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1、COT NUPT微流控微流控光学光学及其应用及其应用Optofluidics and Their Potential ApplicationsOptofluidics and Their Potential Applications 南京邮电大学 微流控光学技术研究中心Center of Optofluidic TechnologyNanjing University of Posts & Telecommunications梁忠诚梁忠诚COTNUPT一、引一、引 言言v采用液体作为光学器件结构元素的概念可以追溯到18世纪，那时人们曾将旋转汞池产生的球面反射镜用于天文观察，至今液体材料光学器件
2、仍在光学技术中占有一席之地，例如油浸透镜、液晶显示等。 3.0m primary mirror of NASAs Orbital Debris Observatory, in New Mexicos Lincoln National Forest. ()Thin-film transistors (TFT) active matrix liquid crystal displays (AMLCD)COTNUPT固体器件还是流体器件？v液体材料外型不定、难以操控，传统光学系统主要采用玻璃、金属和半导体等固体材料。v随着光学技术的蓬勃发展，固态器件体积大、成本高、可调性差等问题日显突出，液体光学器
3、件重又引起了研究者的兴趣。v随着微流控光学这一新学科的诞生和新技术的发展，液体材料器件将会在未来的光学技术领域扮演更加重要的角色。COTNUPTvIt is the science and technology of systems that process or manipulate small (109 to 1018 litres) amounts of fluids, using channels with dimensions of tens to hundreds of micrometres. (G. M. Whitesides, The origins and the futu
4、re of microfluidics, Nature, 442, 368-373 (2006). vThe field of microfluidics has four parents: molecular analysis, biodefence, molecular biology and microelectronics.什么是微流控学（Microfluidics)？v在微米级结构中操控纳升至皮升体积流体的技术与科学。 （方肇伦：微流控分析芯片的制作及应用）COTNUPTOptofluidics 技术发展轨迹MEMS MicroElectroMechanical Systems 微机
5、电系统TAS Micro Total Analysis System 微全分析系统MicroFluidics微流控技术OptoFluidics 微流控光学MEMSTASMicro-fluidicsOpto-FluidicsCOTNUPTMicrofluidic System Lab on a ChipApplications of microfluidic system mainly in the area of chemistry, biology and medicine. Biological analysis Medical diagnosis Chemical analysis an
6、d synthesis Drug discovery Drug DeliveryCOTNUPTv微流控光学是现代光学、光电子学与微流控技术相结合而形成的新型交叉前沿学科与技术。微流控技术(microfluidics)意图实现微量化学或生物样品的合成与分析，而微流控光学技术则是在微观尺度上通过操控流体达到调节系统的光学或光电子学特性的目的。v微流控光学研究微流控系统中的光学现象，探索微流控系统与光子的相互作用规律，目的是开发具有结构重组和调节能力的微流控光学器件与系统。什么是Optofluidics？COTNUPTv微流控光学系统的主要特点在于可调化、集成化和微型化。可调化是通过微流体的操控和置
7、换实现系统结构的调整，集成化则是将微流控分析和光电检测功能集中在同一芯片以实现系统的微型化。v结构可调为自适应光学系统提供了新的技术途径，功能集成将会促进微流控分析技术的广泛应用和快速发展，而微流控与光学技术的融合同时为传统光学器件的微型化、阵列化、低成本化以及高精度控制提供了可能。 Optofluidics的特点和优势COTNUPTOptofluidics 的主要应用领域 自适应光学自适应光学结构可调为自适应光学系统提供了新的技术方案结构可调为自适应光学系统提供了新的技术方案微流控分析微流控分析功能集成将促进微流控技术的广泛应用和快速发展功能集成将促进微流控技术的广泛应用和快速发展光信息处理
