光学频率梳（简称光梳）作为连接光学频率标准与微波频率标准的桥梁，在基础研究与工程实践上均显示出巨大的应用价值，目前已在光学频率直接测量、高精度绝对距离测量、精密光谱学、时间频率标准传递、天文定标、光钟等领域获得了广泛的应用。光梳为高精度的时间频率测量提供标准，开启了精密测量的新篇章。光梳技术及其相关应用的拓展在近十年呈现跨越式的发展，已经涉及到信息传递、大气监测、导航定位、深空探测等关系到国计民生的重要领域。基于全保偏光纤构建的超快光纤激光器是实现空天基光梳（箭载、星载、航天器载）的可行方案。箭载的光纤光梳是研究失重太空环境下精密频率测量和比对的理想工具，欧洲航天局已经将发射下一代更稳定更精密的空天光梳提上日程（TEXUS 54）。

飞秒光梳在频谱范畴相当于高精度的光学频率尺（光尺），它本身可以作为绝对频率的参照标准，相当于等频率间隔（100MHz~1GHz）的多达上百万个超稳连续激光，其中任何一个激光模式的谱线宽度都很窄而且其频率精确标定。高功率光梳放大，需攻克偏振/强度/相位精密控制、强度-相位噪声抑制等关键技术；高功率光梳相干放大网络，需攻克多路并行放大高精度控制、频谱相干合成、多波段光梳脉冲同步相干放大等关键技术。高功率飞秒光梳提供前所未有的全新装备，可在更宽的频谱范围和更高的光梳强度下获得更高的精度，也可提高探测灵敏度，发展出新型中红外、THz、紫外、极紫外光梳光谱仪器和装备，促进红外光梳光谱遥感、超远距离高精度跟踪定位等战略高技术的跨代发展。

 

研究院将进一步实现光钟精度的高功率飞秒光梳相干放大网络，提高飞秒光梳的功率，可在更宽的频谱范围和更高的光梳强度下获得更高的精度。驱动获得高精度的THz频率梳和超低噪声的高频微波频率梳，提高其能量，实现高精度THz和微波频率的局域区域覆盖的“应急时间频率分发”网络，这在特定环境、地震救灾、雷达阵列同步等方面有重要应用，特别是当卫星时间信号被破坏或攻击的情况下。

 

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红外光梳光谱新方法和新技术的深入发展将为红外光谱遥感等重大应用提供崭新的高精度和高灵敏度光谱探测方法和仪器设备，具有巨大的应用价值，可望发展形成光梳光谱遥感的新兴交叉科学分支，并触发系列化高技术创新，国内外尚未见有相关研究报道。提前布局在这一领域展开富有成效的研究，有望使我国在远程光谱遥感抢占新兴前瞻性战略高技术的制高点。在常规光谱成像设备中，一直面临的技术瓶颈是“成像无光谱”、“光谱不成像”，大都借助于长时间扫描的方式获得光谱成像，一帧图谱的获取时间一般相当长，无法获得动态的图谱合一的观测。 空间高分辨光学成像和高灵敏痕量光谱分析在技术方法和仪器设备上一直是相互牵制的二个方面，至今尚无可用技术和仪器设备能实现二者的同时快捷实时测量，也无法实现图谱融合，更无法实时获得动态图谱，而这一直是光谱遥感成像亟需发展的关键技术。

红外光梳光谱遥感，有助于推动红外光谱成像的方法创新，促进重大应用。主要体现在：通过相干双光梳光外差拍频时域信号的傅里叶变换，可方便快捷地获取其红外光谱信息，一次性获取宽光谱信息，宽光谱的探测时间可减低至毫秒量级；双光梳外差拍频直接实现高精度的频谱标定，双光梳光谱无需附加光谱仪，极大地降低了其载荷要求；相干外差探测也可极大地提升光谱探测灵敏度，可发展出少光子甚至单光子的超灵敏红外遥感测量方法；基于等间隔的宽频谱光学频率梳，频谱覆盖范围可达~100nm，实现多波段光谱遥感；控制每根光梳齿等效实现许多窄线宽纵模的光谱遥感测量，同时进行多谱线高精度光谱遥感测量，可获得兆赫兹量级的频谱分辨率；可发展出光梳-光外差以及光梳-光外差光谱跟踪成像技术，提高远程光谱信号的探测灵敏度，光谱遥感跟踪距离可达100公里甚至更远；凭借已实现的高功率飞秒光学频率梳技术，可拓展极宽频谱的主动式光谱遥感技术，进一步拓展光谱遥感跟踪的范围。

