KR101054357B1 - Three dimensional liquid-core/liquid cladding optical waveguide using dean vortex in a microchannel and light transferring method using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 마이크로 채널 내의 3차원 액체 코어 및 액체 클래딩을 이용한 옵티컬 웨이브 가이드 장치 및 그 장치를 이용한 옵티컬 웨이브 가이드 방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는 광을 수직방향으로 이송할 때의 광학손실을 감소시키고(광을 2차원적으로 이송할 때의 광학손실을 감소시키고), 유속을 증가시켜 분자 확산을 지연하고 가라앉음 현상을 방지하여 경로를 증대시킬 수 있는 3차원 액체 코어/액체 클래딩 옵티컬 가이드 장치 및 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an optical wave guide device using a three-dimensional liquid core and liquid cladding in a microchannel and an optical wave guide method using the device. More specifically, it reduces optical loss when transporting light in the vertical direction (reduces optical loss when transporting light in two dimensions) and increases flow velocity to delay molecular diffusion and prevent sinking. It relates to a three-dimensional liquid core / liquid cladding optical guide device and method that can increase the path by.
옵토-유체(opto-fluidics)는 광학과 유체역학이 결합된 학문으로서 랩온어칩(Lab-on-a-chip) 등의 마이크로 스케일 디바이스에서 탐지, 진단, 분석 등의 목적으로 광원(62)의 조작이 중요해짐에 따라 다분야에서 연구가 이루어지고 있는 분야이다. 이 중 광원(62)으로부터 발생된 광을 이송시키는 기술인 옵티컬 웨이브 가이드 장치 기술은 광원(62)의 이송 자체에서부터 소량의 샘플을 이용한 화학적 분석·모니터링, 의료진단, 실시간 환경모니터링, 화학 무기 탐지 등의 마이크로 스케일의 온칩(on-chip) 분석 목적으로서 여러 부문에서 사용되고 있어 많은 연구가 진행되고 있다.Opto-fluidics is a combination of optics and hydrodynamics that manipulates the
옵티컬 웨이브 가이드 장치는 고체-코어/고체-클래딩 옵티컬 파이버로부터 시초가 되어 이후에 마이크로 장치와의 결합의 용이성 등의 장점을 가지는 액체-코어/고체-클래딩 옵티컬 웨이브 가이드 장치를 거쳐 액체-코어/액체-클래딩 옵티컬 웨이브 가이드 장치로 발전하였다.The optical waveguide device originates from a solid-core / solid-clad optical fiber and later through the liquid-core / solid-cladding optical waveguide device to provide a liquid-core / liquid-like advantage. Advances in cladding optical waveguide devices.
기존의 시스템에 비해 광학적으로 매끄러운 코어/클래딩 경계면을 얻을 수 있고, 웨이브 가이드 장치의 개구수(numerical aperture, NA)를 능동적으로 조절할 수 있으며, 코어 유체의 선택에 따라 다양한 응용 분야를 가질 수 있다는 장점을 지니게 된다. 웨이브 가이드 장치의 개구수는 다음의 수식으로 정의된다.Compared to the existing system, the optically smooth core / cladding interface can be obtained, the numerical aperture (NA) of the wave guide device can be actively adjusted, and various applications are possible depending on the choice of the core fluid. Will have. The numerical aperture of the waveguide device is defined by the following equation.
여기서 NA는 개구수를 나타내고, ncore 와 ncladding 은 각각 코어와 클래딩의 굴절률(refractive index)을 나타낸다.Where NA represents the numerical aperture and n core And n cladding represent the refractive index of the core and cladding, respectively.
이상의 특징을 가지는 옵티컬 웨이브 가이드 장치에 대해 제이. 에이 올리베르 등에서(J. A.Olivares et al. (Liguid Core Waveguide for Full Imaging of Electrophoretic Separations, Anal. Chem., 2002, 2008-2013))는 액체-코어/고체-클래딩 옵티컬 웨이브 가이드 장치를 이용한 DNA 분리의 가시화에 대한 연구를 수행하였고, 디.비.올프 등에서(D. B. Wolfe et al. (액체-코어/액체-클래딩의 동적 제어, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 2004, 12434-12438))는 액체-코어/액체-클래딩 옵티컬 웨이브 가이드 장치를 이용한 옵티컬 스위치 등의 응용분야를 제시하였다. 그러나 디.비.올프 등에서의 연구는 마이크로 채널의 수직 방향으로 코어 유체와 채널 벽면이 접촉하게 되는 2차원적인 옵티컬 웨이브 가이드 장치로서 한계를 지니고 있다. J for an optical wave guide device having the above characteristics. JA Olivares et al. (Liguid Core Waveguide for Full Imaging of Electrophoretic Separations, Anal. Chem., 2002, 2008-2013) provides a visualization of DNA separation using liquid-core / solid-cladding optical waveguide devices. A study was conducted on D. B. Olf et al. (DB Wolfe et al. (Dynamic Control of Liquid-Core / Liquid-Cladding, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2004, 12434-12438)) -Applications such as optical switch using core / liquid-cladding optical waveguide device are presented. However, research in D. B. Olf et al. Has limitations as a two-dimensional optical waveguide device in which the core fluid and the channel wall contact in the vertical direction of the microchannel.
기존의 문헌에서 제시하고 있는 고체-코어/고체-클래딩 옵티컬 파이버나 액체-코어/고체-클래딩 옵티컬 웨이브 가이드 장치의 경우, 현재까지는 가장 안정적인 성능을 보이지만 기하학적이지 않으며 웨이브 가이드 장치의 개구수를 조절하는데 제한이 있다.The solid-core / solid-cladding optical fiber or liquid-core / solid-cladding optical waveguide device proposed in the existing literature has the most stable performance to date, but it is not geometrical and is used to control the numerical aperture of the waveguide device. There is a limit.
