本文關(guān)鍵詞：離子液體流體光波導(dǎo)的構(gòu)建及其傳輸特性與光操控研究

  更多相關(guān)文章： 離子液體 流體光波導(dǎo) 光操控 電光現(xiàn)象 互擴(kuò)散系數(shù)

【摘要】：隨著科技的進(jìn)步,設(shè)備的小型化、微型化成為未來科學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì)。可調(diào)諧、微型化光電器件的研究正成為人們十分關(guān)注的領(lǐng)域之一。光流體(optofluidic)技術(shù)是光子學(xué)(photonics)與流控技術(shù)(fluidic)相結(jié)合產(chǎn)生的新型交叉前沿學(xué)科。利用流體柔軟可控、實(shí)時(shí)及可重構(gòu)性等優(yōu)點(diǎn),可在一塊幾平方厘米或更小的芯片上構(gòu)建自適應(yīng)流體光波導(dǎo)、透鏡、激光器等光子學(xué)功能器件,為光學(xué)器件的微型化、集成化、動(dòng)態(tài)控制及低價(jià)化提供了新的思路和方法。流體光波導(dǎo)是構(gòu)建其它光學(xué)器件與系統(tǒng)的關(guān)鍵。如何構(gòu)建低損耗流體光波導(dǎo)并實(shí)現(xiàn)對(duì)光線的定向傳輸與實(shí)時(shí)操控是目前研究的重點(diǎn)之一。離子液體具有折射率可選擇范圍廣(1.40-1.56)、無毒性、液態(tài)范圍寬(-50—200℃)、電導(dǎo)率較高、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)。特別是部分離子液體在可見光波段以及部分近紅外波段甚至遠(yuǎn)紅外波段都具有很好的光學(xué)透過率。具有上述特性的離子液體非常適合作為液體材料構(gòu)造流體光波導(dǎo)等器件來操控光。此外,離子液體已被廣泛用于電活性器件的設(shè)計(jì)中,其有望用于構(gòu)造電活性光學(xué)器件。本文使用離子液體作為“軟”光傳輸介質(zhì)在微芯片上構(gòu)建了兩種不同類型的流體光波導(dǎo),一種是以離子液體為芯-PDMS固體為包層的流體光波導(dǎo)；另一種是以離子液體為芯、去離子水為液體包層的液-液流體光波導(dǎo)。并使用熒光分析法對(duì)兩種流體光波導(dǎo)的光傳輸損耗進(jìn)行了測(cè)量分析。得到了離子液體芯-PDMS包層流體光波導(dǎo)在不同橫截面尺寸時(shí)的光傳輸損耗的規(guī)律。獲得了離子液體芯-水包層的液-液流體光波導(dǎo)中,在不同液體流速下形成的波導(dǎo)光傳輸特性以及光傳輸損耗與流速之間的關(guān)系,得到了液-液流體光波導(dǎo)通過控制流速操控光傳輸路徑的規(guī)律。對(duì)于離子液體芯-水包層在低流速下形成的液-液流體光波導(dǎo)的光傳輸特性做了進(jìn)一步的研究。通過控制兩種液體的流速在微通道內(nèi)形成的漸變折射率分布,觀察了光束在波導(dǎo)中傳輸時(shí)的自聚焦現(xiàn)象。構(gòu)建了液-液流體光波導(dǎo)光傳輸理論模型,提出以有限元方法同步求解斯托克斯方程與對(duì)流-擴(kuò)散傳輸方程,并在考慮了互擴(kuò)散系數(shù)、流速等因素,特別是在考慮了混合過程中流體粘度、密度隨濃度變化的情況下,得到了微米尺度下液-液波導(dǎo)流體流動(dòng)特性與濃度場(chǎng)分布、并利用射線傳輸理論模擬了光在漸變折光率分布的液-液流體光波導(dǎo)內(nèi)的傳輸特性。獲得了自聚焦長(zhǎng)度與互擴(kuò)散系數(shù)、液體流速、粘度等參量之間的關(guān)系。在基于這些關(guān)系分析的基礎(chǔ)上,提出利用液-液流體光波導(dǎo)通過實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的自聚焦長(zhǎng)度數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比的方法估計(jì)兩種液體的互擴(kuò)散系數(shù)。首先測(cè)量了不同摩爾分?jǐn)?shù)的乙二醇水溶液與水的互擴(kuò)散系數(shù)并與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,驗(yàn)證了該方法具有較高的準(zhǔn)確性。然后測(cè)量得到了八種離子液體與去離子水的互擴(kuò)散系數(shù)及其規(guī)律。并利用珀?duì)栙N實(shí)現(xiàn)芯片溫度的控制后,得到了在不同溫度下三種離子液體與水的互擴(kuò)散系數(shù)及隨溫度變化的規(guī)律。該方法為兩種液體的互擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)量提供了“綠色”、“高效”、“低價(jià)”的測(cè)量手段。離子液體-水互擴(kuò)散系數(shù)的獲得為在微芯片上設(shè)計(jì)基于擴(kuò)散的流體光器件提供了重要的理論設(shè)計(jì)參量。