随着我国经济的快速发展，城市化和工业化进程加快，城市污水排放量不断增加。然而城市水体保护基础设施不完善，水污染控制与治理措施严重滞后，导致大量污染物入河，一些城市水体尤其是中小城市水体，直接成为工业、农业、及生活废水的主要排放场所。水体中各项指标包括化学需氧量COD、氮磷等污染物浓度大幅超标，引起水体富营养化，出现季节性或常年黑臭，屡见不鲜。

 

光催化技术在处理室内VOC方面显示出很好的前景，光催化材料在光的照射下，产生出氧化能力极强的自由氢氧基和活性氧，具有很强的光氧化还原功能，可氧化分解各种有机化合物和部分无机物，能破坏细菌的细胞膜和固化病毒的蛋白质，可杀灭细菌和分解有机污染物，把有机污染物分解成无污染的水和二氧化碳，因而具有极强的杀菌、除臭、防霉、防污自洁、净化空气功能。在对各种空气污染物的净化上，对甲醛、苯、苯系物、硫化物、氨化物有明显的分解作用。

传统光催化材料仅吸收太阳光谱的紫外部分，对于可见光甚至是近红外光部分没有响应，然而实际生活中紫外线是很少的，这就很大程度限制光催化的应用。本团队制备的可见光响应介孔光催化系选用天然介孔材料、纳米材料、无机抗菌材料等材料复合而成的高性能、多功能空气净化产品。本产品不仅能够紫外光，对于可见光波段甚至是近红外波段都具有光谱响应，这就意味着只要有光，光催化材料就会发挥作用，从而实现全光谱响应。此外，本团队制备的可见光响应介孔光催化居于高质量介孔结构，孔径大小为2-3 nm，具有大比表面积，形象地说，1 g的介孔光催化粉末其孔道表面积与1个足球场面积相当，因此可以有效吸附环境中气体、分子、病菌等。介孔光催化通过吸收室内可见光产生的具有强氧化能力的电子-空穴对，从而将吸附在光催化表面的有害物质分解成H2O，CO2，例如分解消除室内甲醛、苯、氨等各种有害气体和致病菌，对有害物质进行包裹沉降，达到彻底净化空气、有益人体健康的目的。

单光子探测技术可将光信号探测灵敏度提升至量子极限，已成为空天技术发展中最核心的基础元器件之一，如国家的重大专项“高分辨率对地观测系统”和“载人航天与探月工程”等，为了满足在空间上进行更远距离、更高空间分辨率、更快目标捕获等方面的探测能力，急需高灵敏光电探测技术的突破。激光遥感、微尺度激光测距、空间对地通信系统等，需检测目标物反射回光子来判断距离，在出射激光功率相同的条件下，单光子探测器的引入，使得极微弱的返回光也可被检测到，大大地扩展了系统的最大工作距离。此外，单光子探测器直接与当今极为关注的单光子信息处理和量子通信紧密相关，是发展量子网络、量子保密通信等量子信息技术必不可少的量子器件。

 

另一方面，不断提高光谱的检测灵敏度，特别是借助单光子探测技术达到量子极限的超高灵敏度，已成为现代精密光谱学发展的一个重要的新方向，单光子探测为超灵敏光谱研究提供了全面的技术革新机遇，在需要微弱光信号检测的光谱痕量分析与计量领域具有非常广阔的应用前景：如环境或工业污染监测、海关毒品爆炸品检测与公安侦破灵敏痕量分析、煤矿矿井化工等安全生产灵敏预警、生物发光与生物分子的灵敏分析等，也可以用于实现单量子体系如单分子与单量子点超高灵敏度的光谱探测。生物荧光检测、DNA定序、研究蛋白质折叠的荧光共振能量转移（FRET）等，光子产生速率低且相应的样本工作时间短，可靠且高效的单光子探测器是必备的器件。基于单光子探测器的光时域反射仪，通过检测光脉冲在光纤中的微弱的拉曼散射光，来判断温度的变化等，可实现远程灵敏温度检测。其他的一些应用，如单分子光谱检测、药物的光散射成像、正电子发射断层成像等，也越来越普遍地使用单光子探测器。

