光流體技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用

1、光流體技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用自適應(yīng)光學器件在眾多應(yīng)用中都起到了重要的作用.例如成像、傳感.光倍號傳播、謔波、波長轉(zhuǎn)換等方面.而光流體技術(shù)能夠通過將多種光學器件集成，構(gòu)建方便快捷的功能性器件，為在芯片平臺上產(chǎn)生、控制以及處理光信號等提供了可能，由此也就逐漸發(fā)展應(yīng)用到多個領(lǐng)域。近些年，國內(nèi)外多個研究小組都致力于研究光流體芯片系統(tǒng)，構(gòu)建集成化的芯片實驗室，實現(xiàn)在微小的空間上，規(guī)模性的集成多功能的單元器件。下面將介紹在國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究發(fā)展情況。2004年，在光流體技術(shù)基礎(chǔ)上，Y.Fainman小組在2x2大小的彈性硅膠PDMS上制作了具有微流通道層的結(jié)構(gòu)，如圖1.1所示，在折射率為1.41的PDMS內(nèi)，

2、由兩個注入口分別注入純水（折射率為1.33）與（折射率為1.41）食鹽溶液，通過混合兩種不冋折射率的洛液來調(diào)節(jié)內(nèi)部溶液的折射率，從而控制裝賈內(nèi)的全內(nèi)反射條件，實現(xiàn)控制光的輸出，構(gòu)建了插入損耗低至ldB,消光率為20dB,光轉(zhuǎn)化速度約1320ms的集成化的全光開關(guān)裝置。此裝冒長利用軟光刻技術(shù)集成在小尺寸上的結(jié)構(gòu)，因此也便于與更多的功能性器件集成。但是若要構(gòu)建集成化的全光分析系統(tǒng)，貞正實現(xiàn)微型化的芯片實驗室，作為光學系統(tǒng)中一個璽要元素的光源足必不可少的。傳統(tǒng)的半導體澈光器、氣體激光器等光源裝置體積大、較為笨垂，無法滿足將其集成在幾個厘米甚至毫米量級的芯片上,因此也就不能實現(xiàn)真正意義上的集成。圖1.

3、1光轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)圖因此，構(gòu)建集成化的光源也就成為實現(xiàn)芯片實驗室的一個關(guān)鍵。在光流體迅速發(fā)展的基礎(chǔ)上，就可以實現(xiàn)構(gòu)造微盤化的液體染料激光器，可以滿足芯片實驗室中對微型化光源的需求。曲于液體染料的熒光特性，基于光流體的染料激光器可以實現(xiàn)從紫外到可見、紅外的波長覆蓋范田，能夠形成可調(diào)諧激光，應(yīng)用范圍廣。對于激光器而言，諧振腔是彩響所獲得激光性能的關(guān)鍵，不同的諧振腔類型有其不同的優(yōu)勢。按照腔的類型，可以分為FP腔、DFB腔，倏逝波微腔等對于FP腔，其工作原理簡單，就是在腔的兩端安置反射鏡，使光能在其內(nèi)形成諧扳，在固體半導體等激光器的應(yīng)用中，可以將激光線寬壓窄，提高其單色性。在微型化的液體染料激光器中

4、，F(xiàn)P腔也有廣泛的應(yīng)用。例如2005年，等人國制作的液液(L-L)玻導光流體染料激光器，如圖1.2所示，梵核心液體流是由熒光染料2mMobl的若丹明640高氮酸鉀的甲算溶液組成，覆層則是低折射率的液體，微通道的長度大約是5-20mm,微通道兩端處鍍金作為FP反射腔，用532nn)脈沖光泵浦，在低泵浦功率下，輸出最大的中心波長約足625nm,其輸出線寬大約45nm當泵浦功率在7-16pJ時，線寬下降到4nm。激光閾值能量達到220。I?波導光流體染料激光器通過改變?nèi)玖先芤旱姆N類和體積來改變輸出波長。2006年，Y.Chen等人將兩根肓徑為125屮n光纖相對的一端鍍金，如圖1.3所示，使光纖末端平