이러한 고체-코어/고체-클래딩 옵티컬 파이버나 액체-코어/고체-클래딩 옵티컬 웨이브 가이드 장치의 단점을 보완하기 위해 몇몇 문헌에서 액체-코어/액체-클래딩 옵티컬 웨이브 가이드 장치에 관해서 기술하고 있으나 2차원적인 형상에 머물고 있다. 이에 따라 마이크로 채널 내에서 수직방향으로 코어 유체와 채널 벽면이 접촉하게 된다. 옵티컬 웨이브 가이드 장치의 효율은 기본적으로 코어와 클래딩 물질의 굴절률 차이에 의해 결정되게 된다. 일반적으로 클래딩 유체의 굴절률이 마이크로 채널의 제조에 주로 사용되는 물질(e.g. PDMS, Polydimethylsiloxane)에 비해 작기 때문에 코어 유체의 채널 벽면 접촉에 따른 광손실이 발생하게 된다. 또한 코어 유체와 클래딩 유체의 유속이 그리 크지 않아 분자 확산혹은 열 확산 반응에 의해 코어 유체와 클래딩 유체의 굴절률 차이가 급격하게 감소하여 옵티컬 웨이브 가이드 장치 경로가 짧다는 문제가 발생하였다. 일반적으로 코어 유체의 밀도가 클래딩 유체의 밀도에 비해 크기 때문에 느린 유속에 따른 코어 유체의 마이크로 채널 바닥면으로의 가라앉음도 문제점으로 지적되어 왔다.In order to supplement the shortcomings of such solid-core / solid-clad optical fiber or liquid-core / solid-clad optical waveguide device, some documents describe a liquid-core / liquid-clad optical waveguide device, but two-dimensional Staying in shape. As a result, the core fluid and the channel wall contact each other in the vertical direction in the microchannel. The efficiency of the optical waveguide device is basically determined by the refractive index difference between the core and the cladding material. In general, since the refractive index of the cladding fluid is smaller than that of the material (e.g. PDMS, Polydimethylsiloxane), which is mainly used for the production of microchannels, optical loss due to channel wall contact of the core fluid occurs. In addition, since the flow rate of the core fluid and the cladding fluid is not so large, the difference in refractive index between the core fluid and the cladding fluid is drastically reduced by molecular diffusion or thermal diffusion reaction, resulting in a short optical wave guide device path. In general, since the density of the core fluid is large compared to the density of the cladding fluid, it has been pointed out that the slowing of the core fluid to the bottom of the microchannel due to the slow flow rate is a problem.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 일실시예에 의하면, 앞서 언급한 기존의 방법들의 단점을 보완한 3차원 액체-코어/액체-클래딩 옵티컬 웨이브 가이드 장치를 제공하게 된다. The present invention has been made to solve the above problems, in accordance with an embodiment of the present invention, to provide a three-dimensional liquid-core / liquid-cladding optical wave guide device that supplements the disadvantages of the existing methods mentioned above Done.
현재 제작되는 마이크로 채널은 주로 반도체 공정에서 사용되었던 소프트 리소그래피 공정을 통해 이루어지게 되는데 이에 따라 다중층을 사용하게 되면 공정의 복잡성이 증대되어 제작 단가가 증가하게 된다. 그러나 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 액체코어/액체 클래딩 옵티컬 웨이브 가이드 장치에서는 간단한 형상을 이용하여 단일층을 사용하여 유체를 3차원적으로 집속시키는 유체역학적인 집속 방법을 동원하게 된다.Currently manufactured microchannels are made mainly through the soft lithography process used in the semiconductor process. Therefore, the use of multiple layers increases the complexity of the process and increases the manufacturing cost. However, the three-dimensional liquid core / liquid cladding optical wave guide device according to an embodiment of the present invention employs a hydrodynamic focusing method of focusing a fluid three-dimensionally using a single layer using a simple shape.
본 발명은 액체 코어/액체 클래딩 옵티컬 웨이브 가이드를 적용함으로써, 고체코어/ 고체 클래딩의 유연성 결여의 문제점을 극복하게 된다. 또한, 본 발명은 3차원 액체 코어/액체 클래딩 옵티컬 웨이브 가이드를 적용하게 됨으로써, 2차원 옵티컬 웨이브 가이드 기술의 문제점인 채널 벽면으로의 수직방향 광학손실을 차단하게 된다. 또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 빠른 유속을 실현할 수 있어, 기존의 3차원 옵티컬 웨이브 가이드의 문제점인 느린 유속에 따른 액체코어의 분자확산을 방지하게 된다. 또한, 빠른 유속의 실현으로 가라앉음 현상을 방지할 수 있어 보다 증대된 경로를 제공하게 된다. The present invention overcomes the problem of lack of flexibility in solid core / solid cladding by applying a liquid core / liquid cladding optical wave guide. In addition, the present invention is applied to the three-dimensional liquid core / liquid cladding optical wave guide, thereby blocking the vertical optical loss to the channel wall, which is a problem of the two-dimensional optical wave guide technology. In addition, according to one embodiment of the present invention, it is possible to realize a high flow rate, thereby preventing the molecular diffusion of the liquid core according to the slow flow rate, which is a problem of the conventional three-dimensional optical wave guide. In addition, the realization of a high flow rate can prevent the sinking phenomenon to provide an increased path.
본 발명의 그 밖에 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 관련되어 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명확해질 것이다. Other objects, specific advantages and novel features of the present invention will become more apparent from the following detailed description and preferred embodiments in conjunction with the accompanying drawings.
본 발명의 목적은, 마이크로 유체가 흐를 수 있는 통로가 되며, 마이크로 유체에 딘 와류를 형성하기 위해 소정 휨각(θ1)으로 휘어진 곡관(110)을 갖는 마이크로 채널 관로(10); 마이크로 채널 관로(10)의 일단에 연결되어 제 1클래딩 유체가 투입되는 제 1클래딩 유체 투입부(30); 일단에 제 1클래딩 유체 투입부(30)와 소정 투입각(θ2)을 이루고 연결되어 제 1클래딩 유체의 흐름방향을 따라 코어 유체가 투입되는 코어 유체 투입부(20); 딘 와류에 기초하여 코어 유체가 종방향으로 집속되는 곡관(110)의 단부에, 코어 유체의 횡방향 집속을 위해 마이크로 채널 관로(10)의 횡방향 양 측면으로 제 2클래딩 유체가 투입되는 한 쌍의 제 2클래딩 유체 투입부(40, 41); 마이크로 채널 관로(10)의 타단으로 연결되어 제 1, 2클래딩 유체 및 코어 유체가 배출되는 마이크로 유체 배출부(50); 및 코어 유체 투입부(20)의 일측에 결합되어 소정 광원(62)으로부터 조사된 광을 코어 유체 내부로 출력하는 광섬유(60);를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 내의 3차원 액체 코어 및 액체 클래딩을 이용한 옵티컬 웨이브 가이드 장치로서 달성될 수 있다. An object of the present invention is a
휨각(θ1)도는 90도인 것을 특징으로 할 수 있다. The bending angle θ 1 may be 90 degrees.
마이크로 채널 관로(10), 제 1클래딩 유체 투입부(30), 코어 유체 투입부(20), 한 쌍의 제 2클래딩 유체 투입부(40, 41) 및 마이크로 유체 배출부(50)는 단일층에 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.The micro channel conduit 10, the first cladding fluid inlet 30, the
마이크로 채널 관로(10), 제 1클래딩 유체 투입부(30), 코어 유체 투입부(20) 및 한 쌍의 제 2클래딩 유체 투입부(40, 41)는 소프트 리소그래피 공정으로 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.The microchannel conduit 10, the first
제 1클래딩 유체 및 제 2클래딩 유체는 굴절률이 동일한 액체인 것을 특징으로 할 수 있다.The first cladding fluid and the second cladding fluid may be characterized in that the liquid having the same refractive index.
제 1, 2클래딩 유체 및 코어 유체로 형성되는 웨이브 가이드 개구수는 다음의 수학식The waveguide numerical aperture formed of the first and second cladding fluids and the core fluid is expressed by the following equation.
