Оптофлюидика

Оптофлюидика — это область исследований и технологий, которая объединяет преимущества флюидики (в частности микрофлюидики ) и оптики . Приложения этой технологии включают дисплеи, биосенсоры, устройства типа «лаборатория на чипе» , линзы, а также инструменты молекулярной визуализации и энергии.

История

Идея жидкостно-оптических устройств восходит, по крайней мере, к XVIII веку, когда были предложены (и в конечном итоге разработаны) вращающиеся бассейны ртути в качестве телескопов с жидким зеркалом . В XX веке были разработаны новые технологии, такие как лазеры на красителях и волноводы с жидким сердечником, которые использовали преимущества настраиваемости и физической адаптивности, которые жидкости предоставляли этим новым фотонным системам. Область оптофлюидики формально начала появляться в середине 2000-х годов, когда области микрофлюидики и нанофотоники созревали, и исследователи начали искать синергию между этими двумя областями. [1] Одной из основных областей применения этой области является лабораторная на чипе и биофотонная продукция. [2] [3] [4]

Компании и трансфер технологий

Оптофлюидные и связанные с ними исследования привели к появлению ряда новых продуктов и стартапов. Varioptic специализируется на разработке линз на основе электросмачивания для многочисленных приложений. Optofluidics, Inc. была основана в 2011 году в Корнельском университете с целью разработки инструментов для молекулярного захвата и диагностики заболеваний на основе технологии фотонного резонатора. Liquilume из Калифорнийского университета в Санта-Крусе специализируется на молекулярной диагностике на основе стрелочных волноводов.

В 2012 году Европейская комиссия запустила новую структуру COST , которая занимается исключительно оптофлюидными технологиями и их применением. [5]

Примеры конкретных применений

Учитывая широкий спектр технологий, которые уже разработаны в области микрофлюидики, и многочисленные потенциальные применения интеграции оптических компонентов в эти системы, спектр применения оптофлюидной технологии огромен.

Оптофлюидные волноводы на основе ламинарного потока

Оптофлюидные волноводы основаны на принципах традиционных оптических волноводов и микрофлюидных методов, используемых для поддержания градиентов или границ между текущими жидкостями. Янг и др. использовали микрофлюидные методы, основанные на ламинарном потоке , для создания градиентных показателей преломления на основе жидкости . [6] Это было реализовано путем протекания двух оболочных слоев деионизированной воды ( ) вокруг основного слоя этиленгликоля ( ). Используя традиционные микрофлюидные методы [7] для создания и поддержания градиентов жидкостей, Янг и др. смогли поддерживать профили показателя преломления в диапазоне от ступенчатых профилей показателя преломления до профилей градиентного показателя преломления с изменением глубины . Это позволило создать новые и динамичные сложные волноводы. н = 1.33 {\displaystyle n=1.33} н = 1.43 {\displaystyle n=1.43}

Оптожидкостные фотонные кристаллические волокна

Традиционное полое фотонно-кристаллическое волокно

Оптожидкостные фотонно-кристаллические волокна (PCF) являются традиционными PFC, модифицированными с помощью микрофлюидных технологий. Фотонно-кристаллические волокна представляют собой тип оптоволоконного волновода с оболочкой, расположенной в кристаллической форме в их поперечном сечении. Традиционно эти структурированные оболочки заполнены твердотельным материалом с различным показателем преломления или являются полыми. Затем каждая оболочка действует как одномодовое волокно, пропускающее несколько световых путей параллельно. [8] Традиционные PCF также ограничены использованием полых или твердотельных сердечников, которые должны быть заполнены во время строительства. Это означает, что свойства материала PCF были установлены во время строительства и были ограничены свойствами материала твердотельных материалов. [8]

Пример того, как фотонно-кристаллическое волокно может быть использовано для генерации спектрального суперконтинуума из узкополосного источника.

