微流控光学及应用3分解.ppt

微流控光学及其应用Optofluidics and Their Potential Applications 南京邮电大学 微流控光学技术研究中心 Center of Optofluidic Technology Nanjing University of Posts Telecommunications 一、引 言 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仍在光学技术中占有一席之地，例如油浸透镜、液晶显示等。 固体器件还是流体器件？ 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。 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，液体光学器件重又引起了研究者的兴趣。 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。 什么是微流控学（Microfluidics)？ It is the science and technology of systems that process or manipulate small (10–9 to 10–18 litres) amounts of fluids, using channels with dimensions of tens to hundreds of micrometres. (G. M. Whitesides, The origins and the future of microfluidics, Nature, 442, 368-373 (2006)). The field of microfluidics has four parents: molecular analysis, biodefence, molecular biology and microelectronics. Optofluidics 技术发展轨迹 Microfluidic System — Lab on a Chip 什么是Optofluidics？ 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。 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。 Optofluidics的特点和优势 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。 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 的主要应用领域 二、微流控自适应光学 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。 EWOD原理 接触角方程 EWOD透镜 EWOD透镜雏形（S. Kwon Luke P. Lee） EWOD透镜 UMR实验室B.Berge的EWOD透镜 EWOD透镜 2003年，T. Krupenkin 等提出了一种改进的基于EWOD的可变焦光透镜。特点是通过电极结构的合理设计，不仅可以使透镜焦距可调，而且可以使透镜发生侧向位移。 微流控光学变焦透镜 2004 年，Philips公司发布了实用化的液体变焦光学透镜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。 微流控光学变焦透镜 Philips公司的液体变焦透镜FluidFocus 微流控变焦透镜阵列 微流控变焦透镜阵列 微透镜阵列芯片布局示意图 微流控波前校正器 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