精密光谱测量是现代物理学的实验基础，为探索微观世界及揭示光与物质相互作用提供有力工具。红外波段是表征物质结构和获取分子特征信息等应用联系最紧密、需求最迫切的“指纹光谱区”，所含丰富分子振-转能级对研究分子动力学与分子结构成像等至关重要，深入发展精密光谱并将其推进到红外波段具有重要意义。当前，红外光谱分析面临着提高测量精度、提升灵敏度、增强分辨率以及拓宽探测带宽等亟待突破的科学技术瓶颈。传统光谱技术与仪器受限于光源控制技术和光谱测量手段，一般靠长时间累积平均来获得高精度测量和高灵敏痕量分析，难以实现快速实时观测或高频动态光谱成像。此外，频谱和时间作为傅里叶变换的两个共轭维度，通常面临频谱高精度和时域高分辨相互制约的矛盾，时-频高分辨光谱需要对光源进行时频域精密控制，以同时获得超快时间分辨和高精度纵模解析。因此，高性能红外光源是精密光谱测量的核心，需要在宽光谱范围内实现甚多模式的相干控制，减少相位噪声引致的谱线加宽，对高功率激光放大与低噪声光谱展宽提出了严苛要求，亟需突破现存光谱仪器测量精度与可测光谱范围不可兼得的限制，为同时测定多组分分子或单类分子多跃迁谱线提供可能。

 

已有研究表明人体呼出的气体中含有包括CO2、CO、NH3、水等在内的1000多种化学成分，其中每种成分在吸收光谱中都有其独特的吸收谱线（特征谱线）。通过分析气体的光谱成分和相应的吸收系数，可得出气体中所含各种化合物的浓度，并以此判断可能的病情。光梳光谱技术在深入研究大生物分子的形成过程和微生物的内部结构等诸多方面都有重要的应用前景。可利用近红外光谱来测量分析碳的同位素之间的比例关系，进而探测导致人患胃溃疡的幽门螺杆菌；通过探测人体内的氨含量来判断肾衰竭的病情，以及通过检测人体的NO浓度可以准确地诊断哮喘。此外，近红外光梳光谱技术还可用于研究甲胺对肝病、肾病的影响。

根据国家食药监总局数据，2016年中国医疗器械市场规模约3700亿元，2017年医疗器械市场延续了近几年的高增长趋势。2011-2016年中国医疗技术与医疗器械行业收入的年平均复合增长率高达20.7%，远高于全球3%左右的年平均复合增长率。预计2019年市场规模将达到6000亿元左右。其中影像设备、体外诊断和高值耗材占据医疗器械市场的前三大部分，分别占到总市场规模的19%、16%及13%。目前，我国药品和器械比例大概是1:0.2，而发达国家两者比例基本持平，甚至器械略有超出。目前，中国医疗支出占全社会GDP总量的4%，而世界平均水平为8%。医疗设备行业是一个永不枯竭的行业，即使在2008年全球经济危机期间，医疗设备行业依然保持每年20%以上的增长率。人们可以暂缓购买住房、汽车、家用电器；可以降低衣食住行的标准；但对于健康的追求却不会停止，随着我国社会人口快速步入老龄化，对医学器械的需求更加旺盛。

 

生物大分子医疗检测技术与器件方面，可检测相对较小分子的生物抗体（用各种特定的生物抗体，单克隆抗体），吸附于纳米多孔金，抗体与小分子产生免疫配位，（抗体的表位配位），检测电化学、电生物变化；针对特定抗原，设计相应的多表位抗体，实现表面等离子体增强Raman 检测，可检测肌钙蛋白CTnI用于心肌、心肌梗塞等医学检测，检测癌胚抗原CEA，为消化道肿瘤的辅助诊断指标，参考值是≤5.9ng/ml，CEA升高常见于大肠癌、胰腺癌、胃癌、小细胞肺癌、乳腺癌、甲状腺髓样癌等疾病。

THz辐射是指频率在0.1~10THz、波长在0.03~3 mm范围内的电磁波，介于微波与红外之间。国际上，THz生物医学研究随着欧盟2000年设立的国际联合项目“THz-Bridge”正式启动。美国政府将THz技术评为“改变未来世界的十大技术”之一，日本将其列为“国家支柱十大重点战略目标”之首，并将生物医学应用列为主要方向，欧洲连续10年将生物医学应用作为首要研究方向。THz技术已然成为国际上的研究热点和核心技术，THz成像技术和THz光谱技术是THz应用的两个重要方面，其广袤的科学前景为世界所公认。

 

