光微流集成了光子技術與微流體,是國際熱點領域。光微流技術在新型光子器件、生物傳感與健康診斷、環(huán)境監(jiān)測等方面中具有廣闊的應用前景。光子與微流相互作用的物理機理(光力、光熱、光聲等),是光微流領域的基礎科學問題。光微流技術實現操控、傳感、顯示等諸多應用均基于光力、光熱等光物理效應。利用光力可實現微納米量級樣品非接觸式捕獲和精確操控;利用光熱效應可對周圍環(huán)境以及單個樣品的多種理化特性進行高精度檢測�，F有微流中光物理效應的研究主要采用透鏡將光耦合進微流系統,體積大,集成性不佳;并且,例如傳統的光操控和光鑷技術一般利用大數值孔徑透鏡實現,操作難度較大且可調節(jié)范圍小�；诠饫w結構的光微流技術體積小、集成性強、操作方法簡單且精度高,是研究微流中光物理效應的新型平臺技術。在傳感應用方面,傳統的光纖傳感技術主要采用特殊光纖結構固態(tài)實現,制造難度大、可重構性差。本文提出了基于光力和光熱效應的光纖微流操控與傳感技術,結構和加工簡單、成本低,傳感元件具有可重構性。本論文從微流體中的光物理效應入手,以光纖作為光傳輸媒介,并利用光纖探針實現了基于光力效應的操控和傳感技術,以及基于光熱效應的光纖傳感和微氣泡陣列排布技術。基于光力效應,結合微流系統的流動性,實現了光傳輸方向上可大范圍連續(xù)調節(jié)的操控技術。以被操控微粒為傳感元件,可實現微流系統任意位置的大動態(tài)測量范圍流速傳感�；诠鉄嵝�,利用光纖探針,在端面產生可重構微氣泡,實現了溫度、流速和濃度傳感;實現了可操控微氣泡陣列技術。本論文主要研究內容如下:(1)建立了光纖產生光力效應的理論模型,仿真了平端面單模光纖、漸變折射率多模光纖、以及錐形漸變折射率多模光纖的出射光場分布情況,并分析了三種結構中光力效應的特點,明確了光纖結構對出射光場分布的影響,便于光纖操控與傳感技術的實驗研究與參數優(yōu)化。(2)利用光力效應,提出了基于光纖法珀微腔調諧和應力調諧的光纖微流操控技術�；谖⑶徽{諧的光纖操控技術通過光功率-流速調節(jié)和微腔長度調節(jié)兩種方式,實現了操控距離隨激光功率或微腔長度變化的可調諧光纖操控,結合特殊結構的漸變折射率光纖錐,最大操控距離達177.0mm。基于應力調諧的光纖操控技術,通過光功率-流速調節(jié)和在漸變折射率多模光纖兩邊施加應力的方式,利用平端面漸變折射率多模光纖及其自聚焦效應,實現了1314.1mm的長距離可調諧光纖操控。(3)利用光力效應,提出并實現了基于光纖操控技術的微流流速傳感。相比于漸變折射率多模光纖,采用普通單模光纖進一步降低了裝置成本和使用難度、便于規(guī)模制備,并提高了流速傳感的穩(wěn)定性,擴大了傳感范圍。采用雙模式檢測法進一步提升了流速傳感性能,實現了探測極限10 nL/min、測量范圍10 nL/min-100000 nL/min的流速傳感。(4)利用光熱效應,提出了基于可重構微氣泡結構的光纖微流傳感技術以及可操控微氣泡陣列技術。光纖微流傳感技術在端面沉積光吸收材料,提高光熱轉化效率,使光纖端面產生可重構微氣泡,通過微氣泡生長速率對微流體溫度、流速和濃度進行標定。利用碳納米管薄膜,實現了分辨率分別為0.001℃和0.03nL/min的溫度和流速傳感;利用納米金膜,實現了0.5 wt%-50.0 wt%范圍的蔗糖濃度傳感,以及10~(-5) M-1 M范圍的雙氧水濃度傳感,靈敏度可達5.1mm/%和93.84mm/mM。進一步的,提出了光纖可操控微氣泡陣列技術,實現了低功率下的微氣泡陣列產生與排布。本論文提出并實驗驗證了基于光力和光熱效應的光纖微流操控及傳感技術,為研究光子與微流的相互作用提供了新的研究思路,為基于光微流技術的生化應用提供基礎支撐。
【學位單位】：電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TP212;TN253
【部分圖文】：

膠、生物原子等具有操控能力。這種基于光力效應的操控技術為微小尺寸物研究提供了有效手段，特別是在生物化學領域，引起了國內外科研人員極大趣。與傳統的機械力相比，光力具有非接觸式、無損傷、響應快、可控性強點。近年來，基于光力效應實現的對微米、納米量級的生命組織、生物原子學材料等進行精確控制的研究被廣泛報道[34]（如圖 1-1 所示）。

圖 1-2 光熱物理轉換過程的產生原理如圖 1-2 所示。當激光照射到物體上時，電造成能量的吸收和散射。被吸收的光能，轉化為原子觀物質狀態(tài)發(fā)生變化。例如，激光照射到物體上時，

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本文編號：2834132