1 引言

光导航与探测器件在空间光通信、雷达探测和太阳能电池方面具有广泛应用。常见的光导航器件通过直接控制反射镜或反射薄膜来实现光束导航功能^[1-2]。这类器件利用机械方式时序地调整反射镜,机械稳定性高,但是一般需要外部驱动系统,因此整个器件系统复杂、功耗高、价格昂贵;而声光调制器^[3-4]成本高、可靠性低,因而实际应用受限。

近年来,学者们提出利用具有自适应功能的棱镜^[5-11]与液晶和光栅组合器件^[12-16]来实现光束导航功能。具有自适应功能的棱镜主要通过改变棱镜的顶角大小实现光束导航,该器件的优点是响应速度快、导航探测角度大,但是棱镜结构会带来散射问题,即光束通过器件后,光斑会发生扭曲形变,从而严重影响器件性能;而对于液晶和光栅组合的器件,主流的制作方法是将光学底板安装在具有周期性的光栅结构中,该器件体积小、操作灵活,且响应速度快,但液晶结构的边缘场效应会限制其衍射效率和最大探测角度。因此,导航角度大、光束形变小、响应速度快的光导航探测器件仍有待进一步探索。

对于反射镜式光束导航的研究也出现了一些可行的设计方案。2006年,Kang等^[17]提出基于电润湿驱动的光学微型反射镜,其将反射镜放在4个液滴上,通过电润湿效应,分别(或同时)改变液滴的接触角使液滴高度发生变化,从而使反射镜产生不同方向的倾斜角度,但此器件的反射镜最大倾斜角度仅为3.7°,由于液滴的支撑能力有限,器件的摆放形态单一,因此使用场景具有一定的局限性;2016年,Shahzad等^[18]提出基于电润湿驱动的光束偏转器件,该器件在70 V的电压下可使反射镜产生7.5°的倾斜角,但其直接将反射镜的一端置于液滴上,稳定性不高。

本文提出一种基于电润湿驱动的反射镜式光导航器件,其可以实现光束导航功能。实验结果表明,该器件的光束导航角度范围为0°~9°,响应时间约为90 ms,电润湿驱动液滴移动具有功耗低、制作简单等优点,在太阳能电池等领域具有广泛应用^[19-23]。

2 器件原理和制备

2.1 器件的结构和原理

图1所示为反射镜式光束导航器件结构。如图1(a)所示,该器件由一个透明的长方体腔体、橡胶环、可转动的反射镜及支架组成。腔体的下基板嵌有2片氧化铟锡(ITO)电极,上基板和两侧基板中间嵌有3片ITO电极。将橡胶环粘在腔体的下基板中心开孔处,反射镜置于橡胶环下方,并置于支架上。

图 1. 光导航器件原理结构图。(a)器件剖面图; (b)器件实拍图; (c)初始状态; (d)外加电压状态

Fig. 1. Schematic structure of optical navigation device. (a) Profile of the device; (b) picture of the device; (c) initial state; (d) applying external voltage

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腔体内注入液体1和液体2(液体1和液体2分别为导电液体和非导电液体,且两种液体不相溶),橡胶环内及上方由液体3填充。介质层分别为疏水层和介电层(Teflon AF-1600和SU-8)。器件的初始状态如图1(c)所示,当器件中间电极施加电压,下基板两侧电极接地时,由于电润湿效应,液体1与液体2接触面会发生形变,同时液体1向中间涌动,挤压液体2和液体3,液体3向下流动,使反射镜形成倾斜角,如图1(d)所示。当光束照射在反射镜上时,可实现光束导航功能。

2.2 器件的理论描述

如图2(a)所示,给器件腔体中间3块ITO电极施加电压,当下基板两侧ITO电极接地时,某一时刻器件内部液体静止并处于平衡状态,器件内部的液体所受的压力为

ΔP+P0-Py=ρg(h+Δh),(1)

式中:ΔP为表面张力的作用使弯曲液面内外产生的压力差;P₀为标准大气压强;P_y为外加电压后驱使导电液体运动的力;ρ为非导电液体的密度;g为重力加速度;h和Δh分别为未加电压初始状态时非导电液体的高度和外加电压状态时非导电液体变化的高度。根据杨氏-拉普拉斯方程可得

