基于對流擴散效應,利用有限元分析法建立了一種光學漸變折射率微腔流體透鏡。分析了微腔中芯、包層液體在對流擴散過程達到穩(wěn)定后的濃度分布情況,即所謂的混合流體折射率分布。研究了對流擴散模型結構,分別在一般情況下（芯層流體折射率大于包層流體折射率）和中心凹陷情況下（芯層流體折射率小于包層流體折射率）,沿流體流動方向的不同截面對流擴散后折射率分布情況。 

【文章來源】：紅外與激光工程. 2020,49(01)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：6 頁

【部分圖文】：

笛卡爾坐標系下的對流擴散模型

對流擴散模型如圖2所示：x軸正向為液體流動方向，y軸為微腔寬度方向，z軸為微腔深度方向，對流擴散模型長300μm，深50μm，包層液體從兩側入口流入，芯層液體從中心入口流入，這三個入口的寬度和深度也都是50μm，在芯層液體和外層液體流入微腔后，混合液體在微腔內進行對流擴散作用，混合液體的流動速度通過換算公式計算得出。混合液體在微腔中發(fā)生作用時，擴散系數(shù)D是影響對流擴散過程的一個重要因素。擴散系數(shù)的大小不僅由液體自身決定，還受到濃度、溫度等外界環(huán)境的影響。具體數(shù)值為，當去離子水與乙二醇的濃度比例為0.95～0.025時，相對應的擴散系數(shù)為1.67×10-9～9.28×10-10m2/s[13]。液體的擴散系數(shù)D受溫度影響比較大，對于芯層液體，將質量分數(shù)為0.7的乙二醇溶液的溫度從30℃降低到20℃時，相應的擴散系數(shù)D也會從4.52×10-10m2/s變化到2.98×10-10m2/s。用來描述對流擴散相對程度的參數(shù)為Pe，由

當D和U確定之后，設置參數(shù)流體的速度U1=Ucore=2 500 p L/s，擴散系數(shù)D=1×10-9m2/s。并且在對流擴散過程中，為了防止?jié)舛�、溫度等外界條件對擴散系數(shù)的影響，選取25%乙二醇溶液作為中心層液體，去離子水作為外層液體，從而提高分析結果的準確性[13]。計算結果如圖3所示。圖3～圖6中，微腔中混合液的對流擴散過程達到穩(wěn)定狀態(tài)之后，濃度分布存在顯著差異，可以通過一定的換算方式得到折射率分布，與濃度分布呈線性關系。如圖3所示，在yz平面內，在坐標x=0處，沿y方向在不同位置存在不同的折射率分布，并且中心折射率為最大，向兩段逐漸減小，呈梯度漸變分布。如圖4所示，在xy平面內，隨著溶液的流入，由于擴散作用，在坐標y=0處，沿x方向折射率逐漸減小并趨于穩(wěn)定，在坐標x=0處，沿y方向折射率逐漸增大并趨于穩(wěn)定。圖5為zx平面內的濃度分布，如圖所示，在坐標y=0處，沿x方向折射率逐漸減小并趨于穩(wěn)定，折射率呈漸變分布。圖6為某固定x值位置處的yz平面濃度等值分布，如圖所示，在yz平面內，以中心位置為標準，越遠離中心位置的液體折射率越小。這實現(xiàn)了要達到的折射率的梯度效應，當光束垂直入射時可以給出不同的結果。由于在不同位置存在不同的漸變折射率分布，因此調節(jié)光束在微腔的不同位置垂直入射,可以實現(xiàn)不同的出射效果。

【參考文獻】：
期刊論文
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博士論文
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本文編號：3378312