Вьюиг и др. использовали микрофлюидную технологию для выборочного заполнения секций фотонных кристаллических волокон жидкостями, которые демонстрируют высокую степень нелинейности Керра, такими как толуол и четыреххлористый углерод . [9] Выборочное заполнение полых ПФК жидкостью позволяет контролировать тепловую диффузию посредством пространственной сегрегации и дает возможность структурировать несколько различных типов жидкости. Используя нелинейные жидкости, Вьюиг и др. смогли создать солитонный континуум, который имеет множество применений для визуализации и связи. [10] [9]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Psaltis, D.; Quake, SR; Yang, C. (2006). «Разработка оптожидкостной технологии посредством слияния микрофлюидики и оптики». Nature . 442 (7101): 381–386. Bibcode :2006Natur.442..381P. doi :10.1038/nature05060. PMID  16871205. S2CID  1729058.
  2. ↑ Зан, стр. 185.
  3. ^ Боас, Гэри (июнь 2011 г.). «Оптофлюидика и реальный мир: технологии развиваются, чтобы соответствовать вызовам 21-го века». Photonics Spectra . Получено 26-06-2011 .
  4. ^ "Оптофлюидика: Оптофлюидика может создавать небольшие и дешевые биофотонные устройства". 1 июля 2006 г. Получено 26 июня 2011 г.[ постоянная мертвая ссылка ]
  5. ^ "COST Action MP1205 Advances in Optofluidics: Integration of Optical Control and Photonics with Microfluidics". Архивировано из оригинала 2017-11-26 . Получено 2017-02-14 .
  6. ^ Yang, Y.; Liu, AQ; Chin, LK; Zhang, XM; Tsai, DP; Lin, CL; Lu, C.; Wang, GP; Zheludev, NI (январь 2012 г.). «Оптофлюидный волновод как устройство оптической трансформации для изгиба и манипулирования световыми волнами». Nature Communications . 3 (1): 651. Bibcode :2012NatCo...3..651Y. doi :10.1038/ncomms1662. ISSN  2041-1723. PMC 3272574 . PMID  22337129. 
  7. ^ Азизипур, Неда; Авазпур, Рахи; Розенцвейг, Дерек Х.; Саван, Мохамад; Аджи, Абделла (18.06.2020). «Эволюция технологии биочипов: обзор от лаборатории на чипе к органу на чипе». Micromachines . 11 (6): 599. doi : 10.3390/mi11060599 . ISSN  2072-666X. PMC 7345732. PMID 32570945  . 
  8. ^ ab Tu, Haohua; Boppart, Stephen A. (2012-07-23). ​​«Когерентный волоконный суперконтинуум для биофотоники». Laser & Photonics Reviews . 7 (5): 628–645. doi :10.1002/lpor.201200014. ISSN  1863-8880. PMC 3864867. PMID 24358056  . 
  9. ^ ab Vieweg, M.; Gissibl, T.; Pricking, S.; Kuhlmey, BT; Wu, DC; Eggleton, BJ; Giessen, H. (2010-11-17). "Сверхбыстрая нелинейная оптожидкостная система в селективно заполненных жидкостью фотонных кристаллических волокнах". Optics Express . 18 (24): 25232–25240. Bibcode : 2010OExpr..1825232V. doi : 10.1364/oe.18.025232 . ISSN  1094-4087. PMID  21164870.
  10. ^ Шао, Лиян; Лю, Чжэнъюн; Ху, Цзе; Гунавардена, Динуша; Там, Хва-Яв (2018-03-24). «Оптофлюидика в микроструктурированных оптических волокнах». Micromachines . 9 (4): 145. doi : 10.3390/mi9040145 . ISSN  2072-666X. PMC 6187474. PMID  30424079 . 

Дальнейшее чтение

  • Файнман, Йешаягу; Псалтис, Деметрий (18 сентября 2009 г.). Оптофлюидика: основы, устройства и приложения. McGraw Hill Professional. ISBN 978-0-07-160156-6. Получено 26 июня 2011 г.
  • Зан, Джеффри Д. (31 октября 2009 г.). Методы в биоинженерии: биомикрофабрикация и биомикрофлюидика. Artech House. ISBN 978-1-59693-400-9. Получено 26 июня 2011 г.
  • Ferreira M, Leça J (1 декабря 2022 г.). «Измерение показателя преломления в реальном времени с использованием оптожидкостных волоконных датчиков, напечатанных на 3D-принтере». Датчики . 22 (23): 9377. Bibcode :2022Senso..22.9377L. doi : 10.3390/s22239377 . PMC  9739723 . PMID  36502090.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Оптофлюидика&oldid=1149753488"