研究方向一：智能光测与成像技术
（1）交通基础设施沉降变形移动式高速高精度视觉测量技术
沉降测量是铁路、桥梁等重大交通基础设施安全服役的重要保障。国家规范强制要求每年至少开展全线沉降检测1~2次。现有基于惯性导航/卫星导航/测量机器人融合的移动式检测装备虽然可以自动化开展沉降测量，但是精度不高（最高毫米级），无法满足国家规范精密测量要求。且需要频繁停机校正惯导累积误差，属于“走走停停”式检测，效率低下。本项目通过首创的移动式相机动态组网巡测方法，在国际上首次实现基于运动观测平台精准辨识1公里范围亚毫米沉降，是世界上第一款在不停机连续检测过程中沉降测量精度达亚毫米的精密检测装备，为我国交通基础设施安全检测提供了完全独立自主可控的技术支撑，改变了高端精密检测装备长期由国外领头创新的被动局面，获得2025年全国颠覆性技术创新大赛优胜奖。
（2）大视野高分辨率CT成像与测量技术
立足于“吸气式发动机关键部件热物理试验装置”国家重大科技基础设施对高能射线测试系统的迫切需求，团队提出了大视野高分辨率CT成像与测量技术，以解决吸气式发动机内部高温、高压、高转速条件下受限空间内的转-静间隙、零部件变形等测量难题。提出了基于线阵探测器的发动机全局二维高精度投影数据获取方法，解决了线阵探测器沿一个空间维度成像视野受限的挑战，为发动机整体CT成像奠定了基础。针对多自由度高能射线成像系统扫描过程中机械不稳定、机械安装与运动控制同步精度不足等因素导致CT图像空间分辨率降低的问题，提出了基于柔性标志物的CT系统几何参数在线高精度标定方法。建立了基于平板探测器的大型构件多角度快速扫描方法，能够实现静态、稳态和非稳态工况下对发动机内部不同结构位置间隙的二维透视成像。开发了大视野、有限角度投影图像的高分辨快速三维重建算法，可以在投影角度不完备条件下实现大型发动机构件内部区域三维结构的精准表征。提出了发动机静态和稳态工况下CT 三维重建图像测量方法，以实现内部结构几何尺寸、静子机匣变形、叶顶径向间隙等关键参数的高精度测量，为我国航空发动机的设计研发和改进提供重要参考和依据。项目成果获得国家重点研发计划课题、国家重大科技基础设施项目课题等重点项目。
（3）计算显微三维成像技术
计算荧光显微成像系统通过照明和成像链路的多自由度调控实现了多样化PSF工程改造和成像性能突破，其中，特异性系统响应的精确表征是一个挑战性难题。为此，团队提出了一种以样本先验驱动的PSF计算解耦框架，在无需理论建模和亚衍射极限颗粒测量的条件下，实现了计算显微系统响应的非参数化表征。该方法利用常规荧光样本作为系统调制介质，通过宽场样本先验引导从系统调制信号中优化解耦出表征系统特异性的精确PSF，提升计算荧光显微成像性能。通过孔径调制计算荧光显微实验验证了该方法在多种生物组织成像中能够实现多色、大景深、高分辨、高保真三维成像。该方法为计算显微成像系统的通用表征与性能重构开辟了新路径，在生物医学与材料学等领域展现出广阔应用前景。相关成果发表于Light: Science & Applications。
计算荧光显微PSF解耦原理。(a) 计算荧光显微系统示意图，系统响应可通过等效孔径调制进行优化；(b) PSF解耦流程，使用常规荧光样本作为系统调制器，并以宽场反卷积结果作为样本先验，优化计算系统PSF。
（4）高性能全波段应力发光智能结构设计与应用探索
彭登峰教授及其合作团队实现了在200~1700纳米整个光谱范围内的可调应力发光。其中，在氟化物结构中，借助Pr3+的4f5d→4f²跃迁，达成了前所未有的约220纳米远紫外外应力发光。这些材料不仅展现出在直接机械激发下的自恢复应力发光特性，还在X射线照射后呈现出热致发光和应力发光现象。所研发的镧系掺杂卤化物晶体材料在经过X射线照射后，能够捕获电荷载流子，并通过热刺激和机械刺激产生明亮发射(Nature Communications2025, 16:6224)。设计制备出一种仿生应力发光微纤毛阵列薄膜，基于ML触觉传感器与用于图像分析的机器学习相结合，达成了纹理和盲文点识别，准确率分别高达99.95%和96.74%,研发出一种基于应力发光传感的盲文到语音转换系统。这些高性能的基于ML系统是下一代电子和光学触觉传感系统的有力候选方案(Advanced Materials 2025, 37(35), 2507634)。成功研制出一种基于共掺杂半导体异质结构的多功能应力发光活性材料，此材料可用于远程温度监测以及力和声音的视觉传感(Advanced Materials 2025, 37(41), e10117)。在压电氧化镓(Ga2O3)半导体中开发了一种明亮的Cr3+敏化镧系NIR - II应力发光(Advanced Materials 2025, 37(43), e06957)。实现了一种基于未掺杂氮化铝(AlN)中缺陷相关发射的多模式光学传感器，该传感器能够通过光致发光实现温度和压力传感，并通过应力发光进行力检测(Advanced Materials 2025, e11943)。实现了稀土共掺杂半导体异质结应力发光材料体系，为应力发光量子裁剪新材料的开发提供了一种新途径（Materials Futures 2025, 4, 025701)。开发的高亮度近红外应力发光智能结构获得中国发明专利授权(ZL202411280226.1; ZL202410502121.X; ZL202410006686.9)。以上这应力发光智能结构有望在信息加密、工程无损检测、光子芯片与光通讯传感等领域发挥重要作用。
（5）氮化铝晶体材料特性及真空紫外光电探测器研究
