太原科技大学光学工程学科为山西省重点建设学科。学科立足光学工程领域前沿，面向国家和地方经济发展需求，与机械、控制、材料等学科交叉融合，形成了智能光电技术与装备，多维结构光场传输与测控，光电器件设计与制备3个特色学科方向。科研团队近3年主持承担国家级、省部级和企事业单位委托项目90余项，总经费1500余万元，实现科技成果转化10余项，支撑了1个省级重点学科、2个省级平台或中心，多项科研成果获得省级科学技术奖，开发了世界首套针对燃煤锅炉主燃区高温气氛场的激光测量装备，以及多种100%国产化的先进激光测量分析仪器，打破了国外的技术垄断和产品控制，形成了多学科交叉融合创新研究和产学研合作的优势。
学科方向一：智能光电技术与装备
智能光电技术与装备团队依托太原科技大学光学工程学科与山西省精密测量与在线检测装备工程研究中心，一直专注于原子分子激光光谱学、自由基分子光谱及动力学、高灵敏度激光光谱技术等理论与应用研究，通过长期的多学科交叉融合创新和产学研合作，逐渐形成了一支素质好，学历高，梯队结构合理，同时具有物理、机械、材料和电子等多学科知识背景的高水平研究队伍。
团队带头人为李传亮教授，团队骨干为邱选兵教授、郭古青副教授、和小虎副教授、宫廷、田亚莉、孙小聪等老师，团队成员主持国家自然科学基金项目7项，省部级科研项目15项，成果转化10余项，相关科研经费累计超过700万，出版专著2部，发表SCI收录论文40余篇，授权专利10余项。
团队研究领域聚焦在我省14个战略性新兴产业中的信创和大数据领域，瞄准工业现场的精密在线检测装备，重点围绕实时在线的高灵敏度高端装备制造产业链，开展科技攻关和产业化落地。团队已成功研发了被瑞士IRsweep公司技术垄断和产品控制的新型环形多光程池，并成功研制了应用于燃煤锅炉主燃区的H2S气体检测设备，解决了激光光谱检测装备在高温、腐蚀、粉尘、多种干扰气体等恶劣环境和复杂检测氛围下的一系列技术性和工程化难题，同时完成了强激光公里级弱光吸收模拟装置和潜艇舱室的增强吸收型光声光谱气体分析模块，协助企业完成了国家军工任务和相应的产品技术升级，部分技术填补了国内空白。
团队针对工业气体光电检测技术与装备研发中的关键技术及其产业化应用瓶颈，建设面向工业气体光电检测技术与装备的研发平台与人才培养基地；开展高灵敏度的在线工业气体激光光谱检测的理论、技术及装备的工程化和产业化研究工作，解决激光光谱在线检测装备中的“卡脖子”技术难题。发挥团队在多种行业中的技术支撑与辐射作用，带动高端装备制造业整体技术水平的提高和科技进步，加快我省信创和大数据领域的产业升级，提升我省相关产业和领域的自主创新能力和核心竞争力。
【典型案例1】
煤粉锅炉低氮燃烧工况下H2S、CO高温气体浓度上升会严重腐蚀锅炉水冷壁，有可能出现“爆管”现象，影响发电厂机组安全运行。锅炉主燃区存在高温、高粉尘和焦油等恶劣工况条件，采样与分析难度极大，特别是H2S腐蚀性较强、含量较低，而且<100℃时存在易溶于水、易吸附等现象，很难实时准确监测。为了实现在保证火力发电低氮排放的基础上避免燃煤锅炉水冷壁严重高温腐蚀的最终目标，团队开发了基于TDLAS技术的实时在线监测水冷壁近壁面H2S、CO浓度的仪器，见图1.1所示。
图1.1 燃煤锅炉高温H2S、CO气体诊断装备与安装调试现场
【典型案例2】
开发了新型环形多光程池技术。传统多光程池（White，Herriott以及Chernin吸收池）由于物理尺寸的限制，其有效光程长度通常会缩短，使得传感器的检测灵敏度降低，并且容易受到机械振动和温度变化的影响。因此先进的激光光谱检测仪器需要一个紧凑、稳定、灵敏度高且适应性良好的吸收池。我们团队开发的螺旋形的环形多光程池，具有环形结构和mask环，见图1.3。相比于其他吸收池，具有结构简单、超高机械稳定性、干涉噪声低、光程长、体积小等优势，独有的mask环设计可以使条纹效应大大降低到0.5%以下，非常适合紧凑型激光光谱仪器的研发和痕量气体检测。此技术已经成功取得国家发明专利的授权，相关产品已在化工及环境污染气体检测、人体呼吸气体检测、采矿毒害气体检测等领域取得了初步应用，相关产品的销售额已突破1000万元，打破了瑞士IRsweep公司的技术垄断和产品控制。
图1.2 环形多光程池（含mask环）的实物图、实际光路图以及集成化仪器
图1.3 环形多光程池论文、专利科研成果
