墙壁的反射中子会对快脉冲堆的波形产生明显的影响.堆芯中子泄漏后，经过墙壁的反射有一定的概率返回堆芯，由于能量的差异，泄漏中子的返回时间是一个连续的分布.传统的双区模型只考虑了相互作用概率，而没有时间信息，尽管可以很好地解决稳态问题，而无法解决瞬态问题.本文采用等效的方法，把泄漏中子等效为时间相关的堆芯本征源，建立了含有反射效应的时间关联双区模型.求解得到的脉冲波形与CFBR-Ⅱ的实验结果一致，从而合理解释了脉冲波形后沿衰减变慢和坪功率提高的实验现象.
墙壁的反射中子会对快脉冲堆的波形产生明显的影响.堆芯中子泄漏后，经过墙壁的反射有一定的概率返回堆芯，由于能量的差异，泄漏中子的返回时间是一个连续的分布.传统的双区模型只考虑了相互作用概率，而没有时间信息，尽管可以很好地解决稳态问题，而无法解决瞬态问题.本文采用等效的方法，把泄漏中子等效为时间相关的堆芯本征源，建立了含有反射效应的时间关联双区模型.求解得到的脉冲波形与CFBR-Ⅱ的实验结果一致，从而合理解释了脉冲波形后沿衰减变慢和坪功率提高的实验现象.
基于全相对论多组态Dirac-Fock方法，对L壳层旁观空穴下Ar原子退激衰变辐射K-X射线Kα1，2 （K→L3，2） 和Kβ 1，3 （K→M3，2） 的6908条伴线和超伴线跃迁能、跃迁概率进行了系统计算，计算结果与文献已有数据比较具有很好的一致性.通过对（K- 1L- l，l =0–8）伴线和（K- 2L- l，l =0–8）超伴线跃迁谱线卷积得了其合成谱，给出了L壳层不同空穴数下K-X射线伴线和超伴线的平均能量和平均跃迁强度.结果表明，退激辐射X射线能量以及能移与L壳层空穴个数呈现明显的线性关系.基于结论，进一步给出了跃迁能移与L壳层空穴个数之间的关系表达式.研究结果可以为解释离子、原子碰撞过程中产生的X射线谱提供重要的理论支持.
基于全相对论多组态Dirac-Fock方法，对L壳层旁观空穴下Ar原子退激衰变辐射K-X射线Kα1，2 （K→L3，2） 和Kβ 1，3 （K→M3，2） 的6908条伴线和超伴线跃迁能、跃迁概率进行了系统计算，计算结果与文献已有数据比较具有很好的一致性.通过对（K- 1L- l，l =0–8）伴线和（K- 2L- l，l =0–8）超伴线跃迁谱线卷积得了其合成谱，给出了L壳层不同空穴数下K-X射线伴线和超伴线的平均能量和平均跃迁强度.结果表明，退激辐射X射线能量以及能移与L壳层空穴个数呈现明显的线性关系.基于结论，进一步给出了跃迁能移与L壳层空穴个数之间的关系表达式.研究结果可以为解释离子、原子碰撞过程中产生的X射线谱提供重要的理论支持.
提出了利用光克尔效应实现激光束波前动态调控，进而实现焦斑超快束匀滑（ps量级）的方案，其原理是利用抽运光动态改变光克尔介质的折射率分布，以对透射主激光束附加时空耦合的动态波前，进而使激光束在靶面的焦斑散斑产生更加快速、多样的变化，最终实现焦斑的超快束匀滑.当抽运光时间波形为高斯脉冲序列，且以小角度倾斜入射至光克尔介质时，由于抽运光和光克尔介质对主激光附加随时间横向移动的周期性球面相位，且球面相位的幅值随时间不断变化，因而可以同步实现激光束焦面散斑的横向和径向超快速扫动，从而更为有效地改善靶面辐照均匀性.
提出了利用光克尔效应实现激光束波前动态调控，进而实现焦斑超快束匀滑（ps量级）的方案，其原理是利用抽运光动态改变光克尔介质的折射率分布，以对透射主激光束附加时空耦合的动态波前，进而使激光束在靶面的焦斑散斑产生更加快速、多样的变化，最终实现焦斑的超快束匀滑.当抽运光时间波形为高斯脉冲序列，且以小角度倾斜入射至光克尔介质时，由于抽运光和光克尔介质对主激光附加随时间横向移动的周期性球面相位，且球面相位的幅值随时间不断变化，因而可以同步实现激光束焦面散斑的横向和径向超快速扫动，从而更为有效地改善靶面辐照均匀性.
在Ma=6低噪声风洞中开展了半锥角7°的直圆锥边界层转捩相关实验研究.利用响应频率达到MHz量级的高频压力传感器对圆锥壁面脉动压力进行了测量，研究了高超声速圆锥边界层中扰动波的发展过程.结果表明：高超声速圆锥边界层中第二模态扰动波产生的位置以及扰动波特征频率和波长等参数受雷诺数影响较大，当单位雷诺数从2×106 m-1增加到8×106 m-1 时，第二模态波的特征频率从55 kHz增加到226 kHz；随着单位雷诺数增加，边界层中扰动增长速度加快，第二模态波出现在圆锥表面更靠近上游的位置；相同单位雷诺数条件下，随着第二模态波的向下游传播，其特征频率逐渐减小.通过对比发现自由来流湍流度对边界层中扰动波的发展同样有较大影响，自由来流湍流度降低，边界层中的第二模态波的特征频率明显减小.利用互相关分析得出第二模态扰动波在边界层中的传播速度大约为当地主流速度的0.8–0.9 倍.在1°小攻角条件下，圆锥迎风面和背风面边界层发展呈现出明显的差异，背风面边界层中扰动发展提前，第二模态波出现在更靠近上游的位置，而迎风面中扰动发展受到抑制，第二模态波特征频率更大.
在Ma=6低噪声风洞中开展了半锥角7°的直圆锥边界层转捩相关实验研究.利用响应频率达到MHz量级的高频压力传感器对圆锥壁面脉动压力进行了测量，研究了高超声速圆锥边界层中扰动波的发展过程.结果表明：高超声速圆锥边界层中第二模态扰动波产生的位置以及扰动波特征频率和波长等参数受雷诺数影响较大，当单位雷诺数从2×106 m-1增加到8×106 m-1 时，第二模态波的特征频率从55 kHz增加到226 kHz；随着单位雷诺数增加，边界层中扰动增长速度加快，第二模态波出现在圆锥表面更靠近上游的位置；相同单位雷诺数条件下，随着第二模态波的向下游传播，其特征频率逐渐减小.通过对比发现自由来流湍流度对边界层中扰动波的发展同样有较大影响，自由来流湍流度降低，边界层中的第二模态波的特征频率明显减小.利用互相关分析得出第二模态扰动波在边界层中的传播速度大约为当地主流速度的0.8–0.9 倍.在1°小攻角条件下，圆锥迎风面和背风面边界层发展呈现出明显的差异，背风面边界层中扰动发展提前，第二模态波出现在更靠近上游的位置，而迎风面中扰动发展受到抑制，第二模态波特征频率更大.
原子核自旋极化的3He气体已被深入研究并广泛用于各种科学实验.在过去的极化3He 实验中，为了减小磁场梯度对纵向弛豫时间的影响，通常会建造大尺寸的亥姆霍兹线圈来提供所需均匀度的主磁场环境.本文通过计算得到了新的六正方形线圈系统，可以为极化3He实验提供小型高均匀性的磁场装置.其中线圈系统内部超过 30%的区域磁场梯度满足√|▽Bx|2+|▽By|2/B0 -4 cm-1，这一均匀区域比例超过了现在所有用于极化3He 实验的线圈装置.对于其他需要大均匀区域磁场环境的研究实验，新的六线圈系统也具有很好的应用价值.
原子核自旋极化的3He气体已被深入研究并广泛用于各种科学实验.在过去的极化3He 实验中，为了减小磁场梯度对纵向弛豫时间的影响，通常会建造大尺寸的亥姆霍兹线圈来提供所需均匀度的主磁场环境.本文通过计算得到了新的六正方形线圈系统，可以为极化3He实验提供小型高均匀性的磁场装置.其中线圈系统内部超过 30%的区域磁场梯度满足√|▽Bx|2+|▽By|2/B0 -4 cm-1，这一均匀区域比例超过了现在所有用于极化3He 实验的线圈装置.对于其他需要大均匀区域磁场环境的研究实验，新的六线圈系统也具有很好的应用价值.
近年来，表面等离激元光子学发展迅速，并取得了众多新成果.重掺杂半导体材料的表面等离激元共振性质的研究，也得到了人们越来越多的关注.本文通过纳米球刻印技术制备准三维二氧化硅纳米球阵列，在阵列上沉积铟锡氧化物薄膜，通过不同条件下的后退火处理改变铟锡氧化物薄膜的载流子浓度和载流子迁移率，并研究随着材料性质的改变其相应表面等离激元共振特性的变化规律.结果表明：退火处理均使铟锡氧化物薄膜的晶粒长大，光学透过率增加；在空气中退火会导致铟锡氧化物薄膜的载流子浓度减少，其表面等离激元共振峰红移；而真空退火则使铟锡氧化物薄膜的载流子浓度增加，共振峰蓝移.这些研究结果可为后续铟锡氧化物表面等离激元材料及器件的研究提供科学依据和实际指导.
