采用光学胶滴原位动态固化成形光学微透镜的激光制造技术

Harmful microbes in spacecraft harm health of astronauts and corrode the materials, so it is urgent to develop real-time and automatic alarm system of space microbe. Kernel of the system is fluorescence detection micro-system of microbe nucleic acid. General photoelectric devices and their optic circuits can't be inserted into biochip due to their big volume. Although volume of the photoelectric devices developed in present is minimized, its sensitivity can't meet the demands far more. So developing the photoelectric devices with miniature volume and high sensitivity is hot topic. Our previous research indicates that when optic glue drip drops on base face freely, in process from impact modification to resuming stable infiltration state, its non-sphere shape on top face can change two times alternatively. The technology researched in this item is based on this phenomenon. Shape of the optic glue drip with nano-quartz particles is captured dynamically on optic work-face of micro-devices inserted into chip. The glue is irradiated by homogeneous laser at due time and it is solidified to form optic micro-lens with non-sphere top face fitting designing shape. The micro-lens with non-sphere shape can increase the acquisition amount of the photons, the coaxial adhesion between the micro-lens and the workface high accurately can increase focusing efficiency, and the nano-quartz particles can improve mechanical performance and smoothness of the micro-lens. The new devices can be integrated on needing positions using above method. This item will realize new laser micro-manufacture technique, its prototype sample machine, and its applications in space on base of previous research, and will supply key technique origin of nucleic acid micro-analysis in space for our country.

空间飞行器内有害微生物威胁航天员健康并腐蚀材料，亟需空间在轨生物危害实时自动报警系统,其核心是微生物核酸荧光检测微系统。传统光电器件及其光路因体积大而不能有效嵌入芯片,最新研制的光电器件体积虽已缩微但灵敏度却远不尽要求。因此"微体积高灵敏"的光电器件研究已成目前各国生物芯片检测领域热门课题。我们前期研究结果表明，光胶滴自由落到基面,从冲击变形到恢复润湿稳定状态的过程中,其顶冠形状会两次出现非球面交替变化。本项目基于该基础，在嵌入芯片式微器件光学工作面上，动态捕获含纳米石英粒子光胶滴流淌变化的形状，适时用匀束激光照射，使其原位被固化成吻合设计具有非球面顶冠形状的微透镜。透镜非球面可增加光子采集总量、高同光轴可增大光强聚焦效率、纳米石英可提高其强度与光洁度。以此原位集成上述新器件。本项目将在前期基础上实现新激光微制造技术及其原型样机和空间应用，为我国空间在轨进行核酸微量分析提供关键技术来源。

本项目是在2012年获得了国基金主任基金资助后,于2013年申请获得的。通过多年不间断地研究, 获得了许多相关理论,技术和成果, 达到或超过“预期研究成果”。但作为制造技术, 基础性研究的最终目的是,尽快使该技术实现符合实际的生产制造。.本项目已研究的单曲率曲面微透镜虽可提高微系统灵敏度，但离实现光学设计最佳方案有巨大差距。因为,任何光学设计最佳方案,都是由多曲面多曲率组合表面微透镜组成。.在2017年下半年,我们发明了在系统微器件光学工作面上，基于机器视觉检测透镜轮廓和精度数据反馈，按设计要求，利用电压调控曲率曲面变化，结合以中心为放大原点调节孔径的掩膜，逐渐扩大激光固化光学胶范围，实现激光原位固化多曲面曲率铺展表面微透镜的成形制造技术。.目前已经完成了“新型以孔中心为缩放原点自动调节孔径的激光微加工掩膜系统”设计，它的理论加工光斑半径10--100 μm区间时可将形状误差控制在5%以下。.未见国内外有与上述类同研究的报道。本课题研究意义在于:创新性地提出一种基于光学胶表面张力构建多曲面多曲率组合非球面并在动态中(光滑地和原位地)被固化成三维微透镜的激光制造技术。它是完全区别于“在X和Y轴方向制成片并在Z轴方向叠加”的RPM(Rapid Prototyping Manufacturing，快速原型制造,或简称“层叠加”,或“3D打印”)和“用微模具”的微透镜制造技术的。本研究可以为我国空间在轨进行核酸分子实时荧光总量和显微分布检测分析提供关键技术，也解决了阻碍生物芯片发展“瓶颈”问题:使得微体积光谱微检测灵敏度达到生物技术要求。. 目前已发表文章7篇(其中SCI有6篇),在发表文章流程中有2篇,在写作文章过程中有2篇。 获得授权的发明专利有11项,已被受理的申请的发明专利有8项。培养研究生17名， 毕业了9名, 其中有一位博士(按计划2018年6月毕业)。项目投入经费85万元,支出47.6190万元,各项支出都未大幅度超出预算,剩余经费将用于完善已有的科学技术实物成果,文章及专利的发表流程费用,为申请并获得下一次资助夯实基础。