5、面的反射率為0.8,反射泵浦光和形成的熒光。當染料溶液從兩光纖中間的通道流過時，經(jīng)激光激發(fā)形成的熒光能夠在兩光纖之間形成反射從而不斷振蕩，在此過程中會有部分的光從右端的光纖中耦合輸岀，向通道中分別注入染料溶液，溶于乙醇的不同濃度的若丹明6G、磺基若丹明101以及兩者的混合液作為增益介質(zhì)，由于磺基若丹明101更容易發(fā)生光致漂白，所以在不同的液體流速卜，用兒個pJ/mm2的激光泵浦形成的熒光激光強度不同，形成了芯片上的雙色共線染料激光器，可以應(yīng)用在生物、化學分析等領(lǐng)域。圖1.2PDMS上的L-L波導激光器DtwHuwoldErrorOpta2Purrplawbpoi圖13利用鍍金的光纖結(jié)合光滾控技

6、術(shù)形誡的諧振腔示總圖對于前面的幾種FP腔而言.構(gòu)成諧振腔的反射鏡對腔內(nèi)光能的吸收是不可忽略的，而腔鏡的吸收和傳導效率也受目前的鏡涂敷、磨光和耦合技術(shù)的限制.2010年，D.Psaltis等人研究的由空氣作用下的町調(diào)諧染料激光器，如圖1.4所示，4PDMS基底上構(gòu)造了利用氣體間隙作為反射鏡的諧振腔，通過平行的氣體間隙和PDMS界面來決定輸出激光的波長，氣隙內(nèi)的壓縮氣體可以改變間距的大小，從而實現(xiàn)波長的調(diào)節(jié)。這一染料激光器實現(xiàn)了閾值為1.6|d/pulsc,激光線寬為3nm,可調(diào)節(jié)范圍14nmo兩端的氣體腔室相當于低精度的FP腔，可以利用微流控技術(shù)快速制備，而且便于實現(xiàn)與其他光學器件的集成。*mu

7、chXSetArnwS0OFurr.圖1.4由空氣作用的可調(diào)諧染料激光器結(jié)構(gòu)示意圖MJDFB(DistributedFeedbackLaser)腔即分布式反饋諧振腔，是在F-P腔的基礎(chǔ)上釆用了光柵濾光器件，使之只有一個縱模輸出，內(nèi)置布拉格光柵側(cè)面發(fā)射激光。DFB激光器的優(yōu)點就圧單色性非常好，具有較高的邊模抑制比。2009年,ZhenyuLi小組提出了基于徼流體技術(shù)的可調(diào)諧DFB光流體染料激光器，如圖1.5所示，以PDMS為基底，在其上制作DFB諧振腔，其中的布拉格光榔提供光反饋作用，由于PDMS硅膠的柔軟性和彈性，可以通過施加機械力作用光柵結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)增益帶寬內(nèi)激光輸出的頻率，利用熒光染

8、料分子作為增益介質(zhì)，其激發(fā)的激光波長可調(diào)諧范IH能達到近60nm,線寬大約小于O.lnm.(b)圖1.5DFB光流體染料激光器【叫&PDMS上的DFB腔結(jié)構(gòu)示恿圖:(b)在PDMS芯片上的15階DFB結(jié)構(gòu)。還有-類諧振腔是利用光的全反射作用形成的倏逝波來實現(xiàn)光的諧振。當光從折射率高的介質(zhì)中以大于臨界角的方向入射進折射率低的介質(zhì)中時，在兩種介質(zhì)的表面就會發(fā)生全反射，光會以倏逝波的形式在低折射率的介質(zhì)中傳播一定的深度，稱為穿透深度。常見的以倏逝波構(gòu)建的微腔結(jié)構(gòu)有微球、微柱、微盤以及微環(huán)腔等。在這些微腔中，光沿腔的內(nèi)壁以全反射的方式傳播，而在球內(nèi)經(jīng)過若下次的反射町以形成與原來相位相同的光從而形成共扳，因此光被嚴密的封閉在微腔中，按照幾何模型的分析，腔內(nèi)的Q值會有無限大，但是在實際中由于存在衍射、散射等效應(yīng)還是會有部分的光會泄壽出腔夕卜，但是相對而言這樣的倏逝波形成的諧振腔貝有較島的Q值.研究發(fā)現(xiàn)微染料液滴經(jīng)光泵浦可以產(chǎn)生激光【，也即和用球形狀的微液滴形成諧振腔與增益介質(zhì)一體的微型激光器，最早的是在直徑為60gm的若丹明6G乙醇液滴上，用光泵