高品质因子光微流微腔及其性能研究

论文摘要

光微流微腔传感技术是结合微流控技术与光学微腔的一个新兴前沿交叉研究领域,它不仅具有传统光学微腔极高的品质因子和极小的模式体积等优异光学性质,同时又具备微流控技术样品低用量、功能高集成的优势,为材料学、化学、生命科学、生物医学等领域的基础研究与应用开发提供了一个很好的平台。本论文主要以回音壁模式微腔和法布里-珀罗腔为载体,构建和实现了新型高品质因子光微流微腔,并在低阈值激光器和高灵敏度传感器方面开展了一系列研究工作。本论文主要内容和创新点有如下几个方面:1.构建高品质因子（quality factor,Q）微泡嵌入型法布里-珀罗（Fabry-Pérot,FP）腔新结构。通过在FP腔内嵌入微泡,不仅完成微流通道的构建,同时获得更高Q值、更小模式体积的光学模式以及更稳定的结构特性。首先,理论上研究了不同微泡参数（包括微泡腔的曲面弧度、放置位置、液芯折射率,腔镜失斜等）对FP腔的光学模式性能影响。结果表明,微泡型FP腔对镜面失斜具有良好的包容性,且通过强的横向光场束缚极大降低了模式体积;同时,其Q值比平面型FP腔高1-2个数量级。通过实验实现了低阈值光微流微腔激光的输出,其阈值比平面型FP腔低1个数量级。另外,该装置还可实现对激光横模选择性输出,为低阈值光微流微腔激光器的研究提供了一种有效的实验方案。2.首次制备高Q值蛋清材料生物型光学微瓶腔,实现了光学微腔与生物材料的有机结合。蛋清作为一种天然蛋白质,主要由卵白蛋白组成,具有良好的生物相容性和非常小的光学吸收系数,是制备生物型微腔的理想材料选择。实验中利用自组装方式制备生物型液滴微瓶腔,通过近场耦合激发得到稳定的光学回音壁模式,并测得其Q值高达105。该生物微腔制备简单、材料获取方便、生物相容性能好,为进一步将微腔应用在活体传感中提供了结构基础。同时,为克服空气中液滴腔存在蒸发等问题,提出封装型液滴腔传感新结构,并实现了准液滴腔和液滴腔的高灵敏度温度传感。该封装结构具有防蒸发、抗污染、易导热等特性,提高了液滴腔传感系统的稳定性,有利于鲁棒（Robust）的高灵敏温度传感器件的开发。3.创新性提出开放式光微流微腔激光传感系统并演示其在生化传感上的可行性。基于水浸物镜独特的泵浦结构,以微盘腔为探测载体,物镜水环境为反应空间,通过监测微盘腔共振激光波长的移动,可以实时检测水环境折射率等任何微弱扰动的变化。实验进行了环境温度、溶液折射率、氯化钠晶体溶解、溶液扩散等传感测量,结果显示该传感系统操作简便,反应灵敏,响应速度快,可实现实时监测。因此,这种新型片上生化传感系统将为观察、记录和研究化学反应动力学等提供一个稳定、高效的平台,在监测生物免疫治疗、化学反应等应用上具有重大的潜在价值。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 微流控技术
•   1.2 光学微腔
•   1.3 光微流微腔激光生物传感技术
•   1.4 本论文内容安排
• 第二章 光学微腔理论基础
•   2.1 光学微腔回音壁模式理论
•   2.2 平行平面法布里-珀罗腔理论
•   2.3 光学微腔的基本参量
•   2.4 微腔传感原理与测量方法
•   本章小结
• 第三章 高品质因子微泡嵌入型法布里-珀罗腔
•   3.1 研究背景
•   3.2 微泡嵌入型FP腔
•   3.3 模拟结果讨论与分析
•   3.4 微泡嵌入型FP腔激光实验
•   本章小结
• 第四章 高品质因子生物型光学液滴腔及封装技术
•   4.1 研究背景
•   4.2 生物型液滴微瓶腔
•   4.3 液滴腔及准液滴腔研究
•   4.4 封装型液滴腔高灵敏温度传感
•   本章小结
• 第五章 开放式水镜泵浦微腔激光传感系统
•   5.1 研究背景
•   5.2 开放式微腔激光传感系统
•   5.3 折射率和温度传感研究
•   5.4 化学传感研究
•   本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 工作总结
•   6.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 个人简历

文章来源

类型: 博士论文

作者: 陈小钢

导师: 谢树森,卢启景

关键词: 光微流微腔,回音壁模式,法布里珀罗腔,高品质因子,传感器,激光器,生物微腔,液滴腔

来源: 福建师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 福建师范大学

分类号: TN492;O43

DOI: 10.27019/d.cnki.gfjsu.2019.000039

总页数: 117

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