高分子光学共振微腔的微流控制备研究和性能表征

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光学微腔因品质因数高,检测灵敏度高,检测模式为物理吸附的通用模式,体积小等特性,在传感器领域有极大的应用潜力。近年来,出现了多种类型的光学微腔,例如回音壁模式、法布里-珀罗和光子晶体。其中,回音壁共振颗粒(Whispering gallery mode particle,WGMP)一经制备成功,就在生物检测领域引起了密切的关注。其灵敏度高、通用性强、适用面广和不需要标记物等特性,使其立刻成为传感器领域炙手可热的研究方向。尽管其在生化传感检测方面取得了突出的进展和成就,但关于WGMP制造方法和途径仍然非常有限。现有的大部分进展都是在微米环形结构的基础上实现的。由于微米环形结构制备工艺非常复杂成本高昂,人们试图简化微环形结构为微球,微圆柱甚至微盘来简化制备工艺降低制造成本。这些简化的结构在一定程度上确实简化了制造过程,但也带来了共振光强度降低性能下降等问题。我们提出了通过微流体技术实现自耦合低成本大批量WGMP的制备方法。本文将荧光染料加载到谐振微腔中以实现自耦合,从而去掉了WGM谐振器中复杂且脆弱的耦合部分,将WGMP从耦合光纤中解放出来,并且还避免了调节位置和角度可能带来的测试系统误差。这一自耦合光学微腔可以根据需要精确地调节加载荧光染料的量,可以实现系统地调整激光阈值等光学性能等操作,为系统化的研究光学微腔的性能提供了一个可靠的制备平台。本文探究了微流控制备WGMP过程中分散相和连续相的驱动压强、配比与气压差和微球固化的后处理条件,最后成功制备出微米级单分散的聚苯乙烯微球。我们通过在聚苯乙烯微球中掺入荧光染料尼罗红,成功制备出实现了自耦合光学微腔尼罗红聚苯乙烯微球。我们表征了其的粒径分布和荧光光谱,并进一步测试了其光学共振的性能。在对其进行了详细的光学表征后,我们计算出了它的品质因数和激光阈值,充分证明了这种简便的方法能够大批量制备单分散聚苯乙烯光学微腔。更进一步的研究可以拓展制备出的微球用来进行种类繁多的功能化。我们相信这一制备平台为WGM光学微腔的制备提供了一个全新的途径,能让更多人系统地研究开发WGM光学微腔的应用,为WGM光学微腔的批量制造与商业应用打好一定的基础,缩小学术研究与实际应用之间的差距。
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