微纳光学技术与应用范例(3篇)

微纳光学技术与应用范文

[关键词]制造业；增长方式；发展战略；思路

一、转变制造业增长方式的紧迫性

目前，我国制造业已有较好基础，并已成为世界制造大国，工业增加值居世界第四位，约为美国的1/4、日本的1／2，与德国接近。产量居世界第—的有80多种产品。然而，我国制造的多是高消耗、低附加值产品，大量产品处于技术链和价值链的低端。在代表制造业发展方向和技术水平的装备制造业，我国的落后状况尤其明显，大多数装备生产企业没有核心技术和自主知识产权。同时，我国制造业劳动生产率水平偏低，许多部门的劳动生产率仅及美国、日本和德国的1／10，甚至低于马来西亚和印度尼西亚。这一差距，尤其明显地表现在资本密集型和知识密集型产业上。在此条件—卜，我国制造业不能继续在技术链低端延伸，不能依靠高消耗获得更多低附加值产品，必须用科学发展观指导制造业运行，转变制造业增长方式。

二、转变制造业增长方式必须发展现代制造技术

产品技术链，没有一个固化的定式，但总是由低端向高端发展。近年，它正伴随着现代制造技术的进步不断向高端延伸。目前，制造业技术链高端几乎被现代技术垄断，处于技术链高端的产品几乎都是由现代技术制造出来的。所以，要转变我国制造业增长方式，必须抓紧发展现代制造技术，通过现代技术促使制造业及其产品向技术链高端延伸，以便降低技术链低端产品的比重，相应提高技术链高端产品的比重。

在知识经济时代到来之际，微电子技术、光电子技术、生物技术、高分子化学工程技术、新型材料技术、原子能利用技术、航空航天技术和海洋开发工程技术等高新技术迅猛发展。以计算机广泛应用为基础的自动化技术和信息技术，与高新技术及传统制造方法结合起来，便产生了现代制造技术。

现代制造技术，保留和继承了传统制造技术的产品创新要求，如增加现有产品的功能，扩大现行产品的效用：增多现有产品的品种、款式和规格：缩小原产品的体积，减轻原产品的重量：简化产品结构，使产品零部件标准化、系列化、通用化：提高现有产品的功效，使之节能省耗等。但是，现代制造技术，在制造范畴的内涵与外延、制造工艺、制造系统和制造模式等方面，与传统制造技术均有重人差别。

在现代制造技术视野中，制造不是单纯把原料加工为成品的生产过程，它包括产品从构思设计到最终退出市场的整个生命周期，涉及产品的构思、构思方案筛选、确定产品概念、效益分析、设计制造和鉴定样品、市场试销、正式投产，以及产品的售前和售后服务等环节。

在现代制造技术视野中，制造不是单纯使用机械加工方法的生产过程，它除了机械加工方法外，还运用光电子加工方法、电子束加工方法、离子束加i：方法、硅微加工方法、电化学加工方法等，往往形成光、机、电一体化的工艺流程和加工系统。

三、发展现代制造技术的重点方向

现代制造技术正在朝着自动化、智能化、柔性化、集成化、精密化、微型化、清洁化、艺术化、个性化、高效化方向发展。为了转变制造业增长方式，促使制造业向技术链高端延伸，我国宜着重发展以下现代制造技术。

(一)以纳米技术为基础的微型系统制造技术

“纳米”是英文nan。meter的译名，是一种度量单位，是十亿分之一米，约相当于45个原子串起来那么长。纳米技术，表现为在纳米尺度(0．1nm到100nm之间)内研究物质的相互作用和运动规律，以及把它应用于实际的技术。其基本含义是在纳米尺寸范围认识和改造自然，通过直接操作和安排原子、分子创造新的物质。纳米技术以混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学等现代科学为理论基础，以计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术等现代技术为操作手段，是现代科学与现代技术相结合的产物。

纳米技术主要包括：纳米材料学(nanomaterials)、纳米动力学(nanodynamics)、纳内米电子学(nanoclectronics)、纳米生物学(nanobi010gy)和纳米药物学(nan。pharmics)。就制造技术角度来说，它主要含有纳米设计技术、纳米加工技术、纳米装配技术、纳米测量技术、纳米材料技术、纳米机械技术等。以纳米技术为基础，在纳米尺度上把机械技术与电子技术有机融合起来，便产生了微型系统制造技术。