近年来，表面等离激元光子学发展迅速，并取得了众多新成果.重掺杂半导体材料的表面等离激元共振性质的研究，也得到了人们越来越多的关注.本文通过纳米球刻印技术制备准三维二氧化硅纳米球阵列，在阵列上沉积铟锡氧化物薄膜，通过不同条件下的后退火处理改变铟锡氧化物薄膜的载流子浓度和载流子迁移率，并研究随着材料性质的改变其相应表面等离激元共振特性的变化规律.结果表明：退火处理均使铟锡氧化物薄膜的晶粒长大，光学透过率增加；在空气中退火会导致铟锡氧化物薄膜的载流子浓度减少，其表面等离激元共振峰红移；而真空退火则使铟锡氧化物薄膜的载流子浓度增加，共振峰蓝移.这些研究结果可为后续铟锡氧化物表面等离激元材料及器件的研究提供科学依据和实际指导.
建立了射频平板腔动态建场等效电路以及腔体双边二次电子倍增的混合物理模型，利用自主编制的1D3V-PIC二次电子倍增程序和射频平板腔动态建场全电路程序，研究分析了不同腔体Q值情况下二次电子倍增对射频平板腔动态建场过程的影响.数值模拟表明：射频平板腔建场过程中不存在二次电子倍增的情况下，腔体Q值越高，建场时间越长，注入能量等于腔体储能和腔体耗能，建场前期腔体储能速度快于耗能速度，建场后期腔体耗能速度快于储能速度，建场成功后平均腔体消耗功率与平均注入功率相等.射频平板腔建场过程中存在二次电子倍增情况下，腔体Q值越高，进入二次电子倍增的时刻越晚，二次电子倍增作用时间越长；二次电子发射面积越大，二次电子电流峰值越高.二次电子倍增的持续加载，最终会导致射频平板腔建场过程的失败；腔体Q值越高或二次电子发射面积越大，射频平板腔建场成功的概率越低.相关模拟结果可为工程设计提供一定的参考.
建立了射频平板腔动态建场等效电路以及腔体双边二次电子倍增的混合物理模型，利用自主编制的1D3V-PIC二次电子倍增程序和射频平板腔动态建场全电路程序，研究分析了不同腔体Q值情况下二次电子倍增对射频平板腔动态建场过程的影响.数值模拟表明：射频平板腔建场过程中不存在二次电子倍增的情况下，腔体Q值越高，建场时间越长，注入能量等于腔体储能和腔体耗能，建场前期腔体储能速度快于耗能速度，建场后期腔体耗能速度快于储能速度，建场成功后平均腔体消耗功率与平均注入功率相等.射频平板腔建场过程中存在二次电子倍增情况下，腔体Q值越高，进入二次电子倍增的时刻越晚，二次电子倍增作用时间越长；二次电子发射面积越大，二次电子电流峰值越高.二次电子倍增的持续加载，最终会导致射频平板腔建场过程的失败；腔体Q值越高或二次电子发射面积越大，射频平板腔建场成功的概率越低.相关模拟结果可为工程设计提供一定的参考.
运用基于密度泛函理论的第一性原理分子动力学和静态电子结构计算，研究了La65X35（X=Ni，Al）非晶合金体系原子结构随温度演化的规律及其相关电子结构特性.使用径向分布函数、Voronoi团簇以及键对分析等给出了从高温液体快速冷却到玻璃态过程中原子结构的演化规律.研究发现，该类合金体系的原子排布符合局域密堆模型，两体系中占比最大的特征多面体类型由溶质与溶剂原子半径比调控；两体系中高五次对称性局域结构随温度的下降而增加验证了其在抑制晶化方面的重要作用；利用投影态密度分析两体系电子结构之间的差异，指出La-5d与Ni-3d电子间强烈的杂化是LaNi 间键长缩短的电子结构起源，为理解成分相关的结构和物性提供了重要线索.
运用基于密度泛函理论的第一性原理分子动力学和静态电子结构计算，研究了La65X35（X=Ni，Al）非晶合金体系原子结构随温度演化的规律及其相关电子结构特性.使用径向分布函数、Voronoi团簇以及键对分析等给出了从高温液体快速冷却到玻璃态过程中原子结构的演化规律.研究发现，该类合金体系的原子排布符合局域密堆模型，两体系中占比最大的特征多面体类型由溶质与溶剂原子半径比调控；两体系中高五次对称性局域结构随温度的下降而增加验证了其在抑制晶化方面的重要作用；利用投影态密度分析两体系电子结构之间的差异，指出La-5d与Ni-3d电子间强烈的杂化是LaNi 间键长缩短的电子结构起源，为理解成分相关的结构和物性提供了重要线索.
由MoO3/Ag/MoO3 （MAM）组成的多层膜结构非常有希望替代ITO作为有机太阳能电池中的透明阳极.然而，基于MAM结构的有机太阳能电池光吸收能力较弱.为此，引入了一种小周期短节距金属光栅，利用表面等离子激元增强活性层的光吸收.借助于频域有限差分方法求解麦克斯韦方程和半导体方程，探讨了有机太阳能电池结构的光学和电学性质.分析结果表明：与平面结构相比，活性层中的光吸收大大提高；同时，当凹槽宽度为4 nm，能量转换效率提高了49%.相关结果有助于更好地开发和利用无ITO层的有机太阳能电池.
由MoO3/Ag/MoO3 （MAM）组成的多层膜结构非常有希望替代ITO作为有机太阳能电池中的透明阳极.然而，基于MAM结构的有机太阳能电池光吸收能力较弱.为此，引入了一种小周期短节距金属光栅，利用表面等离子激元增强活性层的光吸收.借助于频域有限差分方法求解麦克斯韦方程和半导体方程，探讨了有机太阳能电池结构的光学和电学性质.分析结果表明：与平面结构相比，活性层中的光吸收大大提高；同时，当凹槽宽度为4 nm，能量转换效率提高了49%.相关结果有助于更好地开发和利用无ITO层的有机太阳能电池.
便捷获取铁磁承载构件应力对维护基础设施安全具有重要意义.其关键在于准确快速地确定随应力变化灵敏度高、线性度好的表征参数.现有电磁检测法一般在时变磁场线圈激励下，逐点分析实验结果来确定合适的表征参数，会带来线圈发热、涡流影响结果的问题，表征磁参数的确立繁琐.为此，本文提出基于表面磁感应强度的铁磁构件应力恒磁表征方法，采用永磁恒定磁化器产生全局衰减局部均匀的空间变化磁场作激励，用正交磁场测量单元拾取构件表面轴向和法向磁感应强度以表征应力.着重阐述基于表面磁感应强度的应力表征原理：根据退磁场理论、磁场强度切向连续性和磁场高斯定理，建立表面轴向和法向磁感应强度关于应力导函数之间的关系方程.最后开展实验验证.结果表明：根据该关系方程可快速准确地确定随应力灵敏度最高的表面磁感应强度，且其随应力变化线性度较好，拟合优度R2大于0.98，可作为应力表征磁参数.本文所提方法可为在线检测铁磁构件应力提供新途径.
便捷获取铁磁承载构件应力对维护基础设施安全具有重要意义.其关键在于准确快速地确定随应力变化灵敏度高、线性度好的表征参数.现有电磁检测法一般在时变磁场线圈激励下，逐点分析实验结果来确定合适的表征参数，会带来线圈发热、涡流影响结果的问题，表征磁参数的确立繁琐.为此，本文提出基于表面磁感应强度的铁磁构件应力恒磁表征方法，采用永磁恒定磁化器产生全局衰减局部均匀的空间变化磁场作激励，用正交磁场测量单元拾取构件表面轴向和法向磁感应强度以表征应力.着重阐述基于表面磁感应强度的应力表征原理：根据退磁场理论、磁场强度切向连续性和磁场高斯定理，建立表面轴向和法向磁感应强度关于应力导函数之间的关系方程.最后开展实验验证.结果表明：根据该关系方程可快速准确地确定随应力灵敏度最高的表面磁感应强度，且其随应力变化线性度较好，拟合优度R2大于0.98，可作为应力表征磁参数.本文所提方法可为在线检测铁磁构件应力提供新途径.
陷阱效应导致的电流崩塌是制约GaN基微波功率电子器件性能提高的一个重要因素，研究深能级陷阱行为对材料生长和器件开发具有非常重要的意义.随着器件频率的提升，器件尺寸不断缩小，对小尺寸器件中深能级陷阱的表征变得越发困难.本文制备了超短栅长（Lg=80 nm）的AlGaN/GaN金属氧化物半导体高电子迁移率晶体管（MOSHEMT），并基于脉冲I-V测试和二维数值瞬态仿真对器件的动态特性进行了深入研究，分析了深能级陷阱对AlGaN/GaN MOSHEMT器件动态特性的影响以及相关陷阱效应的内在物理机制.结果表明，AlGaN/GaN MOSHEMT器件的电流崩塌随着栅极静态偏置电压的增加呈非单调变化趋势，这是由栅漏电注入和热电子注入两种陷阱机制共同作用的结果.根据研究结果推断，可通过改善栅介质的质量以减小栅漏电或提高外延材料质量以减少缺陷密度等措施达到抑制陷阱效应的目的，从而进一步抑制电流崩塌.
