微纳流体柔性光波导结构的光调谐效应研究

微纳流体光学系统在生物化学分析及生命科学领域具有潜在的应用前景，微纳流体沟道中实现光信息传输与调谐是建立微纳流体光学系统的关键问题之一。本项目开展微纳流体柔性光波导结构的光学调谐效应研究：研究流体光波导结构及参数、电/热场分布、金属聚合物复合电介质结构对微纳流体光波导中光信息的调谐效应。与传统介质光波导不同：微纳流体光波导输运流体介质与被测对象的同时，实现光信息传输与调谐；其柔性体现在光波导结构、电/热场、复合电介质结构等因素对光学调谐效应的灵活控制；其结构集成了微流体、光、电、热、材料等多物理介质的耦合。预期在柔性光波导结构与光信息相互作用机制、偏振光调谐机理及流体光波导等离子谐振效应研究上取得突破，建立柔性光波导光调谐效应理论基础。创新性体现在：光波导结构参数、复合电介质结构、电/热场对传输光的调谐特性研究，微流体光波导偏振光调谐性研究。为生物分析光学敏感探测提供新的测量原理与方法。

微纳流体光学系统在生物化学分析及生命科学领域具有潜在应用前景，微流体波导是实现光信息传输与调谐、建立微纳流体光学系统的关键问题之一。项目研究微纳流体柔性光波导结构光学调谐效应：提出微流体光波导结构中实现电热效应折射率系数梯度、和电场致折射率系数梯度的原理，计算了微流体波导结构参数对折射率系数梯度的影响规律，提出流体波导耦合器结构。研究了金属-电介质-金属微纳复合结构的光学特性：（1）研究其频谱特性、偏振特性、双波段谐振特性、以及光学特性的影响因素，基于微纳结构电磁场能量分布解释光学特性的产生机理；(2)理论研究微纳复合结构形式、几何参数、材料特性对其光学特性参数和谐振频谱特性的影响机理：建立微纳结构Drude-Lorenz模型描述其电介质系数和磁导率系数；(3)建立电容-电感-电阻（RLC）模型的微纳结构谐振波长、频谱宽度估计理论，实现(2.0~10.0)μm波段微纳结构的光学参数、以及多阶谐振模式特性的计算；(4)研究微纳结构中的光热能量转换机理：在中远红外波段微纳结构吸收器中，顶层金属结构中的电阻热损耗是主要的能量转换形式；其光热响应时间在（1.5~2.5）μs，取决于电介质材料的电导率；吸收器结构中能量局部增强效应产生瞬态温度场分布区域；(5) 基于微纳复合结构谐振频谱特性的影响机理，项目提出并实现了中远红外（2.0-10.0μm）表面增强分子光谱（Surface-enhanced molecular spectroscopy，SEMS）检测方法：实现纳米级厚度Parylene-C薄膜中对应分子键结构检测，实验监测到Parylene薄膜在紫外光作用下的分子键转化过程。该方法通过表面增强红外吸收谱的方法，实现对微量有机物分子结构检测，有望实现蛋白质等生物大分子的无标记光学识别。(6) 完成金属-电介质复合微纳结构的制备工艺，以及微纳结构频谱特性测试：研究制备工艺参数对结构几何尺寸的影响。本项目创新性包括：(1) 理论探索了微纳复合结构中光热转换机理；(2) 理论研究微纳复合结构形式、几何参数、材料特性对其光学特性参数和谐振频谱特性的影响机理；采用电容-电感-电阻模型，预测中远红外波段微纳结构的谐振频谱特性；（3）基于微纳结构光谱频移特性，实现了表面增强分子光谱检测方法，为生物分析光学敏感探测提供新的测量原理与方法。