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近日，河南省人民政府发布《关于2021年度河南省科学技术奖励的决定》，公示了《2021年度河南省技术发明奖获奖项目目录》，由北京卓立汉光仪器有限公司与华北水利水电大学、天津大学共同完成的“高功率非线性光学太赫兹辐射源关键技术开发及应用”科技成果荣获河南省技术发明奖二等奖。
本项目发明的优化级联光学差频产生高功率THz波技术和耦合级联光学参量放大THz波技术已应用于北京卓立汉光仪器有限公司、河南日立信股份有限公司等6家单位，推动了THz技术在光谱检测、光学成像分析、生物医学等领域的发展，累计产生综合经济效益超过8亿元，经济和社会效益显著。主要技术发明如下：1. 发现了级联差频产生THz波过程中光子在级联光波中的传播规律，系统阐明了各阶级联光耦合作用机理。发明了增强Stokes级联差频并同时抑制anti-Stokes级联和频的新技术，通过人工调制各阶级联差频相位失配，诱导泵浦光子向高阶Stokes光转移，实现一个泵浦光子产生多个太赫兹光子。与级联差频技术相比，本发明产生的THz波强度提高了2.8倍。2. 提出了一种将级联差频融入到光学参量振荡器中的新方法。通过优化级联差频的相位失配分布及精确设置光学谐振腔参数，将泵浦能量转移到级联Stokes频域，并同时限制其转移到anti-Stokes频域，解决了泵浦光子不能有效转移到高阶Stokes光波的难题。与利用PPLN晶体的光学参量振荡器相比，利用APPLN晶体的光学参量振荡器产生的THz波强度提升了96%。3. 建立了耦合级联参量放大耦合波方程，揭示了两套级联光学参量过程嵌套耦合机理，发明了耦合级联参量放大THz波技术，实现了两套级联光学参量过程同时放大同一束THz波，显著提高了THz波量子转换效率。与级联光学参量过程相比，耦合级联光学参量过程的量子转换效率提高了3.7倍。本发明为利用非线性光学放大THz波提供了理论支撑和技术基础。4. 系统开展了THz超表面生物传感器的研究，揭示了金属开口谐振环由于表面等离激元产生的强局域电共振特性和磁共振特性，明确了癌细胞在THz超表面的电磁响应特性，发明了一种由介电层上的周期性金属开口谐振环阵列组成THz超表面生物传感器和一种基于各向异性共振超表面的非免疫生物传感平台，实验证实了THz超表面生物传感器能够快速检测口腔癌细胞凋亡率，非免疫生物传感平台能够对肺癌细胞和肝癌细胞进行快速检测和无抗体识别。本发明为癌细胞的早期发现并快速检测提供了理论和技术支撑。THz波是指频率在0.1-10 THz范围内的电磁波，相对于可见光及红外光，THz波单光子能量低，可以穿透衣服、陶瓷、塑料等介质，相对于微波，THz波频率高，通信带宽大，所以THz波在光学成像、光谱分析、材料检测、天文学、生命科学、国防安全、通信等领域均有重大的科学研究价值和广阔的应用前景。目前THz辐射源功率很低，连续THz波功率仅有几百毫瓦量级，脉冲峰值THz波功率也只有兆瓦量级。在未来6G无线通信领域，由于THz辐射源功率太低，只能实现100米量级的无线通信，无法实现远距离无线实时通信，严重制约了未来无线通信的发展。在生物医学领域，由于人体水分的吸收THz波只能检测人体皮肤病变而无法实时检测人体内部器官病变，这一问题亟待突破。在安全检测领域，由于空气潮湿或者人体出汗等原因导致THz波人体实时安检准确率严重下降的问题亟待解决。鉴于上述领域对高功率THz波辐射源的亟待需求，本项目针对THz波功率提升、THz波功率放大和癌细胞高灵敏度检测三个国际科技难题展开，在2项国家自然科学基金项目和1项河南省自然科学基金的资助下，历时8年取得了3大科技创新，形成了9项关键技术发明，如图1所示，大幅度提高了THz波功率及量子转换效率。
图1 主要科技创新及技术发明示意图
本成果不仅实现了良好的经济效益和社会效益，并且对于提高太赫兹辐射源功率和效率，推动太赫兹波在安全检测、光学成像、光谱分析、安全检测等领域的应用具有重要意义。北京卓立汉光也将以此为契机，加强对外学术研究的合作力度和自主创新能力，提高民族品牌的核心竞争力，为国产仪器的发展贡献力量！
项目组简介
本项目组由李忠洋、张红涛、姚建铨、邴丕彬、谭联、袁胜、石广立等核心成员组成，团队成员包含中科院院士1人、教授3人、副教授2人、工程师1人。本项目由李忠洋进行整体规划，李忠洋、姚建铨、邴丕彬、袁胜等负责论文合著，李忠洋、张红涛、邴丕彬、谭联、袁胜等负责发明专利撰写与申请，李忠洋、谭联、石广立负责技术推广应用。
卓立汉光-石广立
石广立，硕士研，2015年毕业于沈阳理工大学光学工程专业，加入卓立汉光后主要从事荧光、拉曼光谱仪的研发工作，先后负责研发产品6项，1项在研。所负责研发的产品中三项获得北京市新技术新产品(服务)证书，一项获得北京市首台(套)重大技术装备证书。期间发表核心论文1篇；申请专利9项，已授权5项。先后获得2018年通州区科技创新人才资助奖励，2021年河南省技术发明奖二等奖。