ΔP=2γR,(2)

式中:γ为非导电液体的表面张力;R为非导电液体液面曲率半径。

导电液体的接触角发生变化,根据杨氏-李普曼方程,接触角θ和外加电压U的关系可表示为

cosθ1=cosθ0+U2ε2dγ12,(3)γ2+γ12cosθ0=γ1,(4)

同时,外加电压会产生使导电液体向中间涌动的力F,水平方向上的力F_x和外加电压之间的关系为

Fx=ε2dU2,(5)

结合流体静力学可知,液体3所受竖直方向上的力P_y在数值上和F_x相等,则有

Py=ε2dU2,(6)

式中:θ₀为没有外加电压时的初始接触角;θ₁为外加电压时的接触角;U为外加于ITO电极上的电压;d为介质层的厚度;ε为介质层的介电常数;γ₁₂为导电液体和非导电液体之间的表面张力;γ₁为导电液体和介质层之间的表面张力;γ₂为非导电液体和介质层之间的表面张力。

液体3和反射镜的接触部分如图2(b)所示,为了简化计算,根据数学几何知识可知,R和Δh之间的关系为

R2=(R-Δh)2+r2,(7)

因为Δh₂相对于R和r极小,故(7)式可简化为

R=r22Δh。(8)

根据(1)、(2)、(6)、(8)式可得

4γr2-ρgΔh=ε2dU2+ρgh-P0。(9)

根据(9)式可知,外加电压U增大时,Δh随之增大,且两者之间为二次关系。

图 2. 光导航器件的力平衡分析示意图。(a)外加电压后的平衡状态; (b)液体3和反射镜接触部分

Fig. 2. Analysis of force balance of optical tracking. (a) Equilibrium state when applying external voltage; (b) liquid 3 and mirror contact part

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2.3 器件的制作流程

该器件的具体制作流程如下:将两块17.7 mm×5 mm的ITO导电玻璃嵌入中心有开孔的下基板中,下基板的尺寸为42 mm×7 mm×1 mm,中心处有一直径为3 mm的圆孔,中间板尺寸为40 mm×4 mm×1 mm,其中间分别嵌有两块20 mm×4 mm的ITO导电玻璃,上基板尺寸为40 mm×5 mm×1 mm,其中间嵌入一块20 mm×5 mm的ITO导电玻璃;腔体内表面涂覆有Teflon AF-1600和SU-8的介质层(分别为疏水层和介电层),为了防止液体发生漏液现象,腔体内部和两侧加入挡板,两侧的挡板中心处有直径为1 mm的圆孔,方便加入液体;将橡胶环粘于下基板中心开孔处,其内径为3 mm,厚度为2 mm,将反射镜置于支架位置;液体1和液体2分别使用密度为1.21 g/cm³的氯化钠溶液和密度为0.96 g/cm³的二甲基硅油,橡胶环内及隔板内由液体3填充,液体3为蒸馏水;反射镜为200 μm厚的铝质反射镜片,尺寸为15 mm×5 mm,并在反射镜与液体接触的一侧涂覆Teflon AF-1600作为疏水层。

3 实验和讨论

制作完成器件后进行第1个实验:将CCD相机置于器件前15 cm处,腔体中间位置的3块ITO电极上施加电压U,下基板两侧ITO电极接地时,腔体内两侧的液体1会向中间方向涌动,挤压液体2和液体3,从而使液体3向下流动,液体3的高度变化如图3所示。

实验采用直流电激励器件,电压U<40 V时,液体1不能被驱动且保持静止状态;电压为40 V≤U≤80 V时,液体1在腔体中流动;电压U>80 V时,腔体内各处压强已经达到平衡状态,液体1(导电液体)的接触角达到最大值,因此即使继续增加电压,液体3的高度也不再会发生变化。

