在利用超强激光驱动中子源的研究和应用研究中，中子源的产额及其角分布至关重要.我们在星光Ⅲ号激光装置上采用气泡探测器对强激光驱动的中子源的产额及其角分布进行了测量.利用超强皮秒激光与碳氘薄膜靶相互作用产生高能氘离子束撞击次级碳氘靶，通过氘-氘核反应产生准单能快中子.实验发现中子束的发射具有一定的方向性，在入射氘离子的传输方向上中子束具有更高的强度，测量得到的中子束最大强度为5.13×107 n/sr.利用实验测量的氘离子能谱和角分布对中子束角分布进行了理论计算，结果与实验测量基本一致.
在利用超强激光驱动中子源的研究和应用研究中，中子源的产额及其角分布至关重要.我们在星光Ⅲ号激光装置上采用气泡探测器对强激光驱动的中子源的产额及其角分布进行了测量.利用超强皮秒激光与碳氘薄膜靶相互作用产生高能氘离子束撞击次级碳氘靶，通过氘-氘核反应产生准单能快中子.实验发现中子束的发射具有一定的方向性，在入射氘离子的传输方向上中子束具有更高的强度，测量得到的中子束最大强度为5.13×107 n/sr.利用实验测量的氘离子能谱和角分布对中子束角分布进行了理论计算，结果与实验测量基本一致.
采用分子动力学模拟方法研究了气体分子Ar在光滑和粗糙Pt表面上的散射规律.提出了一种速度抽样方法，计算了不同温度条件下气体分子对光滑和粗糙表面的切向动量适应系数和吸附概率.结果显示：光滑表面条件下，气体分子的切向动量系数和吸附概率都随着温度的升高而降低；粗糙度对气体分子切向动量与表面的适应具有极大的促进作用，当粗糙度足够大时，切向动量适应系数的大小趋近于1.0，对温度的敏感性也逐渐降低.采用粒子束方法对气体分子在光滑和粗糙表面上的散射规律进行了定量分析.总结了散射过程中气体分子的典型轨迹和动量变化规律，将气体分子在光滑表面的散射分为两种类型：单次碰撞后散射和多次碰撞后散射.单次碰撞后散射的气体分子平均切向动量有所减小，而经过多次碰撞后散射的气体分子则倾向于保持原有的平均切向动量.对于粗糙表面，粗糙度的存在使气体分子与表面间的动量和能量适应更加充分，导致气体分子在较粗糙表面上散射后的平均切向动量大幅减小并接近于0，且气体分子在表面上经历的碰撞次数越多，其散射后的能量损失越严重.
采用分子动力学模拟方法研究了气体分子Ar在光滑和粗糙Pt表面上的散射规律.提出了一种速度抽样方法，计算了不同温度条件下气体分子对光滑和粗糙表面的切向动量适应系数和吸附概率.结果显示：光滑表面条件下，气体分子的切向动量系数和吸附概率都随着温度的升高而降低；粗糙度对气体分子切向动量与表面的适应具有极大的促进作用，当粗糙度足够大时，切向动量适应系数的大小趋近于1.0，对温度的敏感性也逐渐降低.采用粒子束方法对气体分子在光滑和粗糙表面上的散射规律进行了定量分析.总结了散射过程中气体分子的典型轨迹和动量变化规律，将气体分子在光滑表面的散射分为两种类型：单次碰撞后散射和多次碰撞后散射.单次碰撞后散射的气体分子平均切向动量有所减小，而经过多次碰撞后散射的气体分子则倾向于保持原有的平均切向动量.对于粗糙表面，粗糙度的存在使气体分子与表面间的动量和能量适应更加充分，导致气体分子在较粗糙表面上散射后的平均切向动量大幅减小并接近于0，且气体分子在表面上经历的碰撞次数越多，其散射后的能量损失越严重.