自从硅微型压力传感器，作为第一个微型系统制造产品问世以来，相继研制成功微型齿轮、微型齿轮泵、微型气动涡轮及联接件、硅微型静电电机、微型加速度计等一系列这方面的产品。美国航空航天局运用微型系统制造技术，推出的一款微型卫星，其体积只相当于一枚25美分的硬币。

微型系统制造技术，对制造业的发展产生了巨大影响，已在航天航空、国防安全、医疗、生物等领域崭露头角，并在不断扩大应用范围。

(二)以电子束和离子束等加工为特色的超精密加工技术

超精密加工技术，一般表现为被加工对象的尺寸和形位精度达到零点几微米，表面粗糙度优于百分之几微米的加工技术。

这项技术包括超精密切削、超精密磨削、研磨和抛光、超精密微细加工等内容，主要用于超精密光学零件、超精密异形零件、超精密偶件和微机电产品等加工。

电广束、离子束、激光束等加工技术，通常出现在超精密微细加上领域，用来制造为集成电路配套的微小型传感器、执行器等新兴微机电产品，以及硅光刻技术和其他微细加工技术的生产设备、检测设备等。20世纪80年代以来，超精密加工技术，在超精密加工机床等设备、超精密加工刀具与加工工艺、超精密加工测量和控制，以及超精密加工所需要的恒温、隔热、洁净之类环境控制等方面，取得了一系列突破性进展。超精密加工技术投资大、风险高，但增值额和回报率也高得惊人。近来，发达国家把它作为提升国力的尖端技术竞相发展，前景非常好。

(三)以节约资源和保护环境为前提的省耗绿色制造技术

微纳光学技术与应用范文

论文摘要：纳米光电子技术是一门新兴的技术，近年来越来越受到世界各国的重视，而随着该技术产生的纳米光电子器件更是成为了人们关注的焦点。主要介绍了纳米光电子器件的发展现状。

1纳米导线激光器

2001年，美国加利福尼亚大学伯克利分校的研究人员在只及人的头发丝千分之一的纳米光导线上制造出世界最小的激光器-纳米激光器。这种激光器不仅能发射紫外激光，经过调整后还能发射从蓝色到深紫外的激光。研究人员使用一种称为取向附生的标准技术，用纯氧化锌晶体制造了这种激光器。他们先是"培养"纳米导线，即在金层上形成直径为20nm～150nm，长度为10000nm的纯氧化锌导线。然后，当研究人员在温室下用另一种激光将纳米导线中的纯氧化锌晶体激活时，纯氧化锌晶体会发射波长只有17nm的激光。这种纳米激光器最终有可能被用于鉴别化学物质，提高计算机磁盘和光子计算机的信息存储量。

2紫外纳米激光器

继微型激光器、微碟激光器、微环激光器、量子雪崩激光器问世后，美国加利福尼亚伯克利大学的化学家杨佩东及其同事制成了室温纳米激光器。这种氧化锌纳米激光器在光激励下能发射线宽小于0.3nm、波长为385nm的激光，被认为是世界上最小的激光器，也是采用纳米技术制造的首批实际器件之一。在开发的初始阶段，研究人员就预言这种zno纳米激光器容易制作、亮度高、体积小，性能等同甚至优于gan蓝光激光器。由于能制作高密度纳米线阵列，所以，zno纳米激光器可以进入许多今天的gaas器件不可能涉及的应用领域。为了生长这种激光器，zno纳米线要用催化外延晶体生长的气相输运法合成。首先，在蓝宝石衬底上涂敷一层1nm~3.5nm厚的金膜，然后把它放到一个氧化铝舟上，将材料和衬底在氨气流中加热到880℃~905℃，产生zn蒸汽，再将zn蒸汽输运到衬底上，在2min~10min的生长过程内生成截面积为六边形的2μm~10μm的纳米线。研究人员发现，zno纳米线形成天然的激光腔，其直径为20nm~150nm，其大部分（95％）直径在70nm~100nm。为了研究纳米线的受激发射，研究人员用nd:yag激光器（266nm波长，3ns脉宽）的四次谐波输出在温室下对样品进行光泵浦。在发射光谱演变期间，光随泵浦功率的增大而激射，当激射超过zno纳米线的阈值（约为40kw／cm）时，发射光谱中会出现最高点，这些最高点的线宽小于0.3nm，比阈值以下自发射顶点的线宽小1/50以上。这些窄的线宽及发射强度的迅速提高使研究人员得出结论：受激发射的确发生在这些纳米线中。因此，这种纳米线阵列可以作为天然的谐振腔，进而成为理想的微型激光光源。研究人员相信，这种短波长纳米激光器可应用在光计算、信息存储和纳米分析仪等领域中。

