液体光子器件

《液体光子器件》全面系统地介绍液体光子器件的原理及技术。首先简要介绍液体界面现象的有关理论和液滴的物理特性；然后详细介绍电润湿驱动、介电泳驱动和静电力驱动等液体器件驱动技术，重点介绍液体透镜、液体光开关、液体光偏转器等液体光子器件的结构原理、制作过程和光电特性；*后介绍液体光子器件在成像和光电显示领域的应用。

目录
序
前言
第1章 绪论 1
1.1 液体光子器件的概念与分类 1
1.2 液体光子器件的发展历程 3
1.2.1 液体光子器件驱动技术的发展历程 3
1.2.2 几种典型的液体光子器件的发展历程 5
1.3 液体光子器件的应用 7
1.3.1 科研方面 7
1.3.2 产业方面 7
1.4 本书主要内容 8
参考文献 9
第2章 液体界面现象和理论 12
2.1 液体表面张力和界面张力 12
2.1.1 表面张力 12
2.1.2 界面张力 16
2.2 Laplace 定律及应用 17
2.2.1 界面曲率和曲率半径 17
2.2.2 Laplace 定律 18
2.2.3 Laplace 定律的应用 19
2.3 润湿现象 21
2.3.1 润湿的类型 21
2.3.2 Young 方程 22
2.3.3 附着功和内聚功以及Young-Dupré 方程 25
2.3.4 接触角滞后和动态接触角 26
2.3.5 固体表面的润湿性 28
2.4 毛细现象 29
2.4.1 两平板间的毛细作用 29
2.4.2 毛细管液体的上升 30
2.4.3 竖直平板间的毛细上升 33
参考文献 34
第3章 液滴的物理特性 35
3.1 液滴的形状与特性 35
3.1.1 平板上液滴的附着 35
3.1.2 平板间液滴的状态 39
3.1.3 液体表面液滴的状态 42
3.2 非光滑表面上液滴的状态 43
3.2.1 Wenzel 定律 43
3.2.2 Cassie-Baxter 定律 45
3.3 液滴的运动 46
3.4 液滴的蒸发 48
3.4.1 固着液滴的蒸发 48
3.4.2 液滴的蒸发特性 50
3.4.3 液滴蒸发的应用 51
参考文献 53
第4章 液体光子器件的驱动 55
4.1 电润湿驱动 55
4.1.1 电毛细现象和双电层 55
4.1.2 电润湿模型及原理 58
4.2 介电泳驱动 62
4.2.1 介电泳原理 62
4.2.2 液体的介电泳 64
4.3 静电力和电磁驱动 66
4.3.1 静电场中的导体与电介质 66
4.3.2 磁场对电流的作用 67
4.4 机械驱动 68
4.4.1 液压驱动 69
4.4.2 气压驱动 71
4.4.3 热压驱动 72
4.4.4 超声声压驱动 72
4.4.5 其他驱动 73
参考文献 74
第5章 电控液体透镜 76
5.1 电润湿液体透镜 76
5.1.1 电润湿液体透镜的结构和原理 77
5.1.2 电润湿液体透镜的制作流程 79
5.1.3 电润湿液体透镜的成像特性 80
5.1.4 电润湿液体透镜阵列的结构和原理 81
5.2 介电泳液体透镜 82
5.2.1 介电泳液体透镜的结构和原理 83
5.2.2 介电泳液体透镜的制作流程 84
5.2.3 介电泳液体透镜的成像效果 86
5.3 介电泳液体透镜阵列 86
5.3.1 介电泳液体透镜阵列的结构和原理 87
5.3.2 介电泳液体透镜阵列的制作流程 88
5.3.3 介电泳液体透镜阵列的成像效果和光电特性 88
5.3.4 介电泳液体柱透镜阵列 89
5.4 静电力液体透镜 91
5.4.1 基于聚合物弹性膜的静电力液体透镜 91
5.4.2 基于静电平行板驱动的静电力液体透镜 93
参考文献 96
第6章 其他液体透镜 98
6.1 液压液体透镜 98
6.1.1 液压液体透镜的结构和原理 98
6.1.2 液压液体透镜的制作流程 99
6.1.3 液压液体透镜的成像效果和光电特性 100
6.2 气压液体透镜 102
6.2.1 气压液体透镜的结构和原理 102
6.2.2 气压液体透镜阵列的制作流程 103
