[发明专利]一种基于微流控光学技术的光束整形方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学器件和检测系统领域，尤其是一种光束整形方法。

背景技术

光束的整形技术包括了对光束的聚焦、准直、偏转、分束、耦合等调控，通常利用调控光学介质的介电常数和磁导率分布并进而改变空间电磁场分布来实现，比如对光学器件的折射率分布的调控就可以方便地实现对入射光束的聚焦、准直、偏转、分束等控制。近年来快速发展的微流控光学技术为我们提供了光束整形的新方法，其原理是通过控制流体流动来实现对光线微观尺度的控制。鉴于此，微流控技术和系统可以被引入可控折射率流体光波导的设计和制作中。如果一种折射率较高的流体能够在折射率较低的流体中扩散，并且在扩散的过程中能够实现一种稳定的分布，那么在流体扩散与对流的过程中就会呈现出可调控的折射率分布，比如，在基底材料上利用刻蚀技术制作微流体沟道，配合以恒流流体装置，便可以实现基于对流和扩散效应的微流体渐变折射率分布透镜（Mao X,Lin SS,Lapsley MI,Shi J,Juluri BK，Tunable liquid gradient refractive index(L-GRIN)lens with two degrees of freedom，Lab.Chip.,9(2009):2050-2058，具有2个自由度调节能力的可调谐液体渐变折射率透镜，片上实验室，9(2009):2050-2058；Yang Y,Liu AQ,Chin LK,Zhang XM,Tsai DP,Lin CL,Lu C,Wang GP,Zheludev NI，Optofluidic waveguide as a transformation optics device for lightwave bending and manipulation，Nat.Commun.，3(2012):651-657，于光波弯曲和控制的基于光流控波导的转换光学器件，自然-通信，3(2012):651-657）。要利用微流控光学技术实现光束的动态整形，基于微流控光学技术的光束整形方法，以及基于该方法的流体光波导结构是必须要解决的核心技术问题。

发明内容

为了克服已有光束整形方法的光传播过程损耗大、结构复杂、制作困难、调控灵活性差的不足，本发明提供一种光传播过程损耗小、结构简化、制作方便、调控灵活性较好的基于微流控光学技术的光束整形方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于微流控光学技术的光束整形方法，该整形方法采用基于微流控光学技术的光束整形装置，所述光束整形装置包括流体光波导主体、入射激光器、光束接收面和流出流体贮存器，所述流体光波导主体上开有用于承载微流体的流道，所述流道包括一个芯层流体入口、两个对称的包层流体入口、流体微腔和两个对称的流体出口，所述芯层流体入口、包层流体入口均与所述流体微腔的入口侧连通，所述流体微腔的出口侧与两个流体出口连接，所述流体出口与流出流体贮存器连通，所述入射激光器和所述光束接收面同轴布置，所述入射激光器和所述光束接收面的轴线与流体流动方向轴线相交，所述入射激光器和所述光束接收面以相交点为对称中心对称放置，所述光束整形方法包括以下步骤：

（1）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（所述芯层流体和包层流体彼此之间不发生化学反应），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是具有不同折射率的两种流体，所述芯层流体和包层流体在流体微腔中流动，共同构成流体光波导；

（2）所述入射激光器将设定波长的激光束入射到所述流体光波导，光束传播方向与流体流动方向呈90°±10°，所述光束接收面接收经过流体光波导后输出的光束；

（3）通过调节流体流速、温度、浓度、微流体种类，控制流体扩散过程以及折射率的空间分布，实现光束整形。

进一步，所述光束传播方向垂直于流体流动方向，光束接收面与入射激光器同轴。

更进一步，所述步骤（3）中，设定芯层流体与包层流体对流和扩散过程中的扩散系数为常数，设定包层与芯层流体的流速相同，并让沿着流体方向和垂直流体方向的扩散效果都比较明显，得出沿着流体流动方向不同位置的横截面处的折射率分布，对垂直入射的激光束的焦距进行调控。

所述步骤（3）中，保持温度、浓度、微流体种类不变，选择沿着流体流动方向中心位置横截面处的折射率分布作为参考，得出流体流速对波导折射率分布的影响，在光束位置不变情况下通过调节流速达到调节折射率分布，从而实现对光束会聚的连续可调，即对光束的连续动态整形。