8、光信息处理开发新一代微型化和可调控光信息处理器件和系统开发新一代微型化和可调控光信息处理器件和系统COTNUPT二、微流控自适应光学二、微流控自适应光学v可变焦光学微透镜是一种非常重要的自适应器件，广泛应用于光成像、光通讯以及光刻技术等领域。相对于传统可变焦光透镜，微流控可变焦光透镜工艺简单，控制精度高，光学质量好。COTNUPTEWOD原理v接触角方程Right: Droplet: KCl aqueous solution. ( By Richard B. Fair, Duke University)COTNUPT微流控光学变焦透镜v2004 年，Philips公司发布了实用化的液体变焦光学
9、透镜FluidFocus，该透镜的结构如图A所示。在柱状容器内有两种不同折射率的液体：一种是导电液体，另一种是绝缘液体。一层透明电极被涂覆在柱状玻璃表面，然后在内侧涂覆绝缘层和疏水层。在初始状态下，两种互不相混的液滴形状以及交界面曲率见图A；当外加电压后，由于EWOD效应的作用，外加电势将降低导电液体和绝缘体之间的界面张力，从而使三相接触角变小，导致两种液体界面曲率发生变化（图B）。在外加电压作用下，两种液体界面可以从凸曲面变成凹曲面，因此该透镜不仅可以改变透镜的焦距，也能改变透镜的类型。COTNUPT微流控光学变焦透镜vPhilips公司的液体变焦透镜FluidFocusCOTNUPT微流控
10、变焦透镜阵列1. 梁忠诚，陈陶，徐宁，涂兴华，电调谐微流控变焦透镜阵列芯片. 发明专利，申请号：200610161275.92. 梁忠诚，涂兴华，徐宁，陈陶，电调谐微流控变焦透镜阵列芯片的制作方法.发明专利，申请号：200610161276.3COTNUPT微流控变焦透镜阵列v微透镜阵列芯片布局示意图 v微透镜阵列芯片制作步骤 COTNUPT微流控波前校正器v可变形镜面是自适应光学系统的重要部件之一，采用液体表面形变的微流控光学反射镜可以克服传统固体薄膜形变反射镜成本高、空间分辨率低的缺点。最近荷兰Delft技术大学的研究人员研制了一种液体形变反射镜并用于动态波前校正。该反射镜的镜面是位于毛细
11、管阵列上的液层表面，表面的形变是由毛细管内液体的流动引起的。64 64毛细管阵列的液体表面变形反射镜原型反射镜结构示意图COTNUPT微流控波前校正器v在196V方波电压的驱动下，器件具有1mm的表面位移和500HZ的工作频率。COTNUPTv微流控 (microfluidics)在生物技术，化学合成和分析化学等诸多领域都有重要应用。尽管微流控技术已经实现了将诸多微流分析功能集成在一个芯片中的任务，但多数的光学部件，如光源，传感器，透镜和波导却仍无法集成到芯片中。v微流控光学将光学部件与微流体器件集成到同一个芯片上，从而提高微流控分析系统的功能集成度和便携性。v微流控芯片光学检测系统的两个最主
12、要的组成部分是光源和探测器，因此光学检测系统的微型化也就是光源和探测器这两个主要部件的微型化。二、微流控光学检测二、微流控光学检测COTNUPT微流控芯片激光器 Caltech 的COI 研制的一种分布反馈型PDMS芯片单模染料激光器。该器件在PDMS硅橡胶（折射率1.406）芯片上制作截面尺寸为5m 2m的微流道，其中注入较高折射率（1.409）的Rhodamine 染料溶液，形成液芯/PDMS包层单模光波导。流道中有长4mm周期排列的PDMS小柱，作为布拉格分布反 馈 （ DFB)光 栅 。 在 532nm-Nd:YAG脉冲激光泵浦下，从芯片一端可得到单模激光输出。典型的激光谱如图3C所示
13、，其波长为567.3nm、线宽是0.21nm，泵浦阈值约为0.8mJ/cm2。通过改变染料组分和机械形变的方法，这种染料激光器的输出波长可以在60nm的范围内调节。vZ. Y. Li, Z. Y. Zhang, T. Emery, A. Scherer, and D. Psaltis. Single mode optofluidic distributed feedback dye laser. Opt. Express. 14(2), 696-701(2006).COTNUPT微流控光学显微镜（OFM） OFM是基于一种时空合成原理的无透镜成像显微镜。在微流道的下方沿流道方向放置CCD线列，
14、而在微流道上设置通光孔线阵，CCD像元与光孔单元一一对应，但两线阵方向相差一个角度。由于流动样品的各点透光率不同，在均匀光波照射下，每个光孔的光通量是随时间变化的，光通量的变化由CCD像元检测，如图4B所示。通过综合各个单元的时变信号，可以获得样品的光学图像(图4C)。这种无透镜显微镜的分辨率主要取决于通光孔径的尺寸以及光孔横向间距，很容易实现纳米级分辨率成像。COTNUPT微流控光学显微镜（OFM）v一种线虫（Caenorhabditis）OFM像与普通显微镜像的对比，OFM图像分辨率达到700-nm。COTNUPT 微流控光学集成v2003年Adams等人使用CMOS成像阵列制作了一个微流