光散射是限制光传输以及降低和破坏光学成像性能的主要因素，透过复杂散射介质对运动目标的全光成像是光学领域极具挑战性的技术之一.本文提出一种利用散斑差值自相关透过散射介质对运动目标进行实时追踪的方法.采用赝热光照明，基于光学记忆效应理论，通过对运动目标采集的两帧散斑做差值，然后做自相关运算，计算目标移动的距离，实现对目标的实时追踪，并且利用相位恢复算法进行简单处理就可以重建隐藏目标.对该方法进行了实验验证，成功地对隐藏的运动目标实现了成像与追踪.这种透过散射介质对运动目标的全光成像及实时追踪技术，在生物医学等领域具有重要应用潜力.
光散射是限制光传输以及降低和破坏光学成像性能的主要因素，透过复杂散射介质对运动目标的全光成像是光学领域极具挑战性的技术之一.本文提出一种利用散斑差值自相关透过散射介质对运动目标进行实时追踪的方法.采用赝热光照明，基于光学记忆效应理论，通过对运动目标采集的两帧散斑做差值，然后做自相关运算，计算目标移动的距离，实现对目标的实时追踪，并且利用相位恢复算法进行简单处理就可以重建隐藏目标.对该方法进行了实验验证，成功地对隐藏的运动目标实现了成像与追踪.这种透过散射介质对运动目标的全光成像及实时追踪技术，在生物医学等领域具有重要应用潜力.
水是惟一具有三相态的大气参数，三相态水的分布研究对认识云微物理、云降水物理以及人工影响天气过程具有重要的科学意义.在大气三相态水的拉曼激光雷达探测技术中，需首先解决三相态水的高光谱分光技术，以保证对回波信号的精细提取和高信噪比探测.考虑到水汽、液态水和固态水的拉曼光谱特性，本文首先通过理论仿真详细探讨了各拉曼通道中滤光片的选型参数对三相态水光谱重叠特性和探测信噪比的影响；并针对两者无法同时取得最优解的情况，提出了利用多目标规划问题的评价函数方法，分析获得了各通道最优的滤光片参数.结果表明，当固态水、液态水和水汽通道窄带滤光片中心波长和带宽分别为397.9 nm （3.1 nm），403 nm （5 nm）和407.6 nm （0.6 nm）时，可获得各通道间最低的光谱重叠度值和最佳探测信噪比，从而实现了三相态水同步探测拉曼分光系统的优化设计.进一步的仿真结果表明，当激光雷达探测效率因子为1800 J·mm·min时，在有云条件下系统可获得白天3.6 km以上和晴天条件下4 km以上的三相态水有效探测，保证了利用拉曼激光雷达实现对三相态水的同步高信噪比探测，为后续大气三相态水的拉曼激光雷达同步探测和反演提供了技术和理论支持.
水是惟一具有三相态的大气参数，三相态水的分布研究对认识云微物理、云降水物理以及人工影响天气过程具有重要的科学意义.在大气三相态水的拉曼激光雷达探测技术中，需首先解决三相态水的高光谱分光技术，以保证对回波信号的精细提取和高信噪比探测.考虑到水汽、液态水和固态水的拉曼光谱特性，本文首先通过理论仿真详细探讨了各拉曼通道中滤光片的选型参数对三相态水光谱重叠特性和探测信噪比的影响；并针对两者无法同时取得最优解的情况，提出了利用多目标规划问题的评价函数方法，分析获得了各通道最优的滤光片参数.结果表明，当固态水、液态水和水汽通道窄带滤光片中心波长和带宽分别为397.9 nm （3.1 nm），403 nm （5 nm）和407.6 nm （0.6 nm）时，可获得各通道间最低的光谱重叠度值和最佳探测信噪比，从而实现了三相态水同步探测拉曼分光系统的优化设计.进一步的仿真结果表明，当激光雷达探测效率因子为1800 J·mm·min时，在有云条件下系统可获得白天3.6 km以上和晴天条件下4 km以上的三相态水有效探测，保证了利用拉曼激光雷达实现对三相态水的同步高信噪比探测，为后续大气三相态水的拉曼激光雷达同步探测和反演提供了技术和理论支持.
