光流体技术的发展及应用

1、光流体技术的发展及应用自适应光学器件在众多应用中都起到了重要的作用.例如成像、传感.光倍号传播、谑波、波长转换等方面.而光流体技术能够通过将多种光学器件集成，构建方便快捷的功能性器件，为在芯片平台上产生、控制以及处理光信号等提供了可能，由此也就逐渐发展应用到多个领域。近些年，国内外多个研究小组都致力于研究光流体芯片系统，构建集成化的芯片实验室，实现在微小的空间上，规模性的集成多功能的单元器件。下面将介绍在国内外相关领域的研究发展情况。2004年，在光流体技术基础上，Y.Fainman小组在2x2大小的弹性硅胶PDMS上制作了具有微流通道层的结构，如图1.1所示，在折射率为1.41的PDMS内，

2、由两个注入口分别注入纯水（折射率为1.33）与（折射率为1.41）食盐溶液，通过混合两种不冋折射率的洛液来调节内部溶液的折射率，从而控制装賈内的全内反射条件，实现控制光的输出，构建了插入損耗低至ldB,消光率为20dB,光转化速度约1320ms的集成化的全光开关装置。此装冒長利用软光刻技术集成在小尺寸上的结构，因此也便于与更多的功能性器件集成。但是若要构建集成化的全光分析系统，貞正实现微型化的芯片实验室，作为光学系统中一个璽要元素的光源足必不可少的。传统的半导体澈光器、气体激光器等光源装置体积大、较为笨垂，无法满足将其集成在几个厘米甚至毫米量级的芯片上,因此也就不能实现真正意义上的集成。图1.

3、1光转换装置的结构图因此，构建集成化的光源也就成为实现芯片实验室的一个关键。在光流体迅速发展的基础上，就可以实现构造微盘化的液体染料激光器，可以满足芯片实验室中对微型化光源的需求。曲于液体染料的荧光特性，基于光流体的染料激光器可以实现从紫外到可见、红外的波长覆盖范田，能够形成可调谐激光，应用范围广。对于激光器而言，谐振腔是彩响所获得激光性能的关键，不同的谐振腔类型有其不同的优势。按照腔的类型，可以分为FP腔、DFB腔，倏逝波微腔等对于FP腔，其工作原理简单，就是在腔的两端安置反射镜，使光能在其内形成谐扳，在固体半导体等激光器的应用中，可以将激光线宽压窄，提高其单色性。在微型化的液体染料激光器中

4、，FP腔也有广泛的应用。例如2005年，等人国制作的液液(L-L)玻导光流体染料激光器，如图1.2所示，梵核心液体流是由荧光染料2mMobl的若丹明640高氮酸钾的甲算溶液组成，覆层则是低折射率的液体，微通道的长度大约是5-20mm,微通道两端处镀金作为FP反射腔，用532nn)脉冲光泵浦，在低泵浦功率下，输出最大的中心波长约足625nm,其输出线宽大约45nm当泵浦功率在7-16pJ时，线宽下降到4nm。激光阈值能量达到220。I?波导光流体染料激光器通过改变染料溶液的种类和体积来改变输出波长。2006年，Y.Chen等人将两根肓径为125屮n光纤相对的一端镀金，如图1.3所示，使光纤末端平

5、面的反射率为0.8,反射泵浦光和形成的荧光。当染料溶液从两光纤中间的通道流过时，经激光激发形成的荧光能够在两光纤之间形成反射从而不断振荡，在此过程中会有部分的光从右端的光纤中耦合输岀，向通道中分别注入染料溶液，溶于乙醇的不同浓度的若丹明6G、磺基若丹明101以及两者的混合液作为增益介质，由于磺基若丹明101更容易发生光致漂白，所以在不同的液体流速卜，用儿个pJ/mm2的激光泵浦形成的荧光激光强度不同，形成了芯片上的双色共线染料激光器，可以应用在生物、化学分析等领域。图1.2PDMS上的L-L波导激光器DtwHuwoldErrorOpta2Purrplawbpoi图13利用镀金的光纤结合光滾控技

6、术形诫的谐振腔示总图对于前面的几种FP腔而言.构成谐振腔的反射镜对腔内光能的吸收是不可忽略的，而腔镜的吸收和传导效率也受目前的镜涂敷、磨光和耦合技术的限制.2010年，D.Psaltis等人研究的由空气作用下的町调谐染料激光器，如图1.4所示，4PDMS基底上构造了利用气体间隙作为反射镜的谐振腔，通过平行的气体间隙和PDMS界面来决定输出激光的波长，气隙内的压缩气体可以改变间距的大小，从而实现波长的调节。这一染料激光器实现了阈值为1.6|d/pulsc,激光线宽为3nm,可调节范围14nmo两端的气体腔室相当于低精度的FP腔，可以利用微流控技术快速制备，而且便于实现与其他光学器件的集成。*mu

7、chXSetArnwS0OFurr.图1.4由空气作用的可调谐染料激光器结构示意图MJDFB(DistributedFeedbackLaser)腔即分布式反馈谐振腔，是在F-P腔的基础上釆用了光栅滤光器件，使之只有一个纵模输出，内置布拉格光栅侧面发射激光。DFB激光器的优点就圧单色性非常好，具有较高的边模抑制比。2009年,ZhenyuLi小组提出了基于徼流体技术的可调谐DFB光流体染料激光器，如图1.5所示，以PDMS为基底，在其上制作DFB谐振腔，其中的布拉格光榔提供光反馈作用，由于PDMS硅胶的柔软性和弹性，可以通过施加机械力作用光栅结构，从而实现调节增益带宽内激光输出的频率，利用荧光染

8、料分子作为增益介质，其激发的激光波长可调谐范IH能达到近60nm,线宽大约小于O.lnm.(b)图1.5DFB光流体染料激光器【叫&PDMS上的DFB腔结构示恿图:(b)在PDMS芯片上的15阶DFB结构。还有-类谐振腔是利用光的全反射作用形成的倏逝波來实现光的谐振。当光从折射率高的介质中以大于临界角的方向入射进折射率低的介质中时，在两种介质的表面就会发生全反射，光会以倏逝波的形式在低折射率的介质中传播一定的深度，称为穿透深度。常见的以倏逝波构建的微腔结构有微球、微柱、微盘以及微环腔等。在这些微腔中，光沿腔的内壁以全反射的方式传播，而在球内经过若下次的反射町以形成与原來相位相同的光从而形成共扳，因此光被严密的封闭在微腔中，按照几何模型的分析，腔内的Q值会有无限大，但是在实际中由于存在衍射、散射等效应还是会有部分的光会泄壽出腔夕卜，但是相对而言这样的倏逝波形成的谐振腔貝有较岛的Q值.研究发现微染料液滴经光泵浦可以产生激光【，也即和用球形状的微液滴形成谐振腔与增益介质一体的微型激光器，最早的是在直径为60gm的若丹明6G乙醇液滴上，用光泵