(NA는 개구수, ncore는 코어유체의 굴절률, ncladding는 제 1, 2클래딩 유체의 굴절률 임)에 의해 결정되는 것을 특징으로 할 수 있다.(NA is a numerical aperture, n core is the refractive index of the core fluid, n cladding is the refractive index of the first, second cladding fluid).
광원(62)은 레이저 광원(62)인 것을 특징으로 할 수 있다.The
레이저 광원(62)은 Nd:YAG 레이저인 것을 특징으로 할 수 있다.The
딘 와류의 강도는 다음의 수학식Dean vortex strength is given by
및 And
(Re는 레이놀즈수(Reynolds number), ρ는 액체의 밀도, V는 유속, D는 수력학적 지름, μ는 액체의 점성계수, R는 곡관(110)의 평균 회전 곡률, Dn은 딘수(Dean number) 임)에 의해 결정되는 것을 특징으로 할 수 있다.Re is the Reynolds number, ρ is the density of the liquid, V is the flow rate, D is the hydraulic diameter, μ is the viscosity of the liquid, R is the average rotational curvature of the
코어 유체는 제 2클래딩 유체의 유량에 의해 유체 폭이 조절되는 것을 특징으로 할 수 있다.The core fluid may be characterized in that the fluid width is adjusted by the flow rate of the second cladding fluid.
조절된 유체 폭은 다음의 수학식The adjusted fluid width is
및 And
(M는 광의 모드수, V는 매개변수, a는 코어 유체의 폭, λ0는 자유공간에서의 광의 파장, NA는 개구수 임)에 의해 결정되는 광의 웨이브 가이드 모드수를 조절하기 위한 것임을 특징으로 할 수 있다.(M is the number of modes of light, V is the parameter, a is the width of the core fluid, λ 0 is the wavelength of light in free space, NA is the numerical aperture) You can do
또 다른 카테고리로서, 본 발명의 목적은, 제 1클래딩 유체 및 코어 유체가 서로 소정 투입각(θ2)을 이루는 제 1클래딩 유체 투입부(30) 및 코어 유체 투입부(20) 각각을 따라 마이크로 채널 관로(10)의 일단으로 투입되는 단계(S110); 광이 소정 광원(62)으로부터 조사되어 코어 유체 투입부(20)의 일측에 결합된 광섬유(60)를 통해 코어 유체 내부로 출력되는 단계(S120); 광이 마이크로 채널 관로(10) 내부의 소정 휨각(θ1)으로 휘어진 곡관(110)을 따라 형성된 제 1클래딩 유체 및 코어 유체의 딘 와류에 기초하여 종방향으로 집속되는 제 1집속단계(S130); 광이 종방향의 집속이 끝나는 곡관(110)의 단부에 횡방향으로 형성된 한 쌍의 제 2클래딩 유체 투입부(40, 41)를 따라 투입된 제 2클래딩 유체에 의해 횡방향으로 집속되는 제 2집속단계(S140); 및 광이 마이크로 채널 관로(10)의 타단과 연결되어 코어 유체 및 제 1, 2클래딩 유체를 배출하는 마이크로 유체 배출부(50)를 따라 외부로 배출되는 단계(S150);를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 내의 3차원 액체 코어 및 액체 클래딩을 이용한 옵티컬 웨이브 가이드 방법으로 달성될 수 있다.As another category, an object of the present invention is to provide a micro-accommodator for the first cladding
광의 제 1집속단계(S130)에서, 휨각(θ1)은 90도인 것을 특징으로 할 수 있다.In the first focusing step S130 of light, the bending angle θ 1 may be 90 degrees.
광의 제 2집속단계(S140)는, 광이 제 2클래딩 유체의 유체량에 의해 횡방향으로 집속되는 단계인 것을 특징으로 할 수 있다.The second focusing step S140 of light may be characterized in that the light is focused in the lateral direction by the amount of fluid in the second cladding fluid.
광의 배출단계(S150)는, 광에 의해 소정 화학성분을 분석하는 분석수단 또는 광에 의해 디스플레이되는 디스플레이수단으로 배출되는 단계인 것을 특징으로 할 수 있다..Emission of the light (S150) may be characterized in that the step of emitting to the analysis means for analyzing a predetermined chemical component by the light or the display means displayed by the light.
본 발명의 일실시예에 따르면, 고체코어/ 고체 클래딩의 유연성 결여의 문제점을 극복할 수 있는 효과를 갖게 된다. 또한, 본 발명의 일실시예에서는 3차원 액체 코어/액체 클래딩 옵티컬 웨이브 가이드를 적용하게 됨으로써, 2차원 옵티컬 웨이브 가이드 기술의 문제점인 채널 벽면으로의 수직방향 광학손실을 차단할 수 있는 효과를 갖는다. According to one embodiment of the present invention, it has an effect that can overcome the problem of the lack of flexibility of the solid core / solid cladding. In addition, in one embodiment of the present invention by applying a three-dimensional liquid core / liquid cladding optical wave guide, it has the effect of blocking the vertical optical loss to the channel wall, which is a problem of the two-dimensional optical wave guide technology.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 빠른 유속을 실현할 수 있어, 기존의 3차원 옵티컬 웨이브 가이드의 문제점인 느린 유속에 따른 액체코어의 분자확산을 방지할 수 있는 장점을 갖는다. 또한, 빠른 유속의 실현으로 가라앉음 현상을 방지할 수 있어 보다 증대된 경로로 사용가능하다는 효과를 갖는다. In addition, according to one embodiment of the present invention, it is possible to realize a high flow rate, has the advantage of preventing the molecular diffusion of the liquid core according to the slow flow rate which is a problem of the conventional three-dimensional optical wave guide. In addition, it is possible to prevent the sinking phenomenon by the realization of a high flow rate has the effect that can be used in an increased path.
본 발명은 마이크로 채널 내에서 딘 와류를 이용한 3차원 액체-코어/액체-클래딩 옵티컬 웨이브 가이드 장치에 대한 내용으로, 전 세계적으로 적은 샘플을 사용하여 화학적 분석 모니터링, 의료 진단 등이 가능한 마이크로 스케일에서의 장치에 대한 연구가 진행되고 있는 상황에서 본 발명에서 제안된 3차원적 액체-코어/액체-클래딩 옵티컬 웨이브 가이드 시스템을 의료 진단, 화학 성분 분석, 실시간 환경 모니터링, 화학 무기 탐지 등의 on-chip 장치 개발에 적용하면 마이크로 디바이스에서의 광원 혹은 광원 이송장치로 적용 가능하다. 또한 코어 유체의 굴절률을 능동적으로 조절해 주면 초소형 디스플레이 장치에 응용 가능하다는 장점을 갖는다.The present invention relates to a three-dimensional liquid-core / liquid-cladding optical waveguide device using Dean vortices in a microchannel. In the midst of research on the device, the three-dimensional liquid-core / liquid cladding optical wave guide system proposed in the present invention can be used for on-chip devices such as medical diagnosis, chemical composition analysis, real-time environmental monitoring, and chemical weapon detection. When applied to development, it can be applied as a light source or a light source transfer device in a micro device. In addition, the active control of the refractive index of the core fluid has the advantage that it can be applied to a small display device.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어 졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허 청구 범위에 속함은 자명하다.Although the present invention has been described in connection with the above-mentioned preferred embodiments, it will be readily apparent to those skilled in the art that various other modifications and variations are possible without departing from the spirit and scope of the present invention. Are all within the scope of the appended claims.
