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本文基于局部有源离散忆阻器构建一种能够产生任意数量共存吸引子的分数阶忆阻Henon映射。该映射的不动点数量由忆阻器内部参数控制，实现可控的同质多稳定性，适合基于混沌的工程应用。通过相图、分岔图、最大Lyapunov指数(Maximum Lyapunov Exponent，MLE)和吸引盆等方法揭示该映射的复杂动力学行为。数值模拟结果表明，该分数阶映射能够产生各种周期轨道、混沌吸引子和倍周期分岔等现象。随后使用ARM数字平台实现该系统，实验结果验证其物理可实现性。最后，基于该映射设计一种视频加密算法，并通过安全性分析验证该加密算法能够有效保证视频的安全传输。
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针对一类具有更复杂动力学行为的忆阻混沌系统，本文基于新型幂次趋近律设计两种滑模控制协议分别实现了系统的有限时间、固定时间同步。首先对于有限时间同步问题，基于Lyapunov稳定性理论和有限时间稳定性理论，推导了实现全局有限时间同步的充分条件，得到了与系统初始条件有关的稳定时间上限，并证明了系统的稳定性。对于固定时间同步问题，利用固定时间稳定性理论，推导得到不随系统初始值变化的收敛时间上确界。最后，通过设置两组对照实验，比较了两种滑模控制律对系统同步状态的影响，其仿真结果与数值分析相符，从而验证了本文的有效性和可行性。
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随着光学技术的发展，人们对光场与微粒相互作用的研究越来越深入。通过研究驻波场中非均匀手性粒子的辐射力特性，可以深入了解光场对微粒的影响机制，为微纳米尺度下分层手征粒子的操控和应用提供新思路。本文对双高斯波束照射下非均匀手征分层粒子的辐射力展开研究。从广义洛伦兹米-理论(generalized Lorentz-Mie theory，GLMT)和球矢量波函数(spherical vector wave functions，SVWFs)出发，推导了双高斯波束(Double Gaussian beams，DGBS)的总入射场展开系数。基于边界连续条件和电磁动量守恒定理，得到双高斯波对粒子的辐射力表达式。通过与现有的文献比较，证明了理论和程序的正确性。详细分析了各种参数对辐射力的影响，如束腰宽度、偏振形式、粒子半径、内外手征参数、折射率、最外层厚度等。研究表明，与单个高斯束相比，反向传播的高斯驻波在捕获或限制非均匀手性分层粒子方面表现出显著优势，提供了更强的粒子操控能力。此外，通过选择合适的偏振态入射，可以在这些参数之间实现微妙的平衡，从而有效地稳定俘获非均匀手性粒子。这些研究对于分析和理解形状复杂多层生物细胞的光学特性具有重要意义，并在多层生物结构微操控方面具有重要应用价值。
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针对机载探测系统的小型化、多角度、多高度、快速同时获取大气多污染物的技术需求, 研制了一套融合多传感实现不同高度和不同方位角的轻量化、低成本的小型差分光学吸收二维机载观测系统，并将其搭建于旋翼无人机平台上应用于大气环境污染物的观测．文中详细介绍了研制的旋翼无人机平台和机载差分光学吸收系统构成，开展了系统稳定性研究，机载设备偏航角、翻滚角以及俯仰角的角度偏差均值分别为0.07°、-0.13°、-0.12°，满足监测稳定性要求.将机载系统与商用地基差分光学吸收系统进行比对观测实验，比对结果显示二者监测数据相关系数均大于0.92．最后利用该机载系统开展外场飞行实验，机载差分系统分别飞行距离水平面至30m、60m、90m高度进行观测，观测时仰角设置为0°，方位角从0°到360°每隔30° 进行一次测量，获得了不同方位角以及不同高度下的NO2、SO2、HCHO浓度分布信息．研究结果表明该研发系统满足大气多污染物同时快速多角度多高度的探测技术需求．
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现有的城域量子网络大多基于单一的量子密钥分发协议实现, 将不同协议实现的城域量子网络进行互联是大规模量子网络的发展趋势, 但其域间密钥业务提供仍存在成功率低、密钥供需不适配等问题. 针对以上问题, 本文面向多域跨协议量子网络提出了两种域间密钥业务按需提供策略, 分别是基于BB84旁路优先的按需提供策略和基于测量设备无关(measurement-device-independent, MDI)旁路优先的按需提供策略. 同时, 设计了内嵌两种策略的域间密钥业务按需提供算法. 仿真结果表明, 所提出的策略能够在双域和三域量子网络中高效完成域间密钥业务的按需提供. 相比传统策略, 两种按需提供策略可将多域量子网络的密钥供需均衡度提高一个数量级以上, MDI旁路优先策略在低密钥率需求下可将域间密钥业务请求成功率提升30%. 此外, 所提出的策略可以在一定程度上降低域间密钥业务提供的成本, 提高现实安全水平.