3量子阱激光器

2010年前后，蚀刻在半导体片上的线路宽度将达到100nm以下，在电路中移动的将只有少数几个电子，一个电子的增加和减少都会给电路的运行造成很大影响。为了解决这一问题，量子阱激光器就诞生了。在量子力学中，把能够对电子的运动产生约束并使其量子化的势场称之成为量子阱。而利用这种量子约束在半导体激光器的有源层中形成量子能级，使能级之间的电子跃迁支配激光器的受激辐射，这就是量子阱激光器。目前，量子阱激光器有两种类型：量子线激光器和量子点激光器。

3.1量子线激光器

近日，科学家研制出功率比传统激光器大1000倍的量子线激光器，从而向创造速度更快的计算机和通信设备迈进了一大步。这种激光器可以提高音频、视频、因特网及其他采用光纤网络的通信方式的速度，它是由来自耶鲁大学、位于新泽西洲的朗讯科技公司贝尔实验室及德国德累斯顿马克斯·普朗克物理研究所的科学家们共同研制的。这些较高功率的激光器会减少对昂贵的中继器的要求，因为这些中继器在通信线路中每隔80km（50mile）安装一个，再次产生激光脉冲，脉冲在光纤中传播时强度会减弱（中继器）。

3.2量子点激光器

由直径小于20nm的一堆物质构成或者相当于60个硅原子排成一串的长度的量子点，可以控制非常小的电子群的运动而不与量子效应冲突。科学家们希望用量子点代替量子线获得更大的收获，但是，研究人员已制成的量子点激光器却不尽人意。原因是多方面的，包括制造一些大小几乎完全相同的电子群有困难。大多数量子装置要在极低的温度条件下工作，甚至微小的热量也会使电子变得难以控制，并且陷入量子效应的困境。但是，通过改变材料使量子点能够更牢地约束电子，日本电子技术实验室的松本和斯坦福大学的詹姆斯和哈里斯等少数几位工程师最近已制成可在室温下工作的单电子晶体管。但很多问题仍有待解决，开关速度不高，偶然的电能容易使单个电子脱离预定的路线。因此，大多数科学家正在努力研制全新的方法，而不是仿照目前的计算机设计量子装置。

4微腔激光器

微腔激光器是当代半导体研究领域的热点之一，它采用了现代超精细加工技术和超薄材料加工技术，具有高集成度、低噪声的特点，其功耗低的特点尤为显著，100万个激光器同时工作，功耗只有5w。

该激光器主要的类型就是微碟激光器，即一种形如碟型的微腔激光器，最早由贝尔实验室开发成功。其内部为采用先进的蚀刻工艺蚀刻出的直径只有几微米、厚度只有100nm的极薄的微型园碟，园碟的周围是空气，下面靠一个微小的底座支撑。由于半导体和空气的折射率相差很大，微碟内产生的光在此结构内发射，直到所产生的光波积累足够多的能量后沿着它的边缘折射，这种激光器的工作效率很高、能量阈值很低，工作时只需大约100μa的电流。

长春光学精密机械学院高功率半导体激光国家重点实验室和中国科学院北京半导体研究所从经典量子电动力学理论出发研究了微碟激光器的工作原理，采用光刻、反应离子刻蚀和选择化学腐蚀等微细加工技术制备出直径为9.5μm、低温光抽运ingaas／ingaasp多量子阱碟状微腔激光器。它在光通讯、光互联和光信息处理等方面有着很好的应用前景，可用作信息高速公路中最理想的光源。