武红磊教授团队针对氮化铝（AlN）单晶在化学机械抛光过程中出现的表面凹坑缺陷问题，构建了一个跨尺度关联模型，系统揭示了机械载荷-应力弛豫-位错演化-缺陷形成之间的内在联系。研究结果表明，机械载荷引起的残余应力释放是凹坑成核的主要诱因；位错滑移主导的晶格畸变推动缺陷扩展；抛光过程中磨料嵌入与碎屑堆积形成二次损伤，并诱发ZrAl–VN复合缺陷，导致光致发光谱展宽（Surfaces and Interfaces 2025,72 106972）。该研究突破了传统单一物理场分析的局限，为宽禁带半导体超精密加工中的损伤控制提供了理论依据与方法支撑。此外，基于AlN单晶微米片制备MSM型光电导真空紫外光电探测器。在185nm光照下，器件的明暗电流比大于1000，同时还表现出良好的光谱选择性（R185nm/R310nm=1293）；在193nm准分子激光器照射下器件的响应速度为（trise=170ns、tdecay=53μs），是目前PVT法生长AlN制备紫外光电探测器的最优值（Vacuum 2025, 242 114704）。该研究展示PVT法生长AlN作为紧凑、高性能和无滤光片的真空紫外光电探测器的候选材料，为固态真空紫外探测提供新的方案。
（6）跨工况跨材料锂离子电池健康状态评估技术
提出一种可从时空图视角完成时间序列预测的傅里叶图神经网络，通过随机小段充电曲线重构完整的恒流充电曲线。该方法利用大语言模型（LLM）提取向量化的电池退化知识，并将其与傅里叶图神经网络的输出相结合，实现了高精度、可泛化且鲁棒的完整充电曲线重构；进一步开展了不同工况、不同温度下的健康状态（SOH）估计应用验证，取得了均方根误差0.86%、最大误差4.24%的优异性能（Energy2025, 333, 137565）。提出一种适用于任意充电片段的三阶段迁移学习框架，可实现跨不同材料的电池SOH精确估计。该方法通过相关性分析提取了六种健康特征，覆盖20%至85%的荷电状态范围，解决了充电片段随机性的问题；进一步构建了三阶段迁移学习框架，利用最大均值差异（MMD）显式地对齐全局统计分布。该方法显著提高了跨材料和碎片化充电场景下电池SOH估计的精度和工程适用性（Energy2025, 341, 139376）。
（7）基于光学相干层析的激光加工在线监测技术
提出基于双通道光学相干层析（OCT）的激光焊接在线监测技术，（中国激光, 2025），通过优化双通道光路结构，研制出高速平衡探测OCT系统，解决了传统OCT采样速率受限的问题，成功地将OCT系统的信噪比提升了5.8 dB，实现了对焊接熔深的高精度在线检测。结合二维振镜扫描，获取了焊接熔池三维形貌，定量分析了高速焊接下的匙孔滞后量（Chinese Optics Letters, 2024, 22, 011203; Chinese Optics Letters, 23, 031201, 2025）。利用经验模态分解算法，建立了熔深与气孔的对应关系，实现了对气孔缺陷的在线检测（Mechanical Systems and Signal Processing, 238, 113256, 2025；激光与光电子学进展, 2025）。研究结果可为激光焊接监测提供新的思路和方法，促进激光焊接在新能源动力电池领域的应用发展。
研究方向二：生物医学光学与光子学
（1）超分辨光学显微成像技术
针对多色超分辨成像面临的如光谱重叠、串扰、光漂白、光毒性以及技术复杂等诸多挑战，屈军乐教授团队提出了Phasor-FSTM技术（Light: Science & Applications, 2025,14(1), 32），成功克服了上述难题，实现更精准、更高效的细胞成像。该技术基于荧光调制和寿命复用原理，通过时间分辨探测获取编码光子的时空信息，利用相量分析同时分离多个结构成分，并应用荧光调制构建出超分辨图像，因此克服了传统成像技术的局限性。该成果对细胞器在长时间尺度上的动态变化和互作过程研究具有重要意义，基于此获授权1项发明专利：一种单波长激发的荧光调制多色超分辨显微成像方法（ZL202211482681.0）。针对远场光学显微镜分辨率受限于光学衍射极限，团队提出了一种荧光强度比率编码与差分（FIRED）超分辨成像技术。该方法基于传统共聚焦系统，仅需简单升级增加环形光路，利用相同波长的高斯光束与环形光束分别激发样本，获取两幅图像。通过对图像像素强度进行特定比率运算生成权重矩阵，并应用于原始图像进行编码，再结合差分处理，有效突破衍射极限（Nano Letters2025, 25(24), 9845-9852）。该技术操作简便、硬件改动小、成本低、光损伤小的特点，为生物医学和材料科学领域，特别是活细胞长时程、多结构的超分辨动态研究，提供了一个经济高效且易普及的技术平台。相关成果获授权2项发明专利：一种荧光发射比率超分辨成像方法（ZL202211340584.8）和一种荧光发射比率三维超分辨成像方法（ZL202211341567.6）。
（2）高时间分辨率荧光寿命显微成像技术
刘丽炜教授课题组提出了一种双光子荧光寿命体积投影显微镜，使用轴向拉长的贝塞尔焦距和瞬时频域荧光寿命技术，并与卷积网络相结合，以提高体内神经动力学成像的速度（Advanced Science, 2025,12(7): e2410605）。通过全体积监测细胞内钙离子浓度，追踪斑马鱼脑热损伤后小胶质细胞的运动和微环境变化，分析星形胶质细胞网络中缝隙连接的结构和功能变化，以及测量小鼠脑内神经元的钙离子浓度，验证了所提方法的有效性。这一创新的方法可以在体内定量显示神经动力学以及大脑中的细胞过程和相互作用。此外，团队将荧光寿命内窥镜显微镜用于实时可视化的肿瘤微环境有氧糖酵解研究（Nano Letters2025, 25(28): 11036-11041），揭示肿瘤微环境的酸度可以作为评估有氧糖酵解程度及其对肿瘤生长和治疗影响的指标，为临床药物疗效的评估提供了一种潜在的有价值的方法。
