技术领域
[0001] 本
发明属于光电信息集成器件、微流控光学分析和自适用光学技术领域，特别涉及一种基于介电泳效应的液体光学调相装置及其使用方法。
背景技术
[0002] 20世纪50年代，美苏两国科学家分别提出了波前传感与校正的概念以及技术方法，催生出了自适应光学系统。1992年，《Lincoln Laboratory Journal》上公布了美国近半个世纪以来自适应光学技术的研究进展，其中包括大气
湍流理论、激光大气传输、高
分辨率成像等重要的科研成果，为自适应光学的发展打下了坚实的
基础。
[0003] 自适应光学系统包含3个主要组成部分：波前
传感器、计算控制处理器和波前校正器。其中，波前传感器用于测量光瞳面
位置的光学像差，有Shack-Hartmann传感器、Pyramid传感器、
曲率传感技术和剪切干涉技术等多种实现形式。计算控制处理器把波前传感器的输出实时转化为波前校正器的输入，而波前校正器通过改变光波前传输的光程或改变传输媒介的折射率来实现对入射光波前的
相位进行补偿。目前，用于自适应光学系统相位补偿的有压电
变形镜、
薄膜变形镜和微机械变形镜等，这类系统往往需要一整套庞大的
外围设备，存在体积大、制作成本高、响应速度慢、驱动
电压大、可调谐范围有限等缺点。
[0004] 压电陶瓷
相移器是典型的反射式的调相装置，它由扁平状的压电陶瓷贴接到参考镜的背面制成，压电陶瓷在较高电压的作用下产生一定的伸缩变形，从而带动反射镜产生微小的平移，导致光程的改变。相位补偿的大小直接受到加到压电陶瓷上的电压来控制，这就要求压电陶瓷具有较好线性和一种理想的标定方法。这种调相装置主要由压电陶瓷、D/A转换
电路和压电陶瓷驱动电源组成。但这类调相装置件都包含机械运动部件，容易引入震动，存在调节
精度不高等问题。
[0005] 于是国内外学者开始致
力于开展有关液体光学调相装置的研究工作。上个世纪末Gordon D.Love提出用液体空间光
调制器作为波前校正器的
液晶自适应光学技术，利用
向列型液晶在外加电压下晶畴转动引起折射率变化产生相位调制，每一个
像素就是一个调制单元，因此单元数可以很多，单元间隔可小到10μm量级，能够实现0～2π的相位校正，具有体积小、可以批量生产的优点，不过这类光学调相设备相对复杂，响应时间长，
光谱范围窄。
[0006] 2017年A.Ousati Ashtiani等人设计并制造出一种基于介
电润湿效应的调相装置，其采用平面
电极能够在100V交流电下实现171°的相位变化。2011年Chih-Cheng Yang等人研究了介电液体在不同电压下的动态响应行为，为基于介电泳效应驱动的液体调相装置的研究工作提供了一定的帮助和参考。
发明内容
[0007] 本发明提供一种基于介电泳效应的液体光学调相装置及其使用方法，以解决
现有技术中光学调相装置的结构复杂，成本高昂以及精度不高的问题。
[0008] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0009] 一种基于介电泳效应的液体光学调相装置，包括呈内外设置的内圆柱管5和外圆柱管3，所述外圆柱管3的底部与底部电极4相接，所述内圆柱管5的底部与底部电极4之间留有间隙，所述内圆柱管5和外圆柱管3的顶部通过第二上盖片2相接，所述第二上盖片2的顶部设置有第一上盖片1，所述底部电极4的中间设置有第一液体7，所述第一液体7的顶部与内圆柱管5的底面相接处，且向上伸入内圆柱管5的内环中，所述底部电极4、外圆柱管3、第二上盖片2和第一上盖片1之间构成的
密闭空间内填充有第二液体8，且第二液体8自上方包裹第一液体7，位于内圆柱管5内环中的第一液体7与第二液体8之间设置有浮动片6。
[0010] 进一步的，所述内圆柱管5和外圆柱管3均为空心的管状结构，所述内圆柱管5上段的
侧壁上开设有若干个通孔9，第二液体8自通孔9流入或流出内圆柱管5的内环中。
[0011] 进一步的，所述底部电极4包括自下至上依次为玻璃基底、平面电极、绝缘介电层和疏
水层。
[0012] 进一步的，所述平面电极为导电的
氧化铟
锡ITO薄膜，所述平面电极包括相互匹配的正极41和负极42，所述正极41和负极42相互嵌套，呈交叉齿形或同心圆环形。
