基于微流控技术的折射率可调光学器件研究

摘要

微流控光学(Optofluidics)是一种结合了微流体(microfluidic)和集成光学(Intergrated Optics)的新型交叉前沿学科，在化学分析、生物检测、集成光学方面有很好的运用前景，其中“芯片实验室”(Lab-on-a-Chip)的成功应用将有效降低化学、生物医学等领域的样品分析检测成本，提高分析准确性。
　　本文基于层流液体的对流扩散效应，提出了一种新型的具有渐变折射率分布特性并且可以实现折射率动态调节的流体渐变折射率(L-GRIN)微透镜。利用有限元法分析了器件的结构、尺寸以及微腔中芯层与包层流体的扩散系数、浓度、流速、温度、粘滞系数等因素对两相流体扩散过程达到稳定后的浓度及折射率分布的影响。同时，本文还利用光线追迹法模拟了不同折射率分布的微透镜对光束的调控效果，从而将微流体各种微观影响因素与透镜的宏观光学透镜建立起联系，从分子层次上阐释渐变折射率的形成过程及光束传播响应机制。
　　本文通过调节溶液扩散系数D、溶液浓度，芯层和包层的流速等因素实现了器件微腔中的折射率分布调整，设计出三种不同聚焦特性的 L-GRIN微透镜，并利用光线追迹法，对其聚焦性能分别进行了分析。其中片上系统焦距可调的L-GRIN微透镜实现了当溶液质量分数变化从0.05增加到0.4时，焦距从942μm减小到11μm；而当液体流速由0.5×103 pL/s增加到5×103 pL/s时，焦距由127.1μm减小到8μm；并且如果在保持包层流速不变的前提下大幅提高芯层液体的流速，能够实现23.5μm的焦斑尺寸稳定输出，而焦斑的尺寸同样可以通过连续增加芯层流速的方式来提高。本文还设计出分别实现光线一维和二维偏转和聚焦的微透镜。通过调整一侧包层流速，保持其他层流不变实现了输出光线一维方向的偏转，焦距从0μm变为58μm。采用上下左右包层和芯层流速的同时调节，则实现了输出光线在二维方向上的调节。
　　总之，本文通过有限元法来研究L-GRIN微透镜的光学性能，并设计了多种实现不同光学特性的实时可调谐微透镜器件。其灵活可调的聚焦性能体现在焦距、焦斑尺寸可调以及聚焦方向可调，对片上检测系统以及新型自适应光波导器件的设计及应用具有重要的意义。

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第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 微流控光学技术的研究与应用

1.3 微流控技术可控微透镜研究进展

1.4 论文的主要内容

第2章 基于微流控光学可调谐的渐变折射率特性研究

2.1 微流渐变折射率理论分析

2.2 结构与流体性质分析

2.3 小 结

第3章 片内聚焦动态可调L-GRIN微透镜

3.1 L-GRIN微透镜的模型与理论

3.2 仿真与讨论

3.3 小结

第4章 基于微流控光学的二维方向可调谐渐变折射率研究

4.1 理论与器件设计

4.2 计算与分析

4.3 光线的偏转与聚焦

4.4 小结

第5章 一维和二维L-GRIN微透镜的设计与分析总结

5.1 器件设计与仿真分析

5.2 一维方向可调L-GRIN透镜

5.3 二维方向可调L-GRIN微透镜

5.4 总结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

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