利用声子晶体的带隙理论以及耦合振动理论对大尺寸矩形超声塑料焊接工具的耦合振动进行了研究.在实际工程应用中，大尺寸工具的横向振动将严重导致工具头辐射面位移不均匀，影响系统的焊接质量及工作效率.为提高其工作效率，改善工具头辐射面位移的均匀程度，利用类声子晶体结构对大尺寸超声塑料焊接工具的横向振动进行抑制，分析并得出了类声子晶体结构的横向振动带隙，同时分析了工具头横向振动未抑制与抑制后其辐射面位移的大小与均匀程度.研究表明，通过合理设计类声子晶体的结构及尺寸，可以有效抑制超声塑料焊接工具的横向振动.不但改善了焊接工具辐射面纵向振动位移的均匀程度，而且提高了焊接工具的纵向振动位移幅度.
利用声子晶体的带隙理论以及耦合振动理论对大尺寸矩形超声塑料焊接工具的耦合振动进行了研究.在实际工程应用中，大尺寸工具的横向振动将严重导致工具头辐射面位移不均匀，影响系统的焊接质量及工作效率.为提高其工作效率，改善工具头辐射面位移的均匀程度，利用类声子晶体结构对大尺寸超声塑料焊接工具的横向振动进行抑制，分析并得出了类声子晶体结构的横向振动带隙，同时分析了工具头横向振动未抑制与抑制后其辐射面位移的大小与均匀程度.研究表明，通过合理设计类声子晶体的结构及尺寸，可以有效抑制超声塑料焊接工具的横向振动.不但改善了焊接工具辐射面纵向振动位移的均匀程度，而且提高了焊接工具的纵向振动位移幅度.
基于带电粒子活化测谱方法在SGⅡ-U装置上开展了皮秒激光靶背鞘场机制质子加速实验研究，对靶参数进行了优化.利用带电粒子活化测谱方法测量了相同激光条件、不同Cu薄膜靶厚度情况下靶背鞘场加速质子的最高截止能量、角分布、总产额以及激光能量到质子的转化效率等关键参数.实验发现，SGⅡ-U皮秒激光靶背鞘场加速机制的最佳Cu薄膜靶厚度为10 μm，对应质子最高能量接近40 MeV，质子（>4 MeV）总产额约4×1012个，激光能量到质子的转化效率约2%.薄膜靶更厚或者更薄都会降低加速质子的最高截止能量；当靶厚减薄至1 μm时，皮秒激光的预脉冲开始对靶背鞘场产生显著影响，质子最高截止能量急剧下降，高能质子束斑呈现空心结构；而当靶厚增加至35 μm时，虽然质子束的能量有所降低，但是质子束斑的均匀性更好.
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电非对称效应作为一种新兴技术，被广泛用于对离子能量和离子通量的独立调控.此外，在改善等离子体的径向均匀性方面，电非对称效应也发挥了重要作用.本文采用二维流体力学模型，并耦合麦克斯韦方程组，系统地研究了容性耦合氢等离子体中当放电由多谐波叠加驱动时，不同谐波阶数k下的电非对称效应，重点观察了相位角θn对自偏压以及等离子体径向均匀性的影响.模拟结果表明：在同一谐波阶数下，自偏压随相位角θn的变化趋势不尽相同，且当k增大（k>3）时，自偏压随最高频相位角θk的变化范围逐渐减小.此外，通过调节相位角θn，可以改变轴向功率密度和径向功率密度的相对关系，进而实现对等离子体径向均匀性的调节.研究结果对于利用电非对称效应优化等离子体工艺过程具有一定的指导意义.