学科方向二：多维结构光场传输与测控
多维结构光场传输与测控团队依托山西省光场调控与融合应用省技术创新中心，瞄准国家及我省在先进激光技术领域的重大需求，经过近年来的合作研究，形成了以新型结构光场多维度调控技术和应用为主线，多维光场调控与大气光传输技术、结构光场干涉与精密测量技术、微纳光学探针与超分辨成像技术三个稳定的研究方向。多年来在软件和硬件两个方面的建设，为团队的产学研用合作提供充分配套和支撑条件。团队将理论与实验研究优势互补，是一支年轻、创新、团结的极具潜力的研究团队。
团队基础：
团队成员来自太原科技大学应用科学学院。近五年，团队引进博士6位、晋升高级职称3位，团队成员13人，均具有博士学位，平均年龄38岁，其中教授2人、副教授7人、讲师4人。期间团队承担国家级、省部级及各类横向项目24项，科研经费658万，发表SCI论文40余篇，授权和申请专利、软著20余项。
团队带头人李晋红教授，主要从事光场调控技术与应用等领域的研究工作，发展了以奇点光束为信息载体的传输理论，利用自制的大气湍流发生装置，在实验上检测了激光传输的相关特性，揭示了奇点光束的动力学行为和光涡旋的演化机理，主持和参与国家级、省部级、横向课题等项目20余项，出版专著两部，发表学术论文百余篇，授权专利10项，获得软件著作权9项。
研究方向：
团队瞄准国家及我省在信创和大数据领域的需求，围绕先进激光技术，经过近年来的合作研究，形成了三个稳定的研究方向：（一）针对多维光场调控与大气光传输技术：结构光场调控技术是现代光学和光子学领域非常重要的工具。本研究方向揭示空间结构光场的时空演化规律，发展描述空间结构光场的理论框架。（二）结构光场干涉与精密测量技术：光场干涉是光学精密测量的核心技术之一，通过干涉技术可以将这些参量以很高的精度测量出来。本研究方向基于涡旋光束、庞加莱光束、分形光束、随机光束等近年来发展起来的新型结构光场，发展新一代的高精度、多自由度干涉测量技术。（三）微纳光学探针与超分辨成像技术：微纳光学探针是研究微纳尺度内光与物质相互作用现象及本质的重要工具。本研究方向基于相位涡旋和偏振涡旋进行复合光场调控，建立新型结构光束场分布模型（涡旋光场、柱矢量光场和柱矢量涡旋光场），对不同新型结构光束与微纳光学探针在微纳尺度内的相互作用进行研究。
【典型案例1】近场超分辨扫描光学显微镜
近场超分辨扫描光学显微镜是一个专业的测量系统平台。主要用于研究各种物质，材料近场表面光学特征（包括发光和光谱）并且可以突破衍射极限，获得更高的分辨率。
图2.1 近场超分辨扫描光学显微镜测量平台和光学特征表征图
【典型案例2】荧光超分辨显微镜
荧光显微镜在现代生物学的研究中起着至关重要的作用。本系统采用多个光束的干涉条纹激发样品产生荧光，结合Richardson -Lucy反卷积算法从多个荧光图像中实现高分辨率荧光成像。可用于解决以下问题：1.对植物细胞进行活性动态超分辨成像；2.对动物细胞进行活性动态超分辨成像；
图2.2荧光超分辨光学显微镜测量系统和马铃薯细胞样品成像图
【典型案例3】光电探测器模块
偏压光电探测器模块——光电探测器基于高速PIN光电二极管，适用于监测脉冲和CW激光信号。探测器将偏压电池、BNC输出接头、电源开关、偏压监视按钮等多种功能集成于一个小型的铝合金外壳中，可以极大地简化光学和光电检测系统的构建。依据用户需求，可以定制波长范围、电压/电流响应等参数。
平衡光电探测器模块——平衡光电探测器具有两个良好匹配的光电二极管，产生的输出信号(RF-OUTPUT)与两个光电二极管电流(即两个输入信号)之差成正比，从而可以极大地降低共模噪声。探测器内置超低噪声跨阻放大器和运算放大器，可以有效降低电路噪声。另外，探测器还具有两个快速监控输出端口(MONITOR+和MONITOR-)，分别用于监测每个光电二极管的输入信号。
图2.3 偏压光电探测器（左）和平衡光电探测器（右）
Sb化物超晶格探测器——该探测器响应波长从1.0μm到2.3μm，在2.0μm有一个响应峰值，因此特别适用于相干测风雷达。
图2.4 Sb化物超晶格探测器（左）和光谱响应曲线（右）
【典型案例4】一体化PID锁定模块
PID锁定模块集成了模拟PID、波形发生器、高压放大器（0 ~ 180 V），适用于激光器和光学谐振腔的频率锁定，相对于大多数实验室采用的由分立设备构建的锁定系统，该一体化PID锁定模块可以有效降低整个锁定系统的复杂度和成本。
