Оптофлюидика

Оптофлюидика — область исследований и технологий, сочетающая в себе преимущества струйной техники (в частности микрофлюидики ) и оптики . Приложения этой технологии включают дисплеи, биосенсоры, лабораторные устройства , линзы, а также инструменты молекулярной визуализации и энергетику.

История

Идея жидкооптических устройств восходит, по крайней мере, к 18 веку, когда вращающиеся бассейны ртути были предложены (и в конечном итоге разработаны) в качестве телескопов с жидкими зеркалами . В 20-м веке были разработаны новые технологии, такие как лазеры на красителях и волноводы с жидким сердечником, которые воспользовались возможностями настройки и физической адаптации, которые жидкости обеспечивали этим недавно появившимся фотонным системам. Область оптофлюидики формально начала появляться в середине 2000-х годов, когда области микрофлюидики и нанофотоники развивались, и исследователи начали искать синергию между этими двумя областями. ^[1] Одним из основных приложений в этой области является создание лабораторий на чипе и биофотонных продуктов. ^[2]^[3]^[4]

Компании и трансфер технологий

Оптофлюидные и связанные с ними исследования привели к созданию ряда новых продуктов и новых компаний. Varioptic специализируется на разработке линз на основе электросмачивания для различных применений. Компания Optofluidics, Inc. была основана в 2011 году Корнелльским университетом с целью разработки инструментов для молекулярного захвата и диагностики заболеваний на основе технологии фотонного резонатора. Компания Liquilume из Калифорнийского университета в Санта-Крус специализируется на молекулярной диагностике на основе стрелочных волноводов.

В 2012 году Европейская комиссия запустила новую структуру COST , которая касается исключительно оптофлюидных технологий и их применения. ^[5]

Примеры конкретных приложений

Учитывая широкий спектр технологий, которые уже разработаны в области микрофлюидики, и множество потенциальных применений интеграции оптических компонентов в эти системы, диапазон применения оптофлюидных технологий огромен.

Оптофлюидные волноводы на основе ламинарного потока

Оптофлюидные волноводы основаны на принципах традиционных оптических волноводов и микрофлюидных методах, используемых для поддержания градиентов или границ между текущими жидкостями. Ян и др. использовали микрофлюидные методы, основанные на ламинарном потоке на основе жидкости , для создания градиентных показателей преломления . ^[6] Это было реализовано путем пропускания двух слоев оболочки деионизированной воды ( $n=1.33$ ) вокруг основного слоя этиленгликоля ( $n=1.43$ ). Использование традиционных микрофлюидных методов ^[7] для создания и поддержания градиентов жидкостей, Yang et al. смогли поддерживать профили показателя преломления в диапазоне от ступенчатых профилей до профилей градиентного показателя преломления, изменяющихся по глубине . Это позволило создать новое и динамичное создание сложных волноводов.

Оптофлюидные фотонно-кристаллические волокна

Оптофлюидные фотонно-кристаллические волокна (ФКП) представляют собой традиционные ПФУ, модифицированные с помощью микрофлюидных технологий. Фотонно-кристаллические волокна представляют собой разновидность волоконно-оптического волновода с оболочными слоями, расположенными кристаллическим образом в поперечном сечении. Традиционно эти структурированные слои оболочки заполнены твердотельным материалом с разными показателями преломления или являются полыми. Каждая оболочка в таком случае действует как одномодовое волокно, пропускающее несколько световых путей параллельно. ^[8] Традиционные PCF также ограничены использованием полых или твердотельных сердечников, которые необходимо заполнить во время строительства. Это означает, что свойства материала PCF были заданы во время строительства и ограничивались свойствами твердотельных материалов. ^[8]

Пример того, как фотонно-кристаллическое волокно можно использовать для генерации спектрального суперконтинуума из узкополосного источника.

Вьюиг и др. использовал микрофлюидную технологию для выборочного заполнения участков фотонно-кристаллических волокон жидкостями, которые демонстрируют высокую степень керровской нелинейности , такими как толуол и четыреххлористый углерод . ^[9] Выборочное заполнение полых ПФУ жидкостью позволяет контролировать термодиффузию посредством пространственной сегрегации и дает возможность создавать модели нескольких различных типов жидкости. Используя нелинейные жидкости, Vieweg et al. смогли создать солитонный континуум, который имеет множество приложений для визуализации и связи. ^[10]^[9]