陷阱效应导致的电流崩塌是制约GaN基微波功率电子器件性能提高的一个重要因素，研究深能级陷阱行为对材料生长和器件开发具有非常重要的意义.随着器件频率的提升，器件尺寸不断缩小，对小尺寸器件中深能级陷阱的表征变得越发困难.本文制备了超短栅长（Lg=80 nm）的AlGaN/GaN金属氧化物半导体高电子迁移率晶体管（MOSHEMT），并基于脉冲I-V测试和二维数值瞬态仿真对器件的动态特性进行了深入研究，分析了深能级陷阱对AlGaN/GaN MOSHEMT器件动态特性的影响以及相关陷阱效应的内在物理机制.结果表明，AlGaN/GaN MOSHEMT器件的电流崩塌随着栅极静态偏置电压的增加呈非单调变化趋势，这是由栅漏电注入和热电子注入两种陷阱机制共同作用的结果.根据研究结果推断，可通过改善栅介质的质量以减小栅漏电或提高外延材料质量以减少缺陷密度等措施达到抑制陷阱效应的目的，从而进一步抑制电流崩塌.
晶体表面的扩散和缺陷对晶体振动模式的影响是表面物理学研究的一个重要和基本的课题.晶格振动的频率对应于系统的能带.由于晶格中原子的振动不是孤立的，并且晶格具有周期性，所以在晶体中形成格波.格波代表晶体中所有原子都参与的频率相同的振动，又常称为一种振动模.本文讨论在表面吸附位势系数β0与晶体内部原子的周期位势系数β不同的情况下，晶体表面吸附一个质量为m0（与晶格原子质量m不同）的原子以后晶格的振动模.采用不变本征算符方法，严格地导出此振动模为ω=√（2β（1-cosh α））/ħm，其中α=ln[-（mβ0+m0（-2β+β0）+√β0√-4 mm0β+（m+m0）2β0）/2m0β].此结果表明，ω不但取决于吸附位势与吸附原子的质量，也与晶格原子的质量与内位势有关.
晶体表面的扩散和缺陷对晶体振动模式的影响是表面物理学研究的一个重要和基本的课题.晶格振动的频率对应于系统的能带.由于晶格中原子的振动不是孤立的，并且晶格具有周期性，所以在晶体中形成格波.格波代表晶体中所有原子都参与的频率相同的振动，又常称为一种振动模.本文讨论在表面吸附位势系数β0与晶体内部原子的周期位势系数β不同的情况下，晶体表面吸附一个质量为m0（与晶格原子质量m不同）的原子以后晶格的振动模.采用不变本征算符方法，严格地导出此振动模为ω=√（2β（1-cosh α））/ħm，其中α=ln[-（mβ0+m0（-2β+β0）+√β0√-4 mm0β+（m+m0）2β0）/2m0β].此结果表明，ω不但取决于吸附位势与吸附原子的质量，也与晶格原子的质量与内位势有关.
量子纠缠的生成和操控在量子通信和量子信息处理中具有广泛的应用价值.通过构建单个Λ 型三能级原子和两个超导谐振器之间相互耦合的模型，给出了实现控制Z门（Controlled-Z）的四种操作方案和实现交换门（Swap）的两种操作方案；同时对实现控制Z门的第一种操作方案进行了保真度的数值模拟仿真.结果表明：通过20.83 ns 的运行时间，其保真度为96.67%，而衰减率、弛豫速率和移相比率的增加会降低系统的保真度，而耦合强度的增加会减少系统的运行时间，从而减小衰减参数的影响，提高系统的保真度.
量子纠缠的生成和操控在量子通信和量子信息处理中具有广泛的应用价值.通过构建单个Λ 型三能级原子和两个超导谐振器之间相互耦合的模型，给出了实现控制Z门（Controlled-Z）的四种操作方案和实现交换门（Swap）的两种操作方案；同时对实现控制Z门的第一种操作方案进行了保真度的数值模拟仿真.结果表明：通过20.83 ns 的运行时间，其保真度为96.67%，而衰减率、弛豫速率和移相比率的增加会降低系统的保真度，而耦合强度的增加会减少系统的运行时间，从而减小衰减参数的影响，提高系统的保真度.
大脑皮层在一定条件下可以自发出现螺旋波和平面波，为了了解这些有序波的产生机制，构造了一个双层的二维神经元网络.该网络由最近邻兴奋性耦合和长程抑制性耦合层组成，采用修改后的Hindmarsh-Rose神经元模型研究了该混沌神经元网络从具有随机相位分布的初态演化是否能自发出现各种有序波.数值模拟结果表明：当抑制性耦合强度比较小时，系统一般不会自发出现有序波；在兴奋性耦合强度足够大的情况下，抑制性耦合强度越大，系统越容易产生有序波.系统出现不同的有序波与系统初态和耦合强度有密切关系，适当选择兴奋性和抑制性耦合的耦合强度，系统会自发出现迷宫斑图、平面波、单螺旋波、多螺旋波、旋转方向相反的螺旋波对、双臂螺旋波、靶波、向内方形波等有序波斑图.螺旋波、迷宫斑图和内向方形波出现概率分别达到27.5%，21.5%和10.0%，这里的迷宫斑图是由不同传播方向的许多平面波组成，其他有序波出现概率比较小.研究结果有助于理解发生在大脑皮层中的自组织现象.
大脑皮层在一定条件下可以自发出现螺旋波和平面波，为了了解这些有序波的产生机制，构造了一个双层的二维神经元网络.该网络由最近邻兴奋性耦合和长程抑制性耦合层组成，采用修改后的Hindmarsh-Rose神经元模型研究了该混沌神经元网络从具有随机相位分布的初态演化是否能自发出现各种有序波.数值模拟结果表明：当抑制性耦合强度比较小时，系统一般不会自发出现有序波；在兴奋性耦合强度足够大的情况下，抑制性耦合强度越大，系统越容易产生有序波.系统出现不同的有序波与系统初态和耦合强度有密切关系，适当选择兴奋性和抑制性耦合的耦合强度，系统会自发出现迷宫斑图、平面波、单螺旋波、多螺旋波、旋转方向相反的螺旋波对、双臂螺旋波、靶波、向内方形波等有序波斑图.螺旋波、迷宫斑图和内向方形波出现概率分别达到27.5%，21.5%和10.0%，这里的迷宫斑图是由不同传播方向的许多平面波组成，其他有序波出现概率比较小.研究结果有助于理解发生在大脑皮层中的自组织现象.
二维拓扑绝缘体因其特殊的能带结构带来的新奇物理性质，成为近年来凝聚态物理的研究热点.尤其是在引入超导电性之后，二维拓扑绝缘体中可能存在马约拉纳费米子（Majorana fermion），因此在量子计算方面具有重大应用前景.在Bi（111）薄膜被证实为二维拓扑绝缘体之后，Bi（110）薄膜引起了广泛关注，然而其拓扑性质还存在争议.本文利用分子束外延技术在室温低生长速率环境下成功制备出了高质量的单晶Bi（110）薄膜.通过扫描隧道显微镜测量发现，薄膜以约8个原子层厚度为分界，从双层生长转变为单层生长模式.结合隧道谱测量发现，在NbSe2衬底上生长的Bi（110） 薄膜因为近邻效应而具有明显的超导性质，但并未显示出拓扑边缘态的存在.此外，对薄膜中特殊的量子阱态现象也进行了讨论.
二维拓扑绝缘体因其特殊的能带结构带来的新奇物理性质，成为近年来凝聚态物理的研究热点.尤其是在引入超导电性之后，二维拓扑绝缘体中可能存在马约拉纳费米子（Majorana fermion），因此在量子计算方面具有重大应用前景.在Bi（111）薄膜被证实为二维拓扑绝缘体之后，Bi（110）薄膜引起了广泛关注，然而其拓扑性质还存在争议.本文利用分子束外延技术在室温低生长速率环境下成功制备出了高质量的单晶Bi（110）薄膜.通过扫描隧道显微镜测量发现，薄膜以约8个原子层厚度为分界，从双层生长转变为单层生长模式.结合隧道谱测量发现，在NbSe2衬底上生长的Bi（110） 薄膜因为近邻效应而具有明显的超导性质，但并未显示出拓扑边缘态的存在.此外，对薄膜中特殊的量子阱态现象也进行了讨论.