도 1은 본 발명인 옵티컬 웨이브 가이드 장치에 따른 일 실시예의 구성을 나타낸 구성도,
도 2는 본 발명인 옵티컬 웨이브 가이드 장치에 따른 일 실시예의 포토마스크 설계도를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명인 옵티컬 웨이브 가이드 장치에 따른 일 실시예 중 제 1클래딩 유체 투입부(30), 코어 유체 투입부(20), 곡관(110)과 곡관(110)에서 형성된 딘 와류의 단면을 나타낸 도면,
도 4는 본 발명인 옵티컬 웨이브 가이드 장치에 따른 일 실시예 중 제 2클래딩 유체 투입부와 횡방향으로 집속되는 광의 단면들을 나타낸 도면,
도 5는 본 발명인 옵티컬 웨이브 가이드 장치에 따른 일 실시예를 통한 레이저광의 가이딩 평면을 나타낸 평면사진,
도 6은 본 발명인 옵티컬 웨이브 가이드 장치에 따른 일 실시예를 통한 레이저광의 가이딩 측면을 나타낸 측면사진,
도 7a 내지 도 7c는 본 발명인 옵티컬 웨이브 가이드 장치에 따른 일 실시예를 이용해 제 2클래딩 유체의 유량 조절에 따른 코어 유체의 폭 조절 정도를 나타내기 위해 마이크로 유체 배출부(50)로 배출되는 광의 정면을 나타낸 사진들,
도 8은 본 발명인 옵티컬 웨이브 가이드 방법에 따른 일 실시예를 순차적으로 나타낸 흐름도이다.1 is a block diagram showing the configuration of an embodiment according to the present invention optical wave guide device,
2 is a view showing a photomask design of an embodiment according to the present invention optical wave guide device,
3 is a cross-sectional view of Dean vortices formed in the first cladding
4 is a cross-sectional view showing cross sections of light focused in the transverse direction with a second cladding fluid input unit according to an embodiment of the present invention, an optical wave guide device;
5 is a planar photograph showing a guiding plane of a laser beam according to an embodiment of the present invention an optical wave guide device;
Figure 6 is a side view showing the guiding side of the laser light through an embodiment according to the present invention optical wave guide device,
7A to 7C are front views of the light emitted to the
8 is a flowchart sequentially showing an embodiment according to the optical wave guide method of the present invention.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. With reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment that can be easily implemented by those skilled in the art to which the present invention pertains. However, in describing in detail the operating principle of the preferred embodiment of the present invention, if it is determined that the detailed description of the related known functions or configurations may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 ‘연결’되어 있다고 할 때, 이는‘직접적으로 연결’되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고,‘간접적으로 연결’되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를‘포함’한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
In addition, the same reference numerals are used for parts having similar functions and functions throughout the drawings. Throughout the specification, when a part is 'connected' to another part, this includes not only 'directly connected' but also 'indirectly connected' with another element in between. do. In addition, "including" any component does not exclude other components unless specifically stated otherwise, it means that may further include other components.
<< 옵티컬Optical 웨이브 가이드 장치 구성 및 작용> Wave Guide Device Configuration and Operation>
도 1은 본 발명인 옵티컬 웨이브 가이드 장치에 따른 일 실시예의 구성을 나타낸 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 옵티컬 웨이브 가이드 장치는 코어 유체 투입부(20), 제 1 클래딩 유체 투입부(30), 마이크로 채널 관로(10), 제 2 클레딩 유체 투입부(40, 41)), 마이크로 유체 배출부(50), 광원(62), 광섬유(60)를 포함한다. 1 is a block diagram showing the configuration of an embodiment according to the optical wave guide device of the present invention. As shown in FIG. 1, the optical wave guide device includes a
도 1에 도시된 바와 같이, 점선 화살표 방향은 광의 흐름을 나타낸 것이고, 실선 화살표는 유체의 흐름을 나타낸 것이다. 유체 흐름은 코어 유체 투입부(20)에서 코어 유체를 마이크로 채널 관로(10)로 투입시키고, 그리고, 제 1 클래딩 유체 투입부(30)에서 제 1 클래딩 유체를 마이크로 채널 관로(10)로 투입하게 된다. 마이크로 채널 관로(1)에 구비된 곡관(110)은 소정 휨각(θ1)을 가지고 휘어져서 형성되어 있다. 이러한 휘어진 곡관(11) 형상에 의해 마이크로 채널 관로(10) 내에 딘 와류가 발생하여 코어 유체를 종 방향으로 집속시키게 된다. 즉, 휨각(θ1)은 제 1 클래딩 유체가 투입되는 방향과 유체 배출부(5)에서 유체가 배출되는 방향과 이루는 각도가 된다.이러한 휨각(θ1)은 90°이다. As shown in FIG. 1, the dotted arrow direction indicates the flow of light and the solid arrow indicates the flow of the fluid. Fluid flow causes the
그리고, 마이크로 채널 관로(10)의 횡방향 양쪽 측면 각각에 제 2 클래딩 유체 투입부(30)가 구비된다. 제 2 클레딩 유체 투입부(40, 41))에 의해 마이크로 채널 관로(10) 내로 제 2 클래딩 유체가 유입되게 된다. 제 2 클래딩 유체의 투입으로 코어 유체가 횡방향으로 집속되어 3차원 옵티컬 웨이브 가이드를 형성하게 된다. 그리고, 마이크로 채널 관로(10) 끝단에 마이크로 유체 배출부(50)가 구비된다. 따라서, 마이크로 유체 배출부(50)에 의해 마이크로 채널관로(10) 내에 흐르는 코어 유체와 클래딩 유체로 이루어진 마이크로 유체가 배출되게 된다. Then, the second
광의 흐름은 광원(62)에서 발생된 광이 광섬유(60)에 의해 이송되고, 광섬유(60)에 의해 전반사되어 이송된 광은 마이크로 채널 관로(10)에 집속된 코어 유체 경로를 따라 가이드되어 진다. 이러한 유체 코어/유체 클래딩 3차원 옵티컬 가이드 장치는 단일 층으로 형성된다. The flow of light is the light generated from the
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 옵티컬 웨이브 가이드 장치에서 유체의 투입 방향과 위치를 보여주는 모식화된 단면도(포토마스크 설계도)를 도시한 것이다. 도 2 에 도시된 바와 같이, 광섬유(60)를 따라 광이 전송되어 코어 유체 투입부(20) 내로 주사된다. 그리고, 코어 유체 투입부(20)는 마이크로 채널 관로(10)와 연결되어 코어 유체 투입부(20) 내에 흐르는 코어 유체가 마이크로 채널 관로(10)로 투입되게 된다. 그리고, 코어 유체가 투입되는 위치에서 제 1 클래딩 유체 투입부(30)이 연결되어 있어, 제 1 클래딩 유체 투입부(30) 내의 제 1 클래딩 유체가 마이크로 채널 관로(10) 내로 투입된다. Figure 2 shows a schematic cross-sectional view (photomask design) showing the direction and position of the fluid injection in the three-dimensional optical wave guide device according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, light is transmitted along the