（3）多焦点结构光照明显微成像重建技术
提出了一种基于零采样深度学习的多焦点结构光照明显微镜（MSIM）成像方法（ZSDN-MSIM），该方法通过零采样去卷积网络对原始MSIM点阵数据进行去噪与解卷积预处理，并结合像素重定位处理技术实现基于MSIM原始数据的超分辨图像重建（Optics Express, 2025, 33(16), 33995）。该成果为在弱光条件下通过MSIM实现活细胞高质量成像重建提供了全新解决方案，对推进低光损伤活体成像应用具有重要价值。进一步，将基于傅里叶叠层与解卷积光学涨落成像方法（SFPD）与MSIM相结合，提出一种新的超分辨图像处理方法（Optics Letters,2025, 50(6)）。仅通过优化重建算法即可实现显著的分辨率提升，且仅需采集10帧原始数据即可重建超分辨率SOFI图像，能显著缩短成像采集时间，并显著抑制背景噪声。实验结果表明相较于宽场成像显微镜，SFPD-MSIM可实现四倍分辨率的提升，为生物医学研究提供了一种高效工具，尤其适用于需要观察细胞结构和组织细节的研究应用。
（4）光热冰-水界面管理技术
邵永红教授与陈嘉杰副教授研究团队近日提出了一种创新的光热冰-水界面管理（Optothermal Ice–Water Interface Management, OIIM）技术。其通过光学引导可移动的冰水界面的动态聚合与移动（ACS Nano, 2025,19(45), 39281–39291），形成一种可调可控的纳米容器,主动驱动分析物,从埃级染料到微米级颗粒,进入密闭区域。这种多功能方法有效地富集了多种生物大分子,包括核苷酸、蛋白质和合成纳米材料。OIIM还支持多位点富集、空间巩固和形成飞升级微反应器,以加速酶级联反应。值得一提的是，OIIM有效解决了超短核酸分子难以被传统方法富集的难题，为分子诊断与冷冻生物学研究开辟了新的技术方向。
（5）半导体寡聚物探针三次谐波性质表征与活体深层脑成像应用研究
利用基于半导体寡聚物（BTICs）开发的新型纳米探针，在1700 nm激发条件下，通过三次谐波（THG）成像技术成功实现了活体小鼠脑部1745 μm深度血管结构的清晰可视化，突破了传统THG成像在深度和分辨率上的双重局限，创下迄今活体小鼠脑血管THG成像的最深记录。通过系统测量该系列探针THG等效作用截面，并对比游离态BTICs与纳米颗粒（NPs）形式的THG信号，明确了BTICs半导体寡聚物NPs在NIR-IIb窗口的高效THG性能及THG效应的聚集态依赖机制（Adv. Mater.2025 37(32), 2417085）。为半导体寡聚物NPs的生物医学转化提供了关键的性能数据与应用方案，进一步推动了NIR-IIb窗口THG深层脑成像技术的创新发展。
（6）深层组织成像去散射与图像复原研究
设计了一种基于Transformer架构的多注意力神经网络（DA-net），能有效抑制深层组织成像中的光散射效应，显著提升了双光子激发荧光显微镜（TPEF）的成像深度至离体1300 μm、活体血管950 μm、星形胶质细胞500 μm（PNAS, 2025,122: e2503576122）。通过协同利用通道注意力与自注意力机制，增强有效特征提取与长程依赖建模能力；通过设计多成分损失函数，有效抑制图像伪影生成，确保组织结构的真实性与形态完整性；通过构建模拟散射模型生成带有散射的图像及其对应的无散射图像作为真实值，进而利用这些数据对训练网络，使其能够学习从散射图像到清晰图像的端到端映射，无需采集大量不同深度下的实验数据；通过采用动态范围的散射系数（而非固定值）来模拟活体组织的异质性，从而生成更贴近真实生物环境的训练数据，有效降低了数据获取成本；此外，该方法可适用于较低激光功率（15-30 mW）下的成像，显著减少对活体样本的光损伤，更适合长期动态观测研究。该方法为解决活体深层成像中的散射挑战、突破成像深度限制提供了一种创新的计算成像解决方案，为实现活体深层组织中清晰结构的可靠获取提供了有力的技术支撑，为基于TPEF显微图像的深入分析和生物医学研究提供了精确的数据基础。
（7）基于显微成像的多细胞器互作机制研究
在荧光探针方面，构建了一系列具有多细胞器特异靶向能力、兼具高光稳定性和低生物毒性的碳点及有机/复合探针，实现对核仁、线粒体、溶酶体等多个亚细胞结构的同步标记及局部微环境参数成像，为多细胞器互作的多维可视化提供了关键材料基础(Coord. Chem. Rev., 2025, 549: 217252, 2026; Adv. Opt. Mater., 13: e00940 )；在光学方法方面，发展了面向活细胞的多色超分辨与荧光寿命显微成像技术，提出基于寿命相图分析和单对激发–损耗光束的多通道超分辨成像策略，有效降低信道串扰与背景噪声，构建起兼具高空间分辨率、长时程活细胞观测能力的多模态显微成像平台(Light Sci. Appl.,2025,14:35)；在应用层面，上述探针与成像方法已用于多细胞器协同标记及其动态互作过程的原位观测，初步揭示了细胞应激、能量代谢等生命过程中心核仁–线粒体–溶酶体等细胞器间的时空耦合特征，为后续面向重大疾病的多细胞器互作机制系统研究奠定了技术与实验基础(Anal. Chim. Acta,2025,1342: 343625; Dyes Pigm.,2025, 246: 113299)。