См. также

Список исследователей оптофлюидики

Ссылки

^ Псалтис, Д.; Землетрясение, СР; Ян, К. (2006). «Развитие оптофлюидных технологий путем слияния микрофлюидики и оптики» . Природа . 442 (7101): 381–386. Бибкод : 2006Natur.442..381P . дои : 10.1038/nature05060 . ПМИД 16871205 . S2CID 1729058 .
^ Зан, с. 185.
^ Боас, Гэри (июнь 2011 г.). «Оптофлюидика и реальный мир: технологии развиваются для решения задач 21 века» . Фотонные спектры . Проверено 26 июня 2011 г.
^ «Оптофлюидика: Оптофлюидика может создавать небольшие и дешевые биофотонные устройства» . 1 июля 2006 г. Проверено 26 июня 2011 г. ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
^ «Достижения COST Action MP1205 в оптофлюидике: интеграция оптического управления и фотоники с микрофлюидикой» . Архивировано из оригинала 26 ноября 2017 г. Проверено 14 февраля 2017 г.
^ Ян, Ю.; Лю, AQ; Чин, ЛК; Чжан, XM; Цай, ДП; Лин, CL; Лу, К.; Ван, врач общей практики; Желудев Н.И. (январь 2012 г.). «Оптофлюидный волновод как преобразующее оптическое устройство для изгиба и манипулирования световыми волнами» . Природные коммуникации . 3 (1): 651. Бибкод : 2012NatCo...3..651Y . дои : 10.1038/ncomms1662 . ISSN 2041-1723 . ПМЦ 3272574 . ПМИД 22337129 .
^ Азизипур, Неда; Авазпур, Рахи; Розенцвейг, Дерек Х.; Саван, Мохамад; Аджи, Абдалла (18 июня 2020 г.). «Эволюция технологии биочипов: обзор от лаборатории на чипе к органу на чипе» . Микромашины . 11 (6): 599. дои : 10,3390/ми11060599 . ISSN 2072-666X . ПМЦ 7345732 . ПМИД 32570945 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Ту, Хаохуа; Боппарт, Стивен А. (23 июля 2012 г.). «Когерентный волоконный суперконтинуум для биофотоники» . Обзоры лазеров и фотоники . 7 (5): 628–645. дои : 10.1002/lpor.201200014 . ISSN 1863-8880 . ПМЦ 3864867 . ПМИД 24358056 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Вьюег, М.; Гиссибл, Т.; Прикинг, С.; Кульми, БТ; Ву, округ Колумбия; Эгглтон, Би Джей; Гиссен, Х. (17 ноября 2010 г.). «Сверхбыстрая нелинейная оптофлюидика в селективно заполненных жидкостью фотонно-кристаллических волокнах» . Оптика Экспресс . 18 (24): 25232–25240. Бибкод : 2010OExpr..1825232V . дои : 10.1364/oe.18.025232 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 21164870 .
^ Шао, Лиян; Лю, Чжэнъюн; Ху, Цзе; Гунавардена, Динуша; Тэм, Хва-Яу (24 марта 2018 г.). «Оптофлюидика в микроструктурированных оптических волокнах» . Микромашины . 9 (4): 145. дои : 10,3390/ми9040145 . ISSN 2072-666X . ПМК 6187474 . ПМИД 30424079 .

Дальнейшее чтение

Фейнман, Йешаягу; Псалтис, Деметрий (18 сентября 2009 г.). Оптофлюидика: основы, устройства и приложения . МакГроу Хилл Профессионал. ISBN 978-0-07-160156-6 . Проверено 26 июня 2011 г.
Зан, Джеффри Д. (31 октября 2009 г.). Методы биоинженерии: биомикротехнология и биомикрофлюидика . Артех Хаус. ISBN 978-1-59693-400-9 . Проверено 26 июня 2011 г.
Феррейра М., Леса Ж (1 декабря 2022 г.). «Измерение показателя преломления в реальном времени с использованием оптофлюидных волоконных датчиков, напечатанных на 3D-принтере» . Датчики . 22 (23): 9377. Бибкод : 2022Senso..22.9377L . дои : 10.3390/s22239377 . ПМЦ 9739723 . ПМИД 36502090 .

[1] Псалтис, Д.; Землетрясение, СР; Ян, К. (2006). «Развитие оптофлюидных технологий путем слияния микрофлюидики и оптики» . Природа . 442 (7101): 381–386. Бибкод : 2006Natur.442..381P . дои : 10.1038/nature05060 . ПМИД 16871205 . S2CID 1729058 .

[2] Зан, с. 185.

[3] Боас, Гэри (июнь 2011 г.). «Оптофлюидика и реальный мир: технологии развиваются для решения задач 21 века» . Фотонные спектры . Проверено 26 июня 2011 г.

[4] «Оптофлюидика: Оптофлюидика может создавать небольшие и дешевые биофотонные устройства» . 1 июля 2006 г. Проверено 26 июня 2011 г. ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}

[5] «Достижения COST Action MP1205 в оптофлюидике: интеграция оптического управления и фотоники с микрофлюидикой» . Архивировано из оригинала 26 ноября 2017 г. Проверено 14 февраля 2017 г.

