基于微流控光学可调谐的渐变折射率特性研究

孙运利; 王昌辉; 乐孜纯

doi:10.7498/aps.63.154701

摘要

本文基于层流液体的对流扩散效应，提出了一种新型的具有渐变折射率分布特性并且可以实现调节的微腔流体透镜. 利用有限元法分析微腔中芯层与包层流体在对流扩散过程达到稳定后的浓度分度，即混合流体的折射率分布，结果表明，分别调节芯层与包层流体的流速，微腔中的流体可以实现不同的渐变折射率分布. 同时，本文还分析了即使考虑腔壁与流体之间的黏滞阻力因素，芯层与包层流体的流速组合依然是混合流体折射率分布的决定因素. 应用微腔流体透镜的这种调节效果，可以实现不同要求的光束聚焦、分束、偏转等功能，在微流控光学检测系统以及微成像系统中有重要的应用.

关键词:

Abstract

A new type of tunable gradient-index (GRIN) microfluidic lens is proposed, which is based on the convection-diffusion process. By using the finite element method, the spatial distribution of the refractive-index (RI) determined by the concentration distribution in the microchannel is analyzed. Results show that the distribution of RI in the microchannel can be tuned by different flow rates of the core and cladding liquid streams. Furthermore, although taking into consideration the existence of the viscous resistance between the channel wall and the flowing stream, the RI distribution is still dependent on the combination of flow rates of the core and cladding streams. This microfluidic lens can be applied to dynamic adjustment of focusing, splitting or bending light beams. It therefore may have extensive applications in the optofluidic optical detecting system and microscale imaging system.

Keywords:

作者及机构信息

1.
浙江工业大学理学院应用物理系, 杭州 310023

基金项目: 国家自然科学基金（批准号：61172081）和浙江省自然科学基金重点项目（批准号：LZ13F010001）资助的课题.

Authors and contacts

1.
College of Science, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 61172081) and the Natural Science Foundation of Zhejiang Province, China (Grant No. LZ13F010001).

参考文献

[1]	Ward A J, Pendry J B 1996 J. Mod. Opt. 44 773
[2]
[3]	Yan F P, Liu P, Tan Z W, Tao P L, Li Q, Peng W J, Feng T, Tan S Y 2012 Acta Phys. Sin. 61 4202 (in Chinese) [延凤平, 刘鹏, 谭中伟, 陶沛琳, 李琦, 彭万敬, 冯亭, 谭思宇 2012 61 4202]
[4]
[5]
[6]	Zickar M, Noell W, Marxer C, Rooij N de 2006 Opt. Express 14 4237
[7]	Valentine J, Li J, Zentgraf T, Bartal G, Zhang X 2009 Nat. Mater. 8 568
[8]
[9]	Chen H Y, Chan C T, Ping S 2010 Nat. Mater. 9 387
[10]
[11]
[12]	Chen T, Liang Z-C, Qian C, Xu N 2010 Acta Phys. Sin. 59 7906 (in Chinese) [陈陶, 梁忠诚, 钱晨, 徐宁 2010 59 7906]
[13]
[14]	Cai W, Chettiar U K, Kildishev A V, Shalaev V M 2007 Nat. Photon. 1 224
[15]	Li Yan, Qu Shi-Liang 2012 Chin. Phys. B 21 034208
[16]
[17]
[18]	Mao X, Lin S-C S, Lapsley M I, Shi J, Juluri B K 2009 Lab. Chip 9 2050
[19]	Yang Y, Chin J M, Tsai D P, Zhenludev N I, Liu A Q 2012 Lab. Chip 12 3785
[20]
[21]	Yang Y, Liu A Q, Chin L K, Zhang X M, Tsai D P, Lin C L, Lu C, Wang G P, Zheludev N I 2012 Nat. Commun. 3 651
[22]
[23]
[24]	Perumal M, Ranga Raju K G 1999 J. Hydrol. Eng. 4 160
[25]
[26]	Wu Z, Nguyen N T 2005 Sens. Actuators B 107 965
[27]	Kapur J N, Shukla J B 1964 Appl. Sci. Res. A 13 55
[28]
[29]
[30]	Hayat T, Shehzad S A, Alsaedi A, Alhothuali M S 2012 Chin. Phys. Lett. 29 114704
[31]
[32]	Rehman A, Nadeem S 2012 Chin. Phys. Lett. 29 124701
[33]
[34]	Weng Y J, Cheng Y M 2013 Chin. Phys. B 22 090204
[35]	Ternstrom G, Sjostrand A; Aly G, Jernqvist A 1996 J. Chem. Eng. Data 41 876
[36]
[37]	Wang M H 2001 Ph. D. Dissertation (Taoyuan: Chung Yuan Christian University) (in Chinese) [王明宏2009硕士学位论文(桃园县: 中原大学)]