（8）基于多谱学技术解析水参与乳糖结晶的协同作用与机理
利用太赫兹时域光谱（THz-TDS）、低场核磁共振（LF-NMR）、分段磁共振成像（MRI）和拉曼光谱等多种先进谱学融合技术，系统揭示了水在无定形乳糖结晶过程中的关键作用及其对晶体形态的影响机制（Anal. Chem., 2025,97(38), 20688–20697）。研究首次明确了水在结晶中的“气-液-固”循环迁移路径，并通过改进的THz-TDS峰解卷积与机器学习方法，实现了对不同水活度（����）与温度下乳糖晶体形态（包括α-乳糖一水合物、α/β-无水乳糖等）的精确鉴别。研究进一步通过理论计算与实验光谱对比，阐明了水分子插入如何驱动β-乳糖向α-乳糖的异构化及其向一水合物的转化过程。该工作的创新性在于构建了多尺度、多技术联用的分析框架，不仅深化了对水参与乳糖结晶动力学的分子层次理解，也为食品与制药行业中乳糖基产品的晶体形态调控与品质优化提供了重要的理论与方法支撑。
（9）基于硅/石墨烯异质结的电调谐太赫兹拓扑光子芯片
本研究提出并实验验证了一种基于硅/石墨烯异质结的电调谐太赫兹拓扑光子芯片。该工作通过在拓扑光子晶体上集成石墨烯场效应晶体管结构，实现了通过栅压调控石墨烯费米能级，从而主动调制拓扑波导中太赫兹波的幅度与相位（Laser Photonics Rev.,2025, e00159）。核心内容包括设计并制备了硅基拓扑波导与马赫-曾德尔干涉仪，实验表明单个弯曲波导在282.5 GHz处可实现6.3 dB的强度调制，而干涉仪结构中单臂电调谐在277.06 GHz处获得了高达36 dB的调制深度。其创新性在于首次实现了对拓扑光子绝缘体的直接电学动态调控，克服了传统磁光或光泵浦方法在紧凑性与集成度上的限制，并利用拓扑态的抗缺陷特性，使电极引入的影响可忽略。该工作为发展大规模、高调制深度的片上太赫兹主动器件与系统开辟了新途径，并对非厄米拓扑等前沿研究提供了可行的电控实现方案。
（10）基于Aβ斑块内部极性变化的AD治疗效果评价研究
阿尔茨海默病（Alzheimer's Disease, AD）是一种常见的神经退行性疾病，其主要特征是认知功能的进行性下降。尽管AD的确切机制尚未完全阐明，但大量证据表明，淀粉样β蛋白（Aβ）的异常聚集和神经纤维缠结（NFTs）是该疾病的关键病理特征。这些病理变化导致神经元的损伤和死亡，从而引发认知功能的逐渐衰退。光生物调节（Photo biomodulation, PBM）是一种非侵入性治疗方法，通过将可见光或近红外光（400-1100 nm）照射到组织上，产生非热生物效应。近年来，PBM作为一种改善大脑功能的潜在方法引起了广泛关注。研究表明，PBM能够通过多种机制（如诱导伽马振荡、激活保护性免疫反应、上调神经营养因子以及增强脑膜淋巴引流）促进Aβ的清除，从而改善AD模型中的认知功能。然而，PBM对Aβ斑块物理化学性质的直接影响仍需进一步研究。本研究通过开发一种新型的极性敏感荧光寿命探针（SiR-Aβ），揭示了PBM可以诱导Aβ斑块极性反转（Matter, 2025, 8(5), 102102）。这一发现为PBM在阿尔茨海默病（AD）治疗中针对Aβ斑块的作用机制提供了新的见解，并表明Aβ斑块极性的变化可能作为评估PBM治疗效果的潜在早期生物标志物。SiR-Aβ探针的实时监测能力为Aβ斑块极性的动态变化提供了精确的检测手段，为AD的早期诊断和治疗效果评估提供了重要的技术支撑。此外，该研究还为优化PBM治疗参数提供了理论依据，并为基于Aβ斑块极性调节的新型AD治疗策略的开发奠定了基础。
（11）太赫兹片上拓扑无标记痕量传感
本研究面向无标记、痕量核酸检测的重大需求，提出“太赫兹片上拓扑无标记痕量传感”新范式。通过将CRISPR-Cas12a 的特异基因编辑机制与纳米颗粒可控聚集效应相结合，并利用太赫兹拓扑马赫–曾德干涉仪的高场局域与抗散射优势（Laser Photonics Rev, 2025,e00159），实现对ctDNA 的亚阿摩尔（aM）级单碱基特异性识别。该策略无需扩增与荧光标记，可在片上实现高稳定度、生物环境鲁棒的痕量诊断，为集成化、多靶标太赫兹生物检测平台奠定基础。该研究获得2025年度国自然面上项目的支持。
（12）基于针孔阵列实现X射线光束追踪相衬成像
相较于传统X射线吸收成像技术，X射线相衬成像能够更清晰地揭示物体的内部结构，特别是在软组织和轻元素材料成像中具有显著优势。本团队提出了一种基于针孔成像原理的X射线光束追踪相衬成像方案，可以采用常规大焦斑X射线源实现（Sensors,2025,25, 6089）。通过在X射线源与样品之间放置一个周期性的针孔阵列掩模板，实现对X射线束的空间调制，将其分解为多个相互独立的子束。每个子束会因为样品的相位调制作用而发生偏折，从而在探测器上形成位置微移的光强图案。方案中实验采用光斑尺寸为400微米的常规X射线源，利用二维步进扫描方式采集样品的多幅图像序列，然后采用傅里叶分析方法从多幅图像中恢复得到其相衬图像。如图是实验获得的X射线针孔阵列成像图案及恢复得到的有机玻璃棒和螃蟹样品的相衬图像。实验结果表明，该方法能够展示出样品的边缘轮廓和结构变化，且在弱吸收条件下具备更优的图像对比度和细节恢复能力，在轻元素材料检测和软组织成像领域将有很大的应用潜力。
研究方向三：光纤传感与激光技术
（1）大规模光纤光栅阵列飞秒激光全自动制备技术