6.2.3 气压液体透镜的光电特性 104
6.3 热压液体透镜 105
6.3.1 热压液体透镜的结构和原理 105
6.3.2 热压液体透镜的制作流程 106
6.3.3 热压液体透镜的光电特性 107
6.4 声压液体透镜 108
6.4.1 声压液体透镜的结构和原理 108
6.4.2 声压液体透镜的光电特性 109
6.5 弹性体液体透镜 109
6.5.1 弹性体液体透镜的制作流程和驱动机理 110
6.5.2 弹性体液体透镜的光电特性测试 111
6.6 水凝胶液体透镜 113
6.6.1 水凝胶液体透镜的结构和原理 113
6.6.2 水凝胶液体透镜的制作流程和变焦实验 114
6.7 压电效应液体透镜 115
6.7.1 压电效应液体透镜的结构和原理 115
6.7.2 压电效应液体透镜的制作流程 116
6.7.3 压电效应液体透镜的光电特性 117
6.8 电磁液体透镜 118
6.8.1 电磁液体透镜的结构和原理 118
6.8.2 电磁液体透镜的制作流程 119
6.8.3 电磁液体透镜的光电特性 119
参考文献 121
第7章 液体光开关 122
7.1 单通道电润湿液体光开关 122
7.1.1 单通道电润湿液体光开关的结构和原理 122
7.1.2 单通道电润湿液体光开关的制作流程 125
7.1.3 单通道电润湿液体光开关的性能 126
7.2 多通道电润湿液体光开关 128
7.2.1 多通道电润湿液体光开关的结构和原理 128
7.2.2 多通道电润湿液体光开关的制作流程 129
7.2.3 多通道电润湿液体光开关的性能 130
7.3 介电泳液体光开关 132
7.3.1 介电泳液体光开关的结构和原理 132
7.3.2 介电泳液体光开关的性能 134
7.4 气压液体光开关 136
7.4.1 气压液体光开关的结构和原理 136
7.4.2 气压液体光开关的制作流程 137
7.4.3 气压液体光开关的性能 137
7.5 液压液体光开关 139
7.5.1 液压液体光开关的结构和原理 139
7.5.2 液压液体光开关的制作流程 141
7.5.3 液压液体光开关的性能 142
参考文献 144
第8章 液体光偏转器 145
8.1 电润湿液体光偏转器 145
8.1.1 电润湿液体光偏转器的结构和原理 145
8.1.2 电润湿液体光偏转器的制作流程 148
8.1.3 电润湿液体光偏转器的光电特性 149
8.2 介电泳液体光偏转器 150
8.2.1 介电泳液体光偏转器的结构和原理 150
8.2.2 介电泳液体光偏转器的制作流程 152
8.2.3 介电泳液体光偏转器的光电特性 153
8.3 液压液体光偏转器 153
8.3.1 液压液体光偏转器的结构和原理 154
8.3.2 液压液体光偏转器的制作流程 155
8.3.3 液压液体光偏转器的光电特性 156
参考文献 157
第9章 其他液体光子器件 159
9.1 液体光学狭缝 159
9.1.1 液体光学狭缝的结构和原理 159
9.1.2 液体光学狭缝的制作流程 160
9.1.3 液体光学狭缝的性能 162
9.2 液体光程调制器 164
9.2.1 液体光程调制器的结构和原理 165
9.2.2 液体光程调制器的制作流程 165
9.2.3 液体光程调制器的性能 166
9.3 液体活塞 169
9.3.1 基于电润湿效应的液体活塞的结构和原理 169
9.3.2 基于电润湿效应的液体活塞性能 170
9.3.3 液体活塞驱动的液体透镜的成像效果 172
9.4 液体光波导 172
9.4.1 液体光波导的结构和原理 173
9.4.2 液体光波导的制作流程 174
9.4.3 液体光波导的性能 175
参考文献 178
第10章 液体光子器件的应用 180
10.1 连续光学变焦显微镜 180
10.1.1 显微物镜 181
10.1.2 显微物镜的制作和性能 182
10.1.3 连续光学变焦显微镜及其成像效果 184
10.2 超薄变焦望远镜 186
