光子制造科学与技术重点实验室

“光子制造科学与技术”重点实验室是十余年来长期自然形成的一支跨学科的学术群体,以江苏省光子制造重点实验室为研究基地,依托江苏省材料学重点学科、江苏省机械制造重点学科和机械制造国家重点学科培育点,立足科学前沿,着力与国际一流大学的深入国际合作与交流,在国内乃至国外已经形成较好的特色和影响,成为国内最早国际为数不多的,特别是开展“极端光子制造、分子生物医学光子学、超高时空分辨光子测试”的特色研究。

近年来团队承担了大量纵向横向课题,承担国家级课题14项,其中国家自然基金10项,含重点项目1项,863项目2项,主持教育部、江苏省及部委项目18项,获各类人才基金6项。获部省级科技成果一等奖2项,其中荣获“中国机械工业科技进步一等奖”和“江苏省科技进步一等奖”各一项。申请国家发明专利23项,授权8项,获全国百篇优秀博士论文1篇、省优博士论文2篇。发表论文200余篇,SCI收录50余篇,影响因子2.0以上论文10篇;团队人才优势突出,入选333人才工程二层次1人,青蓝工程2人,六大人才高峰2人,新世纪优秀人才1人等;团队研究生培育严谨,团队人员结构合理、富余创新活力。通过跨学科特色科研产生出来一些高水平科研成果,在该领域内取得较好影响力。

主要研究方向和代表性工作:

方向1:“极端”光子制造科学与装备

学科交叉:制造科学+物理学+光学+材料科学+精密仪器

研究内容:探索并研究“超短超强激光产生的极端时空、极端强度的电场、磁场等多物理场”,提出极端条件下的制造新原理、新技术;以国际激烈竞争的“探索35纳米线宽以下的纳米制造新技术”这一项目为研究对象和努力目标,抛开传统技术路线,开发“直接、高速和非接触纳米制造”新技术,制造新器件。

代表性进展:(1)我们与哈佛大学同期建立了面向工程的,目前国内最高能量水平的太瓦级、也是唯一的超强激光器;自行研制了首套超高真空、高温和等离子射频辅助的6英寸数控强激光制造系统;(2)在基金委连续资助(3项)下应用超强飞秒激光脉冲耦合纳米天线,实现了“9纳米”线宽的金属膜纳米加工(同期最好结果是20纳米),超过了原子力显微加工水平。

突破目标:期望在国际上就大面积、高速度、低成本的35纳米线宽的极端条件下、多物理场耦合的光子纳米制造新技术率先获技术创新。

方向2:“分子生物医学”光子学

学科交叉:制造科学+生命科学+医学+光学+物理学

研究内容:在分子水平,深入活体在微纳尺度研究细胞内的飞秒激光非线性传输和吸收,探索多光子纳米操纵、刺激和加工手术;对细胞的分子水平和亚细胞活体研究有技术优势,研究工作对揭开生命奥秘、改造生命和征服疾病的具有重要意义。

代表性进展:(1)与最早开始研究的哈佛大学合作(国际上斯坦福大学、德国耶拿大学、日本大阪大学等34个小组也刚启动),作为国内唯一研究单位承担首项863项目,开展并建立了飞秒激光生物分子纳米加工技术平台;(2)与医学院合作,在细胞核移植、神经细胞光子修复取得进展,实现光捕获、光翻转、光输运等微纳驱动与操纵功能;提出了冲击波损伤、辐射损伤,功能可逆损伤、微损、无损等飞秒激光光致损伤机理。

突破目标:期望在国际上,将“生殖性克隆向治疗性克隆技术转变”和“神经细胞的再生修复”这两重大科学问题是取得局部创新技术。

方向3:“功能表面”微技术

学科交叉:材料科学+制造科学+生物医学+摩擦学+仿生学

研究内容:开发“减阻、抗粘、超润湿、降噪”功能表面,从仿生学角度,研究跨尺度、多尺度融合的设计方法、原理,开展多种激光、多种物理机制的表面微设计、微造型以及数值仿真;在逆向工程、快速制造产业化方面开发专用设备,专用软件和专门产品。

代表性进展:(1)在国家自然基金重点项目等资助下,通过国际合作,致力解决“人工材料表面血栓形成”国际难题,实现了纳米尺度三维超精细微结构功能单元选择性制造,首次突破性实现硅半导体超润湿功能表面;(2)在省重大攻关等项目支持下,研制激光绗磨装备,提出优化的发动机缸套表面微造型技术,验收鉴定得出其在减磨、降噪、节油方面效果突出。

突破目标:在生物医学领域,为解决了“医用植入器件(心脏瓣膜、支架、人造血管等)的抗血栓”难题提供新技术;为汽车等行业,在磨擦副、密封等技术上,实现技术产业化。

方向4:“超高时空分辨”光子测试

学科交叉:材料科学+测试技术+光电子学+精密仪器

研究内容:研究超高时间分辨(10-15秒)与超高空间分辨(<20纳米)的光生载流子弛豫、电磁材料相变等超快过程动力学和物理机制,开发设计新型高分辨传感器和微系统;研究低维尺度界面力学、热学、声学性能的测试和表征技术;构建了生物科学、物理化学、机械材料、光学力学等多学科交叉共用科研平台,形成特色。

代表性进展:(1)在3项国家自然基金项目连续资助下,建立了激光层裂法定量测试微尺度的界面结合强度定量测试方法、技术和装备;(2)自行搭建飞秒激光泵浦探测系统,提出飞秒激光局域增强新技术,将超快激光耦合近场光学、扫描原子力等超分辨设备,通过探针针尖激光天线效应,实现真三维纳米局域测试,以及加工测控技术。上述工作获全国百篇优秀博士论文基金资助,成果获省部级科技进步奖1等奖2

突破目标:期望在国内外,在100nm以下界面性能表征技术上争取率先获得突破;在纳米局域高速加工过程获得超高时间和空间分辨的测试控制技术。

方向5:光子学材料物理

学科交叉:材料科学+物理学+光电子学+制造科学

研究内容:(1)突破光学衍射极限,研究飞秒激光制备亚波长微制造方法与系统,开发新型功能光子晶体、抗辐射隐身涂层和微腔激光器;(2)研究超快超强激光极端加载条件下,材料组织、结构、性能的亚结构响应新现象新机制,探索材料设计、表面改性、新材料合成新方法;(3)跨尺度设计并制备碳纳米管、氧化锌纳米线等功能器件,以新型气体传感器、光电探测器和光子计算机微单元为载体开展研究。

代表性进展:(1)国际刊物首次报告脉冲强激光高应变率材料动态变形响应机制和实验结果;(2)突破光学衍射极限,建立飞秒激光微纳加工新平台,最高加工精度达到170纳米,国际最高指标为120纳米;(3)实现三维木堆型、金刚石四面体型光子晶体的设计制作,产生理想光子禁带;引入波导和微腔缺陷,试制出新型微腔激光器结构光电器件;(4)制备多尺度复合的微柱/纳米线的功能氧化锌纳米发光阵列。

突破目标:为下一代光子计算机作核心储备技术的“等离子激元光子器件”和“多尺度复合纳米光电功能结构”两个领域获技术创新;在极端条件材料亚结构响应新现象和新物理机制研究方面获显著进展。