王义平教授团队提出了大规模光纤光栅阵列（含弱反射点阵列）飞秒激光全自动制备技术，并在2023年3月31日于广州举行的第三届全国光子技术论坛上首次发布该技术。该技术在国内首次实现了公里级、卷对卷大规模（大于10000个）光纤光栅阵列传感器的飞秒激光全自动制备，打破了国外长期以来的技术壁垒，解决了分布式光纤传感领域的卡脖子问题，真正实现了大规模光纤光栅传感器阵列的中国制造，荣膺“2023年度中国十大光学产业技术奖”。基于该技术授权了3项发明专利：一种采用飞秒激光在光纤上制备微结构阵列的装置及方法（ZL202211348086.8）、一种多芯光纤串联并联集成微结构阵列的飞秒激光制备方法（ZL202310094451.5）、一种基于深度学习的光纤微结构制备方法（ZL202410992052.5）。该技术制备的大规模光纤光栅阵列在航空航天、油井勘探、周界安防、桥梁大坝等分布式传感领域具有广泛应用前景。
（2）光纤三维形状传感技术
王义平教授团队在2023年9月6日于深圳国际会展中心举行的第24届中国国际光电博览会上，首次展示了自主研发的高精度光纤三维形状传感仪。光纤三维形状传感仪利用光纤局部应变检测光纤的弯曲曲率和弯曲方向等关键信息，从而自主感知光纤空间位置（坐标），并利用高精度三维曲线重构算法实时重构光纤三维形状；可实时原位测量和动态显示智能工程结构的空间位置、姿态和应变场，具有体积小、重量轻、精度高、柔性传感等优点；在人工智能、精准介入诊疗、结构健康监测等领域具有广泛应用前景。当光纤三维形状传感器植入机器人灵巧手时，可自主感知灵巧手的空气位置和姿态；当光纤三维形状传感器和介入诊疗手术的导丝集成时，可实现手术导丝的精准定位和位置追迹；当光纤三维形状传感器埋入飞机机翼蒙皮时，可实时监测机翼蒙皮的形变和应变场并及时预警。基于该技术授权了2项发明专利：一种基于FPGA的OFDR快速解调系统及方法（202410477754.X）、空分波分混合复用光栅阵列的光纤三维形状传感方法（202410614098.3）。与中国空气动力研究与发展中心合作，实现了高速风洞/水洞试验飞行器模型三维形状的实时监测；与江淮前沿技术协同创新中心合作，实现了空间柔性机械臂三维形状的实时在线监测。
（3）光纤光栅高温传感技术
重点实验室提出飞秒激光直写凹陷包层型单模锥型波导用于蓝宝石多模光栅滤模，实现单模传输。首先，基于COMSOL Multiphysics建立了凹陷包层型波导的数值仿真模型。接着对锥型波导锥角进行仿真设计，以保证低损耗绝热传输。利用飞秒激光直写法成功在无芯光纤中制备了直径由 60 μm至 10 μm变化的锥型波导模场转换器，研究了螺距、层厚、直径以及折射率调制量对波导损耗的影响，通过将该器件与多模蓝宝石光纤光栅连接，有效滤除蓝宝石光纤中高阶模式，减少模式数量，降低反射光谱3 dB带宽，获得单模蓝宝石光纤光栅光谱（3 dB带宽为0.62 nm），有效提高了寻峰稳定性（±7 pm）。此外，我们利用飞秒激光直写技术在蓝宝石光纤上制备螺线波导光栅，实现了单模传输，光栅反射率66.1%、3 dB带宽0.21 nm。开展了1600℃高温传感试验，具有良好的重复性和较高的测温精度（≤±2 ℃）。因此，我们研究的蓝宝石光纤光栅高温温度传感技术，在航空航天、核电工业、稀土冶炼等领域具有良好的应用价值。
（4）基于飞秒激光3D打印的光纤端面玻璃微器件原位稳定集成技术
石英玻璃因其优异的光学特性、化学稳定性和机械性能，已成为现代光学、集成电路以及航空航天等高科技领域的关键材料。然而，随着工业应用对材料的几何形状、尺寸精度以及光学性能的要求不断提高，传统的石英玻璃制造技术正面临严峻的挑战。针对石英玻璃成形所需高温烧结且不易原位稳定集成的难题，团队利用飞秒激光3D打印技术，结合结构优化，将微纳玻璃器件稳定集成在光纤端面。通过湿化学法制备了有别于传统二氧化硅负载的有机无机杂化玻璃光刻胶，利用飞秒激光多光子光刻技术，基于非线性吸收效应和阈值效应，实现了特征尺寸超衍射极限的玻璃单体聚合交联结构打印，再经过热处理（700℃）有效分解交联前驱体中的有机成分，该温度远低于传统石英玻璃成形所需烧结温度，实现了光纤端面高质量微纳石英玻璃的原位稳定集成制造。研究表明，制备的光纤端面石英微光学器件具有优异的光学性能和高温稳定性，有望应用于MEMS传感、微光学成像和光电芯片集成等领域（Laser & Photonics Reviews, DOI:10.1002/lpor.202501110）。
（5）超长距离前向DAS传感技术
中国拥有全球领先的国家基础设施体系，公路、铁路、电网、管道与通信光缆等共同构成了支撑经济社会运行的骨干网络。保障这些关键基础设施的安全，不仅关乎国家的可持续发展，也直接影响中国的国际形象与竞争力。在这一背景下，“前向DAS”技术展现出显著优势，包括更长的传感距离、更高的灵敏度、更宽的频响范围，并能够复用现有通信光缆，大幅降低成本。
本团队在该领域取得了多项原创性突破：在国际上首次提出了基于光强与偏振解调的多点振动定位方法，并利用频域分析突破了传统时域方案的空间分辨率限制（Optics Express, 2024, 32: 30775）；率先实现了基于偏振解调的振动定位技术（Optics Letters, 2023, 48: 5767）；开发了多种新型解调方案，涵盖相位解调等多个方向（Optics Letters, 2023, 48: 4825; Journal of Lightwave Technology, 2024, 42: 5736）；在实验室环境下成功实现了单跨超过270公里的长距离传感（Optics Express, 2025, 33: 36208）。此外，团队还攻克了多参量同步检测与近等频信号有效分离等关键技术瓶颈（Journal of Lightwave Technology, 2025, 43: 8435; Optics Express, 2025, 33: 33077），为基础设施安全监测提供了强有力的技术支撑。