[6] Ян, Ю.; Лю, AQ; Чин, ЛК; Чжан, XM; Цай, ДП; Лин, CL; Лу, К.; Ван, врач общей практики; Желудев Н.И. (январь 2012 г.). «Оптофлюидный волновод как преобразующее оптическое устройство для изгиба и манипулирования световыми волнами» . Природные коммуникации . 3 (1): 651. Бибкод : 2012NatCo...3..651Y . дои : 10.1038/ncomms1662 . ISSN 2041-1723 . ПМЦ 3272574 . ПМИД 22337129 .

[7] Азизипур, Неда; Авазпур, Рахи; Розенцвейг, Дерек Х.; Саван, Мохамад; Аджи, Абдалла (18 июня 2020 г.). «Эволюция технологии биочипов: обзор от лаборатории на чипе к органу на чипе» . Микромашины . 11 (6): 599. дои : 10,3390/ми11060599 . ISSN 2072-666X . ПМЦ 7345732 . ПМИД 32570945 .

[:0-8] Перейти обратно: ^а ^б Ту, Хаохуа; Боппарт, Стивен А. (23 июля 2012 г.). «Когерентный волоконный суперконтинуум для биофотоники» . Обзоры лазеров и фотоники . 7 (5): 628–645. дои : 10.1002/lpor.201200014 . ISSN 1863-8880 . ПМЦ 3864867 . ПМИД 24358056 .

[:1-9] Перейти обратно: ^а ^б Вьюег, М.; Гиссибл, Т.; Прикинг, С.; Кульми, БТ; Ву, округ Колумбия; Эгглтон, Би Джей; Гиссен, Х. (17 ноября 2010 г.). «Сверхбыстрая нелинейная оптофлюидика в селективно заполненных жидкостью фотонно-кристаллических волокнах» . Оптика Экспресс . 18 (24): 25232–25240. Бибкод : 2010OExpr..1825232V . дои : 10.1364/oe.18.025232 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 21164870 .

[10] Шао, Лиян; Лю, Чжэнъюн; Ху, Цзе; Гунавардена, Динуша; Тэм, Хва-Яу (24 марта 2018 г.). «Оптофлюидика в микроструктурированных оптических волокнах» . Микромашины . 9 (4): 145. дои : 10,3390/ми9040145 . ISSN 2072-666X . ПМК 6187474 . ПМИД 30424079 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

v т и Основные разделы физики
Divisions	Pure Applied Engineering
Approaches	Experimental Theoretical Computational
Classical	Classical mechanics Newtonian Analytical Celestial Continuum Acoustics Classical electromagnetism Classical optics Ray Wave Thermodynamics Statistical Non-equilibrium
Modern	Relativistic mechanics Special General Nuclear physics Quantum mechanics Particle physics Atomic, molecular, and optical physics Atomic Molecular Modern optics Condensed matter physics
Interdisciplinary	Astrophysics Atmospheric physics Biophysics Chemical physics Geophysics Materials science Mathematical physics Medical physics Ocean physics Quantum information science
Related	History of physics Nobel Prize in Physics Philosophy of physics Physics education Timeline of physics discoveries

v т и о стекле Темы науки
Basics	Glass Glass transition Supercooling
Formulation	AgInSbTe Bioglass Borophosphosilicate glass Borosilicate glass Ceramic glaze Chalcogenide glass Cobalt glass Cranberry glass Crown glass Flint glass Fluorosilicate glass Fused quartz GeSbTe Gold ruby glass Lead glass Milk glass Phosphosilicate glass Photochromic lens glass Silicate glass Soda–lime glass Sodium hexametaphosphate Soluble glass Tellurite glass Thoriated glass Ultra low expansion glass Uranium glass Vitreous enamel Wood's glass ZBLAN
Glass-ceramics	Bioactive glass CorningWare Glass-ceramic-to-metal seals Macor Zerodur
Preparation	Annealing Chemical vapor deposition Glass batch calculation Glass forming Glass melting Glass modeling Ion implantation Liquidus temperature sol–gel technique Viscosity Vitrification
Optics	Achromat Dispersion Gradient-index optics Hydrogen darkening Optical amplifier Optical fiber Optical lens design Photochromic lens Photosensitive glass Refraction Transparent materials
Surface modification	Anti-reflective coating Chemically strengthened glass Corrosion Dealkalization DNA microarray Hydrogen darkening Insulated glazing Porous glass Self-cleaning glass sol–gel technique Tempered glass
Diverse topics	Conservation and restoration of glass objects Glass-coated wire Safety glass Glass databases Glass electrode Glass fiber reinforced concrete Glass ionomer cement Glass microspheres Glass-reinforced plastic Glass cloth Glass-to-metal seal Porous glass Pre-preg Prince Rupert's drops Radioactive waste vitrification Windshield Glass fiber