[0013] 进一步的，所述疏水层只涂于底部电极4中间与第一液体7
接触的部分，用于固定第一液体7。
[0014] 进一步的，所述第一液体7与第二液体8为互不相溶且折射率不同的绝缘液体，所述第一液体7为
硅油或者其他矿物油，所述第二液体8为乙二醇或丙三醇等其他的多元醇。
[0015] 进一步的，所述浮动片6的上下表面分别与第二液体8和第一液体7完全接触，使第二液体8和第一液体7的分界面呈平面状态。
[0016] 进一步的，所述浮动片6与内圆柱管5的内壁互相垂直。所述内圆柱管5中设有浮动片6，使得两种液体的分界面为与内圆柱管5的内壁垂直的平面，具体地讲，用一弹性薄膜将浮动片6固定在内圆柱管5的底部，在弹性薄膜的弹性作用下，浮动片6可以上下浮动。所述浮动片6为一个透明薄片。
[0017] 进一步的，所述底部电极4的工作电压可以是直流电压或交流电压。
[0018] 一种基于介电泳效应的液体光学调相装置的使用方法，包括以下步骤：
[0019] 步骤1、对平面电极上施加电压，在介电力驱动下第二液体向调相装置中心运动，使得第一液体的接触
角和高度增加，第一液体和第二液体的分界面向上移动；电压减小时，介电力减小，第一液体的接触角和高度减小，第一液体和第二液体的分界面向下移动；
[0020] 步骤2、根据 计算从上至下传播的光束的
相位差改变量，最终完成调相，
[0021] 其中：ΔΦ表示相位差，Δ(ΔΦ)表示相位差改变量，n1表示第一液体折射率，n2表示第二液体折射率，Lb1表示第一液体调节前(before)高度，Lb2表示第二液体调节前高度，La1表示第一液体调节后(after)高度，La2表示第二液体调节后的高度，π表示圆周率，λ表示入射光
波长。
[0022] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0023] 1、区别于传统的固体或者液晶调相器件，本发明采用平面电极，其形状上分为交叉齿形图4和同心圆环形图5两种结构，它们对工作液体都具有优越的驱动性能。
[0024] 2、调相腔内圆柱管中设有经过特殊处理的薄片，使得两种液体的接触面为与调相装置内壁垂直的平面。
[0025] 3、本发明工作物质为液体由电压调节，介电力驱动，无机械运动带来的震动，结构简单，结合了微流控技术和现代光学技术，解决了现有的光学调相装置共相方法复杂，精度不高等问题。这种新型的光束调相装置将会在光通信、光信息处理和自适应光学领域得到广泛的应用。
[0026] 4、本发明所提出的液体光学调相装置，调节测量与计算过程较为简便，制作容易且成本较低，具有较高的技术价值和经济价值。
附图说明
[0027] 图1为本发明未施加电压情况的原理示意图；
[0028] 图2为本发明施加电压情况的原理示意图；
[0029] 图3为本发明中平面电极的交叉齿形结构；
[0030] 图4为本发明中平面电极的同心圆环形结构；
[0031] 图5为本发明中内圆柱管的主视图；
[0032] 其中：1-第一上盖片，2-第二上盖片，3-外圆柱管，4-底部电极，41-正极，42-负极，5-内圆柱管，6-浮动片，7-第一液体，8-第二液体，9-通孔。
具体实施方式
[0033] 下面结合
实施例对本发明作更进一步的说明。
[0034] 本发明的工作原理：利用介电泳原理，施加电压后，液滴形状发生变化，从而改变内腔中导电液柱的高度，使液-液平界面上下移动。由于内部填充的液体折射率不同，系统出现光程差，实现调相功能。
[0035] 实施例1
[0036] 一种基于介电泳效应的液体光学调相装置，包括呈内外设置的内圆柱管5和外圆柱管3，所述外圆柱管3的底部与底部电极4相接，所述内圆柱管5的底部与底部电极4之间留有间隙，所述内圆柱管5和外圆柱管3的顶部通过第二上盖片2相接，所述第二上盖片2的顶部设置有第一上盖片1，所述底部电极4的中间设置有第一液体7，所述第一液体7的顶部与内圆柱管5的底面相接处，且向上伸入内圆柱管5的内环中，所述底部电极4、外圆柱管3、第二上盖片2和第一上盖片1之间构成的密闭空间内填充有第二液体8，且第二液体8自上方包裹第一液体7，位于内圆柱管5内环中的第一液体7与第二液体8之间设置有浮动片6。