研究方向四：集成光子学与功能材料
（1）全无机铜锌锡硫薄膜太阳电池研究
环境友好型铜锌锡硫化合物薄膜太阳电池是极具应用前景的新能源技术，但其光电转换效率多年来停滞不前，主要原因之一是严重的开路电压亏损和较低的短路电流，这与深能级缺陷（如：硫空位等）密切相关；硫空位直接影响晶体稳定性、载流子寿命及扩散长度，在异质结界面和空间电荷区域尤为明显，出现能带构型失配和能带扰动加剧及带尾态明显增加等，导致严重的载流子非辐射复合和电荷损失；而目前关于硫空位缺陷诊断和其在空间载荷区的动态行为及钝化策略尚缺乏系统性研究。
针对铜锌锡硫薄膜太阳电池中的硫空位缺陷问题，梁广兴研究员团队创新性地提出可控氧气氛异质结热处理策略，发现氧可占据硫空位位点，实现深能级硫空位缺陷的有效钝化；同时，气氛热处理诱发阳离子内部迁移，促使异质结能带构型从非理想的悬崖型转为理想的类长钉型，从而大幅度抑制太阳电池内部的载流子非辐射复合；另外，在氧气氛下形成的NaOx和SnOx显著优化载流子迁移路径，使电荷传输效率得到进一步提升；最后将基于大气环境下采用非真空溶液法构建的铜锌锡硫（带隙1.5eV/无合金掺杂）太阳电池光电转换效率提升至11.89%（认证效率为11.51%，代表目前已报道的最高效率值），标志着梁广兴研究员团队在代表性环境友好型全无机化合物薄膜太阳电池方向的研究正式迈入国际领先行列！上述研究成果以题为：Heat treatment in an oxygen-rich environment to suppress deep-level traps in Cu2ZnSnS4 solar cell with 11.51% certified efficiency发表Nature Energy上（Nature Energy, 10 630–640, 2025. 影响因子60.1）。
异质结气氛热处理及铜锌锡硫原子排列示意图（a）；能带构型示意图（b）；铜锌锡硫薄膜太阳电池效率曲线-实验室测试（c）；铜锌锡硫薄膜太阳电池效率曲线-官方认证测试（d）。
（2）用于距腓前韧带损伤精准诊断的高粘附水凝胶应变传感器件
孟博副教授及其联合团队开发了一种基于高粘性水凝胶的应变传感器，并应用于距腓前韧带（ATFL）扭伤的临床诊断，以解决现有诊断方法（如MRI）存在的定量标准缺乏、设备笨重及侵入性等局限，相关成果发表于ACS Sensors期刊（https://doi.org/10.1021/acssensors.4c03472）。该传感器通过共价键与氢键作用实现高达192 kPa的皮肤粘附力，确保其能紧密贴合踝关节曲面并与韧带拉伸方向保持一致，从而准确捕获微小的力学信号。传感器具备高拉伸性（680%）、高灵敏度（应变系数8.29）和40μm的超低检测限，结合深度学习模型对临床前抽屉测试数据进行分析，可将韧带损伤精确分为0（健康）至3级（完全撕裂），最终实现95.12%的诊断准确率，显著优于MRI金标准（81.1%），为AT损伤提供了一种无创、便携且高精度的定量诊断新方案。
（3）机器人多模态触觉感知皮肤
采用离子电容技术实现高分辨的触觉传感阵列，通过有效的bump结构设计，基于神经网络，实现对物体形状、模量、内嵌物深度等的有效识别。在实际机器人应用验证中，识别准确率超过95%（Mater. Today, 2025,90. 334-3425）。采用稀疏麦克风阵列，基于动态超分辨算法，实现机器人对小球轨迹的动态感知（IEEE-RAS Humanoids, 2025,1219-1224）。
（4）单片集成氮化镓光电传感芯片
朱玲副教授团队创新性地提出单片集成氮化镓光电芯片的设计理念，将发光单元与探测单元共同集成于同一蓝宝石衬底上，构建了收发一体化的微型GaN光学传感芯片。该架构显著提升了传感器的集成度，展现出在紧凑型传感系统中的良好应用前景。通过集成化设计与工艺优化，实现了发光与探测单元在光电性能上的高效协同，显著提升了芯片作为光学传感器的整体信噪比与稳定性。基于该GaN光学平台，团队进一步设计多样化换能结构，拓展了其在多物理量传感领域的应用。例如，开发了一种结合单片集成氮化镓光芯片与指纹图案化PDMS薄膜的光机电触觉传感器，在±100 mN剪切力与0–200 mN法向力的宽范围内均表现出优良的线性响应，检测分辨率达0.07 mN，响应与恢复时间分别仅为0.85 ms和0.82 ms。通过表面形貌扫描及模拟器官病变评估实验，验证了该传感器在机器人环境感知与辅助医疗诊断方面的应用潜力（Microsystem & Nanoengineering, 2025,11, 168）。此外，团队创新性地提出在利用光电流实现功能感知的同时，借助发光单元的偏置电压进行温度测量，并开发了有效区分温度效应与折射率变化影响的解耦算法。基于该算法，研制出适用于铅酸电池实时状态监测的传感器，在电解液密度1.09–1.29 g/cm³范围内灵敏度达29.1 μA/(g/cm³)，在25–45 °C温度范围内灵敏度为1.07 mV/°C（Chip, 2025, 4,3, 10013, 封面论文）。在上述工作基础上，团队进一步提出基于时分复用的单片集成GaN光电探测器方法，实现了传感过程中温度的同步测量与补偿，较直接测量偏置电压更能准确反映实际温度。利用该方法构建的海水温盐双模传感器，在0%–7%盐度范围内灵敏度为0.634 μA/%，在5–40 °C温度范围内灵敏度达1.53 mV/°C，户外长期监测结果验证了其在实际海洋环境中的可靠应用潜力（IEEE Trans. Instrum. Meas., 2025, 74, 1-8）。