15、控芯片和光学检测集成化的系统。整个系统建立在硅基底上，最底层是CMOS成像阵列，然后在其表面上直接制作滤光层，其目的主要是为了滤除直接通过通道的激发光,从而降低CMOS采集到的图像中的噪声,提高成像质量。然后将微流控器件集成到带有滤光层的成像阵列上,再在上层放置LED阵列激发光源，这样就构成了一个完整的微流控分析芯片。该近似成像系统的最高分辨力由成像阵列上的像素大小来决定,可以达到10m左右，基本满足较大物体上的可见光光谱实验的要求。vM. L. Adams, M. Enzelberger, S. Quake, et al. Microfluidic integration on detect
16、or arrays for absorption and fluorescence microspectrometers. Sensors and Actuators, A104(1), 25-31(2003).COTNUPTv在微机电光学系统(OMEMS)之外，微流控光学为光学器件的微型化、集成化、低成本化和高精度控制提供了新的技术方案。利用微流控技术可以在芯片上构建波导、透镜、开关和滤波等光学元器件，并实现交换、显示和存储等功能，这些新颖的微流控光学器件将在未来的信息领域中得到应用。 三、微流控光学集成器件三、微流控光学集成器件COTNUPT微流控光开关 Agilent 气泡光开关 Agi
17、lent 气泡光开关是一种较早开发的全反射型光开关，具有毫秒级交换速度、偏振不敏感性、低串扰、高消光比特性，88和3232光开关阵列已经达到商业化要求。 Agilent 气泡光开关COTNUPTK. Campbell 等 人 研 制 的 一 种 基 于 PDMS材 料 和 软 光 刻 （ soft lithography）技术制作的22全反射型光开关。该微流控开关的插入损耗小于1dB，响应速度小于20ms. (K. Campbell et al. A microfluidic 22 optical switch. Appl. Phys. Lett. 2004, 85: 61196121 )微流
18、控光开关 PDMS光开关COTNUPT 微流控显示器 器件以高反射聚合物为衬底，其上淀积透明导电薄膜ITO作为下电极，然后再淀积疏水绝缘层并制作围堰，分别注入有色油滴和水后，加上有ITO薄膜的玻璃作为上盖板。在未加驱动电压时，油滴将自动平铺在水层和疏水性绝缘层之间，显示单元为“关”状态，当可见光入射到显示单元上时，反射光显示油滴的颜色。在施加驱动电压后，油滴收缩趋向一角，显示单元为“开”状态，当可见光入射到显示单元上时，反射光主要显示衬底的颜色。 PhilipsPhilips反射式显示器件反射式显示器件R. A. Hayes, B. J. Feenstra, Video-speed elect
19、ronic paper based on electrowetting. Nature, 425, 383-385(2003). COTNUPT 微流控显示器 实验表明此显示单元的反射率很高，亮度是反射型液晶的4倍，Philips公司指出，该显示单元还具有高对比度、低电压、低功耗的特点，并可望达到视频响应速度。 COTNUPT 微流控存储器v2004年，Quake 研究组发表了一种基于PDMS材料和软光刻技术制作的微流控存储器(MFM)。如图所示，该存储器芯片包含2540 个微腔存储单元阵列，每个存储单元可以通过行列寻址器独立选址，并进行微流体的存取操作。COTNUPT微流控存储器v通过存储液
20、体染料拼成的字母CIT，这种存储器同时可以用于信息显示。COTNUPT微流控光学存储器v电寻址的纳米微腔（纳米阱）阵列用于俘获纳米颗粒（量子点），数据的存储通过纳米阱对量子点的俘获实现。采用具有不同荧光特性的量子点，可以进行多阶编码存储。v鸡尾酒式量子点光谱编码存储实验。将能够发出不同荧光色的量子颗粒按不同比例混合后引入纳米阱存储单元，实现数据的写入。用激光照射纳米阱，通过荧光谱相对强度的检测就可以实现数据的读出。这种存储方式的信息密度为每纳米阱 NLog2M 比特，其中N 是不同荧光色的量子点种数，M 是可分辨的光谱强度级数。a)基于量子点/纳米阱的微流控光学存储器结构与原理示意。b) 微流控量子点混合流路芯片结构。c) 混合过程中三种量子点的荧光照片。d) 两种存储编码的光谱示例。COTNUPT三、结论与展望三、结论与展望COT NUPT谢谢！ 南京邮电大学南京邮电大学 微流控光学技术研究中心微流控光学技术研究中心Center for Optofluidic TechnologyNanjing University of Posts & Telecommunications