[0037] 作为一个优选方式，所述内圆柱管5和外圆柱管3均为空心的管状结构，所述内圆柱管5上段的侧壁上开设有若干个通孔9，如图5所示，图中虚线则表示通孔9，通孔9的作用是将内圆柱管5内部与内圆柱管5和外圆柱管3之间连通，即第二液体8自通孔9流入或流出内圆柱管5的内环中。
[0038] 作为一个优选方式，所述底部电极4包括自下至上依次为玻璃基底、平面电极、绝缘介电层和疏水层，优选地，所述平面电极为导电的氧化铟锡ITO薄膜，所述平面电极包括相互匹配的正极41和负极42，所述正极41和负极42相互嵌套，呈交叉齿形或同心圆环形，如图3所示，呈交叉齿形的平面电极，内环与长极片连接构成正极，外环与短极片连接构成负极，同心圆环形如图4所示。所述底部电极4的工作电压可以是直流电压或交流电压。
[0039] 为了保证第一液体7在底部电极4中央不前后左右运动，所述疏水层只涂于底部电极4中间与第一液体7接触的部分，用于固定第一液体7。
[0040] 优选地，所述第一液体7与第二液体8为互不相溶且折射率不同的绝缘液体，所述第一液体7为硅油或者其他矿物油，所述第二液体8为乙二醇或丙三醇等其他的多元醇。
[0041] 作为一个优选方式，所述浮动片6的上下表面分别与第二液体8和第一液体7完全接触，使第二液体8和第一液体7的分界面呈平面状态。具体地讲，所述浮动片6与内圆柱管5的内壁互相垂直。所述内圆柱管5中设有浮动片6，使得两种液体的分界面为与内圆柱管5的内壁垂直的平面，具体地讲，弹性薄膜采用紫外胶粘粘在内圆柱管5的底部，浮动片6采用紫外胶粘粘弹性薄膜上，在弹性薄膜的弹性作用下，浮动片6可以上下浮动。所述浮动片6材质为PVC，是一个透明薄片，其厚度1mm左右。弹性薄膜的材质为硅
橡胶薄膜，厚度0.1mm左右。
[0042] 该光学调相装置中灌装两种绝缘液体，二者互不相溶，
密度相近且折射率不同，第一液体呈液滴状居于玻璃基底中心，第二液体灌满调相装置的剩余空间且将第一液体包裹。两种液体分界面处放置平面薄片，使两液体界面呈平面。平面电极上依次涂有绝缘介电层和疏水层，电极两端施加电压后，在介电力作用下第一液体的接触角发生变化，改变内圆柱管中绝缘液柱的高度，使得两种液体的界面上下移动以达到调相目的。当器件采用交叉齿形结构电极，线性工作区在50-120V，在632.8nm波长的激光下光程调节精度可达0.3个波长，相位变化0.6π；采用同心圆环形结构电极时，相同条件下光程调节精度可达0.25个波长，相位变化0.5π。
[0043] 作为一个优选方式，内圆柱管5和外圆柱管3以及第一上盖片1和第二上盖片2具有透明度高，重量轻等特点，如亚克力玻璃，内圆柱管5和外圆柱管3以及第一上盖片1和第二上盖片2之间均采用紫外胶粘粘，形成密封的腔体，内圆柱管上开有4个直径3mm的圆形通孔9，便于器件封装后内部两种液体流动。外圆柱管内径15mm，外径19mm，高10mm；内圆柱管内径5mm，外径9mm，高8mm；第二上盖片2直径19mm，中间留有直径5mm的圆孔，第一上盖片1直径
19mm，中间不留孔。调相装置底部的玻璃电极是交叉齿形和同心圆环形两种电极图案结构。
[0044] 实施例2
[0045] 一种基于介电泳效应的液体光学调相装置的使用方法，包括以下步骤：
[0046] 步骤1、对平面电极上施加电压，在介电力驱动下第二液体向调相装置中心运动，使得第一液体的接触角和高度增加，第一液体和第二液体的分界面向上移动，如图2所示；电压减小时，介电力减小，第一液体的接触角和高度减小，第一液体和第二液体的分界面向下移动；
[0047] 步骤2、根据 计算从上至下传播的光束的相位差改变量，最终完成调相，
[0048] 其中：ΔΦ表示相位差，Δ(ΔΦ)表示相位差改变量，n1表示第一液体折射率，n2表示第二液体折射率，Lb1表示第一液体调节前(before)高度，Lb2表示第二液体调节前高度，La1表示第一液体调节后(after)高度，La2表示第二液体调节后的高度，π表示圆周率，λ表示入射光波长。
[0049] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
