液芯金属波导中磁流体的自组装行为和光学特性研究

With the rapid development of integrated optics and Optofluidics, a variety of micro- devices with metal strucutre or fluid channel provide a new strategy to control the electromagnetic field. Such devices have a broad application prospect in fields such as high density integrated optics, biochemistry, medicine, environmental protection, etc. The liquid-core metal-cladding waveguide chip, which integrates the fluid channels into the metal-cladding slab waveguide, provides an ideal platform to construct Optofluidic Labs-on-a-chip. In the absence of external magnetic field, we found the excited guided modes can lead to the vartiations of the optical properties of the ferrofluids which act as the guiding layer. This project will further investigate the self-assembly behavior of nanoparticle microstructures inside the ferrofluids under the unique ultrahigh order modes of the liquid-core metal-cladding waveguide. Macroscopic optical properties of the waveguide chip induced by the phase transition in the ferrofluids, such as the light reflection, polarization, the lateral displacement, etc., will also be studied. If the microstructure of the ferrofluids is periodic, we will prove that it is indeed a light-induced self-assembly tunable photonic crystal by demonstrating its photonic bandgap experimentally. This research project will provide a deep insight into the effect of the light field on the particles in the colloidal suspension, and new design ideas for the development of novel photonic devices.

随着集成光学和光流体技术的发展，含金属或流体通道的各种微结构为控制电磁场行为提供了全新的手段，在高密度集成光路、生化检测、医药环保等领域有广阔的应用前景。液芯金属波导将流体通道集成在金属包覆波导结构中，是开发光流体芯片实验室的理想平台。申请人发现在不施加外磁场的情况下，该波导结构所激发的导模会改变作为导波层的磁流体的光学特性。为揭示该现象背后的机制，本项目将深入研究在液芯金属波导所特有的超高阶导模作用下，磁流体中的金属纳米颗粒通过自组装形成的微观结构；同时研究由磁流体相变所引起的光反射、偏振、侧向位移等宏观光学特性。如果磁流体的微观结构具有周期性，将进一步通过光子带隙的实验证据来证明这是一种光致自组装的可调谐光子晶体。通过本项目的研究可以更深入的理解光场与胶体中微小颗粒间的相互作用，并为研制新型的实用化光子器件提供设计思路和理论、实验依据。

光波导是光学和光子学研究领域的一种重要且基本的器件，其中平板型金属光波导在集成光学、光通讯、生化传感检测等领域应用广泛。含纳米颗粒胶体的金属光波导芯片结合了光波导的导模共振与金纳米颗粒的局域表面等离子共振两种效应，是一种新型的光流体芯片，对流体中的光-粒子相互作用、微纳光学和表面等离激元学都有重要研究价值。本项目制备了以微纳米颗粒胶体为导波层的毫米尺度的金属包覆波导结构，激发该波导特有的超高阶导模共振，主要开展了以下几个方面的研究工作：（1）研究了波导模场共振对胶体中微纳米颗粒的光俘获效应，并且将大量纳米粒子按照模场空间分布组装成具有规则分布的微纳米结构；（2）研究了基于光波导结构的拉曼散射效应增强，并且将波导结构与表面拉曼增强结合起来；提出了双腔结构的金属包覆波导，实现对样品拉曼散射强度的有效调制；（3）实现了基于金属包覆波导的低阈值染料激光，利用毫米腔的高品质因子，在连续光泵浦条件下实现了连续染料激光输出；（4）利用光波导实现了血红细胞与铁离子、亚铁离子的结合过程的实时传感检测，并将反应产物的荧光光谱与镰刀型血液病人的样品进行比对，提出了镰刀型血液病的可能成因。综上所述，本项目顺利完成了申请时的预定目标，并为进一步开发具有实用价值的新型光子器件奠定了基础。