微腔光子技术，如微腔探测器、微腔谐振器、微腔光晶体管、微腔放大器及其集成技术研究的突破，可使超大规模集成光子回路成为现实。因此，包括美国在内的一些发达国家都在微腔激光器的研究方面投人大量的人力和物力。长春光机与物理所的科技人员打破常规，用光刻方法实现了碟型微腔激光器件的图形转移，用湿法及干法刻蚀技术制作出碟型微腔结构，在国内首次研制出直径分别为8μm、4.5μm和2μm的光泵浦ingaas／ingaasp微碟激光器。其中，2μm直径的微碟激光器在77k温度下的激射阔值功率为5μw，是目前国际上报道中的最好水平。此外，他们还在国内首次研制出激射波长为1.55μm，激射阈值电流为2.3ma，在77k下激射直径为10μm的电泵浦ingaas／ingaasp微碟激光器以及国际上首个带有引出电极结构的电泵浦微柱激光器。值得一提的是，这种微碟激光器具有高集成度、低阈值、低功耗、低噪声、极高的响应、可动态模式工作等优点，在光通信、光互连、光信息处理等方面的应用前景广阔，可用于大规模光子器件集成光路，并可与光纤通信网络和大规模、超大规模集成电路匹配，组成光电子信息集成网络，是当代信息高速公路技术中最理想的光源；同时，可以和其他光电子元件实现单元集成，用于逻辑运算、光网络中的光互连等。

微纳光学技术与应用范文篇3

【关键词】纳米；检验医学；纳米技术；磁性纳米粒；纳米粒子

作者单位：256617山东省滨州市结核病防治院（孙本海）；滨州职业学院（金仲品）

纳米是一种长度计量单位，又称为毫微米（10-9m）。纳米技术（Nanoscaletechnology，NT）是一门在0.1～100nm空间尺度内操纵原子和分子，对材料进行加工，制造具有特定功能的产品、或对某物质进行研究、掌握其原子和分子的运动规律和特性的崭新高技术学科。NT领域不仅包括纳米材料学、纳米电子学、纳米制造学、纳米生物学和纳米显微学、纳米机械加工技术，而且是多学科交叉的横断学科［1］。NT产生的基础是现代化学、物理学和先进工程技术相结合的产物，是与高技术紧密结合的一门新型科学技术。生物医学工程是现代生命科学和医学、工程学相结合而发展起来的边缘学科，它与信息、材料、电子技术、计算机科学密切相关。Zhongguo［2］研究发现NT的发展正越来越成为世界各国科技界所关注的焦点，谁能在这一领域取得领先，谁就能占据21世纪科学的制高点。NT可以为生物医学工程中的诸多方面提供坚实的物质基础和强有力的技术保证。Song等［3］总结了快速发展的纳米微粒和生物分子轭合物的制备方法，已逐渐将生物连接制备的纳米粒子商品化，并对检验医学产生深远影响。

1磁性纳米粒

Li等［4］认为磁性纳米粒（magneticnanoparticle）已广泛用于生物分子固定化的载体和有机固相合成，其中磁性材料主要有铁、钴、镍等过渡金属及其氧化物和混合材料等。磁性纳米粒具有超顺磁性，在外磁场作用下，固液相的分离非常简单，不需离心、过滤等繁杂的操作，撤去磁场后没有剩磁残留，并在外磁场作用下可以定位。磁性纳米粒可通过共聚、表面改性赋予其表面多种反应基，可连接各种基团或DN段而用于不同的检测。

1.1生物活性物质和异生质分析与检测生物活性物质的检测方法虽然很多，但以抗体为基础的技术不多而且是最重要的。目前采用免疫分析加上磁性修饰已成功地用于检测各种生物活性物质和异生质（如药物、致癌物等）。在纳米磁球表面固定上特异性抗体或抗原，并以荧光染料、放射性同位素、酶或化学发光物质为基础所产生的检测，与传统微量滴定板技术相比，具有更简单、快速和灵敏的特点。Helden等［5］将抗体连接的纳米磁性微球与高效率、快速的化学发光免疫测定技术相结合的自动检测系统，已成功地用于血清中人免疫缺陷病毒1型和2型抗体的检测。还创建了用于人胰岛素检测的全自动夹心法免疫测定技术，其中亦用到抗体蛋白A纳米磁性微粒复合物和碱性磷酸酶标记二抗。

1.2免疫磁性微球检测生物活性物质或细胞的富集是在检验医学中一项重要内容，亲和配体技术在分选和回收方面提供了强有力的工具。Taubert等［7］采用白细胞分化抗原单抗标记的IMMS除去外周血中的白细胞，从而实现癌细胞的富集，随后用免疫细胞化学方法检测癌细胞。如果将寡核苷酸（dT）链交联到纳米磁性微粒上，即可用于真核细胞mRNA的分离纯化。Nagy等［8］已用胎儿红细胞抗原标记的免疫磁性微球很容易将母体外周血中的极少量胎儿细胞富集，该方法简便，并能通过进一步荧光PCR检测确定胎儿性别，进行非创伤性产前诊断。对癌症的早期诊断是医学界极为关注的难题。从理论推测，利用免疫磁性微球进行细胞分离技术可在早期癌症患者血液中检出癌细胞，实现对肿瘤的早期诊断。