（5）基于MXene二维材料的多孤子态光纤激光器
利用MXene二维材料，搭建了短脉冲光纤激光器。通过元素掺杂等能带结构调控策略（J Lightwave Technol, 2025,43(12): 5836-5842），改变可饱和吸收体光调制参数。在 400 mW 的泵浦功率下，可以产生间隔为 2.7 ps 的束缚态孤子以及长度为 940 fs、信噪比为 61 dB 的稳定脉冲（J Lightwave Technol, 2025,43(18): 8885-8890）。基于HE-MXene纳米片的饱和吸收器表现出出色的偏振不敏感特性，从而能够实现实验观察到的光参量饱和放大和光参量受激放大。基于这些实验现象以及该材料的优异性能表明，HE-MXene可饱和吸收体在超快激光、光纤通信以及其他非线性光学应用中有望发挥重要作用。
（6）电极界面改性技术新突破
通过非均匀Mg掺杂调控过渡金属元素在一次颗粒中的分布，抑制表面相偏聚，使Na4Fe1.5Mn1.35Mg0.15(PO4)2(P2O7)@C-N材料在10C循环12000容量保持率超过70%（ACS Nano, 2025,19, 8303）；创新性提出Ni(体相)-B(界面)协同改性策略，Ni掺杂抑制结构畸变并增强Mn氧化还原活性，B掺杂消除表面Mn富集，协同提升钠离子电池倍率性能和循环寿命，循环11000次容量保持高达80.1%（Adv. Funct. Mater.,2025, 2500209）；成功开发了一种新型的小型化、便携式生物电池，该电池利用含有导电生物膜的活水凝胶，不仅能够3D打印成定制形状，还保持了生物活性，具有出色的电化学性能，库仑效率高达99.5%，且在操作后细胞活性超过90%（Adv. Mater.,2025, 2419249）;基于氢键竞争策略，利用麦芽糖醇添加剂破坏水分子的氢键网络，获得有效抑制锌表面的析氢反应和枝晶生长，促成Zn||Zn对称电池1 mA/cm²下4500小时的稳定长循环（Adv. Funct. Mater.,2025, 2424860）;创造性地将成分调控、结构优化和集成方式巧妙结合，构筑了三维氮掺杂碳纤维限域的空心NiSe/SnSe微纳米立方体，组装的电池表现出高的能量密度和功率密度，可折叠软包电池高电流密度下具有优良的可逆容量和循环性能（Energy Storage Mater., 2025, 74, 103908）;通过中熵掺杂策略，成功合成了Na4Fe2.91Mg0.03Cu0.03Cr0.03(PO4)2P2O7/C材料（NFPP-ME）,该材料展现出卓越的电化学性能：在10C倍率下循环10000次后仍保持75.3 mAh/g的可逆容量（容量保持率79.12%），表现出超长的循环寿命，在50C高倍率下容量达72.4 mAh/g（Adv. Funct. Mater., 2025,2509628）; 通过设计一种疏铝（Al-phobic）型SEI，首次实现了铝基锂离子电池的宽温域运行。在具有阴离子主导溶剂化结构的全氟化电解液中，原位构建了一层薄而坚固、富含氟化锂（LiF）且机械强度高（1.08 GPa）的疏铝SEI（Adv. Funct. Mater., 2025,e21637）; 采用高温固相法合成了Nd掺杂NCM9055-Nd材料，钕元素掺杂有效提升了NCM9055正极材料结构稳定性、防止晶格氧缺失，在4.6 V截止电压下经100次0.5 C循环后，容量保持率达89.1%，显著优于原始材料NCM9055（83.5%），值得注意的是，NCM9055-Nd正极在5 C条件下仍保持133.7 mAh/g的良好放电比容量（Adv. Funct. Mater., 2025,2519006）；构建了一种以PVDF-HFP/PAN为聚合物基体、La2O3为无机填料的复合聚合物电解质，该复合电解质在25°C下实现了优异的离子电导率（0.31 mS cm-1）和宽的电化学稳定窗口（4.82 V），在0.2 mA/cm2、0.2 mAh/cm2条件下的对称电池中可稳定循环超过1000 h，表现出良好的锂沉积/剥离稳定性（Small, 2025, 2501133）。上述改性调控策略，为储能器件的发展提供创新材料体系与理论支撑。
研究方向五：瞬态光学与光电子学
（1）实现单次曝光的双模式宽场成像技术
提出并实验验证了一种基于涡旋泵浦光学参量放大（OPA）的单次拍摄双模宽场成像方法，能够同时获取目标的高对比度整体形态和高亮度的细微结构信息。该系统通过信号通道实现明场成像以记录样品的整体形态，而通过闲频通道实现螺旋相位对比成像以增强边缘和细节特征。利用泵浦、信号和闲频光之间的三波耦合关系，可将两幅图像信息融合，重建出兼具整体轮廓与精细结构的合成图像。该方法具有高增益、高空间分辨率（最高达228 lp/mm）、宽视场（约0.33×0.33 mm²至3.8×3.8 mm²）以及弱光成像能力，适用于生物组织等复杂样品的非侵入式高对比成像，并为非线性频率转换成像提供了新途径。相关研究结果发表在Appl. Phys. Lett. 2025, 126, 021102。
图. 双模态OPA成像图像融合实验结果。(a) 信号光图像，(b)–(e) 采用不同强度比例合成的图像，以及 (f) 闲频光图像。
