光微流控可调谐渐变折射率透镜特性研究
发布时间：2021-09-02 04:29
基于对流扩散效应,利用有限元分析法建立了一种光学渐变折射率微腔流体透镜。分析了微腔中芯、包层液体在对流扩散过程达到稳定后的浓度分布情况,即所谓的混合流体折射率分布。研究了对流扩散模型结构,分别在一般情况下（芯层流体折射率大于包层流体折射率）和中心凹陷情况下（芯层流体折射率小于包层流体折射率）,沿流体流动方向的不同截面对流扩散后折射率分布情况。
【文章来源】：红外与激光工程. 2020,49(01)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
笛卡尔坐标系下的对流扩散模型
对流扩散模型如图2所示：x轴正向为液体流动方向，y轴为微腔宽度方向，z轴为微腔深度方向，对流扩散模型长300μm，深50μm，包层液体从两侧入口流入，芯层液体从中心入口流入，这三个入口的宽度和深度也都是50μm，在芯层液体和外层液体流入微腔后，混合液体在微腔内进行对流扩散作用，混合液体的流动速度通过换算公式计算得出。混合液体在微腔中发生作用时，扩散系数D是影响对流扩散过程的一个重要因素。扩散系数的大小不仅由液体自身决定，还受到浓度、温度等外界环境的影响。具体数值为，当去离子水与乙二醇的浓度比例为0.95～0.025时，相对应的扩散系数为1.67×10-9～9.28×10-10m2/s[13]。液体的扩散系数D受温度影响比较大，对于芯层液体，将质量分数为0.7的乙二醇溶液的温度从30℃降低到20℃时，相应的扩散系数D也会从4.52×10-10m2/s变化到2.98×10-10m2/s。用来描述对流扩散相对程度的参数为Pe，由
当D和U确定之后，设置参数流体的速度U1=Ucore=2 500 p L/s，扩散系数D=1×10-9m2/s。并且在对流扩散过程中，为了防止浓度、温度等外界条件对扩散系数的影响，选取25%乙二醇溶液作为中心层液体，去离子水作为外层液体，从而提高分析结果的准确性[13]。计算结果如图3所示。图3～图6中，微腔中混合液的对流扩散过程达到稳定状态之后，浓度分布存在显著差异，可以通过一定的换算方式得到折射率分布，与浓度分布呈线性关系。如图3所示，在yz平面内，在坐标x=0处，沿y方向在不同位置存在不同的折射率分布，并且中心折射率为最大，向两段逐渐减小，呈梯度渐变分布。如图4所示，在xy平面内，随着溶液的流入，由于扩散作用，在坐标y=0处，沿x方向折射率逐渐减小并趋于稳定，在坐标x=0处，沿y方向折射率逐渐增大并趋于稳定。图5为zx平面内的浓度分布，如图所示，在坐标y=0处，沿x方向折射率逐渐减小并趋于稳定，折射率呈渐变分布。图6为某固定x值位置处的yz平面浓度等值分布，如图所示，在yz平面内，以中心位置为标准，越远离中心位置的液体折射率越小。这实现了要达到的折射率的梯度效应，当光束垂直入射时可以给出不同的结果。由于在不同位置存在不同的渐变折射率分布，因此调节光束在微腔的不同位置垂直入射,可以实现不同的出射效果。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于格子玻尔兹曼方法的一类FitzHugh-Nagumo系统仿真研究[J]. 何郁波,唐先华,林晓艳. 物理学报. 2016(15)
[2]基于微流控光学可调谐的渐变折射率特性研究[J]. 孙运利,王昌辉,乐孜纯. 物理学报. 2014(15)
[3]基于电润湿微棱镜技术的可调光衰减器特性分析[J]. 陈陶,梁忠诚,钱晨,徐宁. 物理学报. 2010(11)
[4]渐变折射率薄膜的分层评价探讨[J]. 沈自才,沈建,刘世杰,孔伟金,邵建达,范正修. 物理学报. 2007(03)
博士论文
[1]渐变折射率光子晶体的负折射特性及相关应用研究[D]. 朱清溢.电子科技大学 2016
本文编号：3378312
【文章来源】：红外与激光工程. 2020,49(01)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
笛卡尔坐标系下的对流扩散模型
对流扩散模型如图2所示：x轴正向为液体流动方向，y轴为微腔宽度方向，z轴为微腔深度方向，对流扩散模型长300μm，深50μm，包层液体从两侧入口流入，芯层液体从中心入口流入，这三个入口的宽度和深度也都是50μm，在芯层液体和外层液体流入微腔后，混合液体在微腔内进行对流扩散作用，混合液体的流动速度通过换算公式计算得出。混合液体在微腔中发生作用时，扩散系数D是影响对流扩散过程的一个重要因素。扩散系数的大小不仅由液体自身决定，还受到浓度、温度等外界环境的影响。具体数值为，当去离子水与乙二醇的浓度比例为0.95～0.025时，相对应的扩散系数为1.67×10-9～9.28×10-10m2/s[13]。液体的扩散系数D受温度影响比较大，对于芯层液体，将质量分数为0.7的乙二醇溶液的温度从30℃降低到20℃时，相应的扩散系数D也会从4.52×10-10m2/s变化到2.98×10-10m2/s。用来描述对流扩散相对程度的参数为Pe，由
当D和U确定之后，设置参数流体的速度U1=Ucore=2 500 p L/s，扩散系数D=1×10-9m2/s。并且在对流扩散过程中，为了防止浓度、温度等外界条件对扩散系数的影响，选取25%乙二醇溶液作为中心层液体，去离子水作为外层液体，从而提高分析结果的准确性[13]。计算结果如图3所示。图3～图6中，微腔中混合液的对流扩散过程达到稳定状态之后，浓度分布存在显著差异，可以通过一定的换算方式得到折射率分布，与浓度分布呈线性关系。如图3所示，在yz平面内，在坐标x=0处，沿y方向在不同位置存在不同的折射率分布，并且中心折射率为最大，向两段逐渐减小，呈梯度渐变分布。如图4所示，在xy平面内，随着溶液的流入，由于扩散作用，在坐标y=0处，沿x方向折射率逐渐减小并趋于稳定，在坐标x=0处，沿y方向折射率逐渐增大并趋于稳定。图5为zx平面内的浓度分布，如图所示，在坐标y=0处，沿x方向折射率逐渐减小并趋于稳定，折射率呈渐变分布。图6为某固定x值位置处的yz平面浓度等值分布，如图所示，在yz平面内，以中心位置为标准，越远离中心位置的液体折射率越小。这实现了要达到的折射率的梯度效应，当光束垂直入射时可以给出不同的结果。由于在不同位置存在不同的渐变折射率分布，因此调节光束在微腔的不同位置垂直入射,可以实现不同的出射效果。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于格子玻尔兹曼方法的一类FitzHugh-Nagumo系统仿真研究[J]. 何郁波,唐先华,林晓艳. 物理学报. 2016(15)
[2]基于微流控光学可调谐的渐变折射率特性研究[J]. 孙运利,王昌辉,乐孜纯. 物理学报. 2014(15)
[3]基于电润湿微棱镜技术的可调光衰减器特性分析[J]. 陈陶,梁忠诚,钱晨,徐宁. 物理学报. 2010(11)
[4]渐变折射率薄膜的分层评价探讨[J]. 沈自才,沈建,刘世杰,孔伟金,邵建达,范正修. 物理学报. 2007(03)
博士论文
[1]渐变折射率光子晶体的负折射特性及相关应用研究[D]. 朱清溢.电子科技大学 2016
本文编号：3378312
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/yiqiyibiao/3378312.html