非齐次燃耗方程常用于描述具有显著核素迁移效应的核能系统中核素含量随时间的变化规律.国内外许多燃耗计算程序无法求解方程非齐次项含时的情况.本文在方程非齐次项能够被有限阶关于时间的泰勒展开逼近这一前提下，研究了非齐次项含时情况下方程的两种解法.首先通过Laplace变换推导出了方程基于线性子链方法的解析解形式，然后使用Carathéodory-Fejér方法计算出了方程矩阵级数解的近最佳Chebyshev有理逼近式.将两种方法在燃耗计算程序JBURN中实现，并进行了数值计算，绝大部分计算结果符合很好，部分结果在较长有效数字内仍能保持一致，验证了方法的正确性和精度.同时为求解具有其他非齐次项形式的燃耗方程提供了一种思路.
非齐次燃耗方程常用于描述具有显著核素迁移效应的核能系统中核素含量随时间的变化规律.国内外许多燃耗计算程序无法求解方程非齐次项含时的情况.本文在方程非齐次项能够被有限阶关于时间的泰勒展开逼近这一前提下，研究了非齐次项含时情况下方程的两种解法.首先通过Laplace变换推导出了方程基于线性子链方法的解析解形式，然后使用Carathéodory-Fejér方法计算出了方程矩阵级数解的近最佳Chebyshev有理逼近式.将两种方法在燃耗计算程序JBURN中实现，并进行了数值计算，绝大部分计算结果符合很好，部分结果在较长有效数字内仍能保持一致，验证了方法的正确性和精度.同时为求解具有其他非齐次项形式的燃耗方程提供了一种思路.
发展具有大轴向定位范围的单分子定位技术对于实现厚样品的超分辨成像具有重要的价值.基于波前编码技术，将变形多值纯相位光栅与双螺旋点扩散函数相位片相结合，提出一种可以通过空间光调制器实现的具有高衍射效率的新型全息相位片的设计方法.这种全息相位片可以将样品内多个层面的分子信息以双螺旋的形式成像在同一个探测面的不同位置，在无需扫描的情况下提高双螺旋点扩散函数工程的轴向定位范围和分辨率，解决活细胞内单分子定位和示踪技术中的大景深探测难题.数值模拟表明，设计的5×5全息相位片可以将样品内25个层面上的分子信息以双螺旋的形式成像在同一探测面上的不同位置，相邻两个层面的间隔为0.5 μm，实现了轴向12 μm 的探测范围，证明了设计的可行性.
发展具有大轴向定位范围的单分子定位技术对于实现厚样品的超分辨成像具有重要的价值.基于波前编码技术，将变形多值纯相位光栅与双螺旋点扩散函数相位片相结合，提出一种可以通过空间光调制器实现的具有高衍射效率的新型全息相位片的设计方法.这种全息相位片可以将样品内多个层面的分子信息以双螺旋的形式成像在同一个探测面的不同位置，在无需扫描的情况下提高双螺旋点扩散函数工程的轴向定位范围和分辨率，解决活细胞内单分子定位和示踪技术中的大景深探测难题.数值模拟表明，设计的5×5全息相位片可以将样品内25个层面上的分子信息以双螺旋的形式成像在同一探测面上的不同位置，相邻两个层面的间隔为0.5 μm，实现了轴向12 μm 的探测范围，证明了设计的可行性.
音频段压缩态光场是进行连续变量量子精密测量重要的量子资源.本文利用自制的低噪声连续单频671 nm/1.34 μm双波长激光器作为抽运源，抽运基于周期极化磷酸氧钛钾晶体的简并光学参量振荡器，进行了光通信波段1.34 μm 连续变量音频段真空压缩态光场的实验制备.当简并光学参量振荡器运转于阈值以下参量反放大状态时，抽运光场功率为95 mW，本地振荡光功率为60 μupW时，在分析频率8–100 kHz 范围内研制出1.34 μm真空压缩态光场.在分析频率36 kHz 处，压缩态光场的最大压缩度达5.0 dB；在音频频率8 kHz处，压缩态光场的压缩度达3.0 dB.音频段1.34 μm压缩态光场可用于实现基于光纤的量子精密测量.
音频段压缩态光场是进行连续变量量子精密测量重要的量子资源.本文利用自制的低噪声连续单频671 nm/1.34 μm双波长激光器作为抽运源，抽运基于周期极化磷酸氧钛钾晶体的简并光学参量振荡器，进行了光通信波段1.34 μm 连续变量音频段真空压缩态光场的实验制备.当简并光学参量振荡器运转于阈值以下参量反放大状态时，抽运光场功率为95 mW，本地振荡光功率为60 μupW时，在分析频率8–100 kHz 范围内研制出1.34 μm真空压缩态光场.在分析频率36 kHz 处，压缩态光场的最大压缩度达5.0 dB；在音频频率8 kHz处，压缩态光场的压缩度达3.0 dB.音频段1.34 μm压缩态光场可用于实现基于光纤的量子精密测量.
实验研究了平顶激光光束经微透镜阵列在熔融石英中成丝的演化以及超连续辐射的产生，并进一步与高斯光束的成丝和超连续辐射进行了对比研究.分别对这两种光束的多丝传输进行了横向和纵向成像.结果表明，使用平顶光束可以获得更为均匀的多丝分布，成丝的起点也更为一致；尤其重要的是，相对于高斯光束，平顶光束可以使用更高的入射激光脉冲能量而不会造成介质的损伤，从而可以获得更高脉冲能量和更高转换效率的超连续辐射.
实验研究了平顶激光光束经微透镜阵列在熔融石英中成丝的演化以及超连续辐射的产生，并进一步与高斯光束的成丝和超连续辐射进行了对比研究.分别对这两种光束的多丝传输进行了横向和纵向成像.结果表明，使用平顶光束可以获得更为均匀的多丝分布，成丝的起点也更为一致；尤其重要的是，相对于高斯光束，平顶光束可以使用更高的入射激光脉冲能量而不会造成介质的损伤，从而可以获得更高脉冲能量和更高转换效率的超连续辐射.
针对利用不同阵列对浅海环境中水下目标的定位问题，基于简正波分解方法，对组合阵的目标声源定位性能进行了研究，着力解决在实际实验环境下定位性能不够高的问题，并降低实验设备布放难度.在浅海环境下，基于匹配场理论的声接收阵可实现目标的定位，但定位性能受阵形、阵元数目等影响.通过研究不同声接收阵的简正波分解矩阵，可以有效辨别不同阵形定位性能的优劣.仿真实验表明，当某一子阵简正波分解效果较差时，会降低组合阵的定位性能.基于实际实验的需求，在对短垂直阵和组合阵性能的研究中发现，由于水平阵对接收声场的定位模糊度函数中的旁瓣有抑制效果，从而造成模糊度函数表面上旁瓣较低，定位目标的主旁瓣比有所提升的现象.仿真实验表明，不同组合阵形的定位准确度均在90%以上，基于实际应用的考虑，组合阵无疑是对定位性能和实验复杂度的折中选择.
针对利用不同阵列对浅海环境中水下目标的定位问题，基于简正波分解方法，对组合阵的目标声源定位性能进行了研究，着力解决在实际实验环境下定位性能不够高的问题，并降低实验设备布放难度.在浅海环境下，基于匹配场理论的声接收阵可实现目标的定位，但定位性能受阵形、阵元数目等影响.通过研究不同声接收阵的简正波分解矩阵，可以有效辨别不同阵形定位性能的优劣.仿真实验表明，当某一子阵简正波分解效果较差时，会降低组合阵的定位性能.基于实际实验的需求，在对短垂直阵和组合阵性能的研究中发现，由于水平阵对接收声场的定位模糊度函数中的旁瓣有抑制效果，从而造成模糊度函数表面上旁瓣较低，定位目标的主旁瓣比有所提升的现象.仿真实验表明，不同组合阵形的定位准确度均在90%以上，基于实际应用的考虑，组合阵无疑是对定位性能和实验复杂度的折中选择.
诱导空间非相干技术是面向激光驱动惯性约束核聚变的一种具有自身独特优势的束匀滑方法.然而直接使用诱导空间非相干方法将引起强烈的近区强度空间调制，这将威胁装置的运行安全，并严重限制装置的最大输出能力.这也是该方法应用于聚变级高功率激光装置的主要技术障碍之一.本文介绍了一种通过双透镜滤波系统对诱导空间非相干束匀滑技术导致的近区空间强度调制进行匀滑的技术.利用该技术可以在保留诱导空间非相干束匀滑方法的先天优势（更好的远区匀滑特性）的前提下，获得均匀、稳定的近区强度分布，从而避免高功率激光系统在使用诱导空间非相干束匀滑技术时，因为近区强度不均匀、不稳定导致的器件损伤及输出能力受限.在理论建模和数值分析的基础上，以近区调制度、软化因子和透过率为主要评价指标，对比分析了方形、圆形、高斯型等3种滤波孔在不同尺寸下的近区输出效果，最终给出了一种典型的优化结果：16×16诱导空间非相干分割数、0.8倍衍射极限宽度、方形小孔.此时近区强度分布均匀，同时保证了较好的远区匀滑效果和高的能量利用率.在此基础上，针对装置的实际应用情况，进一步分析了准直误差对近区强度分布的影响，结果表明准直误差小于0.1倍衍射极限便不会影响输出的近区质量.对诱导空间非相干束匀滑方法所得焦斑的模拟分析表明，滤波系统的加入能进一步改善焦斑的低频不均匀性.
