离子液体流体光波导的构建及其传输特性与光操控研究

发布时间：2017-10-18 18:37

  本文关键词：离子液体流体光波导的构建及其传输特性与光操控研究

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【摘要】：随着科技的进步,设备的小型化、微型化成为未来科学发展的必然趋势。可调谐、微型化光电器件的研究正成为人们十分关注的领域之一。光流体(optofluidic)技术是光子学(photonics)与流控技术(fluidic)相结合产生的新型交叉前沿学科。利用流体柔软可控、实时及可重构性等优点,可在一块几平方厘米或更小的芯片上构建自适应流体光波导、透镜、激光器等光子学功能器件,为光学器件的微型化、集成化、动态控制及低价化提供了新的思路和方法。流体光波导是构建其它光学器件与系统的关键。如何构建低损耗流体光波导并实现对光线的定向传输与实时操控是目前研究的重点之一。离子液体具有折射率可选择范围广(1.40-1.56)、无毒性、液态范围宽(-50—200℃)、电导率较高、物理化学性质稳定的优势。特别是部分离子液体在可见光波段以及部分近红外波段甚至远红外波段都具有很好的光学透过率。具有上述特性的离子液体非常适合作为液体材料构造流体光波导等器件来操控光。此外,离子液体已被广泛用于电活性器件的设计中,其有望用于构造电活性光学器件。本文使用离子液体作为“软”光传输介质在微芯片上构建了两种不同类型的流体光波导,一种是以离子液体为芯-PDMS固体为包层的流体光波导；另一种是以离子液体为芯、去离子水为液体包层的液-液流体光波导。并使用荧光分析法对两种流体光波导的光传输损耗进行了测量分析。得到了离子液体芯-PDMS包层流体光波导在不同横截面尺寸时的光传输损耗的规律。获得了离子液体芯-水包层的液-液流体光波导中,在不同液体流速下形成的波导光传输特性以及光传输损耗与流速之间的关系,得到了液-液流体光波导通过控制流速操控光传输路径的规律。对于离子液体芯-水包层在低流速下形成的液-液流体光波导的光传输特性做了进一步的研究。通过控制两种液体的流速在微通道内形成的渐变折射率分布,观察了光束在波导中传输时的自聚焦现象。构建了液-液流体光波导光传输理论模型,提出以有限元方法同步求解斯托克斯方程与对流-扩散传输方程,并在考虑了互扩散系数、流速等因素,特别是在考虑了混合过程中流体粘度、密度随浓度变化的情况下,得到了微米尺度下液-液波导流体流动特性与浓度场分布、并利用射线传输理论模拟了光在渐变折光率分布的液-液流体光波导内的传输特性。获得了自聚焦长度与互扩散系数、液体流速、粘度等参量之间的关系。在基于这些关系分析的基础上,提出利用液-液流体光波导通过实验中测量的自聚焦长度数据与计算数据进行对比的方法估计两种液体的互扩散系数。首先测量了不同摩尔分数的乙二醇水溶液与水的互扩散系数并与文献数据对比,验证了该方法具有较高的准确性。然后测量得到了八种离子液体与去离子水的互扩散系数及其规律。并利用珀尔贴实现芯片温度的控制后,得到了在不同温度下三种离子液体与水的互扩散系数及随温度变化的规律。该方法为两种液体的互扩散系数的测量提供了“绿色”、“高效”、“低价”的测量手段。离子液体-水互扩散系数的获得为在微芯片上设计基于扩散的流体光器件提供了重要的理论设计参量。利用我们在实验中发现的离子液体特有的电光现象,提出在微流控芯片通过构建带有二端电极结构流体光波导,并实现室温条件下、低电压(0-4 V)作用对光功率的操控。利用两种带有两端电极结构的波导研究了以咪唑类离子液体为芯的流体光波导电光现象的规律。利用第一种结构得到了沿波导不同位置时的电光现象的规律。并利用第二种结构在提高了光功率操控范围的情况下,研究了三个不同波长(λ=663nm、λ=1330nm、λ=1530nm)下离子液体电光现象的规律,并发现了七种不同离子液体电场作用下光功率变化的规律。获得光功率变化与电压极性、电压大小与离子液体的物理特性(电导率、粘度)之间的关系。并对引起这种电光现象的原因给出了解释。利用离子液体实现对流体光波导光功率的操控为新型光流体器件的设计提供了新的方法和思路。利用电场控制流体性质从而实现对光的操控,因无需微流泵控制、受外界环境影响小、且具有可在微流控芯片上高度集成等优势是实现低能耗、便携式光操控器件的一种理想方式。综上研究结果可知,利用离子液体作为光传输介质构造的流体光波导可大大扩展波导的光学窗口(可见、近红外甚至远红外)、且具有低挥发、宽的温度范围的优势。对于不同需求,可以通过选择适当的正、负离子及改变正、负离子的取代基在一定程度上“设计”出满足特定光学窗口、透过率及折射率要求的离子液体。在电场作用下发现的离子液体的电光现象,为在微流控芯片上设计光功率操控器件提供了新的思路与方法。基于离子液体的流体光波导光操控的研究对于设计其它光流体器件具有一定的实际应用价值。
【关键词】：离子液体 流体光波导 光操控 电光现象 互扩散系数
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN252
【目录】：

