微流控光学器件与系统的研究进展

　　1　引　言

　　微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Sys-tems, MEMS)技术的巨大成功引起了一场微小型机械制造领域的科技革命,形成了集微传感器、微型机械、微执行器、智能控制于一体的新兴科学领域。近年来,在MEMS系统中,又迅速发展起来了一种极具活力的微生化分析系统———微全分析系统(Micro Total Analysis System,uTAS),其中微流控芯片系统(Microfluidic chip system),又称“芯片实室”(Lab on a chip),正处于当前发展的主流和前沿。

　　在微流控芯片系统中,受控流体的典型尺寸在几微米到几百微米之间。在这种尺度下,相对其它作用力,流体表面张力起着主导性作用。到目前为止,对微流体操纵技术主要有:电化学反应[1],静电驱动[2],介电电泳[3],热毛细管[4,5],介质上电润湿(Electrowetting On Dielectric,EWOD)[6]以及常规气压控驱动等。相对来讲,常规气压控驱动是一种比较成熟的流体驱动技术,通过调节气压来驱动管道内流体;介质上电润湿(EWOD)是指通过在介质层下面的微电极阵列上施加电势来控制液体和固体表面之间的润湿特性。通过部分改变液体和固体表面的界面能,造成液体的不对称形变来实现对液体的驱动和控制;而热毛细管是指在液体局部加热,产生热梯度,改变液体局部表面界面能,从而实现对液体的操纵。与常规气压控驱动相比,后两种操纵机制不需要活动的泵、阀,并能够进行一些复杂的、高并行性操作。

　　随着光学系统的蓬勃发展,光学器件的微型化、集成化、可调化将成为光技术的重要发展方向。然而,传统光学器件具有体积大、成本高、可调性差等缺陷,这些将直接阻碍现代光学系统的微型化、产业化进程。J E Fouquet等首先将微流控技术应用到光开关[7]上,这揭开了微流控技术应用到光学系统———微流控光学系统的序幕。微流体技术为光开关、光透镜以及可调光纤等器件的微型化、阵列化、低成本化和高精度控制提供了技术的可行性。近年来随着光通信技术、多媒体技术以及光测试系统的高速发展,研究微小型低成本光学器件,无疑会对光学系统的发展有着重要的现实意义。在新一代高速光传输系统中,微流控技术将在提高传输系统容量、传输速度等方面发挥重要的作用;在新型光图像显示系统中,它为高清晰度、高亮度、高分辨率显示提供可行的技术;在微型光仪器系统中,它将为仪器微型化、可调性以及降低成本方面提供新的思路。文章根据目前微流控光学器件的研究现状,主要叙述基于微流控的可变焦光透镜、显示器件、光开关、以及可调光纤光栅等光学器件。

　　2.1　可变焦光透镜