10.2.1 超薄变焦望远镜的结构和原理 186
10.2.2 超薄变焦望远镜的制作流程 187
10.2.3 超薄变焦望远镜的成像效果 189
10.3 电润湿显示器 190
10.3.1 电润湿显示器的结构和原理 190
10.3.2 电润湿显示器的光电特性 191
10.3.3 电润湿显示器的显示效果 192
10.4 芯片实验室 193
10.4.1 芯片实验室的结构 194
10.4.2 芯片实验室的制作流程 195
10.4.3 芯片实验室的实验效果 195
参考文献 197

第1章绪论
　　以光子为信息载体的功能器件称为光子器件。随着社会文明的不断进步，人类发明了越来越多的光子器件用来控制光子或光束，以实现特定的光学功能。例如，透镜、光开关、光波导和光探测器等光子器件已广泛应用在通信、成像、显示和探测等领域 [1-4]。这些光子器件的出现，大大促进了集成光子学、硅基光子学和纳米光子学的发展。在科技日新月异的今天，基于固态材料的光子器件已不能满足诸多领域的发展需求。水利万物，以水为媒，人们从大自然中汲取灵感，尝试用液体材料研发光子器件，液体光子器件应运而生。液体光子器件不仅能兼顾传统光子器件的功能，也能充分利用液体的流动性和自适应性。液体光子器件凭借结构简单、操作精准、成本低和功耗低等诸多优势已逐渐成为未来光子器件的发展趋势。本章首先介绍液体光子器件的概念与分类；然后以几种典型的液体光子器件为例，介绍液体光子器件的发展历程；昀后简述液体光子器件在科研和产业方面的应用。
　　1.1 液体光子器件的概念与分类
　　目前，尚未有相关著作、科学文献对液体光子器件进行相对明确的定义，但是学术界已有一些共识，即从广义上讲，起关键光学功能的部分是液体或液滴，并可以根据需求自适应地调节器件状态的光子器件，都可以统称为液体光子器件。
　　与液体光子器件近似的一类器件是光流控( optofluidics)器件。光流控器件是在微纳尺度上控制光和流体，并利用它们之间的相互作用研发的微小型化和集成化光子器件。现如今，光流控器件所涉及的领域已不再局限于光子器件，还涉及流体操控器件和生化样品制备器件等。
　　液体光子器件和光流控器件之间并无严格的从属关系，两者的研究范围既有交叉，又有区别。从研究对象来讲，两者在透镜、光开关和光波导等器件的研究方法、设计机理和驱动技术方面是非常接近的。液体光子器件一般具有高密闭性和高机械稳定性，在研制阵列化的光子器件时更具优势。光流控器件可充分利用液体的流动性携载粒子，实现对粒子或生物分子的精准调控，在生化检测和粒子操控方面更具优势。从器件的结构来讲，光流控器件一般需要依据器件功能设计较为复杂的微流控通道，微流控通道的结构对器件内部流体的控制至关重要。而在液体光子器件的设计中，微流控通道不是必要结构。图 1.1.1(a)～( c)分别为液体光阑、液体反射镜和液体透镜实物，图 1.1.1(d)～( f)为典型的光流控透镜、光流控开关和光流控微泵实物。从图 1.1.1可以看出，液体光子器件和光流控器件的驱动部件与结构设计都有很大区别。
　　图 1.1.1 典型的液体光子器件和光流控器件实物
　　目前，主流的液体光子器件分类方式有两种：第一种是按驱动技术分类；第二种是按器件功能分类。按驱动技术分类，液体光子器件一般可分为电控驱动的液体光子器件和机械驱动的液体光子器件，如图 1.1.2所示。其中，电控驱动可分为电润湿驱动、介电泳驱动、静电驱动、压电效应驱动和电磁驱动等；机械驱动可分为液压驱动、气压驱动、热压驱动和声压驱动等。实际上，机械驱动的液体光子器件一般也需要借助外部电控设备，如液压泵和气压泵等。但业界已达成了一定共识，主要以是否直接控制液体界面为标准区分是否为电控驱动，因此本书将液压驱动、气压驱动、热压驱动和声压驱动均归为机械驱动，在第 4章将会对这些驱动技术的机理进行详细介绍。