도 2 에 도시된 바와 같이, 제 1 클래딩 유체 투입부(30)와 코어 유체 투입부(20)는 마이크로 채널 관로(10)의 일단에서 투입각(θ2)을 이루며 결합되어 있다.따라서, 마이크로 채널 관로(10)로 유입되는 코어 유체의 유입방향과 제 1 클래딩 유체의 유입방향 사이의 각은 투입각(θ2)이 된다. 그리고, 마이크로 채널 관로(10)에 코어 유체와 제 1 클래딩 유체가 투입되고, 도 2 에 도시된 바와 같이, 마이크로 채널 관로(10)는 휨각(θ1)으로 휘어져 있음을 알 수 있다. 이러한 휘어진 형상에 의해 앞서 설명한 바와 같이, 마이크로 채널 관로(10) 내에 딘 와류 형성되고, 딘 와류 현상에 의해 코어 유체가 종방향으로 집속하게 된다. As shown in FIG. 2, the first
그리고, 도 2에 도시된 바와 같이, 마이크로 채널 관로(10)의 양쪽 측면 각각에 제 2 클래딩 유체 투입부(40, 41)가 연결되어 있음을 알 수 있다. 따라서, 마이크로 채널 관로(10)에 제 2 클래딩 유체 투입부(40, 41)에 의해 마이크로 채널 관로(10)로 제 2 클래딩 유체가 투입되고, 코어 유체는 횡방향으로 집속되게 된다. 마이크로 채널 관로(10)에 구비된 곡관(110)의 휨각(θ1)은 90 °정도가 된다. As shown in FIG. 2, it can be seen that the second
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 코어 유체의 종 방향 집속을 위한 코어 유체 투입부(20), 제 1 클래딩 유체 투입부(30) 및 마이크로 채널 관로(10)의 결합부분에 사시도를 도시한 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 마이크로 채널 관로(10) 내에 코어 유체는 딘 와류 현상에 의해 종방향으로 집속됨을 알 수 있다. 3 is a perspective view of the coupling portion of the
도 3에 도시된 바와 같이, 코어 유체가 휨각(θ1)으로 휘어진 마이크로 채널 관로(10)를 따라 진행하여 나갈 때 원심력과 벽면 효과에 의해 관로(10)의 중앙 부분에서 곡관(110)의 안쪽에서 바깥쪽으로 향하는 한 쌍의 와류가 발생하게 된다. 이러한 와류를 이용하여 코어 유체가 마이크로 채널 관로(10)의 안쪽 부분에 위치하도록 하고, 제 1 클래딩 유체를 투입시키면 90도로 휘어진 곡관(110)을 지나면서 종방향으로 집속이 이루어지게 된다. As shown in FIG. 3, when the core fluid proceeds out along the
이때 딘 와류의 강도는 두 개의 무차원수에 의해 결정되게 되는데, 두 개의 무차원수는 레이놀즈수(Reynolds number, Re)와 딘수(Dean number, Dn)이다. 레이놀즈수는 이하의 수학식 2에 의해 정의 되고, 딘 수는 이하의 수학식 3으로 정의된다.The strength of the Dean vortex is determined by two dimensionless numbers, the two dimensionless numbers being Reynolds number (Re) and Dean number (Dn). Reynolds number is defined by Equation 2 below, and Dean number is defined by Equation 3 below.
여기서, 는 액체의 밀도, V는 액체의 유속, D는 수력학적 지름, 는 액체의 점성 계수, R은 곡관(110)의 평균 회전 곡률을 나타낸다. here, Is the density of the liquid, V is the flow velocity of the liquid, D is the hydraulic diameter, Is the viscosity coefficient of the liquid, R is the average rotational curvature of the curved tube (110).
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 액체코어/액체 클래딩 옵티컬 웨이브 가이드 장치에서, 횡방향 집속을 위한 제 2 클래딩 유체 투입부(40, 41)와 마이크로 채널 관로(10)의 부분 사시도를 도시한 것이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 마이크로 채널 관로(10)의 양쪽 측면 각각에 제 2 클래딩 유체 투입부(40, 41)가 연결되어 있다. 그리고, 각각의 제 2 클래딩 유체 투입부(40, 41)에서 제 2 클래딩 유체가 마이크로 채널 관로(10)로 투입된다. 4 is a partial perspective view of a second
따라서, 종 방향으로 집속된 코어 유체는 횡 방향의 양쪽에서 감싸주는 제 2 클래딩 유체에 의해 마이크로 채널 관로(10)의 중앙부로 집속되게 되어 3차원 옵티컬 웨이브 가이드를 형성하게 된다.Accordingly, the core fluid focused in the longitudinal direction is focused to the center portion of the
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 액체 코어/액체 클래딩 옵티컬 웨이브 가이드를 이용해 532nm의 파장을 가지는 Nd:YAG 레이저를 가이드한 결과를 도시한 평면도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 코어 유체를 따라서 레이저가 안정적으로 가이드 되는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 빠른 유속을 실현할 수 있어, 확산 반응이 방지됨으로써 긴 웨이브 가이드 경로를 지닐 수 있게 된다.FIG. 5 is a plan view illustrating a result of guiding an Nd: YAG laser having a wavelength of 532 nm using a three-dimensional liquid core / liquid cladding optical wave guide according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, it can be seen that the laser is stably guided along the core fluid. Therefore, a high flow rate can be realized, and the diffusion reaction can be prevented so that a long wave guide path can be obtained.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 액체-코어/액체-클래딩 옵티컬 웨이브 가이드를 이용해 광원(62)의 광을 가이드한 결과를 도시한 측면도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 긴 가이드 경로를 따라 안정적으로 광이 가이드 되는 것을 확인 할 수 있다. 또한 기존의 2차원 액체-코어/액체-클래딩 옵티컬 웨이브 가이드에서 느린 유속으로 인해 밀도가 높은 코어 유체가 채널의 바닥면으로 가라앉는 문제가 빠른 유속으로 인해 해결되었음을 확인할 수 있다.FIG. 6 is a side view illustrating a result of guiding light of the
도 7a 내지도 7c는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 액체-코어/액체-클래딩 옵티컬 웨이브 가이드를 이용해 광원(62)의 광을 가이드한 결과를 도시한 단면도이다. 도 7a에서 도 7c로 갈수록 제 2 클래딩 유체 투입부(40, 41))에서 투입되는 제 2 클래딩 유체의 유량을 증가시켰다. 제 2 클래딩 유체 투입부(40, 41))에서 투입되는 제 2 클래딩 유체의 유량이 증가됨에 따라 가이드 되는 코어 유체의 폭이 감소하는 것을 볼 수 있다. 즉, 도 7a에 도시된 코어 유체의 폭보다 도 7b에 도시된 코어 유체의 폭이 감소되었고, 도 7b에 도시된 코어 유체의 폭보다 도 7c에 도시된 코어 유체의 폭이 더 감소되었음을 알 수 있다. 7A to 7C are cross-sectional views illustrating the results of guiding the light of the
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 옵티컬 웨이브 가이드에 있어서, 코어 유체의 폭은 가이드 되는 광의 모드수 (mode)를 결정하게 된다. 광은 여러 개의 모드가 중첩된 형태로 전파되게 되는데 모드수의 조절은 여러 응용 분야를 가지게 된다. 즉, 투입되는 제 2 클래딩 유체가 투입되는 양에 의해 코어 유체의 폭을 조절할 수 있고, 코어 유체의 폭 조절에 의해 광의 모드수를 조절할 수 있게 된다. 가이드되는 광의 모드수는 이하의 수학식 4로 계산 가능하다.In addition, in the optical wave guide according to an embodiment of the present invention, the width of the core fluid determines the mode number of the guided light. Light propagates in the form of overlapping modes, and the adjustment of the number of modes has various applications. That is, the width of the core fluid can be adjusted by the amount of the injected second cladding fluid, and the number of modes of light can be adjusted by adjusting the width of the core fluid. The number of modes of the guided light can be calculated by the following equation (4).
