光流控基片微流道中的新型光源和变焦柱透镜研究

The proposal is aimed at fabricating a micro coherent and a non-cohenrent ligth sources as well as a micro liquid cylindrical lens with variable focus into a polydimethylsiloxane (PDMS) chip. A bare quartz fiber will be inserted in a microfluidic channel filled with dye solution, forming a lasing or a fluorescence channel. Whispering-gallery-mode (WGM) lasing or fluorescence emission will emit out from the channel based on evanescent-wave pumped along the bare fiber's axis. A fiber prism will be used to couple WGM-lasing emission out of circular cavities built in the cross-sections of the bare quartz fiber. A coupled cylinder-cavity structure, fabricated by binding two bare optical fibers together, will be used to realize single mode WGM lasing emission based on Vernier effect. By means of stripping cladding layer of a quartz fiber at same positions along the fiber' axis, the fluorescence will emit out only from the specific positions. The fluorescent images of adsorbent molecules on a fiber surface will be investigated by excited with evanescent-wave. A transparency glass capillary that acts as a micro cylindrical lens will be buried into the PDMS chip, the focal length of the lens is variable by filling liquids with different refractive index into the core of the glass capillary. It will open a new technical way in optofluidic approach of light generation and light shaping/routing, if the project, that is the study on the micro light souce and liquid cylindrical lens with variable focus built into a PDMS chip, will be supported and carried out successfully.

以聚二甲基硅氧烷作为光流控芯片的基片材料，在基片微流道中制作相干和非相干光源以及可变焦液芯柱透镜。将石英裸光纤置入含有染料溶液的微流道中构成激光或荧光通道，采用沿光纤轴向光泵浦，泵浦光在包层溶液中的消逝场激励激光增益或荧光的方式，在微流道中产生激光或荧光辐射。用楔形光纤和圆形微腔耦合的方式引出回音壁模式激光辐射；用耦合光纤对结构根据Vernier效应实现回音壁模式激光的单模辐射；用沿光纤轴向分段和分区域剥离包层的方法，实现消逝场激励的荧光沿光纤轴向的分段和分区域均匀辐射；在消逝场激励下，研究光纤界面上吸附层分子的荧光图像；将透明玻璃毛细管置入微流道中，用改变管内混合液体折射率的方法，在基片内制作可变焦液芯柱透镜。内置于光流控基片微流道中的新型光源和变焦液芯柱透镜项目的成功开展，可以在光流控芯片内光源的产生和光束的控制、消逝波激励下吸附层荧光分子的检测方面，开辟一条新的技术道路。

本项目以聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为光流控芯片的基片材料，在基片微流道中制作相干和非相干光源以及可变焦液芯柱透镜。我们将石英裸光纤置入含有染料溶液的微流道中构成荧光通道，制作了一种具有三个通道的PDMS基片，通过在三个通道中分别注入不同染料的溶液，采用沿光纤轴向消逝波光激励方式，在一块PDMS基片上同时实现了三个不同波段的荧光辐射。我们采用沿光纤轴向消逝波光抽运方式，激光增益通过光纤圆形谐振腔中具有极高品质因素的回音壁模式提供光学反馈，实现较长产生长度及极低阈值的激光辐射。在不改变抽运光波长的情况下，利用染料分子间的荧光共振能量转移(FRET)机制，实现了从能量供体罗丹明B到能量受体LDS821的激光辐射，激光调谐波长约为240nm。实验结果表明：在相同浓度和折射率的情况下，TM模式WGM激光的耦合效率大约是TE模式激光耦合效率的两倍；通过增加光纤包层溶液折射率，TE模式激光和TM模式激光的模式间隔变小，同时激光的中心波长发生了蓝移。以上研究结果可为芯片上的实验室提供相干和非相干光源。特别是FRET机制激光的产生，在高灵敏度的生物学、化学探测及传感方面具有潜在的重要应用。我们设计并制作了一种可用于测量液相扩散系数的消球差可变焦双液芯柱透镜系统。该系统前液芯柱透镜作为液相扩散池和成像元件，后液芯柱透镜作为消球差元件，前后液芯柱透镜共同构成消球差的可变焦双液芯柱透镜系统，用于测量液体折射率和液相扩散系数。双液芯柱透镜不仅具有较高的折射率测量能力，而且可以通过选择特定的后液芯内液体折射率实现在某些特定折射率位置消除系统球差和在较宽的折射率范围内减小系统球差。基于液芯柱透镜焦平面成像法的测量仪器，能够发展成为一种具有完全自主知识产权的液相扩散系数测量仪。