电非对称效应作为一种新兴技术，被广泛用于对离子能量和离子通量的独立调控.此外，在改善等离子体的径向均匀性方面，电非对称效应也发挥了重要作用.本文采用二维流体力学模型，并耦合麦克斯韦方程组，系统地研究了容性耦合氢等离子体中当放电由多谐波叠加驱动时，不同谐波阶数k下的电非对称效应，重点观察了相位角θn对自偏压以及等离子体径向均匀性的影响.模拟结果表明：在同一谐波阶数下，自偏压随相位角θn的变化趋势不尽相同，且当k增大（k>3）时，自偏压随最高频相位角θk的变化范围逐渐减小.此外，通过调节相位角θn，可以改变轴向功率密度和径向功率密度的相对关系，进而实现对等离子体径向均匀性的调节.研究结果对于利用电非对称效应优化等离子体工艺过程具有一定的指导意义.
将单层二硫化钼用石墨烯进行封装，构造了石墨烯和二硫化钼的范德瓦耳斯异质结构，并且分别在氩气（Ar）和氢气（H2）氛围下，详细研究了被封装的二硫化钼的热稳定性.结果表明：在氩气氛围中，石墨烯封装的二硫化钼在400–1000℃下一直保持稳定，而石墨烯和氧化硅上裸露的二硫化钼在1000℃时几乎全部分解；在氢气氛围中，石墨烯封装的二硫化钼在400–1000℃下一直稳定存在，而石墨烯和氧化硅上裸露的二硫化钼在800℃下已经完全分解.综上可得，在氩气和氢气的氛围下，被石墨烯封装的二硫化钼的热稳定性得到了显著的提高.该研究通过用石墨烯将单层的二硫化钼进行封装以提高其热稳定性，在未来以单层二硫化钼作为基础材料的电子器件中，可以保证其在高温下能够正常工作.该研究也为提高其他二维材料的热稳定性提供了一种可行的方法和思路.
将单层二硫化钼用石墨烯进行封装，构造了石墨烯和二硫化钼的范德瓦耳斯异质结构，并且分别在氩气（Ar）和氢气（H2）氛围下，详细研究了被封装的二硫化钼的热稳定性.结果表明：在氩气氛围中，石墨烯封装的二硫化钼在400–1000℃下一直保持稳定，而石墨烯和氧化硅上裸露的二硫化钼在1000℃时几乎全部分解；在氢气氛围中，石墨烯封装的二硫化钼在400–1000℃下一直稳定存在，而石墨烯和氧化硅上裸露的二硫化钼在800℃下已经完全分解.综上可得，在氩气和氢气的氛围下，被石墨烯封装的二硫化钼的热稳定性得到了显著的提高.该研究通过用石墨烯将单层的二硫化钼进行封装以提高其热稳定性，在未来以单层二硫化钼作为基础材料的电子器件中，可以保证其在高温下能够正常工作.该研究也为提高其他二维材料的热稳定性提供了一种可行的方法和思路.
为准确有效地预测微波器件的微放电阈值，提出了一种可以同时考虑同轴结构微放电过程中单边与双边碰撞的统计理论稳态模型.考虑到同轴结构中场分布的非均匀性以及二次电子的出射随机性，采用微扰法近似推导电子轨迹表达式，并基于电子出射速度与渡越时间之间的隐式关联性，构建用于计算同轴结构内、外导体处电子渡越时间概率分布的联合概率密度函数.通过电子出射相位分布的稳态假设，推导用于描述同轴结构中微放电倍增过程的稳态积分方程组，并提出一种通用的联立迭代求解方法.采用稳态模型分别计算银、铜、铝与阿洛丁等工程常用镀膜材料的同轴传输线微放电敏感区域，并分析了同轴传输线径比对微放电阈值的影响.与欧空局的微放电实验结果对比表明，稳态模型能够准确有效地计算同轴传输线的微放电阈值，同时发现平行平板与同轴结构微放电的敏感曲线之间存在显著差异.研究提供了一种精确有效的同轴传输线微放电阈值分析方法，并为实际工程中'免微放电'微波器件的设计与优化提供参考与依据.
