光学制造实验室的技术产业化

光学制造实验室的技术产业化

一、实验室信息技术研究中心发展现状江苏省先进光学制造技术重点实验室由苏州大学现代光学技术研究所、信息光学研究所、物理科学与技术部、材料与化学工程系和化学工程系联合创办。主要从事先进光学设计、制造、设备、光学、光学、光学、光学等相关领域的理论和关键技术研究。实验室下属有2个省部级工程技术研究中心,苏州大学和航天508所共建的空间精密光学工程中心,设有光学工程一级学科博士点,光学二级学科博士点,博士后流动站,现有工程院院士2名,教授、研究员和高级工程师等30余人。近5年来,承担了多项国家863项目、国家973项目、国家自然科学基金以及多项国家重点项目中光学核心部件的研制任务。实验室在中国工程院薛鸣球院士和潘君骅院士的领导下,保持和发扬光学设计、光学加工和检测、微结构光子器件等学科的特色和优势,在大尺寸空间光学元件、轻小型空间光学成像系统和亚波长光学器件及制造装备等方面取得了多项重要成果。二、科研创新1.微纳米结构器件激光直写干涉光刻是一种新型的、多功能的、适合与亚微米到纳米结构与大面积图形的快速制造技术。紫外激光干涉光刻系统iGrapher810是至今国际上最先进的亚微米、纳米结构图形的高速激光直写干涉光刻系统,为亚微米周期性结构的制造提供了先进的技术手段,实现了大尺寸(40英寸)上的亚微米甚至纳米结构图形制造,在光斑(像素)中通过多光束干涉技术调制了200nm以上周期与准周期结构(线条、点阵、蜂窝、随即线等),实现了具有亚微米结构图形的光刻与刻蚀。微区纳米压印系统(Micro-headNano-ImprintingSystem)NanoMakerll适合于阵列型微纳米结构器件的制作,如各种微透镜阵列、光变衍射图像、微纳光电子器件等,也可用于微结构模具制作。NanoMakerll具有微区压印深度和模版微结构转角可控特点,能够根据要求压印出具有不同结构深度和取向角的压印单元并组成列阵。图1为采用MH-Nanomakerll制作的微透镜阵列照片。第二代Micro-headNanoMakerll单面纳米压印设备已进入纳米技术的应用领域。经过改装的UV纳米压印设备可以支持多种材料,例如紫外固化胶、光刻胶和聚合物等。该系统可加工各种微透镜阵列、微区纳米结构压印、金字塔微结构和其他复杂结构。实验室在“宽幅智能激光SLM光刻系统”“亚波长光学制造技术与产业化应用”“数码3D光变图像制造方法与应用”等项目上的研究工作取得突出成绩,获得多项奖励。大口径衍射光学元件是惯性约束核聚变(ICF)中激光驱动器的核心器件,涉及我国的重大战略利益,对我国的能源战略具有重大意义。实验室承担的国家863项目“大口径衍射光学元件全息掩模研制”是大口径衍射光学元件研制过程中的核心技术。现已设计研制了大口径全息曝光系统、适合于长时间曝光的全息干涉条纹锁定系统等关键设备,形成了大面积光刻胶涂布、全息曝光和显影的完整工艺,设计研制了全息曝光监测和显影监测等工艺监测系统,建立了大口径衍射光学元件全息掩模研制的实验基地,具备了为我国ICF驱动器“神光Ⅱ”和“神光Ⅲ”系统工程供货的条件。目前已研制出适合刻蚀工艺的线密度分别为1480线/毫米和1740线/毫米的200mm×400mm脉宽压缩光栅、320mm×320mm光束采样光栅全息掩模,经离子束刻蚀后脉冲压缩光栅衍射效率达到95%以上,衍射波象差0.2个波长,光束采样光栅已开始应用于工程系统。图2是实验室研制的200mm×400mm光束采样光栅全息掩模。2.光学制造技术光学非球面加工和检测技术是现代应用光学的基础技术之一,大型的非球面光学元件是航天光学遥感器中不可缺少的核心部件,在国防和科学研究等方面有非常重要的应用;小型非球面光学元件和非常规光学元件的批量制造技术是光通讯和光信息产业中至关重要的技术之一,有着巨大的市场价值,我国目前对该领域的关键技术具有迫切的需求。新型非球面——自由曲面光学是随着光电资讯技术的迅速发展形成的新兴光学应用技术学科,是目前光学制造领域的最大热点,自由曲面光学的设计与超精密制造技术,是当代最高水准的计算机辅助设计、制造与检测技术集成的先进光学制造系统工程技术。以潘君骅院士和余景池教授为核心的研究团队致力于各种非球面的加工与检测技术研究。近年来承担了973、863、国防重大等多项国家重大项目,解决了1.2m以内大口径空间非球面反射镜制造中包括加工工艺、检测技术、检测支撑技术、模拟空间失重的支撑技术及光学计量的防震技术等在内的一系列关键技术,成功研制了国内口径最大的航天级非球面反射镜(图3),并已用于我国高分辨空间遥感器上;研制成功的正在轨运行的国防型号相机的核心部件,是第一个国内研制的在空间实际使用的高精度空间非球面镜;研制了我国第一颗民用高分辨率卫星02B星中的光学非球面元件;采用计算机控制光学表面成型技术,研制了国内第一台非球面数控铣磨机和第一台中小口径非球面数控抛光机。