图 3. 不同电压下液体3的高度变化结果

Fig. 3. Results of height change of the liquid 3 under different voltages

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将液体3高度定义为液体3从初始位置运动到最下端的距离。图4所示为在不同电压下液体3高度的变化结果,由图4可知,液体3的高度与外加电压呈二次关系,外加电压达到80 V后,液体3的高度达到最大值。实验结果表明,通过电润湿效应驱动导电液体,可以使液体3的高度发生一定变化。

图 4. 液体3高度随电压变化

Fig. 4. Heightof liquid 3 versus voltage

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另外,光导航角度是表征光导航性能的重要参数。利用He-Ne激光器照射器件来检测器件的实际光学导航性能,实验装置如图5所示。He-Ne激光器光束竖直入射到反射镜表面,反射到荧光屏上,CCD相机记录入射光束反射情况,He-Ne激光器光束出射面与荧光屏处于同一水平高度,且两者与光导航器件的反射镜表面的距离为130 mm,反射镜的倾斜角度变化和入射光束偏折情况分别如图6(a)、(b)所示。由图6(a)、(b)可知,电压U<40 V时,液体1不能被驱动,腔体内的液体保持静止状态,故反射镜的倾斜角度为0°,入射光束也未发生偏折;电压为40 V≤U≤80 V时,液体1可以在腔体中流动,液体3高度发生变化;电压U=80 V时,入射光束偏转角度和反射镜倾斜角度达到最大;电压U>80 V时,腔体内各处压强已经达到平衡状态,液体1(导电液体)的接触角达到最大值,再增加电压,液体3的高度也不再会发生变化。

图 5. 光导航角度测量实验装置

Fig. 5. Experimental setup of optical tracking angle measurement

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图 6. 光导航角度测量实验结果。(a)不同电压下反射镜倾斜角度的变化; (b)不同电压下入射光束偏折结果; (c)光导航角度和外加电压的关系; (d)入射光束偏转角和外加电压的关系

Fig. 6. Experimental results of optical tracking angle measurement. (a) Variation of tilt angle of mirror under different voltages; (b) incident beam deflection under different voltages; (c) relationship between optical tracking angle and applied voltage; (d) relationship between deflection angle of incident beam and applied voltage

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当反射镜倾斜角度为α时,入射光束的偏转角度为2α。根据几何知识可知,入射光束的偏转角度为arctan(2α),其中tan(2α)=O₁O₂/H,O₁O₂为光斑从初始位置O₁到导航角度最大时位置O₂的距离,H为入射光束从荧光屏到反射镜的距离。入射光束的偏转角度范围为0°~18°,反射镜的倾斜角度范围为0°~9°。反射镜的倾斜角度,即光导航角度和外加电压之间的关系如图6(c)所示;入射光束偏转角度和外加电压的关系如图6(d)所示。由实验结果可知,外加驱动电压使液体3的高度发生变化,作用在反射镜上,使其产生倾斜,器件的反射镜倾斜角度范围为0°~9°,响应时间约为90 ms,当入射光束从下方竖直入射时,可以使光束产生0°~18°的光束偏转。

所提反射镜式光束导航器件将电润湿驱动原理和液压相结合,有效解决了直接将反射镜置于液滴上带来的器件不可靠性问题。然而,该器件的一些光学性能可以进一步提高。本实验中,注入器件内液体1的密度为1.21 g/cm³,液体2的密度为0.96 g/cm³,两种液体的密度不匹配,液体1和液体2的接触界面凸出明显,如果将器件转动90°,器件内液体1和液体2就会混合,因此,器件的摆放姿态单一,但在器件内注入密度匹配的液体1和液体2后,即使器件以任意状态摆放,内部液体也不会混合。

4 结论

设计了一种基于电润湿驱动的反射镜式光导航器件。该器件采用电润湿原理驱动器件两侧的导电液体同时向中间涌动,挤压中间非导电液体向下移动,从而使反射镜形成倾斜角,进而实现光束导航功能。实验结果表明,该器件的光导航角度最大可达9°,器件响应时间约为90 ms,将电润湿驱动原理和液压相结合,可有效降低直接将反射镜置于液滴上带来的器件不可靠性,该光导航在空间光通信、雷达探测等领域具有一定的潜在应用价值。