诱导空间非相干技术是面向激光驱动惯性约束核聚变的一种具有自身独特优势的束匀滑方法.然而直接使用诱导空间非相干方法将引起强烈的近区强度空间调制，这将威胁装置的运行安全，并严重限制装置的最大输出能力.这也是该方法应用于聚变级高功率激光装置的主要技术障碍之一.本文介绍了一种通过双透镜滤波系统对诱导空间非相干束匀滑技术导致的近区空间强度调制进行匀滑的技术.利用该技术可以在保留诱导空间非相干束匀滑方法的先天优势（更好的远区匀滑特性）的前提下，获得均匀、稳定的近区强度分布，从而避免高功率激光系统在使用诱导空间非相干束匀滑技术时，因为近区强度不均匀、不稳定导致的器件损伤及输出能力受限.在理论建模和数值分析的基础上，以近区调制度、软化因子和透过率为主要评价指标，对比分析了方形、圆形、高斯型等3种滤波孔在不同尺寸下的近区输出效果，最终给出了一种典型的优化结果：16×16诱导空间非相干分割数、0.8倍衍射极限宽度、方形小孔.此时近区强度分布均匀，同时保证了较好的远区匀滑效果和高的能量利用率.在此基础上，针对装置的实际应用情况，进一步分析了准直误差对近区强度分布的影响，结果表明准直误差小于0.1倍衍射极限便不会影响输出的近区质量.对诱导空间非相干束匀滑方法所得焦斑的模拟分析表明，滤波系统的加入能进一步改善焦斑的低频不均匀性.
本文测量了30 keV的He2+入射倾斜角度分别为-0.5°，-1°，-1.5°和 -2.5°的聚碳酸酯纳米微孔膜后，出射粒子角度分布、电荷态分布以及相对穿透率随时间的演化.当微孔膜倾斜角度在-0.5°，-1°和-1.5°时，出射的He2+离子始终保持在入射束流方向，出射的He0原子出射方向由微孔孔道方向逐渐转移到入射束流方向，在实验过程中观测到明显的电荷交换，这一现象与之前发现的导向效应不同，微孔内部沉积的电荷斑和微孔内表面原子的短程集体散射作用，克服入射离子的横向动量，使入射离子在微孔内表面以上以类似镜面掠射的方式出射，并发生时间演化效应，主要传输机制为电荷斑辅助的表面以上的类似镜面掠射行为.而当倾斜角度在-2.5°时，出射的He2+离子始终保持在入射束流方向，出射的He0原子始终保持在微孔孔道方向，沉积的电荷斑很难克服入射离子的横向动量，没有时间演化效应，主要传输机制为微孔内表面以下的多次随机非弹性碰撞过程.这一物理图像使中能离子入射不同倾斜角度的微孔膜物理认识更加深入和完整.
本文测量了30 keV的He2+入射倾斜角度分别为-0.5°，-1°，-1.5°和 -2.5°的聚碳酸酯纳米微孔膜后，出射粒子角度分布、电荷态分布以及相对穿透率随时间的演化.当微孔膜倾斜角度在-0.5°，-1°和-1.5°时，出射的He2+离子始终保持在入射束流方向，出射的He0原子出射方向由微孔孔道方向逐渐转移到入射束流方向，在实验过程中观测到明显的电荷交换，这一现象与之前发现的导向效应不同，微孔内部沉积的电荷斑和微孔内表面原子的短程集体散射作用，克服入射离子的横向动量，使入射离子在微孔内表面以上以类似镜面掠射的方式出射，并发生时间演化效应，主要传输机制为电荷斑辅助的表面以上的类似镜面掠射行为.而当倾斜角度在-2.5°时，出射的He2+离子始终保持在入射束流方向，出射的He0原子始终保持在微孔孔道方向，沉积的电荷斑很难克服入射离子的横向动量，没有时间演化效应，主要传输机制为微孔内表面以下的多次随机非弹性碰撞过程.这一物理图像使中能离子入射不同倾斜角度的微孔膜物理认识更加深入和完整.
建立了直流电场作用下协流式微流控装置中单乳液液滴乳化生成过程的非稳态理论模型，并开展了数值模拟研究，揭示了电场对液滴乳化生成动力学行为的调控机理，阐明了流场/电场参数对液滴乳化生成特性的影响规律.研究结果表明：沿流体流动方向施加静电场可在电物性参数不同的两相流体界面法线方向上产生指向内相流体的电场力，进而强化了内相流体界面的颈缩和断裂，提升了液滴生成速率和形变程度，减小了液滴生成尺寸；在同一毛细数下，随着电毛细数的增大，乳液乳化流型由每周期仅有单一液滴生成的滴式流型转变为每周期有一个主液滴并伴随有卫星液滴生成的滴式流型；随着毛细数和电毛细数的增大，黏性拖曳力以及电场力作用增强，使内相流体颈缩过程后期更容易形成细长型液线，从而有助于诱发液线上产生Rayleigh-Plateau不稳定现象，继而促进卫星液滴的形成.
建立了直流电场作用下协流式微流控装置中单乳液液滴乳化生成过程的非稳态理论模型，并开展了数值模拟研究，揭示了电场对液滴乳化生成动力学行为的调控机理，阐明了流场/电场参数对液滴乳化生成特性的影响规律.研究结果表明：沿流体流动方向施加静电场可在电物性参数不同的两相流体界面法线方向上产生指向内相流体的电场力，进而强化了内相流体界面的颈缩和断裂，提升了液滴生成速率和形变程度，减小了液滴生成尺寸；在同一毛细数下，随着电毛细数的增大，乳液乳化流型由每周期仅有单一液滴生成的滴式流型转变为每周期有一个主液滴并伴随有卫星液滴生成的滴式流型；随着毛细数和电毛细数的增大，黏性拖曳力以及电场力作用增强，使内相流体颈缩过程后期更容易形成细长型液线，从而有助于诱发液线上产生Rayleigh-Plateau不稳定现象，继而促进卫星液滴的形成.
二氧化钒（VO2）是一种强关联相变材料，在341 K下发生金属-绝缘体转变.尽管对于VO2相变的物理机理进行了大量研究，但科学家仍未形成统一认识.与热致VO2相变相比，电触发VO2相变应用前景更为广阔，但其机理也更为复杂.本文利用原位通电杆和超快相机技术，在透射电镜下原位观察了单晶VO2纳米线通电时的相转变过程，记录了相变过程中对应的电压-电流值，并在毫秒尺度下捕捉到了VO2的过渡相态.发现VO2电致相变并非由焦耳热引起，推断其机理是载流子注入.同时观察到电子结构相变和晶体结构相变存在解耦现象，进一步支持了上述推断.将VO2纳米线两端施加非接触式电场，观察到VO2纳米线在电场中的极化偏移，而未观察到相变发生，该现象同样支持相变的载流子注入机理.研究表明VO2的金 属-绝缘体转变遵循电子-电子关联机理，即根据电子关联的Mott转变进行.
二氧化钒（VO2）是一种强关联相变材料，在341 K下发生金属-绝缘体转变.尽管对于VO2相变的物理机理进行了大量研究，但科学家仍未形成统一认识.与热致VO2相变相比，电触发VO2相变应用前景更为广阔，但其机理也更为复杂.本文利用原位通电杆和超快相机技术，在透射电镜下原位观察了单晶VO2纳米线通电时的相转变过程，记录了相变过程中对应的电压-电流值，并在毫秒尺度下捕捉到了VO2的过渡相态.发现VO2电致相变并非由焦耳热引起，推断其机理是载流子注入.同时观察到电子结构相变和晶体结构相变存在解耦现象，进一步支持了上述推断.将VO2纳米线两端施加非接触式电场，观察到VO2纳米线在电场中的极化偏移，而未观察到相变发生，该现象同样支持相变的载流子注入机理.研究表明VO2的金 属-绝缘体转变遵循电子-电子关联机理，即根据电子关联的Mott转变进行.
基于自由层与钉扎层均为垂直磁各向异性的自旋阀结构，采用微磁学模拟与傅里叶分析相结合的技术，研究了极化层磁矩小角度倾斜情形下自由层磁矩的进动翻转特性.通过沿样品垂直膜面方向同时施加电流与磁场，观察到自由层磁矩垂直膜面方向分量的平均值随磁场的演化翻转曲线中出现了多个凹槽.模拟研究结果表明：在一定的电流范围内，凹槽出现的位置与电流大小无关；而在固定的应用电流下，凹槽出现的位置将会受到样品厚度的影响；在凹槽区域内，非一致进动模式、自旋驻波模式、局域自旋波模式等多种磁振荡模式被激发.通过傅里叶分析，得到了各种磁振荡模式的频谱，频谱中的频率分布体现出了倍频以及间谐波的频率特性.
