2024年度重要科研进展

1. 研究方向一：先进光学成像理论与方法

（1）年度重要进展1：高速无标记细胞三维光谱成像

实验室成功发明自发-受激拉曼双模态空间共定位技术，基于受激拉曼层析实现高速无标记细胞三维光谱成像，获取细胞内源分子空间分布，表征细胞亚结构特征，引导自发拉曼进行精准自动采样，实现空间定位拉曼光谱智能检测，解决细胞拉曼“测不准”难题。团队利用受激拉曼快速轴向层析扫描，可以在一分钟内实现对细胞的三维分子影像检测，构造的DU145癌细胞内直径在1微米左右的微脂滴的空间分子影像如图A所示。基于细胞分子的受激拉曼层析成像，结合自动控制算法，团队成功实现在受激拉曼分子影像引导下的细胞亚结构自发拉曼光谱的全自动检测，空间定位精度优于1微米，成功研制了自发-受激拉曼双模态共定位全自动分析仪，如图B所示，顺利通过中科院科研仪器设备研制项目验收。该设备有效解决了因细胞结构异质性导致的细胞拉曼光谱“测不准”的技术瓶颈，显著提升了细胞鉴别准确率：从传统多次盲测取平均的84%提升至二维定位的93%，进一步提升至三维空间定位后的98%（如图C所示）。

2024年，团队基于该研究在《TALANTA》等期刊发表JCR一区论文1篇，二区论文2篇，授权国家发明专利3项，获批吉林省科技发展计划重点研发项目1项，团队成员在中国微米纳米技术学会创新论坛做大会特邀报告1项，分论坛邀请报告1项，仪器信息网第六届流式细胞技术网络会议特邀报告1项，相关技术应用于与吉林大学联合开展的白血病化疗耐药分析研究之中，在所承担的国家自然科学基金联合基金中期评估中获得优秀评价。

无标记空间定位细胞拉曼光谱精准分析技术
（A）无标记细胞受激拉曼三维分子成像；
（B）自发-受激拉曼双模态共定位全自动分析仪；
（C）三维空间定位辅助细胞拉曼光谱分析精度提升。

（2）年度重要进展2：腔增强光声双光梳光谱探测

针对深海勘探、环境监测、深空探测等领域对多物质检测的宽光谱、高分辨探测需求，实验室与香港中文大学合作提出并验证了腔增强光声双光梳光谱的概念，如下图所示。采用光学腔增强方法突破光频梳的梳齿能量瓶颈，实现近1000倍的光功率增强；设计了独特的竹笛式宽带声学腔，实现超过5kHz的声学放大，相比于传统光声探测的石英音叉器件，响应带宽提高三个量级。基于该方法，实验测量了乙炔、氨气和一氧化碳三种气体在整个C波段的光谱信息，展示了ppb量级的探测灵敏度。成果以封面文章的形式发表于2024年Light: Science & Applications第13卷第4期。

腔增强光声双光梳光谱概念图

    该研究采用电光调制双光梳光源，借助双光梳每一对梳齿的外差拍频，对气体分子激光吸收实现特定频率的强度调制；产生不同频率的声波信号，通过傅里叶变换反演获得分子光谱信息。受中国传统乐器竹笛的启发，实验室优化了传统声学共鸣管的声学边界设计，并增加了声波信号探测点，使得叠加输出的声波信号具有宽带和平坦的频率响应特性，满足光声双光梳探测的需求。

宽带声学共鸣管结构和频率响应特性

2. 研究方向二：全链路光学设计与仿真

（1）年度重要进展1：国产光学软件

2024年12月，本实验室承担的“XX光学设计软件”项目高分通过项目综合验收，打破了我国光学设计软件长期依赖进口的局面。光学设计分析软件是现代光电装备研发的必要软件，我国光学设计软件严重依赖进口。实验室牵头组建了光学软件攻关“国家队”，针对光学系统设计分析“卡脖子”问题，研发出“通用光学设计分析软件”1套，其中包含“成像光学设计分析软件、杂散辐射分析软件、激光光学设计分析软件、光电系统成像性能评估软件和集成化平台”5个子系统，在批复的3年研制周期内突破了光学系统多参数高精度优化、大规模非序列光线快速追迹、基于电磁场理论的追迹建模和仿真等11项关键技术，软件成熟度等级达到7级。该软件在装备应用、市场推广、教育普及等方面取得了明显成效。软件设计精度可满足高精密光学装备研发需求，项目通过了航天、兵器、电子等3个行业共9个项目真实数据的应用验证，软件被列入JG工业软件ZZKK产品目录；已在兵器、电子、半导体、通信、生物医疗等领域的17个单位实现销售，合同总额3059.99万元，已有千余用户申请试用。教育版软件在中国科学院大学、北京理工大学等16家高校推广应用。软件具备自主化替代能力，成果打破了光学设计软件垄断，初步解决了我国国防科技工业领域中的光学系统设计、分析与评价“卡脖子”问题，为我国工业软件走上自主创新、自立自强之路迈出了重要一步。

