基于液体特性的可调谐微纳光学器件的研究

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微纳光学器件已经被广泛用于荧光检测、拉曼增强、生物化学检测以及金属表面增强等领域。微纳结构参数的准确性是保证实验现象观测的关键。对于微纳结构加工来说,微纳光学器件制备工艺已经很成熟,但是在制作过程中的误差是不可避免的。这种误差就可能导致实验达不到预期目的。为此,许多研究者积极地研究如何制备出可调的微纳光学器件。因为可调微纳光学器件具有增大制作的参数容差,降低制作成本的作用;还可以实现器件功能多样化。基于制备可调谐器件的重要性,本论文通过理论设计、加工制备了几种可调微纳光学器件,并对这些器件进行了性能检测,提出了可调微纳光学器件的性能指标。本论文主要内容如下:1.利用光刻技术制备了一个光流控芯片,在这个芯片中被用来调节氧化石墨烯在乙醇中的浓度,进而控制乙醇溶液与氧化石墨烯乙醇溶液的速度比就能精确地调节光学非线性。我们利用Z轴扫描技术和泵浦探测测量技术证明了在1.5μm通讯波段中的氧化石墨烯的非线性性能、弛豫时间。实验发现氧化石墨烯溶液具有超快的恢复时间。另外,光学限幅性能与氧化石墨烯的浓度密切相关。进而,可以通过注射的氧化石墨烯与乙醇溶液的注射笔有效地控制光学限幅性能。同时,利用这个光学器件实现了光束整形。这个光学器件能有效地避免热和机械损伤。2.制备了一种二维光流控液体透镜。这种透镜由两种折射率的液体在一个由两个管道与一个膨胀腔组成的芯片中形成弯曲界面组成。在这个膨胀腔中,充当包层的低折射率液体与芯片的制作材料的折射率匹配,高折射率的液体充当芯层。两种折射率的界面靠调节两种液体的流速比能够自由的调节。因此不同曲率的双凹或者双凸的界面可以实时地调节。因此在这个微流控芯片中,光束的会聚、准直与发散被实现。在试验中,光流控液体透镜的焦距在-1.21 mm到2.75 mm范围之间自由调节。3.研究了液滴沉入一个弹性体预聚体中形成的焦距可调谐液体平凸透镜并提出了一个制作简单,成本低廉的制作方法。这个透镜的瞳孔和焦距在制作中可以控制。试验结果显示一个40 mg油滴构成一个瞳孔大小为2.8 mm透镜,在外界压力变化下能够实现12 mm到17 mm焦距变化。在这个成像系统中,这个透镜能够实现聚焦并且通过该透镜观测到了一个清晰的像。4.研究了一个紧密,可调谐的导模共振滤光片。这个导模共振光栅是利用拉伸一个带有均匀周期光栅的PDMS楔形,然后用光敏胶复制获得的。复制后得到的光栅周期随着位置从402.5nm到466.6nm梯度变化。当一个宽谱光垂直入射到这个器件上,其反射光波长随着器件的位置变化而变化。在一个11mm的导模共振滤光片上移动照明光源,其反射光的波长从596.8nm移动到684.1nm,并且反射波长的边瓣非常低、效率很高。5.模拟、设计、制作一个可调的光流控Bragg滤波,并检测了其特性。这个器件由两个对称的周期性膜堆和两个膜堆夹住的纳米腔组成,这个膜堆是由高低折射率薄膜堆砌而成。制作参数利用商业软件EssenticalMacleod模拟设计得到。当注入纳米腔中的折射率由1.333变化到1.51时,其共振波长呈现线性红移,移动范围为34.8nm。同时,这个共振峰具有1.1nm的窄带、高的性噪比和对折射率的敏感度为374nm/RIU。6.发明了一种快速制作可控曲率的微透镜阵列的方法。这种方法制作简单、成本低廉,并且能够制备出高数值孔径的微透镜阵列。这个光敏胶与孔阵列硅模板形成的界面可以通过加热光敏胶改变其表面张力而灵活控制。然后,得到的凹界面通过一个紫外灯照射固化,形成一个凹的微透镜阵列。这个微透镜阵列的焦距能够从51.4μm到71.9μm变化。并且,得到了一个0.49的数值孔径的的微透镜阵列。这个固化的微透镜阵列具有高的机械强度和低的热膨胀特性,这些特性适合用来制备凸的微透镜阵列。微透镜阵列的高质量成像能力和聚焦特性也被证明。
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