常规的光学器件采用固体加工工艺制作而成,具有十分有限的调谐能力。与固体不同,液体介质可以轻易地进行操控和替换,通过改变形状、折射率、光谱吸收系数等,实现更大范围的光学性质重构和调谐。早期的一些光学器件已经涉及到液体的应用,比如油浸显微镜、液晶显示等,但是应用范围十分有限,研究彼此独立尚不构成体系,且对液体的使用不够精细。微流控技术是一种在微米/纳米尺度下,进行微流体精确操纵与控制的学科。它以传统的微加工工艺为基础,通过在芯片上的微结构设计和功能集成,实现对微量液体的驱动、混合、分离等操作。具有试剂消耗少、流体响应快、制作成本低等特点,同时对液体的组分和空间分布,有很精细的调控能力。这激发了光流控技术的产生,通过将微流控技术应用到光学中,开发基于液体介质的可调谐光学器件和系统。由于液体的流动性,其光学性质(主要指折射率)具有明显的渐变特征。根据液体对光产生作用的方式不同,我们将这种液体独有的渐变特征分成主要的三类:时间渐变、空间渐变及阶跃式渐变。本论文分别将这些渐变特征应用到不同的光流控器件中去,开发新型的光学器件及光学方法。在此,将本论文的各个章节进行简要说明:第一章,本论文的研究背景。首先,我们简略地介绍了光流控技术的起源与发展过程,详细地分析了微流控技术和光学的结合为彼此带来的新优势,并指出需要注意的问题。接着,总结了微流控芯片和光学器件的主要加工方式,指出它们可能的结合形式。此后,阐述了微流体区别于宏观流体的主要流动特征,重点介绍微流体的动态平衡扩散产生的渐变分布。在本章的最后,根据流体渐变特性对光学产生作用方式的不同,将其进一步地细分为四类,总结各自的特点及应用案例。并以此为切入点,对本论文的研究目标进行概括性说明。第二章,时间渐变折射率的应用研究。基于位相反转型波带片的基本原理,我们在微流控芯片中设计了一种新型的固-液混合型波带片,它由固-液交替排列的半波带构成,液体平等地与固体发挥同样的位相调制作用。通过微混合器缓慢地改变液体的折射率,使波带片周期性地满足位相反转的条件,从而实现波带片聚焦性能的连续调节。实验中,聚焦模式在强聚焦、散焦及准直之间自由快速切换。焦点的特征,比如位置、大小、强度也实现较大范围的连续调节。此外,波带片的结构色散也被证明是可调谐的。第三章,空间渐变折射率的应用研究。我们利用微流体的扩散特点,在简单的沟道结构制作出新型的混合型波导:前端是渐变折射率的液-液波导,后端是阶跃型的固-液波导,两者通过层流间的对流扩散过程形成,并自然地实现过渡和转换。我们在这种波导结构中成功地实现了基于多模干涉的自成像效应,并证明了其具有很强的可调谐性。研究发现,渐变折射率波导不仅能够有效地进行光源整形,消除额外的光衍射,还能够进一步地影响多模干涉过程,产生可控的畸形干涉现象,实现自成像图案的空间调制。与固体波导相比,这种片上波导结构简单、加工方便、可调性强,非常适用于微流控芯片上的光学应用。第四章,阶跃式渐变分布的应用研究。我们将微流控网络用作反应室,使待测样品与指示剂在微流控网络中不断地进行重分配和显色反应,最终生成的有色产物形成独特的阶跃式渐变浓度分布,并据此提出了用于亚硝酸盐检测的新方法—差分色度法。与常规的比色法不同,这种方法不需要系统标准曲线的测量,只需一步即可快速地检测出亚硝酸盐的浓度。检测数据具有自校准能力,可以有效排除微流体中气泡、杂质等引起的误差。差分的数据处理方法,不仅将检测的精度、稳定度提高数倍以上,还对各种因素引起的系统漂移、吸光系数变化有很强的抵抗能力。第五章,总结与展望。依次总结博士阶段的主要工作,阐述每个光流控器件的设计过程、工作机制及性能。然后,根据目前的研究状况,提出了一些光流控未来可能的发展方向。