　　按器件功能分类，液体光子器件一般可分为液体透镜、液体光开关、液体光阑、液体光偏转器、液体光学狭缝、液体光程调制器、液体活塞和液体光波导等，如图 1.1.3所示。随着微纳技术的发展和多学科不断交叉融合，研究人员早已不局限于这些基础的液体光子器件的研究。可用于光谱仪和光谱研究的液体光栅和液体光学狭缝，用于 3D显示器等的液体菲涅耳透镜和液体柱透镜阵列，用于激光光束整形的液体变形镜、液体分束器和液体光束压缩器等液体光子器件相继被提出，这些液体光子器件均可根据系统需求自适应地调控状态，部分光电特性参数优于传统固态光子器件。毫无疑问，液体光子器件不仅为集成化光子器件提供了新的研究思路和方法，也为光子学的研究注入了新的活力。
　　图 1.1.2 液体光子器件按驱动技术分类
　　图 1.1.3 液体光子器件按器件功能分类
　　1.2 液体光子器件的发展历程
　　液体光子器件的发展与驱动技术的发展密不可分，其中电润湿驱动技术和介电泳驱动技术是液体光子器件昀重要的两种驱动技术，本节将详细介绍这两种驱动技术的发展历程。由于液体光子器件的种类众多，很难全面地介绍每种液体光子器件的发展历程，本节选取液体透镜和液体光开关这两种重要的液体光子器件，详细梳理其发展脉络，力图能以点带面，使读者对液体光子器件的发展有宏观上的了解。
　　1.2.1 液体光子器件驱动技术的发展历程
　　追根溯源，液体光子器件的研究是以人们对液体或流体的表面性质研究为开端的。1805年，英国著名科学家、通识学家 Young在研究润湿和毛细现象时分析了界面张力和接触角的定量关系，推导出著名的 Young方程(杨氏方程) [5]。两百多年来，Young方程已成为润湿领域昀基本的理论之一，同时，该方程也是液体光子器件设计和研发的理论基础。
　　1875年，法国著名物理学家 Lippmann在实验中发现在外加电场下，汞液滴会在毛细管中发生位移，这就是著名的电毛细现象。他对该现象进行了深入研究，并推导了 Lippmann方程。可以说 Lippmann是世界上昀早发现电润湿现象并进行研究的科学家。 Lippmann方程是电润湿驱动技术的基本方程，但是，在 Lippmann之后的百年间，电毛细或电润湿现象的相关理论都没有得到很大的发展 [6]。直到 1936年，法国科学家 Froumkine通过电场改变来控制液体表面张力，成功地实现了对液滴形状的调控 [7]。1981年，美国贝尔实验室的 Beni等通过控制介电液体和导电液体实现了一种新型显示方式，并首次使用术语 electrowetting(电润湿)，之后该说法被学术界广泛认同，并大量使用 [7-9]。
　　电润湿驱动技术的实质性发展是在 1993年，法国科学家 Berge在传统电润湿模型上引入了介电层，降低了导电液体被电解的风险，并结合 Young方程和 Lippmann方程，重新推导了现代电润湿方程 —Young-Lippmann方程，后续诸多电润湿驱动的液体光子器件都基于该方程设计，逐渐形成了一个新的术语“介质上电润湿”( electrowetting-on-dielectric， EWOD)[10]。
　　之后，国际上对电润湿驱动技术的研究主要集中在介电层材料方面。 1998年，飞利浦埃因霍温研究院的 Welters等使用派瑞林( Parylene)和特氟龙( Teflon)材料作为介质层，并用直流电实现了电润湿驱动，但驱动电压高达 400V[11]。2010年，匹兹堡大学的 Chung等将 Parylene C材料替换为 SiO2，电压降低到 100V以内[12]。 2010年，中国科学院力学研究所的 Yuan等基于分子动力学模拟了动态润湿和电润湿效应，揭示了液滴前驱模的运动规律，为动态电润湿驱动奠定了理论基础 [13]。 2016年，西安交通大学的 Li等深入研究了电润湿驱动下界面的物理特性，通过控制固-液界面电荷的捕获量来减小液滴的饱和接触角，在一定程度上扩大了液滴形变的调控范围 [14]。2019年，加利福尼亚大学洛杉矶分校的 Li等提出了一种全新的电润湿驱动机制，向导电液滴中引入极低浓度的离子型表面活性剂，可以使驱动电压降低一个数量级，昀低可达到 25V左右[15]。
