一種基于流體光波導的一維可調諧光束方向調控方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及光束整形技術領域，尤其是一種可調諧光束方向調控方法。
【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、耦合等調控，通常調控光學介質的折射率分布就可以方便地實現對入射光束的聚焦、準直、偏轉、分束等控制。近年來快速發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對光線微觀尺度的控制(Mao X, Lin SS, Lapsley MI, Shi J, Juluri BK，Tunableliquid gradient refractive index (L-GRIN) lens with two degrees of freedom, Lab.Chip.,9(2009):2050-2058,具有2個自由度調節能力的可調諧液體漸變折射率透鏡，片上實驗室，9 (2009):2050-2058 ;Yang Y, Liu AQ, Chin LK, Zhang XM, Tsai DP, Lin CL, LuC，Wang GP, Zheludev NI，Optofluidic waveguide as a transformat1n optics devicefor lightwave bending and manipulat1n，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) ο鑒于此，微流控技術和系統可以被引入光束方向沿一個或多個維度自由可調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，形成一種可調控折射率分布的流體光波導，然后通過動態調控流體光波導的折射率分布來調諧光波在出射端的偏轉與聚焦，得到光束一維偏轉與聚焦的效果。
[0003]目前尚無光束方向沿一個或多個維度自由可調的透鏡結構，光束方向的調節需要通過外置的精密機械結構來實現，因此結構十分復雜、尺寸大，而且也無法實現光束方向的連續動態可調。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，本發明提出基于流體光波導的一維可調諧光束方向調控方法。

【發明內容】

[0004]為了克服已有微透鏡的需要外置精密機械結構來實現透鏡光束方向調諧、結構復雜、尺寸龐大、制作困難、調控靈活性差、集成度低的不足，本發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一維可調諧光束方向調控方法。
[0005]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:
[0006]一種基于流體光波導的一維可調諧光束方向調控方法，該光束方向調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、光束接收面和流出流體貯存器，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、兩個對稱的包層流體入口、流體微腔和兩個對稱的流體出口，所述芯層流體入口、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，所述流體出口與流出流體貯存器連通，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安裝用以調節流體速度的流速調節設備，所述流速調節設備控制芯層流體和包層流體流速以便實現光束方向沿一個維度自由可調的效果；
[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]所述一維可調諧光束方向調控方法如下:通過調節兩個包層流體的流速比實現中心折射率的一維偏移。
[0009]進一步，兩個包層流體入口以微腔的中心軸線左右對稱，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。
[0010]或者是:兩個包層流體入口以微腔的中心軸線上下對稱，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。當然，除了左右和上下之外，也可以是其他對稱的一維方向。
[0011]再進一步，所述流速調節設備為注入流體的蠕動泵。
[0012]更進一步，所述包層流體折射率高于所述芯層流體折射率。
[0013]本發明的技術構思為: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調控波導折射率，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實現的理論基礎。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O
[0014]本發明的有益效果主要表現在: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，實現聚焦方向可調諧微透鏡，且偏轉的角度和焦距可實時調節；2、通過發明基于流體光波導的光束方向可調諧微透鏡，可以構建一種兼具集成性和可調諧功能的新型光束方向沿一維自由可調的流體微透鏡；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性；4、與傳統的光束方向調控方法相比，具有不需要外置機械機構，單個微透鏡即可實現光束方向動態調節的優點，且具有集成度高、結構簡單、制作方便、成本低廉等優點。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發明基于流體光波導的光束方向沿一維自由可調的流體微透鏡的示意圖。
[0016]圖2是本發明基于流體光波導的光束方向沿一維自由可調的流體微透鏡中流體光波導承載微流體的空腔示意圖。
[0017]圖3是保持兩側包層流體流速相同，沿著流體流動方向不同位置橫截面處的折射率分布。
[0018]圖4是兩側包層流體流速不同時，沿著流體流動方向不同位置橫截面處的折射率分布O
[0019]圖5是改變一側包層流體流速，實現折射率分布的中心高折射率向一側偏轉，進而實現光束方向向一側的偏轉。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖對本發明作進一步描述。
[0021]參照圖1?圖5，一種基于流體光波導的一維可調諧光束方向調控方法，該光束方向調控方法采用流體微透鏡，所述流體微透鏡包括流體光波導1、入射激光器2、光束接收面3和流出流體貯存器4，所述流體光波導I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 5、兩個對稱的包層流體入口 6、流體微腔