THz成像技术在物质和材料内部结构成像方面较之于传统光学成像有无可比拟的优势，这是因为THz波对许多非金属以及非极性物质有很强的穿透力，利用THz射线照射被测物，通过THz透射或反射可探测材料内部结构信息。同时，THz光子的能量低 (一般为几meV)，不容易破坏被检测物质,具有低能安全性,可实现无损检测与成像。THz成像技术已为医学检测成像、无标记的基因检查、细胞水平的成像等带来非常诱人的崭新应用，例如，利用THz辐射对人的牙齿进行成像，区分牙齿的正常与损蛀部分，不必照射X射线，对人体没有附加伤害；THz成像在安全检测领域正在发挥越来越重要的作用，目前英国发展的THz安检设备已经进入试用阶段，它是利用连续波THz源进行成像，可以很容易区分隐藏在衣物、鞋内的刀具、枪械等物品；利用THz对墙壁、木材、土壤等强穿透性，相继发展出一系列具有非常诱人应用前景的THz雷达成像技术，例如，基于墙壁透过THz而人体包含大量水分不透过THz，研究人员正在研发THz穿墙雷达技术和仪器，可用于透过墙壁侦查屋内人员的分布和活动、穿透废墟寻找人体或生命迹象、抗震救灾中遇难者的搜救；基于地表干燥的泥土透过THz而金属反射THz，可发展非常有优势的THz探雷雷达成像技术与仪器；THz连续波成像系统也已成功地应用于对航天飞机使用绝缘泡沫可能存在的损伤和缺陷进行检测。

本项目部拟研制相控阵THz波谱成像仪器设备，获得高精度、噪声免疫的THz光谱成像，不仅提高国内THz仪器设备的国际竞争力，促进THz光谱成像技术的突破与提升，同时在生物医学、安全检测、无损探伤等领域具有重要的应用前景。
 

超轻微点阵材料是空天飞机主体材料，微点阵材料是近年来快速发展的一种新型材料。由于其孔隙率极大，比传统材料密度大大降低；而不同微观点阵结构，决定了其高韧性、耐撞击等特性；选择不同的原材料基底，还可获得其他功能性，例如，选用金属材料具有散热好、电磁屏蔽等方面的功能，选用高分子材料可具有吸附性、耐高温，等等。

 

由于它质量轻、韧性好的特性，都要通过微点阵结构设计加工来实现。因此对材料微纳尺度的高精度加工，要求较高。当今较为前沿的技术为双光子激光直写加工，也称双光子打印。打印过程大体与其他3D打印技术类似，只是因为它基于三阶非线性效应，加工精度大大高于普通的激光打印，因而受到越来越多的青睐。但是，因为它本质是基于物质的双光子吸收，而具有这一特性的材料非常有限，导致它只能选择非常少的一类材料作为加工基底；并且它以吸收为加工基础，也一定程度限制了其材料加工的深度。

 

从红外超短脉冲激光共振激励技术衍生出来的激光高温固相纳米晶体生长方法，属于纯物理方法，激光烧结效率高，使得材料制备时间大大缩短，这为用于大规模工业生产提供了极大的便利；制备过程无需辅助反应试剂，反应原料稳定，生成的纳米材料及中间产物均可以稳定在空气中存在，不需要充入惰性气体进行保护作用，在空气环境下即可进行制备实验；高功率连续激光烧结源靶在激光照射区生长微晶，然后结合脉冲激光在溶液中消融，可发展出一种效率高，稳定性好，设备成本低的纳米晶体生长方法，具有广泛的应用前景。
 

再生能源电池研发部研究开发新型催化材料及高性能可再生能源电池。铝空气电池由铝阳极、空气阴极和电解液组成，与传统燃料电池相比具有高能量密度（8100 Wh/kg）、成本低、无污染等优点，被认为“可能改变整个能源格局”并“造就千亿市场”。空气电极极化是影响铝空气电池性能的瓶颈之一，采用本部自主研发的石墨烯基多孔复合材料，有望有效提高空气电极性能。

生物质碳能源研发部研发并试产环保清淤与渗漏液处理的一体化设备，该设备清淤速度快，每小时可处理250立方米的淤泥，相较于传统清淤极大地降低人工需求且无二次污染，应用于黑臭水体治理、河道清淤、生物质固废垃圾清理、城市生活污水处理以及垃圾场渗漏液处理；发展形成生物质碳能源创新技术，如生物质固废发酵堆肥将淤泥转化为有机肥，变废为宝；构建了生物质碳能源再生利用的工艺流程，实现生物质中制取纳米碳量子材料，整个工艺流程绿色环保，从生物质固废垃圾废中制备的碳量子材料，可广泛应用于超级电容器、金属电池电极、机械电子、化工生产、环保能源材料等。

光生物中医药研发部研发植物药材的全息活性提取技术，结合多种分子指纹谱分析技术、如红外光谱、太赫兹谱、拉曼光谱、光梳光谱等，实现传统中医药的高效化、方便化、现代化。在中药、傣药、南药等系列传统药材的筛选分析的基础上，已提出对高血糖、高血压、高血脂、糖尿病、肾病、痛风等疾病初显试用疗效的水溶性活性成分。譬如，经活性提取的葛根除对内分泌调节有作用外，还可作用心血管内壁细胞修复、镇痛、解痉挛、解酒养胃保肝等。