[发明专利]一种基于重力效应的液体棱镜

说明书

本发明公开了一种基于重力效应的液体棱镜，包括入射面透明电极、侧壁电极I、介电层、疏水层、出射透明基板、填充液体I、侧壁电极II和填充液体II。光束首先通过入射面透明电极进入填充液体I和填充液体II，当光束通过液‑液曲面的时候，由于填充液体I和填充液体II的折射率不同，所以光束会被偏折一个角度。本发明利用重力效应来增大液‑液曲面与水平方向的夹角，从而增大光束的最大偏转角。

一、技术领域

本发明涉及一种液体棱镜，更具体的说，本发明涉及一种基于重力效应的液体棱镜。

二、技术背景

随着自然科学的进步，光偏转器件在导航、军事、光通信以及信息处理等领域已经得到广泛的应用，微型化、轻量化成为发展的趋势。在一些光学系统中，使光束偏转到我们想要的位置至关重要。对于传统的棱镜，在光源不动的情况下，必须借助机械式的驱动方式才能实现光束的偏转。而基于电湿润效应的液体棱镜具有响应速度快、易操控和制作成本低等优点，所以液体棱镜被视为未来光偏转器件的发展方向。液体棱镜通过两种不相容的液体形成的液-液曲面从而具有使光束偏转的功能。更重要的是基于电湿润效应的液体棱镜能够通过改变外加电压来改变液-液曲面的曲率，实现光束的偏转，从而可以实现对光束的控制。

液体棱镜具有轻量化和易操作等优点，但是目前的液体棱镜是由两种密度匹配的的液体形成一层液-液曲面，由于两种液体的折射率差异并不大以及电湿润效应存在的饱和现象，光束的偏转范围受到了很大的限制，不利于光偏转器件的应用。例如文献“Adaptive beam tracking and steering via electrowetting-controlledliquidprism,Appl.Phys.Lett.Vol.99,No.19,pp.191108,2011.”公开了一种液体棱镜，该棱镜的液-液曲面与水平方向的最大夹角是23°，最终的光束偏转角度也是非常有限的。

三、发明内容

本发明旨在实现一种光束大角度偏转的方法。为了达到该目的，本发明提出了一种基于重力效应的液体棱镜，该棱镜能够实现光束的大角度偏转。

如附图1所示，本发明的基于重力效应的液体棱镜包括：入射面透明电极，侧壁电极I，介电层，疏水层，出射透明基板，填充液体I，侧壁电极II，填充液体II。其特征在于由入射面透明电极、出射透明基板、介电层、疏水层和侧壁电极组成的封闭容器，中间由填充液体I和填充液体II组成，且密度较大的填充液体II位于填充液体I的上方。两种填充液体互不相溶，形成一层液-液交界面，具有不同的折射率，且彼此接触。

本发明的基于重力效应的液体棱镜的工作原理如附图2所示。光束首先通过入射面透明电极进入填充液体，当光束通过液-液曲面的时候，由于填充液体I和填充液体II的折射率不同，所以光束会被偏折一个角度。在本发明中，巧妙地利用重力效应来增大液-液曲面与水平方向的夹角，从而增大光束的最大偏转角。其中的物理机制可以由下面的公式给出：

γ_SW+γ_WOcosθ_Y＝γ_SO+γ(G) (1)

其中γ_SW是棱镜侧壁与填充液体I接触面的表面张力，γ_WO是填充液体I与填充液体II接触面的表面张力，γ_SO是填充液体II与棱镜侧壁接触面的表面张力，γ(G)是重力因子，θ_Y是液-液曲面与侧壁之间的夹角。由于密度不匹配获得的重力因子，会使得液-液曲面的倾斜角变大，最终获得的光束偏转角变大。

优选地，侧壁电极I和填充液体II高度d₁≥6mm,且d₁≤20mm，侧壁电极I和填充液体II宽度d₂≥2mm，且d₂≤10mm。