在纳米光子学研究前沿执著探索 - 创新人物 - 中国发明与专利

在纳米光子学研究前沿执著探索
2013-06-26 17:08:41   来源:   评论:0 点击:

新材料技术是21世纪最重要的三大科技领域之一,也是我国三大优先发展领域之一。随着不断的发展,新材料研究水平和产业化规模,已经逐渐成为衡量一个国家和地区经济发展、科技进步和国防实力的重要标志。
纳米材料是当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象,也是纳米科技中最为活跃、最接近应用的重要组成部分。纳米新材料具有传统材料所不具备的优异性能,它带动和促进基础材料和传统材料的改进与更新。
在纳米光子材料领域取得一系列具有国际先进水平的学术成果,不断开发纳米光子材料的新功能,实现其工程技术应用价值,这构成微纳信息光子技术研究所奋斗的道路和追求的目标。他们重视交流合作与人才培养,努力打造材料科学的创新平台,为我国纳米材料与科学的发展作出贡献。

同一个团队,同一个梦想
北京工业大学微纳信息光子技术研究所成立于2010年5月,依托光学工程国家重点学科、光学北京市重点学科以及纳米科学与技术北京市重点交叉学科,以微纳光子技术及其在传感器技术、光信息处理、数字全息中的应用为主要研究内容,近年来在微纳制造、生物传感等领域产生了较丰富的技术成果。
自建所起,研究所就形成了一种含蓄不张扬的文化理念,这种文化已经速成了研究所的“魂”,并潜移默化地影响着每一个人,其意义就在于做事情一步一个脚印,有始有终,坚持到底。
在微纳制造技术领域,研究所团队开发了“激光干涉灼蚀”、“激光干涉交联”等金属材料、介电材料、有机半导体材料纳米光子结构的制备技术。其中的溶液法金属光子晶体制备技术被国际工业界媒体称为“纳米突破”和“光子晶体制备迈向工业化的一步”。
利用这些独特制备技术,不仅实现了纳米光子结构的大面积、批量制备,而且实现了相关光电子器件的芯片化,特别是首次在微米尺度光纤端面上实现了纳米尺度波导耦合光子晶体结构的制备。实际上实现了微米平台上纳米光子结构和实验装置的搭建与集成。他们利用发明的激光干涉灼蚀直写技术,实现了有机半导体激光器的一步成型,提出了“倒置型”分布反馈式(DFB)有机半导体激光器的设计方法。美国科学家在Nature Photonics中以“Plasmonic feedback”为题将此研究结果作为Research Highlights进行了专题介绍和评述,认为这是首次发现并应用了等离子激元的光学反馈机制。英国皇家物理学会纳米科技网站将“激光干涉灼蚀直写技术”专题报导为目前金属光子晶体最简便、最廉价制备方法。国际上多个研究组采用或借鉴这一技术实现了大面积光子结构的制备。
实现了波导耦合金属光子晶体中的窄带、可调谐、超快光学开关,利用其耦合共振模式的偏振特性和光谱学响应特性,开发了传统技术难以实现的偏振、分频、分束和滤波集成于单一元件的功能。发现了光栅结构反常衍射对环境折射率的高灵敏度响应功能,研制了多种形式的折射率传感器,其响应灵敏度最高可达每单位折射率2000nm的光谱偏移。特别是,将这种传感技术以光纤端面上的同心金属圆环形式进行了集成化和微缩化加工,产生了一种特殊或极限条件下适用的柔性传感器件。
利用波导耦合金属光子晶体实现了生物特异反应传感器,便携式该传感器系统有望成为取代传统的SPR传感器的新一代生物传感器技术。该传感器系统的主要应用领域包括生物医学中免疫反应检测和动态过程监测、生物分子的非标记检测、成分或含量的分析与鉴定、药物筛选和药物反应监测、食品工业中特定成分及其含量的检测等。成为医药工业、生命科学和生物工程、临床医学中的常规检测仪器是该项研究成果发展的最终目标。
上述研究工作得到了国家“863计划”、多项国家自然科学基金项目以及北京市教委科技计划重点项目的支持。特别是在上述技术研发过程中产生的学术成果广泛地涉及粒子等离子共振光物理学、有机光电子学、纳米光子学,实现了纳米技术在有机光电子器件和生物传感器技术中的应用结构制备技术等方面产生了丰富的学术成果,并充分展示了成果的原创性、丰富的物理学和技术内涵。这些研究成果包括SCI收录的学术论文60余篇。
 

瞄准国家的重大需求
科学研究最终是要服务社会的,而具体的应用领域要瞄准国家的重大需求。2006年,《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中新材料技术被列为未来十五年内科技发展的重点领域、优先主题和前沿技术,是提高我国产业竞争力的突破口。
“863计划”“金属光子晶体及新型生物传感器技术”课题凝结了研究团队很多的心血和智慧。课题旨在开发具有我国自主知识产权的新型生物分子传感器技术,为我国在激烈的国际竞争中,创造出更多具有自身特色和优势的技术和产业,并能够在生物传感技术方面跻身国际先进行列作贡献。该项研究充分利用他们在金属光子晶体方面的最新进展和研究基础,开发波导耦合金属型光子晶体的成熟制备技术,进而研制基于这类纳米光学器件的生物分子传感器,实现新型纯光学生物传感器的实用化。纳米技术与生物传感技术的有机结合不仅可以拓宽纳米技术的应用领域并加速其产业化进程,而且将为生物传感技术的发展开辟新的途径。
尽管这方面的研究工作尚处于探索性阶段,但光子晶体器件的性能、特点较充分地确证了其用于生物传感器的可行性,且已有研究成果提供了丰富可靠的物理学基础和技术手段,预示着本课题的现实性和良好的发展前景。灵敏的波导响应特征更使该器件同时具备了传感器所要求的条件,其多功能性进一步加强了这一研究课题的重要意义。因此,研究波导耦合金属光子晶体的物理机理,制备相关器件,并将其应用于生物和化学分子,以至气体分子传感器的研制,有着极其重要的科学意义。课题研究将纳米光学领域的最新进展,即波导耦合金属光子晶体的出现及其高灵敏度的光谱学响应特性,巧妙而有效地应用于生物分子传感器件的研究和开发。特别是在这类光子晶体器件的低成本、大面积、高重复性、批量制备方面的突破性进展,为这一实际应用提供了现实的可能性。因此,这一研究工作必将为生物传感技术发展开辟新的途径,而同时推动现代生物技术与纳米光学的深层次交叉和共同发展。
正是充分利用在该领域已有研究基础、研究成果的创新性、相关研究工作在国际上的领先地位,结合自身已具备的科研设备条件,在激光器件、激光光谱学方面的研究特色和优势,来开发这类器件制备,并不断拓宽其功能和适用范围,为更多的生物医学和工业领域提供一种高效灵敏的生物传感器技术,使其更具生命力和持续性的长远发展前途。
总之,波导耦合金属光子晶体用于生物传感器技术具有低成本,高灵敏度,高稳定性和耐久性的特点,而且利于实现集成化和智能化。这些特点也正是各应用领域对未来生物传感器件最重要的要求。波导耦合金属光子晶体这些特色优势会在其实用化基础上加速其商品化的进程,而具有广阔的应用前景。
风雨兼程,励精图治,厚积薄发,生生不息,北京工业大学微纳信息光子技术研究所发展进程中将面临更多的挑战和机遇,让我们期待这个优秀团队再造辉煌。

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