利用我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的離子液體特有的電光現(xiàn)象,提出在微流控芯片通過構(gòu)建帶有二端電極結(jié)構(gòu)流體光波導(dǎo),并實(shí)現(xiàn)室溫條件下、低電壓(0-4 V)作用對(duì)光功率的操控。利用兩種帶有兩端電極結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)研究了以咪唑類離子液體為芯的流體光波導(dǎo)電光現(xiàn)象的規(guī)律。利用第一種結(jié)構(gòu)得到了沿波導(dǎo)不同位置時(shí)的電光現(xiàn)象的規(guī)律。并利用第二種結(jié)構(gòu)在提高了光功率操控范圍的情況下,研究了三個(gè)不同波長(zhǎng)(λ=663nm、λ=1330nm、λ=1530nm)下離子液體電光現(xiàn)象的規(guī)律,并發(fā)現(xiàn)了七種不同離子液體電場(chǎng)作用下光功率變化的規(guī)律。獲得光功率變化與電壓極性、電壓大小與離子液體的物理特性(電導(dǎo)率、粘度)之間的關(guān)系。并對(duì)引起這種電光現(xiàn)象的原因給出了解釋。利用離子液體實(shí)現(xiàn)對(duì)流體光波導(dǎo)光功率的操控為新型光流體器件的設(shè)計(jì)提供了新的方法和思路。利用電場(chǎng)控制流體性質(zhì)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光的操控,因無需微流泵控制、受外界環(huán)境影響小、且具有可在微流控芯片上高度集成等優(yōu)勢(shì)是實(shí)現(xiàn)低能耗、便攜式光操控器件的一種理想方式。綜上研究結(jié)果可知,利用離子液體作為光傳輸介質(zhì)構(gòu)造的流體光波導(dǎo)可大大擴(kuò)展波導(dǎo)的光學(xué)窗口(可見、近紅外甚至遠(yuǎn)紅外)、且具有低揮發(fā)、寬的溫度范圍的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于不同需求,可以通過選擇適當(dāng)?shù)恼⒇?fù)離子及改變正、負(fù)離子的取代基在一定程度上“設(shè)計(jì)”出滿足特定光學(xué)窗口、透過率及折射率要求的離子液體。在電場(chǎng)作用下發(fā)現(xiàn)的離子液體的電光現(xiàn)象,為在微流控芯片上設(shè)計(jì)光功率操控器件提供了新的思路與方法�；陔x子液體的流體光波導(dǎo)光操控的研究對(duì)于設(shè)計(jì)其它光流體器件具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
【關(guān)鍵詞】：離子液體 流體光波導(dǎo) 光操控 電光現(xiàn)象 互擴(kuò)散系數(shù)
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN252
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• Abstract5-11
• 第一章 緒論11-26
• 1.1 引言11-12
• 1.2 光流體技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-13
• 1.3 光流體光操控方法與應(yīng)用13-22
• 1.3.1 可調(diào)諧光操控方法13-19
• 1.3.2 光流體技術(shù)在生化檢測(cè)中的應(yīng)用19-21
• 1.3.3 光流體技術(shù)在粒子捕獲與操控中的應(yīng)用21-22
• 1.4 本文的主要工作及創(chuàng)新點(diǎn)22-26
• 1.4.1 本文的主要工作22-23
• 1.4.2 本文的創(chuàng)新點(diǎn)23-24
• 1.4.3 本文的整體框架結(jié)構(gòu)安排24-26
• 第二章 流體光波導(dǎo)概述與應(yīng)用26-45
• 2.1 流體光波導(dǎo)簡(jiǎn)介26-28
• 2.2 流體光波導(dǎo)器件加工28-31
• 2.2.1 光流體器件加工材料28-29
• 2.2.2 軟光刻技術(shù)加工流程29-31
• 2.3 流體光波導(dǎo)的分類31-39
• 2.3.1 基于全反射的流體光波導(dǎo)31-37
• 2.3.2 基于干涉的流體光波導(dǎo)37-39
• 2.4 流體光波導(dǎo)的應(yīng)用39-43
• 2.4.1 流體光波導(dǎo)在微光器件中的應(yīng)用39-42
• 2.4.2 流體光波導(dǎo)在芯片實(shí)驗(yàn)室生物、化學(xué)檢測(cè)中的應(yīng)用42-43
• 2.5 總結(jié)43-45
• 第三章 離子液體概述45-53