该方向拥有许多世界先进的检测设备,如中450mm口径的Zygo数字干涉仪、4DFizcam3000型动态干涉仪、View2000型粗糙度测量仪和TII-3D非球面轮廓仪等,其中TII-3D非球面轮廓仪是国内唯一一台高精度非球面三维绝对测量仪。3.轻空间光学视频设计及/薄膜反射镜的研究进展现代光学系统设计与制造是现代光学技术和光学工程的重要研究方向,既涉及光学系统的基础理论,又涉及光学在工程技术中的应用。实验室在该方向以薛鸣球院士为核心,重点研究超光谱成像技术、高分辨率空间光学系统、微小型卫星光学有效载荷及非常规光学系统的设计与研制。近几年来,在光学设计和空间光学方向承担了重要的国家任务,完成了目前国内最轻的米级分辨率空间相机的设计工作(包括光学、机械结构、CCD组件设计及研制方案),为开展微小卫星高分辨率空间相机奠定了技术基础;开展了“膜基超轻空间光学系统”的研究,在国内开创性地对柔性聚合薄膜反射镜及其光学系统进行了前期研究,提出了多种基于膜基反射镜的空间光学遥感器新概念;在国内开创了超大口径空间光学系统成像原理的基础研究,包括柔性膜基反射镜和稀疏孔径空间光学系统,为提出适合于我国国情的下一代航天光学遥感器新概念打下了基础;设计并研制的新型星敏感器镜头和大视场大相对孔径红外光学系统等,或为型号任务,或将搭载试验,有力地促进了我国航天技术的发展。4.双光子引发剂的研制电致发光(OLED)是指有机半导体材料和有机发光材料在电场的驱动下,通过载流子注入和复合导致发光的技术,具有全固态、主动发光、高对比度、超薄、低功耗、无视角限制、响应速度快、工作范围宽、易于实现柔性显示和3D显示等优点,已被视为未来平板显示的宠儿。三苯胺类衍生物材料则在电致发光及其显示器件产业链中有巨大潜力。实验室以先进光学制造为应用核心,致力于双光子吸收特性与电致发光等光电响应性能的研究和具有自主知识产权的三苯胺类光学材料的研发。图4(a-b)为使用三苯胺类分子材料为双光子引发剂,利用双光子聚合技术聚合负性光刻胶,在780nm的近红外飞秒脉冲激光下雕刻出的两个公牛像,尺寸为15μm×10μm×10μm。采用穿透能力好的长波长激光引发双光子聚合反应,可在聚合体系内进行深层次的三维微结构加工。图4(c-f)为双光子光聚合技术制作的周期性微结构,其中光子晶体的最大加工尺寸为20μm×20μm,每个栅格的尺寸为1μm×1μm。双光子聚合阈值为1.3mW,与同比条件下使用常规的引发剂相比,下降了1个量级。实验室还致力于设计合成具有电子、空穴传输与发光特性的三苯胺类有机分子材料,探索分子结构、形貌-能级结构与电致发光之间关系,研究控制能级结构稳定化与能级之间匹配性的影响因素,根据能带-迁移率-能量匹配的原则,开展高性能实用化小分子OLED发光材料的研发。由三苯胺类分子材料制作的电致发光原型器件启亮电压均为5V,发光亮度分别为10000cd/m三、光学技术的应用实验室围绕国家需求、高技术创新和先进光学与光子制造的前沿领域,积极开展新型微纳结构光子理论和器件,激光技术和新型光子材料等方面的探索性研究,并积极将技术优势转化到IT产业、光伏产业以及我国国家级证照行业等产业,实验室的多项成果已被各国内外知名企业采用,例如新推广的第二代居民身份证、驾驶证还有许多激光防伪标识等使用的视读防伪技术,都取得了良好的社会效益和经济效益。陈林森研究员是产业化的代表人物,由他创立于2002年的苏州苏大维格光电科技股份有限公司已成为苏州工业园区科技创新亮点企业、江苏省高新技术企业和产学研合作典型。通过微纳米压印的3D激光转移材料形成规模化、将亚波长光学技术成功应用于我国第二代居民身份证及新驾驶证等的物理视读、在“紫外激光干涉直写设备”上拥有系列发明专利授权,实现了200nm特征图形的大幅面(40英寸)快速极限制造。高技术科技成果转化为企业已产生数亿元的经济效益。公司水平处于国际领先地位,设备出口日本、韩国等国。该阳光导入系统可以将太阳光导入到阳光无法直射的向阴面、地下室等建筑内的任意位置,改善人们的办公和居住环境,有益于身心健康和节约能源,具有广阔的应用前景。建筑设计师利用它可将住宅的布局设计的更为合理,其应用可提升新开发楼盘的性能,也可用于旧楼的改造,和楼房阴面居住者也可以靠它摆脱阴冷潮湿的烦恼。现在该阳光导入系统已完成样品(图6),正准备进行小批量生产。王钦华,男,1964年生,多伦多大学博士。现为苏州大学现代光学技术研究所所长,教授,博士生导师;教育部、江苏省现代光学技术重点实验室,江苏省先进光学制造技术重点实验室主任。1996年起先后在香港大学、加拿大多伦多大学、加拿大麦吉尔大学和加拿大光子器件高科技公司等单位从事有关应用光学和光子技术的前沿技术研究和高科技产品研发工作。曾荣获加拿大国家科学和工程研究委员会(NSERC)博士后基金。2006年起被苏州大学聘为特聘教授。获江苏省六大人才高峰计划和苏州市紧缺高层次人才资助。主要研究领域是光学检测,激光与光子技术。主要从事微结构光学器件设计与制造,光纤元件,激光光热等方面的研究及其在光电显示、光通讯,光成像、传感和无损检测方面的应用。多年来主持承担了多项国家8