2纳米粒子

纳米粒子表面积大而直径很小，偶联容量高，悬浮稳定性较好，便于发生各种高效反应，常用于各种不同的生物分析系统。与传统的生物制剂相比较，纳米粒子作为一种试剂有很多优越性。

2.1纳米粒子作定量标签用于生物分析与传统的有机荧光染料或放射性元素的标记相比，纳米粒子作为生物分析不仅可以代替，而且克服了它们的缺点。纳米粒子的主要两个领域是：金属纳米粒子和量子点（quantumdot，QD）。

2.1.1金属纳米粒子金属纳米粒子可用于包括光学、电化学、显微学和质谱等多种检测途径。Rojas-Cha-pana等［9］将胶体金用于电子显微镜检测，如用扫描隧道显微镜通过检测DNA的表面密度而用于目标序列的检测，在此系统中先将胶体金标记的dT探针与被测DNA序列杂交，使目标序列带上胶体金标记链。Leary等［10］将纳米金属粒子标记到dT探针上，与样品中的目标DNA序列杂交，然后在金属纳米粒子上沉析出银，通过电势测定法检测目标序列。Huang等［11］则将电感耦合等离子体质谱测定法（inductivelycoupledplasmamassspectrometry，ICPMS）和夹心免疫测定法相结合建立了一种新的免疫检测方法。在这个系统中，他们将胶体金标记的羊抗兔抗体作为ICPMS的分析物间接检测兔抗人IgG。这个系统还可通过在分析物上标记不同无机纳米粒，而达到同时检测不同物质的目的。

2.1.2量子点利用量子的限制作用，赋予纳米粒子独特的光学和电子的特性，也称为半导体纳米微晶体。这是一种最新的荧光材料，QD能够克服荧光分子重要的化学和光学局限性而具有多种特性，如根据QD的大小，可产生多种颜色，在同一激发波长下，不同长短直径的QD可发出不同颜色的激发光，利用这一特点，可同时检测多种指标的要求，这是传统染料分子根本无法实现的；QD的荧光时间较普通荧光分子延长数千倍，并便于长期追踪和保存结果。QD技术可用于检测活细胞里多种蛋白质活动［11］。Leary等［9］在QD上包被一层迪羟基硫辛酸（dihydroxylipoicacid，DHLA）后，则易与亲和素连接，再针对不同的QD给予不同的蛋白质抗体，制备出具有蛋白质专一性的一批QD。

2.2纳米粒子作信号的转导物纳米粒子（Nanoparticles，NPs）在检验诊断中作为信号转导物，可免去标记生物样品的需要，就可显示出巨大的发展空间。由于免去样品制备的步骤，使检验技术变得更简便和价廉。在这个系统中，纳米粒子对生物复合物的干扰作用或纳米粒子之间相对位置的改变都可成为一种检测信号。Hirsch等［12］根据以上原理建立了一种其他金属纳米粒子信号转导的应用，包括金纳米粒子介导的荧光淬灭，凝集反应检测血液中的免疫球蛋白方法。2006年Li等［4］这个系统中开发了一种新型生物传感器，这种传感器的核为直径2.5nm的金微粒，外面包裹一层dT分子，该分子的一端为巯基，一端联有荧光分子，由于纳米金微粒是一种有效的能量受体，能够作为荧光的淬灭物，当这种传感器与样品中的目标分子杂交后，引起传感器构像的改变，导致淬灭的荧光分子复原。再则，由于此系统荧光背景极低，与传统的有机淬灭物相比，该类传感器具有独特的结构和光学特性。

3小结

作为一门新兴学科的NT近年来被应用于医学领域刚刚开始，基本处于探索阶段，就已显示出将推动检验技术的进步与发展潜能。从含有纳米微粒的各种实验方法来看，纳米微粒在检验医学中的应用价值与现有技术相比，它的特异性、灵敏度和速度等性能都有了极大提高。随着NT的发展，在不久的将来一定会有更多的新纳米材料出现，并被应用于新的检验医学的检测方法中，检验医学将出现划时代的进展。

参考文献

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