[發明專利]一種基于重力效應的液體棱鏡

有效

• 申請號: 201810376505.6
• 申請日: 2018-04-25
• 公開（公告）號: CN108387958B
• 公開（公告）日: 2020-10-09
• 發明（設計）人: 王瓊華;羅林;李磊
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: G02B5/06
• 分類號: G02B5/06;G02B26/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種基于重力效應的液體棱鏡，包括入射面透明電極、側壁電極I、介電層、疏水層、出射透明基板、填充液體I、側壁電極II和填充液體II。光束首先通過入射面透明電極進入填充液體I和填充液體II，當光束通過液?液曲面的時候，由于填充液體I和填充液體II的折射率不同，所以光束會被偏折一個角度。本發明利用重力效應來增大液?液曲面與水平方向的夾角，從而增大光束的最大偏轉角。

一、技術領域

本發明涉及一種液體棱鏡，更具體的說，本發明涉及一種基于重力效應的液體棱鏡。

二、技術背景

隨著自然科學的進步，光偏轉器件在導航、軍事、光通信以及信息處理等領域已經得到廣泛的應用，微型化、輕量化成為發展的趨勢。在一些光學系統中，使光束偏轉到我們想要的位置至關重要。對于傳統的棱鏡，在光源不動的情況下，必須借助機械式的驅動方式才能實現光束的偏轉。而基于電濕潤效應的液體棱鏡具有響應速度快、易操控和制作成本低等優點，所以液體棱鏡被視為未來光偏轉器件的發展方向。液體棱鏡通過兩種不相容的液體形成的液-液曲面從而具有使光束偏轉的功能。更重要的是基于電濕潤效應的液體棱鏡能夠通過改變外加電壓來改變液-液曲面的曲率，實現光束的偏轉，從而可以實現對光束的控制。

液體棱鏡具有輕量化和易操作等優點，但是目前的液體棱鏡是由兩種密度匹配的的液體形成一層液-液曲面，由于兩種液體的折射率差異并不大以及電濕潤效應存在的飽和現象，光束的偏轉范圍受到了很大的限制，不利于光偏轉器件的應用。例如文獻“Adaptive beam tracking and steering via electrowetting-controlledliquidprism,Appl.Phys.Lett.Vol.99,No.19,pp.191108,2011.”公開了一種液體棱鏡，該棱鏡的液-液曲面與水平方向的最大夾角是23°，最終的光束偏轉角度也是非常有限的。

三、發明內容

本發明旨在實現一種光束大角度偏轉的方法。為了達到該目的，本發明提出了一種基于重力效應的液體棱鏡，該棱鏡能夠實現光束的大角度偏轉。

如附圖1所示，本發明的基于重力效應的液體棱鏡包括：入射面透明電極，側壁電極I，介電層，疏水層，出射透明基板，填充液體I，側壁電極II，填充液體II。其特征在于由入射面透明電極、出射透明基板、介電層、疏水層和側壁電極組成的封閉容器，中間由填充液體I和填充液體II組成，且密度較大的填充液體II位于填充液體I的上方。兩種填充液體互不相溶，形成一層液-液交界面，具有不同的折射率，且彼此接觸。

本發明的基于重力效應的液體棱鏡的工作原理如附圖2所示。光束首先通過入射面透明電極進入填充液體，當光束通過液-液曲面的時候，由于填充液體I和填充液體II的折射率不同，所以光束會被偏折一個角度。在本發明中，巧妙地利用重力效應來增大液-液曲面與水平方向的夾角，從而增大光束的最大偏轉角。其中的物理機制可以由下面的公式給出：

γ_SW+γ_WOcosθ_Y＝γ_SO+γ(G) (1)

其中γ_SW是棱鏡側壁與填充液體I接觸面的表面張力，γ_WO是填充液體I與填充液體II接觸面的表面張力，γ_SO是填充液體II與棱鏡側壁接觸面的表面張力，γ(G)是重力因子，θ_Y是液-液曲面與側壁之間的夾角。由于密度不匹配獲得的重力因子，會使得液-液曲面的傾斜角變大，最終獲得的光束偏轉角變大。

優選地，側壁電極I和填充液體II高度d₁≥6mm,且d₁≤20mm，側壁電極I和填充液體II寬度d₂≥2mm，且d₂≤10mm。