度U將是擴(kuò)散對流過程的影響因素，直接決定漸變折射率流體微透鏡的聚焦性能。
[0013]所述步驟(4)中，保持液體溫度、流速、微流體種類不變，得出流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對微腔內(nèi)流體折射率分布的影響，從而實(shí)現(xiàn)對漸變折射率流體微透鏡的焦距的連續(xù)動態(tài)調(diào)
-K-T。
[0014]所述步驟(4)中，保持液體溫度、質(zhì)量分?jǐn)?shù)、微流體種類不變，得出流速變化對微腔內(nèi)流體折射率分布的影響，從而實(shí)現(xiàn)對漸變折射率流體微透鏡的焦距的連續(xù)動態(tài)調(diào)節(jié)。
[0015]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。
[0016]本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為:與上述液-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)對液體的消耗量比液-液透鏡少了 100多倍。并且L-GRIN微透鏡是通過動態(tài)調(diào)節(jié)流體條件，而非改變微透鏡表面曲率來實(shí)現(xiàn)折射率漸變的，因此其光學(xué)特性實(shí)時可調(diào)諧。從原理上來看，漸變折射率流體微透鏡(L-GRIN)有可能實(shí)現(xiàn)片內(nèi)焦距動態(tài)可調(diào)。
[0017]本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在:能有效地動態(tài)調(diào)控焦距、調(diào)控靈活性好。
【附圖說明】
[0018]圖1是片內(nèi)焦距與焦斑動態(tài)可調(diào)的流體微透鏡的結(jié)構(gòu)圖，其中，X、1、z代表坐標(biāo)軸，X軸方向代表流體流動方向、同時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。
[0019]圖2是片內(nèi)焦距與焦斑動態(tài)可調(diào)的流體微透鏡的截面圖。
[0020]圖3是選取五個不同位置處的截面折射率的分布圖。
[0021]圖4是通過調(diào)整質(zhì)量分?jǐn)?shù)所調(diào)整的焦距的結(jié)果變形趨勢圖。
[0022]圖5是橫截面沿著液體流動方向上不同的折射率分布圖。
[0023]圖6是流速對焦距的影響圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。
[0025]參照圖1?圖6，一種基于漸變折射率流體微透鏡的焦距動態(tài)調(diào)節(jié)方法，該焦距動態(tài)調(diào)節(jié)方法采用片內(nèi)焦距與焦斑動態(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I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I的內(nèi)徑小，且所述芯層入口 5與所述微腔I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連通且正對所述微腔I的進(jìn)口，所述微腔I的出口與所述出口流道4連通；
[0026]所述焦距動態(tài)調(diào)節(jié)方法包括以下步驟:
[0027](I)通過所述芯層流道和包層流道，向所述微腔中注入芯層流體和包層流體，所述芯層流體和包層流體彼此之間只存在擴(kuò)散和對流運(yùn)動而不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，包層流體均衡地環(huán)繞著芯層流體，所述芯層流體和包層流體之間不存在相對滑移，所述芯層流體和包層流體是具有不同折射率的兩種流體；
[0028](2)所述微透鏡的光束傳播方向與流體流動方向一致；
[0029](3)通過調(diào)節(jié)流體流速、溫度、濃度或微流體種類，控制流體擴(kuò)散過程，實(shí)現(xiàn)對所述微腔中折射率空間分布的調(diào)控；
[0030](4)在流體低流速(小于5X103pL/s)的情況下進(jìn)行，所述低流速為流速小于5 X 103pL/s，通過流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化或流速變化實(shí)現(xiàn)焦距的動態(tài)調(diào)節(jié)。
[0031]進(jìn)一步，所述步驟(3)中，所述擴(kuò)散對流過程由流體平均速度U和擴(kuò)散系數(shù)D決定，其中擴(kuò)散系數(shù)D受濃度C和溫度T影響，因此改變流體平均速度U、濃度C和溫度T會對漸變折射率流體微透鏡的性能有調(diào)控作用。
[0032]更進(jìn)一步，所述步驟(3)中，在假定液體溫度不變，液體的擴(kuò)散系數(shù)D、濃度C和平均速度U將是擴(kuò)散對流過程的影響因素，直接決定漸變折射率流體微透鏡的聚焦性能。
[0033]所述步驟(4)中，保持液體溫度、流速、微流體種類不變，得出流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對微腔內(nèi)流體折射率分布的影響，從而實(shí)現(xiàn)對漸變折射率流體微透鏡的焦距的連續(xù)動態(tài)調(diào)
-K-T。
[0034]所述步驟(4)中，保持液體溫度、質(zhì)量分?jǐn)?shù)、微流體種類不變，得出流速變化對微腔內(nèi)流體折射率分布的影響，從而實(shí)現(xiàn)對漸變折射率流體微透鏡的焦距的連續(xù)動態(tài)調(diào)節(jié)。
[0035]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I的軸線呈相互垂直布置。
[0036]本實(shí)施例中，芯層液體和包層液體分別注入通過芯層入口 5和包層入口，分別通過出口流出。流體微透鏡的主要部分是一個微型圓柱腔，圓柱腔內(nèi)的流體的擴(kuò)散和對流過程將會出現(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50 μπι，包層進(jìn)口的直徑設(shè)計(jì)為150μπι。乙二醇溶液(芯層液體)與去離子水(DI，包層液體)同時注入腔體，xoy截面上軸對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。
[0037]采用有限元法(FEM)和光線追跡法來模擬和優(yōu)化參數(shù)。器件的折射率分布可以通過模擬和計(jì)算兩相流體擴(kuò)散和對流過程穩(wěn)定后在微腔中的濃度獲得。在微腔內(nèi)，流體的擴(kuò)散和對流影響了流體微透鏡的折射率分布，對流擴(kuò)散過程，U= (Qcore+Qclad)/R2Ji代表腔體的流體速度，0。_和Q。^分布代表芯層和包層的流速，R為包層流體的直徑。
[0038]因?yàn)閿U(kuò)散對流過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