施引文献

[1]	Ward A J, Pendry J B 1996 J. Mod. Opt. 44 773
[2]
[3]	Yan F P, Liu P, Tan Z W, Tao P L, Li Q, Peng W J, Feng T, Tan S Y 2012 Acta Phys. Sin. 61 4202 (in Chinese) [延凤平, 刘鹏, 谭中伟, 陶沛琳, 李琦, 彭万敬, 冯亭, 谭思宇 2012 61 4202]
[4]
[5]
[6]	Zickar M, Noell W, Marxer C, Rooij N de 2006 Opt. Express 14 4237
[7]	Valentine J, Li J, Zentgraf T, Bartal G, Zhang X 2009 Nat. Mater. 8 568
[8]
[9]	Chen H Y, Chan C T, Ping S 2010 Nat. Mater. 9 387
[10]
[11]
[12]	Chen T, Liang Z-C, Qian C, Xu N 2010 Acta Phys. Sin. 59 7906 (in Chinese) [陈陶, 梁忠诚, 钱晨, 徐宁 2010 59 7906]
[13]
[14]	Cai W, Chettiar U K, Kildishev A V, Shalaev V M 2007 Nat. Photon. 1 224
[15]	Li Yan, Qu Shi-Liang 2012 Chin. Phys. B 21 034208
[16]
[17]
[18]	Mao X, Lin S-C S, Lapsley M I, Shi J, Juluri B K 2009 Lab. Chip 9 2050
[19]	Yang Y, Chin J M, Tsai D P, Zhenludev N I, Liu A Q 2012 Lab. Chip 12 3785
[20]
[21]	Yang Y, Liu A Q, Chin L K, Zhang X M, Tsai D P, Lin C L, Lu C, Wang G P, Zheludev N I 2012 Nat. Commun. 3 651
[22]
[23]
[24]	Perumal M, Ranga Raju K G 1999 J. Hydrol. Eng. 4 160
[25]
[26]	Wu Z, Nguyen N T 2005 Sens. Actuators B 107 965
[27]	Kapur J N, Shukla J B 1964 Appl. Sci. Res. A 13 55
[28]
[29]
[30]	Hayat T, Shehzad S A, Alsaedi A, Alhothuali M S 2012 Chin. Phys. Lett. 29 114704
[31]
[32]	Rehman A, Nadeem S 2012 Chin. Phys. Lett. 29 124701
[33]
[34]	Weng Y J, Cheng Y M 2013 Chin. Phys. B 22 090204
[35]	Ternstrom G, Sjostrand A; Aly G, Jernqvist A 1996 J. Chem. Eng. Data 41 876
[36]
[37]	Wang M H 2001 Ph. D. Dissertation (Taoyuan: Chung Yuan Christian University) (in Chinese) [王明宏2009硕士学位论文(桃园县: 中原大学)]

