内容简介
《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。*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
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*率和*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
试读
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*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：**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
