基于PDMS基片的可变焦柱透镜

随着光学技术的蓬勃发展，光学器件的集成化、微型化以及光学参数的可调化已成为现代光学技术发展的主要方向之- 。。而传统光学器件存在体积大、可调性和稳定性差等缺陷，已无法满足现代光学系统向微型化与集成化方向发展的需求 。为了降低成本，增强实验的方便性，提高实验精度和可重复性，现代光学研究中常常需要将多种实验功能集成在-块独立的芯片上，即芯片上的实验室”(1ab on a chip) 。基底是制作芯片实验室”的基础，而聚二甲基硅氧烷(PDMS)是现在制作微流控芯片 中最常用的高聚物基底材料，其具有透光性强，透气性高，玻璃化温度低，折射率低，容易塑造，耐用，化学惰性，无毒，化学稳定等优良特性 引。在 PDMS基片中制作可变焦微型柱透镜，可以为芯片上的实验室”提供-种重要的光学成像元件。玻璃毛细管具有柱透镜的聚光和成像功能 。 J，在毛细管内注入不同折射率的透明液体可以改变这种柱透镜的焦距并实现变焦功能。

本文通过在 PDMS基片中埋人圆柱形玻璃毛细管并改变毛细管中液体折射率的方法，获得了基于 PDMS基片的可变焦柱透镜。用散射光成像方法观察并记录了这种柱透镜成像的光线轨迹，用光学设计软件 ZEMAX模拟了各种实验条件下的成像过程，实验记录图像和软件模拟结果以及柱透镜焦距的理论计算结果基本吻合。

2 基于PDMS的柱透镜的制作首先制作-个70.0 mm×15.0 mm×8.0 mm(长×宽 X高)的长方体模型槽～-根外径 0.644 mm，内径 r0.493 mm，长度Z15.0 mm的玻璃毛细管平行固定在长方体内，其距离底面和侧面分别为4 mm和6 mm。按 Dow Coming公司的技术要求 ，把 Dow Coming Sylgard 184产品的预聚物和固化剂按照10：1的质量比均匀混合后注入到长方体模型槽中，并放入真空玻璃罩中抽真空至 1.33×10 kPa出气。出气 24 h后，取出半固化的 PDMS模型槽，放入 120 oC的恒温箱中固化0.5 h。按照如上工艺制作出的 PDMS基片，排气充分，均匀透明，折射率为n 1.411 5(用 2WA-J型阿贝折射仪的实测值)。但由于基片内缺乏气孔，基片对入射光的散射作用极弱，很难用此均匀透明的PDMS基片观察光线行径。为了能够更好地从基片侧面观察光线行径，将注入模型槽中的 PDMS混合液在空气中静置 24 h来代替在真空中排气的方法，并在 PDMS基片中遗留气孔以增加 PDMS基片对入射光的散射能力。

图 1 基于 PDMS基片的变焦透镜实物照片Fig.1 Picture of variable-focus cylindrical lens basedon PDMS substrate3 实验安排及实验结果在埋入 PDMS基片的毛细管中充人折射率已知的透明液体后构成液芯柱透镜。用波长为543.5 nm的激光器发出的绿光作为实验光源，激光束经过焦距分别为 50和 200 mm的两个凸透镜后，把光斑的尺寸扩大为原来的4倍。扩束后的平行光经过宽度为 0.98 mm(毛细管内径)的狭缝限光后，垂直毛细管轴向入射到柱透镜上。

由于 PDMS基片中遗留气孑L对激光束的散射作用，沿 PDMS基片侧面(毛细管轴向)可以用肉眼清晰地直接观察到平行光经毛细管聚焦前后的光线轨迹。用数码相机拍摄的光线轨迹照片如图2所示(长.高面视图)。

玻璃毛细管内充人的液体和折射率分别为图2a：纯水(n1.333 0)；2b：体积比为 1：1的乙二醇和丙三醇混合液(n1.451 8)；2c：体积比为2：3的乙二醇和丙三醇混合液(n1.457 0)；2d：