（2）实现近红外波段高时空分辨的单次多幅成像技术
提出并实验验证了一种基于偏振-空间编码和非共线光学参量放大（OPA）的单次拍摄8帧超快直接成像技术，其有效帧率高达40 Tfps，时间分辨率25 fs，空间分辨率达25.6 lp/mm，并在10×10 mm²的视场内实现了超过65,500的二维空间带宽积。系统通过双分支并行OPA架构（2×4结构）将探针信号偏振分束后并行处理，有效抑制了信号退偏、衍射效应及泵浦传播中的非线性效应，从而在提升帧数的同时保证了成像质量。利用激光诱导空气等离子体作为超快动态目标，实验成功捕获了等离子体在激发后早期（0～3.6 ps）的时空演化细节，包括二维光强分布、电子密度及等离子体频率的变化过程。该方法帧间隔可灵活调节，适用于非重复或随机超快过程的单次观测，为飞秒至皮秒尺度动态过程的研究提供了可靠工具。相关研究结果发表在Opt. Express 2025, 33,18, 38088。
图 空气等离子体在8个时刻点的透射率图像：（a）帧间隔为25 fs，以及（b）具有不同延迟的帧间隔。在所有8个时刻点中，激发光脉冲均从右向左传播。比例尺：100 μm。
（3）激光聚变超快分幅成像技术
超快诊断研究团队提出电子束时间展宽分幅成像、CMOS芯片分幅成像、扫描分幅成像等新技术，解决了聚变物理过程亟需的高时间分辨诊断问题，近年完成国家科技重大专项、国家863项目、国家自然科学基金等科研项目10余项。随着激光聚变研究的深入，希望分幅相机的时间分辨率优于30 ps。为此，该团队将电子束时间展宽技术和微通道板选通分幅技术相结合，研制了新型的时间展宽X射线分幅相机。利用电子束时间展宽系统对电子束的时间宽度进行展宽，实现电子束的时间放大，然后使用微通道板选通分幅相机对展宽后的电子束进行测量，从而将系统时间分辨率由71 ps提高至4 ps。基于该技术授权了2项发明专利：一种多分幅超快CMOS图像传感器（ZL 2022 1 1356694.3）、一种展宽型分幅相机画幅尺寸测量方法（ZL 2022 1 0406116.X）。基于该技术研制的超快诊断设备成功应用于我国神光Ⅱ、神光Ⅲ核聚变研究，为国家重大国防建设及重大基础研究做出了重要贡献，打破了西方国家在该技术领域对我国实行的严格封锁、严格禁运政策。该技术在激光等离子体、高能量密度物理等领域也具有广泛应用前景。
（4）高深宽比X射线金吸收光栅研制技术
本课题组提出一种类LIGA技术的高深宽比X射线金吸收光栅制备技术，通过键合不同电阻率的硅衬底形成具有预设电极结构的光栅基底，从而在沟槽底部与侧壁之间构建显著的电导率差异。该结构可实现自下而上的均匀金电镀沉积，工艺稳定且无需依赖特殊电解液或复杂流程。该方法可采用市售无氰镀金液，大幅降低了硅基吸收光栅的制备门槛，为X射线相衬成像技术的推广提供了重要支撑，也为微系统领域提供了一种可替代传统LIGA技术的实用化技术途径。
（5）手性钙钛矿的显微光谱及应用
手性杂化金属卤化物因其在各种光电器件中的广阔应用前景而备受关注。我们合成了一种零维R/S-甲基苄铵四氯化钯[(R/S-MBA)2PdCl4]单晶。该晶体具有间接带隙，由于[PdCl4]2-平面四方结构的畸变，其在价带顶处展现出能带分裂特性。这种手性单晶表现出显著的非线性光学系数（相当于Y切石英的15倍），并展现出二次谐波-圆二色谱(SHG-CD)效应，其各向异性因子达到0.54。我们在这类材料中还观测到各向异性因子(gCP-SHG)高达0.88的圆偏振SHG效应。这些发现凸显了手性杂化钯卤化物在非线性光电器件中的应用潜力(Angew. Chem. Int. Ed. 2025,64, e202510868)。我们采用非手性有机间隔阳离子合金化策略，构筑了一系列具有强双光子吸收系数的二维手性钙钛矿材料。深入研究了二维手性钙钛矿的载流子动力学，发现其载流子动力学行为对左旋与右旋圆偏振光表现出差异性响应。我们还研究手性钙钛矿中双光子激发圆偏振发光的显微成像图，证实了材料体系具有显著的发光不对称因子(Appl. Phys. Lett. 2025, 126, 152101)。我们还通过调控钙钛矿异质结的结构，实现对其双光子吸收性质及光电探测性能的调控(Appl. Phys. Lett. 2025,127, 192101)。
（6）二维磁邻近异质结构的制备技术及光磁耦合应用
传统的磁场调控方式已难以满足后摩尔时代技术发展的需要，利用光来实现快速、非接触磁性调控的概念应运而生，探索光与磁性之间的相互耦合作用成为一个重要的科学问题。但由于缺乏良好的光磁耦合材料，并且在同一器件上同时表征这些物理量存在内禀困难，光磁耦合的研究仍存在巨大挑战。本工作构建了一种由二维反铁磁CrSBr与石墨烯组成的范德华磁邻近异质结构，由于磁近邻效应CrSBr的磁性可以转移到非磁性的石墨烯中，使得对石墨烯的磁性进行直接光学操纵和电学测量成为可能。此外，借助自旋极化增强的光诱导电荷分离效应，该工作展示了显著的磁场调控光电响应，调制比高达84%。本工作利用磁近邻效应，首次实现非偏振光调控二维材料的反常霍尔效应，成功实现了磁性与光电特性的双向耦合，这一结果为光自旋电子器件的应用拓展开辟了新的途径。相关工作“Revealing Light-Magnetism Coupling via Anomalous Hall Effect and Magneto-Photoresponse in Proximity-Coupled CrSBr/Graphene Heterostructures”发表于 (ACS Nano 2025, 19, 6, 6271)。