• 3.1 離子液體簡(jiǎn)介及歷史45-46
• 3.2 離子液體的合成與分類46-48
• 3.3 離子液體的物理化學(xué)性質(zhì)48-51
• 3.3.1 離子液體的熔點(diǎn)和熱穩(wěn)定性48-49
• 3.3.2 離子液體的擴(kuò)散系數(shù)49
• 3.3.3 離子液體的粘度49-50
• 3.3.4 離子液體的透光率與折光系數(shù)50
• 3.3.5 離子液體的電導(dǎo)率50-51
• 3.4 離子液體的應(yīng)用51-53
• 第四章 基于離子液體流體光波導(dǎo)光傳輸特性與光損耗測(cè)量53-66
• 4.1 研究背景53-54
• 4.2 實(shí)驗(yàn)原理及方法54-55
• 4.3 實(shí)驗(yàn)部分55-58
• 4.3.1 實(shí)驗(yàn)試劑55-56
• 4.3.2 實(shí)驗(yàn)儀器56
• 4.3.3 實(shí)驗(yàn)裝置56-57
• 4.3.4 實(shí)驗(yàn)基本操作57-58
• 4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論58-64
• 4.4.1 LCW光波導(dǎo)不同波導(dǎo)尺寸與光損耗的關(guān)系59-60
• 4.4.2 兩種不互溶液體構(gòu)建的液-液光波導(dǎo)光傳輸損耗60-61
• 4.4.3 兩種互溶液體構(gòu)液-液光波導(dǎo)光傳輸特性與損耗61-64
• 4.5 本章小結(jié)64-66
• 第五章 基于液-液流體光波導(dǎo)測(cè)量離子液體-水互擴(kuò)散系數(shù)66-88
• 5.1 研究背景66-67
• 5.2 實(shí)驗(yàn)原理及方法67-74
• 5.3 實(shí)驗(yàn)部分74-79
• 5.3.1 實(shí)驗(yàn)試劑74-76
• 5.3.2 實(shí)驗(yàn)儀器76-77
• 5.3.3 實(shí)驗(yàn)裝置77-78
• 5.3.4 實(shí)驗(yàn)基本操作78-79
• 5.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論79-86
• 5.4.1 水-乙二醇互擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量79-81
• 5.4.2 不同離子液體-水互擴(kuò)散系數(shù)測(cè)量81-84
• 5.4.3 離子液體-水隨溫度變化的互擴(kuò)散系數(shù)84-86
• 5.5 本章小結(jié)86-88
• 第六章 基于離子液體的流體光波導(dǎo)電光現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)光功率操控88-114
• 6.1 研究背景88-90
• 6.2 雙電層模型與理論90-94
• 6.2.1 傳統(tǒng)雙電層模型90-92
• 6.2.2 離子液體雙電層模型92-94
• 6.3 實(shí)驗(yàn)原理與方法94-96
• 6.4 實(shí)驗(yàn)部分96-102
• 6.4.1 實(shí)驗(yàn)試劑96-97
• 6.4.2 實(shí)驗(yàn)儀器97
• 6.4.3 實(shí)驗(yàn)裝置97-101
• 6.4.4 實(shí)驗(yàn)基本操作101-102
• 6.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論102-111
• 6.5.1 沿光波導(dǎo)不同位置光功率操控的規(guī)律102-104
• 6.5.2 電壓極性對(duì)光功率操控的影響規(guī)律104-105
• 6.5.3 電壓大小對(duì)光功率操控的影響規(guī)律105-107
• 6.5.4 不同波長(zhǎng)下離子液體的光功率操控規(guī)律107-108
• 6.5.5 不同電導(dǎo)率離子液體光功率操控規(guī)律的比較108-110
• 6.5.6 不同電極材料對(duì)光功率操控的影響規(guī)律110-111
• 6.6 離子液體電光現(xiàn)象的物理機(jī)制111-112
• 6.7 本章小結(jié)112-114
• 第七章 結(jié)論與工作展望114-117
• 7.1 本文主要研究結(jié)論114-115
• 7.2 后續(xù)的研究工作展望115-117
• 參考文獻(xiàn)117-126
• 在學(xué)期間的研究成果126-127
• 致謝127

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 仇衍楠;孫麗寧;劉濤;劉政;施利毅;顏蔚;;近紅外發(fā)光稀土配合物及雜化材料研究進(jìn)展[J];中國(guó)稀土學(xué)報(bào);2012年02期

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本文編號(hào)：1056496