[1]	张伊祎, 韦雪玲, 农洁, 马汉斯, 叶子阳, 徐文杰, 张振荣, 杨俊波. 基于直接二进制搜索算法设计的超紧凑In₂Se₃可调控功率分束器. , 2023, 72(15): 154207. doi: 10.7498/aps.72.20230459
[2]	熊霄, 曹启韬, 肖云峰. 铌酸锂集成光子器件的发展与机遇. , 2023, 72(23): 234201. doi: 10.7498/aps.72.20231295
[3]	刘宇航, 林曈, 李少波, 于文琦, 马向, 梁晓东, 恽斌峰. 可调反射器辅助的可重构微环光滤波器. , 2023, 72(8): 084208. doi: 10.7498/aps.72.20222384
[4]	张伟, 万静, 蒙列, 罗曜伟, 郭明瑞. D型光纤与微管耦合的微流控折射率传感器. , 2022, 71(21): 210701. doi: 10.7498/aps.71.20221137
[5]	王霆, 张建军, Huiyun Liu. 硅基III-V族量子点激光器的发展现状和前景. , 2015, 64(20): 204209. doi: 10.7498/aps.64.204209
[6]	唐雄贵, 廖进昆, 李和平, 刘永, 刘永智. 基于热膨胀效应的可调光功率分束器设计. , 2013, 62(2): 024218. doi: 10.7498/aps.62.024218
[7]	李杰, 朱京平. 光波导短程透镜加工容限误差研究. , 2012, 61(24): 244208. doi: 10.7498/aps.61.244208
[8]	陈兆震, 徐则达. 在一种新的聚合物材料上刻写正弦相位波导光栅及其特性研究. , 2010, 59(5): 3264-3272. doi: 10.7498/aps.59.3264
[9]	杨薇, 刘迎, 肖立峰, 杨兆祥, 潘建旋. 声光可调谐环形腔掺铒光纤激光器. , 2010, 59(2): 1030-1034. doi: 10.7498/aps.59.1030
[10]	陈陶, 梁忠诚, 钱晨, 徐宁. 基于电润湿微棱镜技术的可调光衰减器特性分析. , 2010, 59(11): 7906-7910. doi: 10.7498/aps.59.7906
[11]	杨薇, 刘迎, 肖立峰, 高树理. 两级串联声光可调谐滤波器旁瓣抑制的研究. , 2009, 58(1): 328-332. doi: 10.7498/aps.58.328
[12]	邵公望, 戴亚军, 金国良. 抽运光与信号光的光强重叠因子和掺铒玻璃波导放大器的增益特性. , 2009, 58(4): 2488-2494. doi: 10.7498/aps.58.2488
[13]	沈自才, 孔伟金, 冯伟泉, 丁义刚, 刘宇明, 郑慧奇, 赵雪, 赵春晴. 热控涂层光学性能退化模型研究. , 2009, 58(2): 860-864. doi: 10.7498/aps.58.860
[14]	曾维友, 谢康, 姜海明, 陈凯. 基于TE-TM模变换的新型相位自补偿磁光隔离器. , 2008, 57(6): 3607-3612. doi: 10.7498/aps.57.3607
[15]	孙一翎, 潘剑侠. 多模干涉耦合器中重叠像相干相消现象分析. , 2007, 56(6): 3300-3305. doi: 10.7498/aps.56.3300
[16]	沈自才, 沈建, 刘世杰, 孔伟金, 邵建达, 范正修. 渐变折射率薄膜的分层评价探讨. , 2007, 56(3): 1325-1328. doi: 10.7498/aps.56.1325
[17]	刘靖, 孙军强, 黄德修, 黄重庆, 吴铭. 渐变折射率光量子阱对束缚态能级的调整. , 2007, 56(4): 2281-2285. doi: 10.7498/aps.56.2281
[18]	沈自才, 孔伟金, 刘世杰, 沈建, 邵建达, 范正修. 斜角入射沉积法制备渐变折射率薄膜的折射率分析. , 2006, 55(10): 5157-5160. doi: 10.7498/aps.55.5157
[19]	沈自才, 邵建达, 王英剑, 范正修. 磁控反应溅射法制备渐变折射率薄膜的模型分析. , 2005, 54(10): 4842-4845. doi: 10.7498/aps.54.4842
[20]	夏金松, 余金中. 一种新的基于最小平方逼近的广角光束传播方法. , 2003, 52(3): 515-521. doi: 10.7498/aps.52.515

计量

文章访问数: 6608
PDF下载量: 821
被引次数: 0

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

搜索

留言板