基于荧光共振能量转移机制的微流激光研究

A lasing channel will be fabricated by inserting a bare quartz fiber into a polydimethylsiloxane (PDMS) substrate microfluidic channel filled with dye solution, optically pumped and gain coupled by evanescent-waves along the bare fiber axis, an integration coherent light source in a PDMS microfluidic chip will be realized. The lasing gain consists of donors and acceptors dye molecules mixture solution or quantum dots (QDs) and acceptors dye molecules mixture solution and flows along the axis of the bare fiber whose circular cross-section forms a ring resonator and supports the whispering gallery modes (WGMs). The donors will be excited and subsequently transfer energy to acceptors through the fluorescence resonance energy transfer (FRET), whose high-efficiency emission is coupled into the WGM. A wedge-shaped optical fiber will be used to couple WGM lasing emission out of circular cavities built in the cross-sections of the bare quartz fiber. A coupled asymmetric cylindrical microcavity structure, fabricated by binding two different diameter bare optical fibers together, will be used to realize single mode WGM lasing emission based on the Vernier effect. A wavelength tunable multicolor single mode WGM lasing emission will be obtained in a single bare optical fiber without the need to change the pump wavelength and the lasing gain medium. If the project, that is the study on microfluidic laser based fluorescence resonance energy transfer mechanism, will be supported and carried out successfully, it will open a new technical way in coherent light source generation in a microfluidic chip, providing a broad range of significant applications in such fields as biotechnology and chemical analysis.

将石英裸光纤埋入含有染料溶液的聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 基片微流道中构成激光通道，采用沿光纤轴向消逝波光抽运方式实现微流芯片上相干光源的集成。利用荧光共振能量转移 (FRET) 机制，实现供体染料分子和受体染料分子以及供体量子点 (QDs) 和受体染料分子之间的 FRET，获得高效率的回音壁模式 (WGM) 激光辐射；用楔形光纤与圆柱形微腔耦合方式实现 WGM 激光的定向输出；利用耦合光纤中的 Vernier 效应，实现单模 WGM 激光辐射；在不改变抽运波长及不更换激光增益介质的情况下，同时实现可调谐的多色单模 WGM 激光辐射。基于 FRET 机制的微流新型相干光源在 PDMS 基片微流道中的成功开展，将为微流芯片中相干光的产生开启一条新的技术路线，在生物技术、化学分析等领域具有重要的应用前景。

将石英裸光纤植入聚二甲基硅氧烷(PDMS)基片的微流道中，在沟槽中通入低折射率的增益包层溶液。采用沿光纤轴向消逝波光抽运方式，激光增益通过光纤圆形谐振腔中具有极高品质因素的回音壁模式提供光学反馈，实现较长产生长度及极低阈值的激光辐射。在不改变抽运光波长的情况下，利用染料分子间的荧光共振能量转移(FRET)机制，实现了从能量供体罗丹明B到能量受体LDS821的激光辐射，激光调谐波长约为240nm。通过沿光纤轴向不同沟槽中填入罗丹明6G，罗丹明640以及罗丹明B与LDS821的混合溶液，利用染料分子间的荧光共振能量转移(FRET)机制，实现了可调谐的三波段的激光辐射。在PDMS微流道中注入罗丹明B的丙三醇水溶液中，采用沿光纤轴向消逝波光抽运方式，发现随着染料浓度以及丙三醇水溶液折射率的增加，回音壁模式激光阈值均先减小后增加，存在一个与最小阈值对应的最佳染料浓度以及最佳溶液折射率。实验还发现，与相同浓度和折射率的罗丹明B乙醇和乙二醇混合溶液相比，丙三醇和水混合的罗丹明B染料溶液具有更低的激光阈值。采用沿光纤轴向光激励方式，在PDMS基片微流道中获得均匀的荧光辐射。实验发现，在激励光强确定的条件下，荧光辐射的强度与染料溶液的浓度成线性增长的关系，而与包层溶液的折射率成非线性增长的关系。荧光辐射的强度随光纤轴向距离的增加而衰减, 光纤包层溶液折射率越大, 荧光沿光纤轴向的衰减越突出；包层溶液中染料浓度越大, 荧光沿光纤轴向的衰减也越突出；通过选择适当的包层溶液折射率以及染料浓度可以获得沿光纤轴向接近均匀的荧光辐射。设计并制作了一种具有三个通道的PDMS基片，通过在三个通道中分别注入不同染料的溶液，采用沿光纤轴向消逝波光激励方式，在一块PDMS基片上同时实现了三个不同波段的荧光辐射。设计并制作了基于PDMS的微流通道，在通道中植入石英裸光纤，在光纤与通道的缝隙处注入低折射率的染料溶液作为光纤的包层，采用侧向光抽运方式，研究了消逝波增益耦合的WGM激光的辐射特性。实验结果表明：在相同浓度和折射率的情况下，TM模式WGM激光的耦合效率大约是TE模式激光耦合效率的两倍；通过增加光纤包层溶液折射率，TE模式激光和TM模式激光的模式间隔变小，同时激光的中心波长发生了蓝移。