基于自由层与钉扎层均为垂直磁各向异性的自旋阀结构，采用微磁学模拟与傅里叶分析相结合的技术，研究了极化层磁矩小角度倾斜情形下自由层磁矩的进动翻转特性.通过沿样品垂直膜面方向同时施加电流与磁场，观察到自由层磁矩垂直膜面方向分量的平均值随磁场的演化翻转曲线中出现了多个凹槽.模拟研究结果表明：在一定的电流范围内，凹槽出现的位置与电流大小无关；而在固定的应用电流下，凹槽出现的位置将会受到样品厚度的影响；在凹槽区域内，非一致进动模式、自旋驻波模式、局域自旋波模式等多种磁振荡模式被激发.通过傅里叶分析，得到了各种磁振荡模式的频谱，频谱中的频率分布体现出了倍频以及间谐波的频率特性.
在计及氢化杂质和厚度效应下，分别选取抛物线型限定势阱和高斯函数型限定势阱描写盘型量子点中电子的横向限定势和纵向限定势，采用Lee-Low-Pines-Pekar变分法推导出量子点中电子的基态和第一激发态能量本征值和本征函数，以此为基础，构造了一个二能级结构，并基于二能级体系理论，讨论了电子在磁场作用下的量子跃迁.结果表明，高斯函数型限定势比抛物线型限定势更能精准反映量子点中真实的限定势；量子点的厚度对电子的跃迁概率的影响不凡；电声耦合强度、介电常数比、磁场的回旋频率、高斯函数型限定势阱的阱深和阱宽等对电子基态与第一激发态声子平均数、能量以及量子跃迁的影响显著.
在计及氢化杂质和厚度效应下，分别选取抛物线型限定势阱和高斯函数型限定势阱描写盘型量子点中电子的横向限定势和纵向限定势，采用Lee-Low-Pines-Pekar变分法推导出量子点中电子的基态和第一激发态能量本征值和本征函数，以此为基础，构造了一个二能级结构，并基于二能级体系理论，讨论了电子在磁场作用下的量子跃迁.结果表明，高斯函数型限定势比抛物线型限定势更能精准反映量子点中真实的限定势；量子点的厚度对电子的跃迁概率的影响不凡；电声耦合强度、介电常数比、磁场的回旋频率、高斯函数型限定势阱的阱深和阱宽等对电子基态与第一激发态声子平均数、能量以及量子跃迁的影响显著.
由于荧光寿命不受探针浓度、激发光强度和光漂白效应等因素影响，荧光寿命显微成像技术（fluorescence lifetime imaging microscopy，FLIM）在监测微环境变化、反映分子间相互作用方面具有高特异性、高灵敏度、可定量测量等优点，近年来已被广泛应用于生物医学等领域.然而，尽管FLIM的发明和发展已历经数十年时间，其在实际应用中仍然面临着许多挑战.例如，其成像分辨率受衍射极限限制，而其成像速度与成像质量和寿命测量精度则存在相互制约的关系.近几年来，相关硬件和软件的快速发展及其与其他光学技术的结合，极大地推动了FLIM技术及其应用的新发展.本文简要介绍了基于时域和频域的不同寿命探测方法的FLIM技术的基本原理及特点，在此基础上概述了该技术的最新研究进展，包括其成像性能的提升和在生物医学应用中的研究现状，详细阐述了近几年来研究者们通过硬件和软件算法的改进以及与自适应光学、超分辨成像技术等新型光学技术的结合来提升FLIM的成像速度、寿命测量精度、成像质量和空间分辨率等方面所做的努力，以及FLIM在生物医学基础研究、疾病诊断与治疗、纳米材料的生物医学研究等方面的应用，最后对其未来发展趋势进行了展望.
由于荧光寿命不受探针浓度、激发光强度和光漂白效应等因素影响，荧光寿命显微成像技术（fluorescence lifetime imaging microscopy，FLIM）在监测微环境变化、反映分子间相互作用方面具有高特异性、高灵敏度、可定量测量等优点，近年来已被广泛应用于生物医学等领域.然而，尽管FLIM的发明和发展已历经数十年时间，其在实际应用中仍然面临着许多挑战.例如，其成像分辨率受衍射极限限制，而其成像速度与成像质量和寿命测量精度则存在相互制约的关系.近几年来，相关硬件和软件的快速发展及其与其他光学技术的结合，极大地推动了FLIM技术及其应用的新发展.本文简要介绍了基于时域和频域的不同寿命探测方法的FLIM技术的基本原理及特点，在此基础上概述了该技术的最新研究进展，包括其成像性能的提升和在生物医学应用中的研究现状，详细阐述了近几年来研究者们通过硬件和软件算法的改进以及与自适应光学、超分辨成像技术等新型光学技术的结合来提升FLIM的成像速度、寿命测量精度、成像质量和空间分辨率等方面所做的努力，以及FLIM在生物医学基础研究、疾病诊断与治疗、纳米材料的生物医学研究等方面的应用，最后对其未来发展趋势进行了展望.
量子纠缠作为量子信息理论中最核心的部分，代表量子态一种内在的特性，是微观物质的一种根本的性质，它是以非定域的形式存在于多子量子系统中的一种神奇的物理现象.熵也是量子信息理论的重要概念之一，纠缠熵作为量子信息的一个测度已经成为一种重要的理论工具，为物理学中的各类课题提供了新的研究方法.本文主要考虑量子纠缠的宇宙学应用，试图更好地从纠缠的角度来理解宇宙动力学.本文研究了量子信息理论的概念和宇宙学之间的深层联系，利用费米正则坐标和共形费米坐标构建了弗里德曼- 勒梅特-罗伯逊-沃尔克宇宙学弗里德曼方程和纠缠之间的联系.假设小测地球（a geodesic ball）的纠缠熵在给定体积下是最大的，可以从量子纠缠第一定律推导出弗里德曼方程.研究表明引力与量子纠缠之间存在着某种深刻的联系，这种联系对引力场方程的解是成立的.
量子纠缠作为量子信息理论中最核心的部分，代表量子态一种内在的特性，是微观物质的一种根本的性质，它是以非定域的形式存在于多子量子系统中的一种神奇的物理现象.熵也是量子信息理论的重要概念之一，纠缠熵作为量子信息的一个测度已经成为一种重要的理论工具，为物理学中的各类课题提供了新的研究方法.本文主要考虑量子纠缠的宇宙学应用，试图更好地从纠缠的角度来理解宇宙动力学.本文研究了量子信息理论的概念和宇宙学之间的深层联系，利用费米正则坐标和共形费米坐标构建了弗里德曼- 勒梅特-罗伯逊-沃尔克宇宙学弗里德曼方程和纠缠之间的联系.假设小测地球（a geodesic ball）的纠缠熵在给定体积下是最大的，可以从量子纠缠第一定律推导出弗里德曼方程.研究表明引力与量子纠缠之间存在着某种深刻的联系，这种联系对引力场方程的解是成立的.
电极感应熔化气雾化（electrode induction melting gas atomization，EIGA）是一种制备超洁净无夹杂物的先进制粉技术，本文以粉末高温合金的氩气雾化过程为研究示例，对现有用于实际生产的国内某厂家提供的EIGA用非限制式喷嘴进行建模，采用商用计算流体力学软件FLUENT，分布采用欧拉-欧拉VOF （volume of fluid）多相流方法与欧拉-拉格朗日DPM （discrete phase model）离散相方法，对非限制式环缝喷嘴主雾化与二次雾化过程进行了数值模拟.通过对主雾化过程中多相流大涡模拟速度流场，主雾化过程中不同阶段高温熔体云图模拟以及二次雾化过程中TAB （Taylor analogy breakup）模型速度流场及TAB模型粒度分布的模拟研究，实现了对EIGA制粉技术中非限制式喷嘴雾化过程的全过程模拟，并预测了雾化后的粉末粒度分布.在此基础上，采用本文模拟使用的非限制式环缝喷嘴，设定与模拟条件一致（进气压力4 MPa，液流直径约4 mm）的实验条件，制备的粉末大部分颗粒的直径大小在100 μm左右，该实验结果与模拟得到的粉末直径D50=100 μm大小一致，进一步验证了模拟数据的合理性.该方法也适用于非限制式喷嘴里，其他金属或合金的雾化过的模拟研究.
电极感应熔化气雾化（electrode induction melting gas atomization，EIGA）是一种制备超洁净无夹杂物的先进制粉技术，本文以粉末高温合金的氩气雾化过程为研究示例，对现有用于实际生产的国内某厂家提供的EIGA用非限制式喷嘴进行建模，采用商用计算流体力学软件FLUENT，分布采用欧拉-欧拉VOF （volume of fluid）多相流方法与欧拉-拉格朗日DPM （discrete phase model）离散相方法，对非限制式环缝喷嘴主雾化与二次雾化过程进行了数值模拟.通过对主雾化过程中多相流大涡模拟速度流场，主雾化过程中不同阶段高温熔体云图模拟以及二次雾化过程中TAB （Taylor analogy breakup）模型速度流场及TAB模型粒度分布的模拟研究，实现了对EIGA制粉技术中非限制式喷嘴雾化过程的全过程模拟，并预测了雾化后的粉末粒度分布.在此基础上，采用本文模拟使用的非限制式环缝喷嘴，设定与模拟条件一致（进气压力4 MPa，液流直径约4 mm）的实验条件，制备的粉末大部分颗粒的直径大小在100 μm左右，该实验结果与模拟得到的粉末直径D50=100 μm大小一致，进一步验证了模拟数据的合理性.该方法也适用于非限制式喷嘴里，其他金属或合金的雾化过的模拟研究.