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腙类分子开关在超分子化学领域有非常重要的应用价值, 基于靛红发色团发展出的新型腙类分子开关已被合成. 因其具有可见光激发下的顺反异构化特征、衍生物的易合成性及对外界刺激的敏感性, 其在生物化学领域具有重要的应用价值. 然而, 该新型分子开关的光致异构化机制尚不明确, 异构过程是否存在新奇的现象也不得而知. 本文采用基于半经验OM2/MRCI的轨迹面跳跃动力学方法, 系统地研究了一种名为靛红双氮二苯腙分子开关E-Z异构化过程的光致异构化机理. 研究发现该E构型分子开关的S1激发态平均寿命约为 107 fs, 该分子开关的E-Z异构化量子产率为16.01%. 通过对该分子开关光致异构化过程的计算, 明确了两种不同分子开关异构化机制; 除围绕C=N键旋转的传统分子开关异构机制之外, 阐明了新的异构机制——分子开关转子部分面对面的扭转; 通过时间分辨的荧光辐射谱的计算, 预测了异构化过程中存在极快的荧光猝灭现象, 并且伴随着荧光红移的发生; 通过对计算得到的荧光光谱与激发态平均寿命的分析, 提出了“暗态”的存在, 并对“暗态”存在的原因给出了可能得解释. 研究结果可为新型分子开关的设计及应用提供理论指导作用.
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通过磁控溅射单一四元靶材磁控得到的黄铜矿Cu(In, Ga)Se2(CIGS)太阳电池开发的主要瓶颈是严重的载流子复合, 其开路电压非常低. CIGS与钼(Mo)之间不良的缺陷环境是吸收体和界面复合严重的主要原因之一. 其中, 在背界面处引入的CuGaSe2(CGS)低温缓冲层可以有效地抑制吸收体与背电极在高温磁控过程中的不利界面反应, 从而获得高质量的晶体. 通过这种背界面工程, 不仅可以很好地解决吸收体和界面质量不佳的问题, 而且有利于在吸收层中形成梯度带隙结构, 从而使深能级InGa缺陷转换为较低能级的VCu缺陷, 最终CIGS太阳电池的转换效率达到15.04%. 这项工作为直接溅射高效率CIGS太阳电池的产业化提供了一种新的方法.
