本文關(guān)鍵詞：基于微流控技術(shù)的折射率可調(diào)光學器件研究

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【摘要】：微流控光學(Optofluidics)是一種結(jié)合了微流體(microfluidic)和集成光學(Intergrated Optics)的新型交叉前沿學科,在化學分析、生物檢測、集成光學方面有很好的運用前景,其中“芯片實驗室”(Lab-on-a-Chip)的成功應用將有效降低化學、生物醫(yī)學等領(lǐng)域的樣品分析檢測成本,提高分析準確性。本文基于層流液體的對流擴散效應,提出了一種新型的具有漸變折射率分布特性并且可以實現(xiàn)折射率動態(tài)調(diào)節(jié)的流體漸變折射率(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散系數(shù)、濃度、流速、溫度、粘滯系數(shù)等因素對兩相流體擴散過程達到穩(wěn)定后的濃度及折射率分布的影響。同時,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機制。本文通過調(diào)節(jié)溶液擴散系數(shù)D、溶液濃度,芯層和包層的流速等因素實現(xiàn)了器件微腔中的折射率分布調(diào)整,設(shè)計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行了分析。其中片上系統(tǒng)焦距可調(diào)的L-GRIN微透鏡實現(xiàn)了當溶液質(zhì)量分數(shù)變化從0.05增加到0.4時,焦距從942μm減小到11μm;而當液體流速由0.5×103 pL/s增加到5×103 pL/s時,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)23.5μm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)計出分別實現(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調(diào)節(jié),則實現(xiàn)了輸出光線在二維方向上的調(diào)節(jié)�？傊�,本文通過有限元法來研究L-GRIN微透鏡的光學性能,并設(shè)計了多種實現(xiàn)不同光學特性的實時可調(diào)諧微透鏡器件。其靈活可調(diào)的聚焦性能體現(xiàn)在焦距、焦斑尺寸可調(diào)以及聚焦方向可調(diào),對片上檢測系統(tǒng)以及新型自適應光波導器件的設(shè)計及應用具有重要的意義。
【關(guān)鍵詞】：集成光學 漸變折射率 擴散對流 微流控光學
【學位授予單位】：浙江工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TH74
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第1章 緒論10-22
• 1.1 研究背景和意義10-12
• 1.1.1 微流控技術(shù)10-11
• 1.1.2 微光學11-12
• 1.2 微流控光學技術(shù)的研究與應用12-16
• 1.2.1 微流控透鏡與光波導12-13
• 1.2.2 體液芯波導用于不同折射率系數(shù)的粒子分離13-15
• 1.2.3 微流光傳感系統(tǒng)15-16
• 1.3 微流控技術(shù)可控微透鏡研究進展16-20
• 1.3.1 曲面折射式微流體透鏡16-19
• 1.3.2 基于可調(diào)漸變折射率場的光流體透鏡19-20
• 1.4 論文的主要內(nèi)容20-22
• 第2章 基于微流控光學可調(diào)諧的漸變折射率特性研究22-31
• 2.1 微流漸變折射率理論分析22-24
• 2.2 結(jié)構(gòu)與流體性質(zhì)分析24-30
• 2.2.1 沿流體流動方向不同橫截面處的折射率分布26-27
• 2.2.2 流速對折射率分布的影響27
• 2.2.3 中心折射率偏移27-28
• 2.2.4 中心凹陷的漸變折射率分布28-29
• 2.2.5 粘滯阻力對擴散對流過程的影響29-30
• 2.3 小結(jié)30-31
• 第3章 片內(nèi)聚焦動態(tài)可調(diào)L-GRIN微透鏡31-39
• 3.1 L-GRIN微透鏡的模型與理論31-33
• 3.2 仿真與討論33-38
• 3.2.1 L-GRIN微透鏡的漸變折射率分布調(diào)節(jié)33-34
• 3.2.2 焦距的調(diào)控34-35
• 3.2.3 流速的變化35-36
• 3.2.4 L-GRIN對焦斑的調(diào)節(jié)36-38
• 3.3 小結(jié)38-39
• 第4章 基于微流控光學的二維方向可調(diào)諧漸變折射率研究39-48
• 4.1 理論與器件設(shè)計39-40
• 4.2 計算與分析40-44
• 4.2.1 擴散對流在器件中的簡單分析40-43
• 4.2.2 芯層液體偏移的實現(xiàn)43-44
• 4.3 光線的偏轉(zhuǎn)與聚焦44-47
• 4.4 小結(jié)47-48
• 第5章 一維和二維L-GRIN微透鏡的設(shè)計與分析總結(jié)48-57
• 5.1 器件設(shè)計與仿真分析48
• 5.2 一維方向可調(diào)L-GRIN透鏡48-52
• 5.2.1 結(jié)構(gòu)48-49
• 5.2.2 流速對焦距的影響49-51
• 5.2.3 一維方向可調(diào)51-52
• 5.3 二維方向可調(diào)L-GRIN微透鏡52-56
• 5.3.1 器件結(jié)構(gòu)與分析52-53
• 5.3.2 出射光線焦斑分布53-54
• 5.3.3 二維方向可調(diào)54-56
• 5.4 總結(jié)56-57
• 第6章 結(jié)論與展望57-59
• 6.1 結(jié)論57-58
• 6.2 展望58-59
• 參考文獻59-62
• 致謝62-63
• 攻讀學位期間發(fā)表的學術(shù)論文目錄63

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