通过解析方法研究了高温等离子体的太赫兹波传输特性.研究发现，高温等离子体对太赫兹波高频频段透过率较高，表现为通带；对低频频段透过率较低，表现为阻带.这与冷等离子体中电磁波的传输特性是一致的.但其透射率还受到温度与磁场的影响，当改变高温等离子体的电子温度与磁场时，在阻带内会产生一尖锐的透射峰.这种现象在冷等离子体模型中从来没有出现过.本文主要对电子温度和外加磁场两个影响因素进行讨论.研究发现，禁带内出现的透射峰频率受磁场影响，而峰值幅度受温度影响.计算得到了不同外加磁场条件下产生高透过率（透射率约为1）时的电子温度.基于该结果进一步研究了透射峰出现的规律，并通过曲线拟合的方法得到了透射峰频率所遵循的计算公式.数值结果表明透射峰频率与外磁场之间为正比例函数关系，而峰值电子温度取值与外磁场的关系表现为指数规律.最后对拟合得到的方程采用时域有限差分法进行了验证，数值结果与解析解符合较好，证明了该研究的正确性.
通过解析方法研究了高温等离子体的太赫兹波传输特性.研究发现，高温等离子体对太赫兹波高频频段透过率较高，表现为通带；对低频频段透过率较低，表现为阻带.这与冷等离子体中电磁波的传输特性是一致的.但其透射率还受到温度与磁场的影响，当改变高温等离子体的电子温度与磁场时，在阻带内会产生一尖锐的透射峰.这种现象在冷等离子体模型中从来没有出现过.本文主要对电子温度和外加磁场两个影响因素进行讨论.研究发现，禁带内出现的透射峰频率受磁场影响，而峰值幅度受温度影响.计算得到了不同外加磁场条件下产生高透过率（透射率约为1）时的电子温度.基于该结果进一步研究了透射峰出现的规律，并通过曲线拟合的方法得到了透射峰频率所遵循的计算公式.数值结果表明透射峰频率与外磁场之间为正比例函数关系，而峰值电子温度取值与外磁场的关系表现为指数规律.最后对拟合得到的方程采用时域有限差分法进行了验证，数值结果与解析解符合较好，证明了该研究的正确性.
鉴于不同生理病理状态下组织复折射率实部的变化不大，传统光学相干层析（OCT）成像技术在分子特异性识别上存在先天不足.为此，本文提出了基于受激辐射信号的OCT成像方法，可在实现传统散射成像的同时，实现基于受激辐射信号的分子成像.在超高分辨率谱域OCT系统的基础上，通过增设光谱分光与调制抽运光支路，建立了基于单宽谱光源的抽运探测谱域OCT系统，详细推导了调制抽运下受激辐射信号的获取与成像公式.利用搭建的抽运探测谱域OCT系统，实现了瞬态受激辐射信号的相干探测.基于同时获取的受激辐射OCT信号和传统OCT信号，成功重构了氮化物粉末构建样品的基于受激辐射信号的分子对比OCT图像.
鉴于不同生理病理状态下组织复折射率实部的变化不大，传统光学相干层析（OCT）成像技术在分子特异性识别上存在先天不足.为此，本文提出了基于受激辐射信号的OCT成像方法，可在实现传统散射成像的同时，实现基于受激辐射信号的分子成像.在超高分辨率谱域OCT系统的基础上，通过增设光谱分光与调制抽运光支路，建立了基于单宽谱光源的抽运探测谱域OCT系统，详细推导了调制抽运下受激辐射信号的获取与成像公式.利用搭建的抽运探测谱域OCT系统，实现了瞬态受激辐射信号的相干探测.基于同时获取的受激辐射OCT信号和传统OCT信号，成功重构了氮化物粉末构建样品的基于受激辐射信号的分子对比OCT图像.
为了研究端面抽运情况下，激光晶体在不同分布的抽运光抽运时热透镜球差的变化，通过对稳态热传导方程和Zernike多项式的求解，建立了热透镜球差与抽运光强度分布的模型，对模型进行了理论分析和仿真研究，并对仿真结果做了进一步理论和仿真分析.结果表明：在相同的抽运功率下，二阶超高斯分布抽运光抽运时球差最大，且随着抽运分布系数k的增大（除高斯分布外）球差逐渐减小；随着抽运功率的增加，抽运分布系数k对球差的影响逐渐加重，且不同分布系数k所产生的球差差距逐渐增大；并对二阶超高斯分布抽运光抽运得到最强激光功率的照射范围进行了理论分析和仿真分析，得知在相同抽运功率下，二阶超高斯分布抽运光得到最强激光功率的范围最宽为0.30–0.63 倍高斯半径.
为了研究端面抽运情况下，激光晶体在不同分布的抽运光抽运时热透镜球差的变化，通过对稳态热传导方程和Zernike多项式的求解，建立了热透镜球差与抽运光强度分布的模型，对模型进行了理论分析和仿真研究，并对仿真结果做了进一步理论和仿真分析.结果表明：在相同的抽运功率下，二阶超高斯分布抽运光抽运时球差最大，且随着抽运分布系数k的增大（除高斯分布外）球差逐渐减小；随着抽运功率的增加，抽运分布系数k对球差的影响逐渐加重，且不同分布系数k所产生的球差差距逐渐增大；并对二阶超高斯分布抽运光抽运得到最强激光功率的照射范围进行了理论分析和仿真分析，得知在相同抽运功率下，二阶超高斯分布抽运光得到最强激光功率的范围最宽为0.30–0.63 倍高斯半径.
含气泡水内气泡的空间分布会对线性声传播产生影响，导致实验结论与理论预测存在较大偏差.为解决这一问题，将准晶体近似引入到自洽方法中，导出了考虑空间分布时多分散含气泡水的等效声波波数.考虑到含气泡水内，气泡间存在小范围的聚集趋势（简称丛聚现象），在此基础上引入Neyman-Scott点过程描述了含气泡水内气泡的丛聚现象.分析发现，丛聚时，声速、声衰减的峰值将受到抑制，并向低频偏移，且抑制和频偏现象会随丛聚加剧而变强；随频率远离峰值段，丛聚对声传播的影响逐渐减弱.此外，考虑到空间分布的统计信息提取对相关研究的精确与否起到重要作用，引入了一种比例无偏估计，通过该方法获得了仿真环境下丛聚含气泡水模型的相速度及衰减系数，该建模及统计方法也可为相关实验工作提供理论基础.
含气泡水内气泡的空间分布会对线性声传播产生影响，导致实验结论与理论预测存在较大偏差.为解决这一问题，将准晶体近似引入到自洽方法中，导出了考虑空间分布时多分散含气泡水的等效声波波数.考虑到含气泡水内，气泡间存在小范围的聚集趋势（简称丛聚现象），在此基础上引入Neyman-Scott点过程描述了含气泡水内气泡的丛聚现象.分析发现，丛聚时，声速、声衰减的峰值将受到抑制，并向低频偏移，且抑制和频偏现象会随丛聚加剧而变强；随频率远离峰值段，丛聚对声传播的影响逐渐减弱.此外，考虑到空间分布的统计信息提取对相关研究的精确与否起到重要作用，引入了一种比例无偏估计，通过该方法获得了仿真环境下丛聚含气泡水模型的相速度及衰减系数，该建模及统计方法也可为相关实验工作提供理论基础.
采用低磁雷诺数磁流体数学模型，对外加磁场下的高超声速半球体流场进行数值模拟.选取三种简单理想磁场（轴向、径向、周向均布磁场），分析了不同磁场类型对流场结构、气动阻力与洛伦兹阻力的影响及作用机理.研究发现，轴向磁场径向“挤压”效应使得激波外形凸出，且壁面静压存在“饱和现象”；径向磁场存在轴向“外推”效应，较大的磁场强度会导致肩部形成高温区；周向磁场下感应电场的存在导致增阻效果很差.进而对比了两种相同驻点磁感应强度特殊分布磁场（偶极子磁场、螺线管磁场）下的流场，发现了不同于理想磁场的径向“扩张”效应.按增阻效果从大到小依次为径向磁场、螺线管磁场、轴向磁场、偶极子磁场、周向磁场.