여기서 M은 가이드되는 광의 모드수를 나타내고, V는 매개 변수로써 이하의 수학식 5에 의해 정의된다.Where M represents the number of modes of the light to be guided, and V is defined by the following equation (5) as a parameter.
여기서, a는 코어 유체의 폭, 는 자유 공간에서의 광의 파장, NA는 개구수이다. 따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 액체-코어/액체-클래딩 옵티컬 웨이브 가이드 장치는 적은 샘플을 사용하여 화학적 분석 모니터링, 의료 진단 등이 가능한 마이크로 스케일에서의 장치에 대한 연구에 적용가능하다. 또한, 본 발명의 일실시예에 따른 3차원적 액체-코어/액체-클래딩 옵티컬 웨이브 가이드 장치를 의료 진단, 화학 성분 분석, 실시간 환경 모니터링, 화학 무기 탐지 등의 온-칩(on-chip) 장치 개발에 적용하면 마이크로 디바이스에서의 광원(62) 또는 광원(62) 이송장치로 적용 가능하다. 또한 코어 유체의 굴절률을 능동적으로 조절해 주면 초소형 디스플레이 장치에 응용 가능하다.
Where a is the width of the core fluid, Is the wavelength of light in free space, NA is the numerical aperture. Accordingly, the three-dimensional liquid-core / liquid-cladding optical waveguide device according to one embodiment of the present invention is applicable to the study of the device at the microscale, which enables chemical analysis monitoring, medical diagnosis, etc. using a small sample. . In addition, the three-dimensional liquid-core / liquid-cladding optical wave guide device according to an embodiment of the present invention on-chip (medical diagnostics, chemical composition analysis, real-time environmental monitoring, chemical weapon detection, etc.) Application to the development can be applied as a
<본 발명의 <Of the present invention 실시예에Example 따른 According 옵티컬Optical 웨이브 가이드 방법> Wave Guide Method>
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 옵티컬 웨이브 가이드 방법을 설명하도록 한다. 본 발명의 옵티컬 웨이브 가이드 방법은 앞서 설명한 3차원 유체코어/유체 클래딩 옵티컬 웨이브 가이드 장치를 이용한다. 먼저, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 유체코어/유체 클래딩 옵티컬 가이드 장치를 이용한 가이드 방법의 흐름도를 도시한 것이다. Hereinafter will be described an optical wave guide method according to an embodiment of the present invention. The optical wave guide method of the present invention uses the three-dimensional fluid core / fluid cladding optical wave guide apparatus described above. First, FIG. 8 illustrates a flowchart of a guide method using a 3D fluid core / fluid cladding optical guide device according to an embodiment of the present invention.
제 1 클래딩 유체 투입부(30) 내에 흐르는 제 1 클래딩 유체와 코어 유체 투입부(20)내에 흐르는 코어 유체가 마이크로 채널 관로(10)의 일단에 투입된다(S110). 앞서 설명한 바와 같이, 마이크로 채널 관로(10)의 일단에 코어 유체 투입부(20)와 제 1 클래딩 유체 투입부(30)가 연결되어 있다. 그리고, 코어 유체 투입부(20)와 제 1 클래딩 유체 투입부(30)는 서로 소정 투입각(θ2)을 이루며 마이크로 채널 관로(10)에 연결되어 있다.The first cladding fluid flowing in the first
광이 광원(62)으로부터 조사되어 코어 유체 투입부(20)의 일측에 결합된 광섬유(60)를 통해 코어 유체 내부로 출력되게 된다(S120). 그리고, 코어 유체는 마이크로 채널 관로(10) 내부의 소정 휨각(θ1)으로 휘어진 곡관(110)을 따라 딘 와류에 기초하여 종방향으로 집속되게 된다. 광은 종방향으로 집속된 코어 유체를 따라 가이드 되게 된다. 앞서 설명한 바와 같이, 휨각(θ1)은 90도 정도로 형성된다. The light is irradiated from the
그리고, 코어 유체를 횡방향으로 집속시키게 된다(S140). 즉, 코어 유체의 종방향 집속이 끝나는 곡관(110)의 단부에 양쪽 측면 각각에 형성된 제 2 클래딩 유체 투입부(40, 41)를 따라 제 2클래딩 유체가 투입된다. 그리고, 투입된 제 2 클래딩 유체에 의해 코어 유체가 횡방향으로 집속되게 된다. 또한, 앞서 설명한 바와 같이, 횡방향으로 집속된 코어 유체의 폭은 제 2 클래딩의 유입량에 반비례하게 된다. 그리고, 코어 유체의 폭에 따라 광의 모드수가 결정된다. 따라서, 광은 횡방향으로 집속된 코어 유체를 따라 가이드되게 된다.Then, the core fluid is focused in the lateral direction (S140). That is, the second cladding fluid is introduced along the second
그리고, 광은 종방향과 횡방향으로 집속된 코어 유체를 따라 계속 가이드 되게 된다. 마이크로 채널 관로(10)의 끝단에 연결된 유체 배출부(50)에 이를 때까지 광은 코어 유체를 따라 가이드되고, 코어 유체와 제 1 클래딩 유체, 및 제 2 클래딩 유체는 유체 배출부(50)를 따라 외부로 배출되게 된다(S150). Light continues to be guided along the core fluid focused in the longitudinal and transverse directions. The light is guided along the core fluid until the
또한, 코어 유체를 따라 가이드된 광에 의해 소정 화학성분을 분석하는 분석수단 또는 광에 의해 디스플레이되는 디스플레이수단이 유체 배출부(50)와 연결될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 옵티컬 웨이브 가이드 방법에 의해 광을 분석 수단, 디스플레이수단으로 에너지 손실을 감소시키면서 전달할 수 있게 된다. In addition, analysis means for analyzing a predetermined chemical component by light guided along the core fluid or display means displayed by light may be connected to the
화학적인 분석은 코어 유체를 통해 화학성분이 투입될 때 광원에 의해 빛나게 됨으로써 화학성분의 분석이 가능하게 된다. 따라서 유체 배출부(50)에 분석수단을 구비하여 화학분석과 더불어 코어 유체를 따라 진행되는 in-situ 분석이 가능해 진다.The chemical analysis is made by the light source when the chemical component is injected through the core fluid, thereby enabling the analysis of the chemical component. Therefore, by providing an analysis means in the
θ1: 휨각
θ2: 투입각
10: 마이크로 채널 관로
20: 코어 유체 투입부
30: 제 1클래딩 유체 투입부
40, 41: 한 쌍의 제 2클래딩 유체 투입부
50: 마이크로 유체 배출부
60: 광섬유
62: 광원
110: 곡관θ 1 : bending angle
θ 2 : closing angle
10: micro channel pipeline
20: core fluid input
30: first cladding fluid input
40, 41: pair of second cladding fluid inputs
50: micro fluid outlet
60: optical fiber
62: light source
110: elbow
