随着医学和生物化学的发展,对于反应中的剂量控制等操控精度需求已经达到了细胞甚至分子级别,由于其微小的尺寸,常规的操作方式已经无法达到需要的精度,微流控技术应运而生。微流控(Microfluidics)技术中利用的操控机理包括机械接触,电学,声学,光学等方式。其中应用光学方式对微小粒子进行操控的技术又被称为光流控(Optofluidics),光镊就是一种利用光学力对微粒进行操控的技术。传统的光镊通过将激光聚焦成一个微米级别的高强度光斑,进而在光斑处产生光学力,将微粒捕获在其中。但是传统光镊需要庞大的设备,而且由于衍射极限的限制,光斑大小无法无限缩小,对于亚微米以下尺寸微粒的捕获很难实现。传统光镊一次只能操控一个或几个微粒,难以进行批量操作。而且由于光线的高度聚焦,产生的热效应也会对样品产生损伤或影响操控效果。最近一二十年发展起来的基于波导结构的光流控技术由于其作用机理为近场光学,突破了衍射极限的限制。该技术利用在芯片上加工出的波导结构表面的倏逝波捕获颗粒,很容易实现对于亚微米级别颗粒的批量操控,同时也避免了热效应的影响。最重要的是,由于所有波导结构都在芯片上加工完成,所以结构微小,稳定,且易于对多个功能单元的集成。本文提出了一种基于波导的可控的微粒捕获和释放结构,并且使用有限时域差分(FDTD)算法进行了仿真研究。该结构可以在不失去对样品的控制的情况下完成在两种状态之间的转换,并且可以实现单个颗粒的捕获和释放。该结构只需一种波长光源,便于与其他功能单元的集成。该结构是将有谐振环辅助的马赫-曾德干涉仪(RAMZI)的一个输出端和一个作为反射结构的Sagnac环级联而成。通过热调制的方式,使得RAMZI结构中环形谐振器的折射率产生4.3X10-4的变化,进而实现RAMZI的输出在两个端口之间的切换。当处于释放状态时,波导中的光从RAMZI未与Sagnac环连接的端口输出,此时倏逝波也将推动粒子从此端口输出释放。而对于捕获状态,波导中的光被引导到RAMZI与Sagnac环级联的端口,在Sagnac环处形成20%的反射,使得波导中产生驻波,出现沿波导离散分布的势阱。这些势阱将捕获粒子,使其处于暂停的状态。然后文中利用麦克斯韦应力张量(MST)计算出粒子受到的光学力,并在考虑了粘滞力和布朗运动的情况下对颗粒进行了运动学仿真。结果表明,如果颗粒直径与驻波周期相近,即使在驻波存在时也不能捕获颗粒,这是因为颗粒各部分受到的梯度力互相平衡,而在散射力的作用下,颗粒依然沿波导运动。最后用有限元(FEM)算法对热光调制过程进行了仿真,仿真证明该结构可以实现单个粒子的捕获和释放。氮化镓(GaN)作为发光半导体材料广为人知,事实上由于其折射率在可将光波段无虚部,它也可以用来制作可见光波导。基于此,本文设计了一种光流控芯片上的GaN波导结构,可用于荧光激发和检测。这种GaN波导结构位于蓝宝石衬底上,并且采用了狭缝模的结构。在狭缝中,荧光颗粒被波导中的激发光捕获并且激发荧光,所激发的荧光又进入波导结构中实现荧光收集。文中首先对光源的狭缝模进行了仿真,并且计算出粒子在狭缝中的受力,找到狭缝中粒子的势阱位置。将沿着三个垂直方向偏振的偶极子置于这个位置来仿真荧光收集过程,得到了狭缝模的荧光收集效率为22.05%。随后,本文又设计了一种有着高消光比的WDM结构。首先由一个V形结构将狭缝模导入条形波导,进入一个DC结构,通过调整耦合长度,消除了 99.23%的激发光,使得随后的荧光信号检测变的更为容易。最终整个结构的荧光收集效率为19.11%。由于氮化镓本身为半导体材料,将来有可能将光源和检测系统集成到我们设计的荧光收集系统中,实现完整的便携式的荧光检测技术。综上所述,本文中作者设计了两种芯片上的波导结构,第一种可以实现对亚微米级别单个颗粒的捕获和释放,在分子级别的剂量控制等方面有着较好的应用前景;第二种结构用于荧光激发和收集,实现了 19.11%的荧光收集效率,有希望实现未来有源便携式的生物荧光检测功能。