采用低磁雷诺数磁流体数学模型，对外加磁场下的高超声速半球体流场进行数值模拟.选取三种简单理想磁场（轴向、径向、周向均布磁场），分析了不同磁场类型对流场结构、气动阻力与洛伦兹阻力的影响及作用机理.研究发现，轴向磁场径向“挤压”效应使得激波外形凸出，且壁面静压存在“饱和现象”；径向磁场存在轴向“外推”效应，较大的磁场强度会导致肩部形成高温区；周向磁场下感应电场的存在导致增阻效果很差.进而对比了两种相同驻点磁感应强度特殊分布磁场（偶极子磁场、螺线管磁场）下的流场，发现了不同于理想磁场的径向“扩张”效应.按增阻效果从大到小依次为径向磁场、螺线管磁场、轴向磁场、偶极子磁场、周向磁场.
基于密度泛函理论的爬坡弹性带方法，对金红石相二氧化钛晶体中钛间隙、钛空位、氧间隙、氧空位4种本征缺陷的扩散特征进行了研究.对比4种本征缺陷在晶格内部沿不同扩散路径的过渡态势垒后发现，缺陷扩散过程呈现出明显的各向异性.其中，钛间隙和氧间隙沿[001]方向具有最小的扩散势垒路径，激活能分别为0.505 eV和0.859 eV；氧空位和钛空位的势垒最小的扩散路径分别沿[110]方向和[111]方向，激活能分别为0.735 eV和2.375 eV.
基于密度泛函理论的爬坡弹性带方法，对金红石相二氧化钛晶体中钛间隙、钛空位、氧间隙、氧空位4种本征缺陷的扩散特征进行了研究.对比4种本征缺陷在晶格内部沿不同扩散路径的过渡态势垒后发现，缺陷扩散过程呈现出明显的各向异性.其中，钛间隙和氧间隙沿[001]方向具有最小的扩散势垒路径，激活能分别为0.505 eV和0.859 eV；氧空位和钛空位的势垒最小的扩散路径分别沿[110]方向和[111]方向，激活能分别为0.735 eV和2.375 eV.
采用水热控制合成法，以六水三氯化铁、柠檬酸三钠和尿素为原料，聚丙烯酰胺为稳定剂，200 ℃下反应12 h制备得到了超顺磁性空心Fe3O4纳米微球.通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜对样品的结构和形貌进行表征，并采用振动样品磁强计测试了样品的磁性能.结果表明：所得样品为具有尖晶石结构的Fe3O4纳米微球，尺寸为160 nm 左右，呈分等级结构，即整个微球由粒径约18 nm 的初级晶粒自组装堆叠而成；室温下表现为典型的超顺磁性，且饱和磁化强度为73.3 emu/g （1 emu/g=1 A m2/kg），这种高饱和磁化强度可以由其初级晶粒晶化程度高且粒径较大以及这种特殊的二次自组装结构进行解释.这种Fe3O4纳米微球为疏松多孔的空心球状结构，具有粒径分布均匀、分散性良好和超顺磁性的特点，在药物靶向输运和肿瘤热疗中有潜在的应用.
采用水热控制合成法，以六水三氯化铁、柠檬酸三钠和尿素为原料，聚丙烯酰胺为稳定剂，200 ℃下反应12 h制备得到了超顺磁性空心Fe3O4纳米微球.通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜对样品的结构和形貌进行表征，并采用振动样品磁强计测试了样品的磁性能.结果表明：所得样品为具有尖晶石结构的Fe3O4纳米微球，尺寸为160 nm 左右，呈分等级结构，即整个微球由粒径约18 nm 的初级晶粒自组装堆叠而成；室温下表现为典型的超顺磁性，且饱和磁化强度为73.3 emu/g （1 emu/g=1 A m2/kg），这种高饱和磁化强度可以由其初级晶粒晶化程度高且粒径较大以及这种特殊的二次自组装结构进行解释.这种Fe3O4纳米微球为疏松多孔的空心球状结构，具有粒径分布均匀、分散性良好和超顺磁性的特点，在药物靶向输运和肿瘤热疗中有潜在的应用.
抑制二次电子倍增效应是提高空间大功率微波器件和粒子加速器等设备性能的重要课题，而使用表面处理降低材料的二次电子发射系数是抑制二次电子倍增的有效手段.为优化寻找抑制效果最好的表面形貌，本文采用蒙特卡罗方法模拟了各种微米量级不同表面形貌的二次电子发射特性，研究占空比、深宽比、结构形状及排列方式等的影响.模拟结果表明，正方形、圆形、三角形凸起和凹陷结构的二次电子发射系数随占空比和深宽比的增大而减小，但存在饱和值；凸起结构的排列方式对二次电子发射系数的影响不大，但是凸起结构形状却对二次电子发射系数的影响较大，其中三角形的抑制效果最佳.对凹陷结构而言，不同形状的抑制效果差别不大；同时，占空比和深宽比相同时，凸起结构较凹陷结构抑制效果更佳.究其原因，核心在于垂直侧壁的遮挡效应，凹陷结构遮挡效应的大小与陷阱垂直高度有关，而凸起结构遮挡效应的大小和凸起部分的斜方向投影大小有关.
抑制二次电子倍增效应是提高空间大功率微波器件和粒子加速器等设备性能的重要课题，而使用表面处理降低材料的二次电子发射系数是抑制二次电子倍增的有效手段.为优化寻找抑制效果最好的表面形貌，本文采用蒙特卡罗方法模拟了各种微米量级不同表面形貌的二次电子发射特性，研究占空比、深宽比、结构形状及排列方式等的影响.模拟结果表明，正方形、圆形、三角形凸起和凹陷结构的二次电子发射系数随占空比和深宽比的增大而减小，但存在饱和值；凸起结构的排列方式对二次电子发射系数的影响不大，但是凸起结构形状却对二次电子发射系数的影响较大，其中三角形的抑制效果最佳.对凹陷结构而言，不同形状的抑制效果差别不大；同时，占空比和深宽比相同时，凸起结构较凹陷结构抑制效果更佳.究其原因，核心在于垂直侧壁的遮挡效应，凹陷结构遮挡效应的大小与陷阱垂直高度有关，而凸起结构遮挡效应的大小和凸起部分的斜方向投影大小有关.
可导线性位错被普遍认为是GaN基器件泄漏电流的主要输运通道，但其精细的电学模型目前仍不清楚.鉴于此，本文基于对GaN肖特基二极管的电流输运机制分析提出可导位错的物理模型，重点强调：1） 位于位错中心的深能级受主态（主要Ga空位）电离后库仑势较高，理论上对泄漏电流没有贡献；2） 位错周围的高浓度浅能级施主态电离后能形成势垒高度较低的薄表面耗尽层，可引发显著隧穿电流，成为主要漏电通道；3） 并非传统N空位，认为O替代N所形成的浅能级施主缺陷应是引发漏电的主要电学态，其热激活能约为47.5 meV.本工作亦有助于理解其他GaN器件的电流输运和电学退化行为.
可导线性位错被普遍认为是GaN基器件泄漏电流的主要输运通道，但其精细的电学模型目前仍不清楚.鉴于此，本文基于对GaN肖特基二极管的电流输运机制分析提出可导位错的物理模型，重点强调：1） 位于位错中心的深能级受主态（主要Ga空位）电离后库仑势较高，理论上对泄漏电流没有贡献；2） 位错周围的高浓度浅能级施主态电离后能形成势垒高度较低的薄表面耗尽层，可引发显著隧穿电流，成为主要漏电通道；3） 并非传统N空位，认为O替代N所形成的浅能级施主缺陷应是引发漏电的主要电学态，其热激活能约为47.5 meV.本工作亦有助于理解其他GaN器件的电流输运和电学退化行为.
自2008年发现铁基高温超导以来，人们对该体系的材料探索和物理性质开展了广泛而深入的研究.然而，作为最早被发现并且体材料中临界转变温度最高的一大类材料，1111体系长期以来一直缺乏大尺寸高质量的单晶样品，这严重制约了对这一材料体系相关物理问题的深入研究.最近几年，氟基的1111体系材料CaFeAsF的单晶生长取得了较大进展：以CaAs作为助熔剂，在常压下成功地生长出了毫米尺寸高质量的 CaFeAsF 母体以及 Co 掺杂的超导体单晶；在此基础上，多个研究组利用不同实验手段对该体系的物理性质进行了研究，并得到了一些比较重要的结果.本综述对该方向的进展进行初步总结，内容涵盖晶体生长、各向异性、强场下的磁阻、磁力矩、红外光谱、高压调控、量子振荡等内容.
自2008年发现铁基高温超导以来，人们对该体系的材料探索和物理性质开展了广泛而深入的研究.然而，作为最早被发现并且体材料中临界转变温度最高的一大类材料，1111体系长期以来一直缺乏大尺寸高质量的单晶样品，这严重制约了对这一材料体系相关物理问题的深入研究.最近几年，氟基的1111体系材料CaFeAsF的单晶生长取得了较大进展：以CaAs作为助熔剂，在常压下成功地生长出了毫米尺寸高质量的 CaFeAsF 母体以及 Co 掺杂的超导体单晶；在此基础上，多个研究组利用不同实验手段对该体系的物理性质进行了研究，并得到了一些比较重要的结果.本综述对该方向的进展进行初步总结，内容涵盖晶体生长、各向异性、强场下的磁阻、磁力矩、红外光谱、高压调控、量子振荡等内容.