Claims (15)
상기 마이크로 채널 관로(10)의 일단에 연결되어 제 1클래딩 유체가 투입되는 제 1클래딩 유체 투입부(30);
상기 일단에 상기 제 1클래딩 유체 투입부(30)와 소정 투입각(θ2)을 이루고 연결되어 상기 제 1클래딩 유체의 흐름방향을 따라 코어 유체가 투입되는 코어 유체 투입부(20);
상기 딘 와류에 기초하여 상기 코어 유체가 종방향으로 집속되는 상기 곡관(110)의 단부에, 상기 코어 유체의 횡방향 집속을 위해 상기 마이크로 채널 관로(10)의 상기 횡방향 양 측면으로 제 2클래딩 유체가 투입되는 한 쌍의 제 2클래딩 유체 투입부(40, 41);
상기 마이크로 채널 관로(10)의 타단으로 연결되어 상기 제 1, 2클래딩 유체 및 상기 코어 유체가 배출되는 마이크로 유체 배출부(50); 및
상기 코어 유체 투입부(20)의 일측에 결합되어 소정 광원(62)으로부터 조사된 광을 상기 코어 유체 내부로 출력하는 광섬유(60);를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 내의 3차원 액체 코어 및 액체 클래딩을 이용한 옵티컬 웨이브 가이드 장치.A microchannel conduit (10) which is a passage through which the microfluid can flow, and has a curved conduit (110) bent at a predetermined bending angle (θ 1 ) to form a vortex ed in the microfluid;
A first cladding fluid input unit 30 connected to one end of the micro channel conduit 10 to which a first cladding fluid is injected;
A core fluid inlet 20 configured to be connected to the first cladding fluid inlet 30 and a predetermined inlet angle θ 2 so that a core fluid is introduced along a flow direction of the first cladding fluid;
A second cladding on both transverse sides of the microchannel conduit 10 for transverse focusing of the core fluid at an end of the curved tube 110 in which the core fluid is focused longitudinally based on the Dean vortex A pair of second cladding fluid inlets 40 and 41 into which fluid is introduced;
A micro fluid discharge part 50 connected to the other end of the micro channel conduit 10 to discharge the first and second cladding fluids and the core fluid; And
And a optical fiber 60 coupled to one side of the core fluid inlet 20 to output light irradiated from a predetermined light source 62 into the core fluid. Optical waveguide device using liquid cladding.
상기 휨각(θ1)도는 90도인 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 내의 3차원 액체 코어 및 액체 클래딩을 이용한 옵티컬 웨이브 가이드 장치.The method of claim 1,
Optical wave guide device using a three-dimensional liquid core and liquid cladding in the micro-channel, characterized in that the bending angle (θ 1 ) is 90 degrees.
상기 마이크로 채널 관로(10), 상기 제 1클래딩 유체 투입부(30), 상기 코어 유체 투입부(20), 상기 한 쌍의 제 2클래딩 유체 투입부(40, 41) 및 상기 마이크로 유체 배출부(50)는 단일층에 형성된 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 내의 3차원 액체 코어 및 액체 클래딩을 이용한 옵티컬 웨이브 가이드 장치.The method of claim 1,
The micro channel conduit 10, the first cladding fluid inlet 30, the core fluid inlet 20, the pair of second cladding fluid inlet (40, 41) and the micro fluid outlet ( 50) is an optical wave guide device using a three-dimensional liquid core and liquid cladding in a microchannel, characterized in that formed in a single layer.
상기 마이크로 채널 관로(10), 상기 제 1클래딩 유체 투입부(30), 상기 코어 유체 투입부(20) 및 상기 한 쌍의 제 2클래딩 유체 투입부(40, 41)는 소프트 리소그래피 공정으로 형성된 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 내의 3차원 액체 코어 및 액체 클래딩을 이용한 옵티컬 웨이브 가이드 장치.The method of claim 1,
The micro channel conduit 10, the first cladding fluid inlet 30, the core fluid inlet 20, and the pair of second cladding fluid inlets 40, 41 are formed by a soft lithography process. An optical wave guide device using a three-dimensional liquid core and liquid cladding in a microchannel.
상기 제 1클래딩 유체 및 상기 제 2클래딩 유체는 굴절률이 동일한 액체인 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 내의 3차원 액체 코어 및 액체 클래딩을 이용한 옵티컬 웨이브 가이드 장치.The method of claim 1,
And the first cladding fluid and the second cladding fluid are liquids having the same refractive index. 3. An optical wave guide device using a liquid cladding and a three-dimensional liquid core in a microchannel.
상기 제 1, 2클래딩 유체 및 상기 코어 유체로 형성되는 웨이브 가이드 개구수는 다음의 수학식
(NA는 개구수, ncore는 코어유체의 굴절률, ncladding는 제 1, 2클래딩 유체의 굴절률 임)
에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 내의 3차원 액체 코어 및 액체 클래딩을 이용한 옵티컬 웨이브 가이드 장치.6. The method of claim 5,
The waveguide numerical aperture formed of the first and second cladding fluids and the core fluid is represented by the following equation.
(NA is the numerical aperture, n core is the refractive index of the core fluid, n cladding is the refractive index of the first, second cladding fluid)
Optical wave guide device using a three-dimensional liquid core and liquid cladding in a microchannel, characterized in that determined by.
상기 광원(62)은 레이저 광원(62)인 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 내의 3차원 액체 코어 및 액체 클래딩을 이용한 옵티컬 웨이브 가이드 장치.The method of claim 1,
Optical wave guide device using a three-dimensional liquid core and liquid cladding in a microchannel, characterized in that the light source (62) is a laser light source (62).