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基于外延生长技术构建不同结构特性的核壳结构已成为调控稀土掺杂微纳晶体材料发光特性的有效技术手段之一。为此，本文基于多次外延生长并引入NaYF4中间隔离层，构建了具有壳层独立发光特性NaYF4: 50%Yb3+/2%Tm3+@ NaYF4@NaYF4: 20%Yb3+/2%Er3+@NaYF4@NaYbF4: 2%Er3+多层微米核壳晶体。在980 nm激光激发下，借助共聚焦显微光谱测试系统，通过改变单颗粒微米晶体的激发位置，研究了单颗粒核壳微米晶体不同微区内的发光和能量传递特性。实验结果表明：在相邻发光层之间引入NaYF4惰性壳，不仅可实现单颗粒微米晶体区域内发光的调控，且可有效抑制了各壳层离子间的相互作用，实现了各壳层的多彩独立发射。同时，基于单颗粒核壳微米晶体不同区域内多彩发射特性，构建具有信息可调的微纳光子学条形码。由此可见，本文所构建具有区域化可调发射的微米核壳结构，可在不同的激发条件下实现其发光的多彩可调，其丰富光谱指纹信息为单颗粒微米材料在光学防伪领域中的应用提供了新的途径。
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采用推导的部分相干线刃型-螺旋型混合位错光束在生物组织传输中的交叉谱密度函数与矩阵，数值模拟了人体真皮组织传输中，无量纲参数a和线刃型位错离轴距离b对源平面光束归一化光强和相位分布的影响；相同两点间、不同两点间光束偏振态的变化，及其与四个光束参数(a、b、空间相关长度σxy、σyy)以及传输距离z的关系。研究表明：归一化光强为非轴对称分布。a绝对值越大，主峰越圆润；b值越大，次峰越低。在源平面存在一个相干涡旋和一个线刃型位错；a的符号和大小会影响相位分布；b值越大，线刃型位错离原点越远。在源平面处，空间相同两点的偏振度和椭圆率与光束参数选取无关，方位角仅与b和σyy有关；空间不同两点的偏振态参量都只与σxy和σyy有关。在足够远处，偏振态各自趋于一定值。传输中，a的绝对值一定正负不影响偏振态的大小；随着b增大，偏振态曲线极值次数减小，突变的次数增加；σxy取值不同时，相同两点偏振态变化的差异主要集中在极值附近，不同两点偏振态变化的差异主要集中在初值和极值附近；|σxx-σyy|大小引起了偏振态变化规律的多样性。
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目前，基于纠缠态的量子秘密共享(Quantum Secret Sharing, QSS)方案未充分利用纠缠态的概率振幅潜力。然而，纠缠态的概率振幅是量子信息学的一个关键特性，在量子计算和量子通信等领域有着广泛的应用潜力。值得注意的是，纠缠态可以通过矩阵乘积态(Matrix Product State, MPS)有效表达。利用MPS对纠缠态进行表征，能够准确地揭示与概率振幅相关的纠缠特性。本研究证明利用MPS表征纠缠态，可以将一个W态压缩为一个单光子和一个矩阵，展示一种新的技术路径。此外，本研究还提出MPS与秘密共享方案之间的创新互操作性，即通过压缩允许量子份额与共享的量子态之间形成非一对一的映射关系。这种方法可能提供一种更高效的方式来实现量子信息的编码和传输，对于量子秘密共享尤为重要。同时，我们提出的QSS方案具有动态特性，能够根据需要轻松地添加或移除参与者，以更好地适应参与者需求的变化，并在实际应用场景中展现出更高的实用性和适应性。本文的方案能够在保持高效纠缠利用的同时，满足系统的多元需求，包括但不限于通信安全性、数据传输率和系统的可扩展性。
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准确评估与灵活调控表面等离激元（surface plasmon polaritons，SPP）的传输特性对基于等离激元效应设计的高速-小型化器件具有重要意义。本文从理论上推导了SPP在不同厚度金膜表面传播的群速度色散。当金膜厚度小于40 nm时，随着膜厚度的增加，SPP的群速度色散显著减小。在40 nm至60 nm厚度阶段，下降趋势变缓，并在大于60 nm厚度后保持恒定。利用时域有限差分方法，数值模拟了不同传播距离下SPP的电场时间演化。通过比较不同传输距离下SPP近场强度与入射光色散量的关系确定SPP的群速度色散，并得到接近理论推导的结果。进而提出利用负啁啾脉冲激发SPP来补偿传输中产生的群延迟色散，实现不同传输距离SPP场振幅、脉宽的调控。此外，利用定制的SPP激发金属纳米天线，通过调控入射脉冲色散量与SPP在金膜中传播产生群延迟色散的传播特性相结合的手段，实现在纳米信号接收器中热点位置的fs时间灵活时空相干控制。这对于利用等离激元效应设计和控制微型片上集成系统具有重要意义。
