基于微流控技術(shù)的折射率可調(diào)光學(xué)器件研究.pdf

1、微流控光學(xué)(Optofluidics)是一種結(jié)合了微流體(microfluidic)和集成光學(xué)(Intergrated Optics)的新型交叉前沿學(xué)科，在化學(xué)分析、生物檢測、集成光學(xué)方面有很好的運(yùn)用前景，其中“芯片實(shí)驗(yàn)室”(Lab-on-a-Chip)的成功應(yīng)用將有效降低化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的樣品分析檢測成本，提高分析準(zhǔn)確性。
　　本文基于層流液體的對流擴(kuò)散效應(yīng)，提出了一種新型的具有漸變折射率分布特性并且可以實(shí)現(xiàn)折射率動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的

2、流體漸變折射率(L-GRIN)微透鏡。利用有限元法分析了器件的結(jié)構(gòu)、尺寸以及微腔中芯層與包層流體的擴(kuò)散系數(shù)、濃度、流速、溫度、粘滯系數(shù)等因素對兩相流體擴(kuò)散過程達(dá)到穩(wěn)定后的濃度及折射率分布的影響。同時(shí)，本文還利用光線追跡法模擬了不同折射率分布的微透鏡對光束的調(diào)控效果，從而將微流體各種微觀影響因素與透鏡的宏觀光學(xué)透鏡建立起聯(lián)系，從分子層次上闡釋漸變折射率的形成過程及光束傳播響應(yīng)機(jī)制。
　　本文通過調(diào)節(jié)溶液擴(kuò)散系數(shù)D、溶液濃度，芯層和包

3、層的流速等因素實(shí)現(xiàn)了器件微腔中的折射率分布調(diào)整，設(shè)計(jì)出三種不同聚焦特性的 L-GRIN微透鏡，并利用光線追跡法，對其聚焦性能分別進(jìn)行了分析。其中片上系統(tǒng)焦距可調(diào)的L-GRIN微透鏡實(shí)現(xiàn)了當(dāng)溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化從0.05增加到0.4時(shí)，焦距從942μm減小到11μm；而當(dāng)液體流速由0.5×103 pL/s增加到5×103 pL/s時(shí)，焦距由127.1μm減小到8μm；并且如果在保持包層流速不變的前提下大幅提高芯層液體的流速，能夠?qū)崿F(xiàn)23.5μ

4、m的焦斑尺寸穩(wěn)定輸出，而焦斑的尺寸同樣可以通過連續(xù)增加芯層流速的方式來提高。本文還設(shè)計(jì)出分別實(shí)現(xiàn)光線一維和二維偏轉(zhuǎn)和聚焦的微透鏡。通過調(diào)整一側(cè)包層流速，保持其他層流不變實(shí)現(xiàn)了輸出光線一維方向的偏轉(zhuǎn)，焦距從0μm變?yōu)?8μm。采用上下左右包層和芯層流速的同時(shí)調(diào)節(jié)，則實(shí)現(xiàn)了輸出光線在二維方向上的調(diào)節(jié)。
　　總之，本文通過有限元法來研究L-GRIN微透鏡的光學(xué)性能，并設(shè)計(jì)了多種實(shí)現(xiàn)不同光學(xué)特性的實(shí)時(shí)可調(diào)諧微透鏡器件。其靈活可調(diào)的聚焦性能