상기 레이저 광원(62)은 Nd:YAG 레이저인 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 내의 3차원 액체 코어 및 액체 클래딩을 이용한 옵티컬 웨이브 가이드 장치.The method of claim 7, wherein
The optical waveguide device using a three-dimensional liquid core and liquid cladding in a microchannel, characterized in that the laser light source 62 is a Nd: YAG laser.
상기 딘 와류의 강도는 다음의 수학식
및
(Re는 레이놀즈수(Reynolds number), ρ는 액체의 밀도, V는 유속, D는 수력학적 지름, μ는 액체의 점성계수, R는 곡관(110)의 평균 회전 곡률, Dn은 딘수(Dean number) 임)
의해 결정되는 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 내의 3차원 액체 코어 및 액체 클래딩을 이용한 옵티컬 웨이브 가이드 장치.The method of claim 1,
The strength of the Dean vortex is
And
Re is the Reynolds number, ρ is the density of the liquid, V is the flow rate, D is the hydraulic diameter, μ is the viscosity of the liquid, R is the average rotational curvature of the elbow 110, and Dn is the Dean number. ) Im)
Optical wave guide device using a three-dimensional liquid core and liquid cladding in a microchannel, characterized in that determined by.
상기 코어 유체는 상기 제 2클래딩 유체의 유량에 의해 유체 폭이 조절되는 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 내의 3차원 액체 코어 및 액체 클래딩을 이용한 옵티컬 웨이브 가이드 장치.The method of claim 1,
And wherein the core fluid has a fluid width controlled by a flow rate of the second cladding fluid. An optical wave guide device using a liquid cladding and a three-dimensional liquid core in a microchannel.
상기 조절된 유체 폭은 다음의 수학식
및
(M는 광의 모드수, V는 매개변수, a는 코어 유체의 폭, λ0는 자유공간에서의 광의 파장, NA는 개구수 임)
에 의해 결정되는 상기 광의 웨이브 가이드 모드수를 조절하기 위한 것임을 특징으로 하는 마이크로 채널 내의 3차원 액체 코어 및 액체 클래딩을 이용한 옵티컬 웨이브 가이드 장치.The method of claim 10,
The adjusted fluid width is
And
(M is the number of modes of light, V is the parameter, a is the width of the core fluid, λ 0 is the wavelength of light in free space, NA is the numerical aperture)
Optical wave guide device using a three-dimensional liquid core and liquid cladding in a microchannel, characterized in that for adjusting the number of wave guide mode of the light determined by.
광이 소정 광원(62)으로부터 조사되어 상기 코어 유체 투입부(20)의 일측에 결합된 광섬유(60)를 통해 상기 코어 유체 내부로 출력되는 단계(S120);
상기 광이 상기 마이크로 채널 관로(10) 내부의 소정 휨각(θ1)으로 휘어진 곡관(110)을 따라 형성된 상기 제 1클래딩 유체 및 상기 코어 유체의 딘 와류에 기초하여 종방향으로 집속되는 제 1집속단계(S130);
상기 광이 상기 종방향의 집속이 끝나는 상기 곡관(110)의 단부에 횡방향으로 형성된 한 쌍의 제 2클래딩 유체 투입부(40, 41)를 따라 투입된 제 2클래딩 유체에 의해 상기 횡방향으로 집속되는 제 2집속단계(S140); 및
상기 광이 상기 마이크로 채널 관로(10)의 타단과 연결되어 상기 코어 유체 및 상기 제 1, 2클래딩 유체를 배출하는 마이크로 유체 배출부(50)를 따라 외부로 배출되는 단계(S150);를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 내의 3차원 액체 코어 및 액체 클래딩을 이용한 옵티컬 웨이브 가이드 방법.The first cladding fluid and the core fluid are introduced into one end of the microchannel conduit 10 along each of the first cladding fluid inlet 30 and the core fluid inlet 20, which form a predetermined input angle θ 2 . (S110);
Light is irradiated from a predetermined light source (62) and outputted into the core fluid through an optical fiber (60) coupled to one side of the core fluid inlet (20) (S120);
A first focusing light focused longitudinally based on a Dean vortex of the first cladding fluid and the core fluid formed along the curved pipe 110 bent at a predetermined bending angle θ 1 inside the microchannel conduit 10 Step S130;
The light is focused in the lateral direction by a second cladding fluid introduced along a pair of second cladding fluid inlets 40 and 41 formed transversely at the end of the curved tube 110 where the longitudinal focusing ends. A second focusing step (S140); And
The light is connected to the other end of the micro channel conduit 10 to be discharged to the outside along the micro fluid discharge part 50 for discharging the core fluid and the first and second cladding fluids (S150); An optical wave guide method using a three-dimensional liquid core and a liquid cladding in a microchannel.
상기 광의 제 1집속단계(S130)에서,
상기 휨각(θ1)은 90도인 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 내의 3차원 액체 코어 및 액체 클래딩을 이용한 옵티컬 웨이브 가이드 방법.The method of claim 12,
In the first focusing step (S130) of the light,
The bending angle θ 1 is an optical wave guide method using a three-dimensional liquid core and a liquid cladding in a microchannel.
상기 광의 제 2집속단계(S140)는,
상기 광이 상기 제 2클래딩 유체의 유체량에 의해 횡방향으로 집속되는 단계인 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 내의 3차원 액체 코어 및 액체 클래딩을 이용한 옵티컬 웨이브 가이드 방법.The method of claim 12,
The second focusing step (S140) of the light,
And the light is focused in the lateral direction by the amount of fluid in the second cladding fluid. 3. The optical wave guide method using a three-dimensional liquid core and liquid cladding in a microchannel.
상기 광의 배출단계(S150)는,
상기 광에 의해 소정 화학성분을 분석하는 분석수단 또는 상기 광에 의해 디스플레이되는 디스플레이수단으로 배출되는 단계인 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 내의 3차원 액체 코어 및 액체 클래딩을 이용한 옵티컬 웨이브 가이드 방법.The method of claim 12,
Discharge step (S150) of the light,
The optical wave guide method using the three-dimensional liquid core and the liquid cladding in the micro-channel, characterized in that the step of emitting to the analysis means for analyzing a predetermined chemical component by the light or the display means displayed by the light.
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Cited By (2)
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CN105300955A (en) * | 2015-10-10 | 2016-02-03 | 重庆大学 | Microfluidic SERS chip detection device integrated with liquid core optical waveguide and nanometal |
WO2024010518A1 (en) * | 2022-07-08 | 2024-01-11 | Compoundtek Pte. Ltd. | Waveguide terminator |
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JP2003227957A (en) | 2002-01-31 | 2003-08-15 | Sanyo Electric Co Ltd | Optical waveguide, optical waveguide device and method of manufacturing the same |
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US20090097808A1 (en) | 2004-07-30 | 2009-04-16 | President And Fellows Of Harvard College | Fluid waveguide and uses thereof |
-
2010
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