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本文从设计和运行托卡马克聚变堆需求的角度，简要概述了托卡马克高约束运行方案和高能量粒子约束涉及的关键物理的发展现状和挑战。过去几十年中，托卡马克高约束模式物理研究取得了重要进展，明确了聚变堆运行区的主要稳定性和约束的限制条件及其性能优化的主要调控手段，发展了感应、混合和稳态等若干可能适用于未来托卡马克聚变堆的运行方案。在反应堆阿尔法粒子加热主导的条件下，潜在主导阿尔法粒子输运损失的阿尔芬不稳定性的线性谱特征和激发机制得到了充分的理解；在阿尔芬不稳定性的非线性饱和、阿尔法粒子约束、及通过加热沉积和微观湍流对等离子体约束的影响等方面开展了大量的实验和理论探索。当前，磁约束聚变物理已进入临近点火燃烧等离子体研究的新阶段，面临着全新的挑战，如：聚变堆条件下如何实现高能量阿尔法粒子对等离子体有效自加热；在阿尔法粒子自加热为主条件下，如何通过调控等离子体关键参数分布维持等离子体稳定性和高约束性能，实现聚变堆高效安全运行；能否建立全尺度模型，实现聚变堆复杂等离子体的长时间动力学过程的准确预测等等。这些关键问题的解决，可为未来聚变堆的设计和运行奠定坚实的物理基础，同时推动等离子体学科的发展。
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采用有限元模拟和高速摄影实验研究了液体中单个气泡在超声作用下的振荡及溃灭规律，并揭示了气泡空化与邻近枝晶间的相互作用机制。结果表明，增大驱动声压促使气泡振荡模式由体积振荡转变为分裂振荡，从而显著提升液体中的瞬态压强和流动速度。当气泡下方存在一个枝晶时，随着驱动声压的增加，二次分枝的断裂模式发生从高周疲劳断裂向低周疲劳断裂再到过载断裂的转变，且断裂周期呈幂函数下降趋势。气泡距离枝晶越近，压缩状态下气泡的纵向半径逐渐大于横向半径，且压缩时间增加，最小气泡体积降低。另外，气泡与枝晶距离的减小导致气泡溃灭产生的最大压强显著降低，而最大流速呈现先增大后降低的趋势。若二次分枝的根部半径减小或长度增加，二次分枝疲劳断裂周期数显著减小，从而更容易诱发枝晶碎断。理论计算的气泡膨胀收缩和二次分枝断裂过程与实验结果基本一致，表明本文构建的模型能够准确预测超声场中的气泡运动及其与枝晶相互作用过程。
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本文设计了一种由椭圆介电柱子组成的正方晶格光子晶体结构. 通过调节椭圆柱子的大小和放置角度，在布里渊区中心同时实现两个不同频率的双重偶然简并，并获得两个不同波段的半狄拉克锥. 更有趣的是，这两个半狄拉克锥沿椭圆柱子长轴和短轴两个方向表现出的线性和非线性色散关系正好相反， k · p 微扰理论也进一步证实了这种奇异的色散关系. 数值计算结果表明在两个半狄拉克点频率附近，本文所设计的正方晶格光子晶体在线性色散所在方向上等效为阻抗匹配的双零折射率材料，而在非线性色散所在方向上只能等效为单零折射率材料，即沿椭圆柱子长轴和短轴两个方向的等效零折射率展现出差异性. 而两个不同波段的半狄拉克锥所对应的这种等效零折射率的各向异性截然相反，因此可利用“Y”型光子晶体板将两种不同频率的电磁波成功分离开来.
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从数据中推断网络的结构作为复杂网络中一个重要科学问题已得到广泛关注. 现有的网络重构方法大多将网络重构问题转化为一系列线性方程组的求解问题, 然后通过某种截断方法对每个方程组的解进行截断, 从而确定每个节点的局部结构. 然而现有的截断方法大多存在着精度不足的问题, 且少有方法衡量每个方程组解的可截断性, 即节点的可重构性. 为了解决这些问题, 本文提出了一种基于高斯混合模型的无向网络重构方法. 该方法首先将节点间连接关系的推断问题转化为一个聚类问题, 然后利用高斯混合模型进行求解, 得到每个节点与其他节点的连接概率, 并根据概率定义一个基于信息熵的可重构指标, 从而在真实网络结构未知的情况下衡量每个节点的可重构性. 将该方法用于无向网络中, 可以利用无向网络的对称特征, 将可重构性高的节点作为训练集指导可重构性低的节点进行结构推断, 从而更好地重构出无向网络. 最后, 通过在合成数据和真实数据上与现有的截断方法进行比较, 证明了该方法可以更有效的重构出网络结构.
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