图2.5 一体化PID锁定模块
产学研用合作：
团队在“开放、流动、竞争、协作”的运行机制下开展产学研用合作。近5年，资助师生参加国际国内学术交流近60人次，邀请专家进行学术交流30人次。团队与中国科学院大气光学重点实验室签订合作协议，与山西大威激光科技有限公司合作建设产学研人才培养基地。与北京空间机电研究所、平鲁区产业研究院、西安工业大学等多家单位有项目合作，每年有团队成员前往企业进行交流实习等活动。
学科方向三：光电器件设计与制备
光电器件设计与制备团队依托光电半导体器件设计与检测研究所，一直专注于纳米光子材料学、半导体材料学、发光光谱学、光电半导体材料与器件的设计和制备等理论与应用研究，团队经过长期的科研探索，研究创新与产学研合作，逐渐形成一支高学历和高科研素养、多学科交叉融合、梯队结构合理，同时具有物理、材料和电子等多学科知识互为支撑的高水平研究队伍。
团队带头人为秦振兴教授，团队骨干为张瑞教授、李坤副教授、杜秀娟副教授、张清梅副教授、张宇飞博士、孟帅博士、宋凯博士、任卫杰博士、蒋昭毅博士等老师，团队成员主持国家自然科学基金项目5项，省部级科研项目20余项，相关科研经费累计超过500万，出版专著2部，发表SCI论文40余篇，授权专利10余项。
团队研究领域对接国家十四五规划与我省14个战略性新兴产业发展需求，研究领域聚焦半导体产业与光电产业领域，主要围绕半导体产业中发光材料的设计、制备，LED器件封装技术，碳点太阳能聚光器设计、制备开展研究。研发了一系列新型量子点发光和半导体晶片材料以及FOLED键合封装技术，有效解决了量子点高效全色发光等难题。尤其是在半导体晶片制备、缺陷调控，碳点太阳能聚光器设计、制备以及FOLED封装技术等方面取得重要进展，形成了服务于山西省新材料和新技术领域技术创新、产学研结合的特色与优势。
团队针对材料的光学性能调控、发光机理、器件构造及潜在应用等，借由光电材料及器件设计平台开展新型发光材料微观机制、器件设计等理论探索，以期获得这些量子点发光材料的机制和调控技术，并开展基于这些材料在LED发光器件、太阳能聚光器、材料应用模拟设计等产业领域的应用研究。对标一流，立志建立比肩国内领先、独具地方、学校特色的新型光电器件与制备团队，发挥团队在半导体和光电产业领域中的理论指导与技术支撑，推动我省战略性新兴产业领域创新发展。
【典型案例1】
碳点作为一种发光性能出色的球状颗粒新型碳纳米材料成为新的研究热点。与传统的有机染料和半导体量子点相比，碳点选材丰富，具有合成工艺简单灵活、成本低廉、荧光性能优异且稳定，水溶性和生物相容性好、毒性低，抗光漂白，检测灵敏、直观且响应迅速等优点。从而产生各种各样的应用，包括信息显示、发光技术、X射线增强和闪烁、用于诊断的生物标记、传感器技术、细胞成像剂，防伪图案，潜指纹识别等。目前已经和山西高科华烨电子集团有限公司、山西量界科技有限公司开展合作研究，开发基于碳点材料作为荧光粉的白光发光二极管和建筑设计中基于碳点发光的太阳能聚光器的光电器件开发，如图3.1所示。
图3.1 基于碳点的发光二极管和太阳能聚光器实物图
【典型案例2】
作为第四代半导体材料，金刚石材料具有超宽禁带、高热导率、高载流子浓度与迁移率、高击穿电压等优点，是制备超大功率电子器件的重要材料。然而，杂质元素与晶体本征缺陷的存在会影响金刚石半导体的宏观性能，因此非常有必要研究金刚石中杂质与本征缺陷的形成与调控机理。通过对金刚石半导体进行近阀能电子辐照与快速退火处理，人为可控地引入简单的本征缺陷并调控缺陷移动，利用光致发光光谱对晶片缺陷进行表征。通过研究光谱中零声子线振动结构、空间分布及增宽机制，以及零声子线对局部应力、测试温度、激光功率、生长晶面、杂质浓度的依赖性，结合同位素辅助技术，最终阐明了金刚石半导体晶片缺陷的形成与辐照退火调控机理，如图3.2所示。
图3.2金刚石半导体晶片缺陷的形成与辐照退火调控
【典型案例3】
三基发射药由于其高能量，低烧蚀和炮口焰少以及原料来源丰富易于实现“平战结合”，“军民结合”等优点，因此广泛应用于爆破领域。本团队采用分子动力学方法，拟合了硝化纤维素、硝化甘油、黑索金以及混合溶剂之间的ReaxFF反应力场。该力场可以计算三基发射药的剪切黏度、热膨胀系数等热力学性质，预测新型三基发射药配方，如图3.3所示。
图3.3 ReaxFF反应力场研究结果
