基于光力和光热效应的光纤微流操控与传感技术研究

发布时间：2020-10-09 19:58

　　 光微流集成了光子技术与微流体,是国际热点领域。光微流技术在新型光子器件、生物传感与健康诊断、环境监测等方面中具有广阔的应用前景。光子与微流相互作用的物理机理(光力、光热、光声等),是光微流领域的基础科学问题。光微流技术实现操控、传感、显示等诸多应用均基于光力、光热等光物理效应。利用光力可实现微纳米量级样品非接触式捕获和精确操控;利用光热效应可对周围环境以及单个样品的多种理化特性进行高精度检测。现有微流中光物理效应的研究主要采用透镜将光耦合进微流系统,体积大,集成性不佳;并且,例如传统的光操控和光镊技术一般利用大数值孔径透镜实现,操作难度较大且可调节范围小。基于光纤结构的光微流技术体积小、集成性强、操作方法简单且精度高,是研究微流中光物理效应的新型平台技术。在传感应用方面,传统的光纤传感技术主要采用特殊光纤结构固态实现,制造难度大、可重构性差。本文提出了基于光力和光热效应的光纤微流操控与传感技术,结构和加工简单、成本低,传感元件具有可重构性。本论文从微流体中的光物理效应入手,以光纤作为光传输媒介,并利用光纤探针实现了基于光力效应的操控和传感技术,以及基于光热效应的光纤传感和微气泡阵列排布技术。基于光力效应,结合微流系统的流动性,实现了光传输方向上可大范围连续调节的操控技术。以被操控微粒为传感元件,可实现微流系统任意位置的大动态测量范围流速传感。基于光热效应,利用光纤探针,在端面产生可重构微气泡,实现了温度、流速和浓度传感;实现了可操控微气泡阵列技术。本论文主要研究内容如下:(1)建立了光纤产生光力效应的理论模型,仿真了平端面单模光纤、渐变折射率多模光纤、以及锥形渐变折射率多模光纤的出射光场分布情况,并分析了三种结构中光力效应的特点,明确了光纤结构对出射光场分布的影响,便于光纤操控与传感技术的实验研究与参数优化。(2)利用光力效应,提出了基于光纤法珀微腔调谐和应力调谐的光纤微流操控技术。基于微腔调谐的光纤操控技术通过光功率-流速调节和微腔长度调节两种方式,实现了操控距离随激光功率或微腔长度变化的可调谐光纤操控,结合特殊结构的渐变折射率光纤锥,最大操控距离达177.0mm。基于应力调谐的光纤操控技术,通过光功率-流速调节和在渐变折射率多模光纤两边施加应力的方式,利用平端面渐变折射率多模光纤及其自聚焦效应,实现了1314.1mm的长距离可调谐光纤操控。(3)利用光力效应,提出并实现了基于光纤操控技术的微流流速传感。相比于渐变折射率多模光纤,采用普通单模光纤进一步降低了装置成本和使用难度、便于规模制备,并提高了流速传感的稳定性,扩大了传感范围。采用双模式检测法进一步提升了流速传感性能,实现了探测极限10 nL/min、测量范围10 nL/min-100000 nL/min的流速传感。(4)利用光热效应,提出了基于可重构微气泡结构的光纤微流传感技术以及可操控微气泡阵列技术。光纤微流传感技术在端面沉积光吸收材料,提高光热转化效率,使光纤端面产生可重构微气泡,通过微气泡生长速率对微流体温度、流速和浓度进行标定。利用碳纳米管薄膜,实现了分辨率分别为0.001℃和0.03nL/min的温度和流速传感;利用纳米金膜,实现了0.5 wt%-50.0 wt%范围的蔗糖浓度传感,以及10~(-5) M-1 M范围的双氧水浓度传感,灵敏度可达5.1mm/%和93.84mm/mM。进一步的,提出了光纤可操控微气泡阵列技术,实现了低功率下的微气泡阵列产生与排布。本论文提出并实验验证了基于光力和光热效应的光纤微流操控及传感技术,为研究光子与微流的相互作用提供了新的研究思路,为基于光微流技术的生化应用提供基础支撑。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP212;TN253
【部分图文】：

胶、生物原子等具有操控能力。这种基于光力效应的操控技术为微小尺寸物研究提供了有效手段，特别是在生物化学领域，引起了国内外科研人员极大趣。与传统的机械力相比，光力具有非接触式、无损伤、响应快、可控性强点。近年来，基于光力效应实现的对微米、纳米量级的生命组织、生物原子学材料等进行精确控制的研究被广泛报道[34]（如图 1-1 所示）。

图 1-2 光热物理转换过程的产生原理如图 1-2 所示。当激光照射到物体上时，电造成能量的吸收和散射。被吸收的光能，转化为原子观物质状态发生变化。例如，激光照射到物体上时，

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本文编号：2834132