• 中文摘要3-5
• Abstract5-11
• 第一章 绪论11-26
• 1.1 引言11-12
• 1.2 光流体技术国内外研究现状12-13
• 1.3 光流体光操控方法与应用13-22
• 1.3.1 可调谐光操控方法13-19
• 1.3.2 光流体技术在生化检测中的应用19-21
• 1.3.3 光流体技术在粒子捕获与操控中的应用21-22
• 1.4 本文的主要工作及创新点22-26
• 1.4.1 本文的主要工作22-23
• 1.4.2 本文的创新点23-24
• 1.4.3 本文的整体框架结构安排24-26
• 第二章 流体光波导概述与应用26-45
• 2.1 流体光波导简介26-28
• 2.2 流体光波导器件加工28-31
• 2.2.1 光流体器件加工材料28-29
• 2.2.2 软光刻技术加工流程29-31
• 2.3 流体光波导的分类31-39
• 2.3.1 基于全反射的流体光波导31-37
• 2.3.2 基于干涉的流体光波导37-39
• 2.4 流体光波导的应用39-43
• 2.4.1 流体光波导在微光器件中的应用39-42
• 2.4.2 流体光波导在芯片实验室生物、化学检测中的应用42-43
• 2.5 总结43-45
• 第三章 离子液体概述45-53
• 3.1 离子液体简介及历史45-46
• 3.2 离子液体的合成与分类46-48
• 3.3 离子液体的物理化学性质48-51
• 3.3.1 离子液体的熔点和热稳定性48-49
• 3.3.2 离子液体的扩散系数49
• 3.3.3 离子液体的粘度49-50
• 3.3.4 离子液体的透光率与折光系数50
• 3.3.5 离子液体的电导率50-51
• 3.4 离子液体的应用51-53
• 第四章 基于离子液体流体光波导光传输特性与光损耗测量53-66
• 4.1 研究背景53-54
• 4.2 实验原理及方法54-55
• 4.3 实验部分55-58
• 4.3.1 实验试剂55-56
• 4.3.2 实验仪器56
• 4.3.3 实验装置56-57
• 4.3.4 实验基本操作57-58
• 4.4 实验结果与讨论58-64
• 4.4.1 LCW光波导不同波导尺寸与光损耗的关系59-60
• 4.4.2 两种不互溶液体构建的液-液光波导光传输损耗60-61
• 4.4.3 两种互溶液体构液-液光波导光传输特性与损耗61-64
• 4.5 本章小结64-66
• 第五章 基于液-液流体光波导测量离子液体-水互扩散系数66-88
• 5.1 研究背景66-67
• 5.2 实验原理及方法67-74
• 5.3 实验部分74-79
• 5.3.1 实验试剂74-76
• 5.3.2 实验仪器76-77
• 5.3.3 实验装置77-78
• 5.3.4 实验基本操作78-79
• 5.4 实验结果与讨论79-86
• 5.4.1 水-乙二醇互扩散系数测量79-81
• 5.4.2 不同离子液体-水互扩散系数测量81-84
• 5.4.3 离子液体-水随温度变化的互扩散系数84-86
• 5.5 本章小结86-88
• 第六章 基于离子液体的流体光波导电光现象实现光功率操控88-114
• 6.1 研究背景88-90
• 6.2 双电层模型与理论90-94
• 6.2.1 传统双电层模型90-92
• 6.2.2 离子液体双电层模型92-94
• 6.3 实验原理与方法94-96
• 6.4 实验部分96-102
• 6.4.1 实验试剂96-97
• 6.4.2 实验仪器97
• 6.4.3 实验装置97-101
• 6.4.4 实验基本操作101-102
• 6.5 实验结果及讨论102-111
• 6.5.1 沿光波导不同位置光功率操控的规律102-104
• 6.5.2 电压极性对光功率操控的影响规律104-105
• 6.5.3 电压大小对光功率操控的影响规律105-107
• 6.5.4 不同波长下离子液体的光功率操控规律107-108
• 6.5.5 不同电导率离子液体光功率操控规律的比较108-110
• 6.5.6 不同电极材料对光功率操控的影响规律110-111
• 6.6 离子液体电光现象的物理机制111-112
• 6.7 本章小结112-114
• 第七章 结论与工作展望114-117
• 7.1 本文主要研究结论114-115
• 7.2 后续的研究工作展望115-117
• 参考文献117-126
• 在学期间的研究成果126-127
• 致谢127

【参考文献】

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1 仇衍楠;孙丽宁;刘涛;刘政;施利毅;颜蔚;;近红外发光稀土配合物及杂化材料研究进展[J];中国稀土学报;2012年02期

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本文编号：1056496