　　相较电润湿驱动技术，介电泳驱动技术的研究较晚。1956年，美国物理化学家 Pohl在实验中观察发现悬浮在介质中的微粒可以在非均匀电场的作用下产生定向运动，运动方向取决于介质的介电常数大小。1971年，Pohl等又推导了关于介电泳的基础方程，并于 1978年将这一现象正式定义为介电泳( dielectrophoresis)。同年，Pohl出版了世界上第一部关于介电泳的专著[16]。直到 20世纪 90年代，随着微纳加工技术的发展，利用介电泳驱动技术收集、定位和分离悬浮液中微粒的技术取得了很大的进步。1995年，罗切斯特大学的 Jones出版了专著 Electromechanics of Particles，从理论上系统地阐明了介电泳驱动粒子的机理[17]。
　　经过几十年的发展，介电泳驱动理论和技术日趋成熟，诸多液体光子器件及粒子操控器件也得到广泛研究。2004年，得克萨斯大学的 Gascoyne等将介电泳驱动技术同编程思想结合，实现了阵列化和数字化的精准介电泳驱动技术 [18]。2009年，维克森林大学的 Shafiee等将电极耦合到流体通道中，在这些电极上施加高频电场，流体通道就会产生相应电场，突破了无接触式介电泳驱动的物理机理 [19]。2011年，克莱姆森大学的宣向春等首次用实验验证了焦耳热效应对绝缘子基介电泳驱动装置中电渗透流的影响。此外，该团队还研发了一种数值计算模型，通过求解简化的二维几何结构中的电能和流体耦合方程来模拟流体类型，为绝缘子基介电泳驱动技术提供了实验和理论基础 [20]。2017年，麦吉尔大学的 Modarres等在理论上揭示了由交流电位产生电热流动的原因，推动了可应用于生物大分子驱动的介电泳驱动技术 [21]。
　　上述驱动技术以及静电驱动、压电效应驱动和电磁驱动的物理机理将在本书第 4章详细介绍。
　　1.2.2 几种典型的液体光子器件的发展历程
　　液体光子器件的种类较多，其中液体透镜和液体光开关是研究较早且相对成熟的两种器件，本节分别介绍这两种器件的发展历程，由此抛砖引玉，其他种类液体光子器件的发展历程也大抵相同。
　　1．液体透镜
　　关于液体透镜的研究昀早可追溯到 1963年，Toulis发表了题为“ Acoustic focusing with spherical structures”的论文，提出一种利用声压振荡来调控液滴形状的技术，液滴在被驱动的过程中发生形变，并实现对光束的聚焦功能，这也是液体透镜的雏形 [22]。该论文只是提出用外部驱动可以调控液体或液滴的形状，对这种液体透镜并未设计相应的封装结构。因此，论文中设计的器件还不能称为完整意义上的光子器件。随后 1971年，Knollman等发表了题为“ Variable-focus liquid-filled hydroacoustic lens”的论文 [23]。该论文中设计的液压液体透镜结构已经同现代弹性体液体透镜非常相近，如图 1.2.1(a)所示。
　　随着电润湿和介电泳等电控驱动技术的发展，液体透镜也逐渐由机械控制向电控制发展。 2000年，法国科学家 Berge等研制了世界上第一款可商用的电润湿液体透镜，并对焦距和电压等参数进行了详细测量 [24]。不过由于当时的技术限制，液体透镜的驱动电压高达 250V，如图 1.2.1(b)所示。目前，电润湿液体透镜的驱动电压已经降低至几十伏特，功耗在微瓦量级。 2005年，中佛罗里达大学的吴诗聪团队基于弹性膜和密封环研制了一款机械液体透镜，该液体透镜无需外部电控装置，具有低成本和低功耗的优点 [25]。2008年，上海理工大学的庄松林团队提出了一种基于电润湿液体透镜的变焦光学系统设计方案，不仅建立了电润湿液体透镜中液体折射率、界面曲率和焦距的数学模型，也仿真模拟了液体透镜外加电压与系统焦距的关系，为新一代变焦光学系统的设计提供了全新思路 [26]。
　　图 1.2.1 两种典型的液体透镜实物
　　本书作者团队也于 2015年研发了环形折反式液体透镜，光线在液体透镜内部进行多次反射，将电润湿液体透镜的光焦度提升了 3倍[27]。2020年，华中科技大学的 Qian等提出了一种新型液体透镜的实现方法。在该方法中，将空气中电