长光杂散辐射分析软件V1.0正式版发布现场

（2）年度重要进展2：新型折反光学系统设计

围绕某高端精密装备光学系统研制任务需求，开展高精度光学系统设计与仿真技术研究，突破了系列关键技术，已完成光学系统设计封闭。在攻关难度极大、研制周期极短情况下，2024年完成设计封闭和关键技术攻关，正式进入研制阶段，此高端光学装备完全自主指日可待。

某高端精密装备光学系统设计

3. 研究方向三：光学元件极端制造与检测

（1）年度重要进展1：皮米光学元件制造

面向某高端精密装备光学系统制造难题，实验室突破了皮米级CGH检测技术、立式干涉检测技术、磁流变保形超光滑技术、毫米级细束径离子束技术等关键技术，并分别针对某物镜指标要求进行了技术验证，面形制造精度达到0.45nm RMS，粗糙度优于0.2nm，完成了相关重大项目的年度任务要求。实现了干涉仪关键部件国产替代（光源、相机、铝滤波器）及原理样机研制。针对某高端精密装备光学系统制造需求的深紫外薄膜镀制需求，开展了石英基底深紫外增透薄膜、高反射薄膜的镀制以及大口径深紫外薄膜沉积空间分布控制技术研究，镀膜双面透过率优于99.3%。

皮米精度光学元件制造

（2）年度重要进展2：大口径光学元件光学智能制造技术

大口径光学元件在规模化、制造效率、成本对现有光学制造技术提出了新的挑战。光学智能制造技术为在不同工艺不同设备间建立基于物联网体系的机器沟通机制，通过统一的机器语言实现信息无障碍交互，形成信息驱动的自决策光学制造。实验室当前已突破部分光学智能制造技术，提出分布式并行神经网络去除函数训练方法，实现磁流变去除函数三维表征，体积去除率和峰值去除率的预测精度大幅提升，分别优于90%和88%；提出集群化机器人协同光学加工技术，搭建多机器人协同加工系统，解决多机器人之间的任务分配、路径规划、碰撞避免以及信息交互等，完成了1.5米量级的三机器人协同加工实验，显著提升光学制造效率2.5倍以上。相关结果发表于Optics Express期刊。

大口径复杂光学曲面光学制造

4. 研究方向四：光学系统智能集成与环境适应性

（1）年度重要进展1：深海生物基因测序仪

依托中国科学院A类先导专项“深海/深渊智能技术及海底原位科学实验站”和中国科学院长春光机所创新团队项目，实验室成功研制深海生物基因测序仪。2024年6月3日至9日，深海生物基因测序仪参加“探索二号”TS2-38-1航次南海科考作业。测序仪完成2次布放，最大潜深1380米，测序数据质量Q30分别为92%和95%，成功识别出中国计量科学研究院提供的97条DNA样本。此次海试成功标志着我国已具备自主研制指标先进、性能稳定深海生物基因测序仪的能力。

深海生物基因测序仪研制及海试

（2）年度重要进展2：Mo/Si多层膜光学元件表面污染防护

针对高端精密装备光学系统中收集镜及照明系统的Mo/Si多层膜光学元件表面污染防护方法，本年度重点开展了基于二次电子的多层膜表面碳污染厚度特征参数检测技术理论研究，基于粒子和蒙特卡洛方法模拟了二次电子产率随碳层厚度变化的关系，碳污染厚度特征理论检测精度优于纳米量级，为判断清洗截止点提供了一种可行方案，相关成果发表于工程技术权威期刊Vacuum（Q2），目前正在开展二次电子轨迹测量技术研究。