为准确有效地预测微波器件的微放电阈值，提出了一种可以同时考虑同轴结构微放电过程中单边与双边碰撞的统计理论稳态模型.考虑到同轴结构中场分布的非均匀性以及二次电子的出射随机性，采用微扰法近似推导电子轨迹表达式，并基于电子出射速度与渡越时间之间的隐式关联性，构建用于计算同轴结构内、外导体处电子渡越时间概率分布的联合概率密度函数.通过电子出射相位分布的稳态假设，推导用于描述同轴结构中微放电倍增过程的稳态积分方程组，并提出一种通用的联立迭代求解方法.采用稳态模型分别计算银、铜、铝与阿洛丁等工程常用镀膜材料的同轴传输线微放电敏感区域，并分析了同轴传输线径比对微放电阈值的影响.与欧空局的微放电实验结果对比表明，稳态模型能够准确有效地计算同轴传输线的微放电阈值，同时发现平行平板与同轴结构微放电的敏感曲线之间存在显著差异.研究提供了一种精确有效的同轴传输线微放电阈值分析方法，并为实际工程中'免微放电'微波器件的设计与优化提供参考与依据.
锂电池正、负极固相浓度分布以及荷电状态的精确估计对于开发锂电池工作状态的实时监控算法，进而构建高效、可靠的锂电池管理系统具有重要意义.本文基于多孔电极理论和浓度理论，提出基于扩展单粒子模型的锂电池关键内部参数识别的优化模型和方法；在该电化学模型简化的基础上，提出一种基于H∞鲁棒控制理论框架的锂电池新型双向互联观测器，可同时实现对锂电池正、负电极浓度及荷电状态的估计，并通过对比分析不同工况下的仿真结果和实验数据，对所提出的互联观测器性能进行了系统验证.结果表明：所设计的互联观测器能够准确预测锂电池的输出电压和荷电状态，有效提高了锂电池系统模型的动态性能和鲁棒稳定性，为锂电池管理系统的开发奠定了理论基础.
锂电池正、负极固相浓度分布以及荷电状态的精确估计对于开发锂电池工作状态的实时监控算法，进而构建高效、可靠的锂电池管理系统具有重要意义.本文基于多孔电极理论和浓度理论，提出基于扩展单粒子模型的锂电池关键内部参数识别的优化模型和方法；在该电化学模型简化的基础上，提出一种基于H∞鲁棒控制理论框架的锂电池新型双向互联观测器，可同时实现对锂电池正、负电极浓度及荷电状态的估计，并通过对比分析不同工况下的仿真结果和实验数据，对所提出的互联观测器性能进行了系统验证.结果表明：所设计的互联观测器能够准确预测锂电池的输出电压和荷电状态，有效提高了锂电池系统模型的动态性能和鲁棒稳定性，为锂电池管理系统的开发奠定了理论基础.
碳基钙钛矿太阳能电池因稳定性高、成本低廉而备受关注，但由于钙钛矿与碳电极之间能级匹配度不高，界面阻力大而导致效率不及金属基钙钛矿太阳能电池.本文制备了碳基无空穴传输层FTO/c-TiO2/m-TiO2/CH3NH3PbI3/Carbon电池结构.通过对介孔二氧化钛层、钙钛矿层厚度进行优化，并对钙钛矿的薄膜形貌及钙钛矿激发电子寿命、可见光吸收度、载流子的提取与分离等进行深度分析，讨论了电池效率提升的内在机理.当介孔氧化钛层和钙钛矿层达到最优厚度时，钙钛矿太阳能电池获得了开路电压（Voc）为0.93 V、电流密度（Jsc）为21.75 mA/cm2、填充因子为55%、光电转化效率达到11.11%.同时对电池进行了稳定性研究，在室温湿度为40%–50%的条件下放置15 d电池性能依旧稳定保持原来的95%，优于金属基钙钛矿太阳能电池，从而为碳电极钙钛矿太阳能电池的商业化发展提供了可能.
碳基钙钛矿太阳能电池因稳定性高、成本低廉而备受关注，但由于钙钛矿与碳电极之间能级匹配度不高，界面阻力大而导致效率不及金属基钙钛矿太阳能电池.本文制备了碳基无空穴传输层FTO/c-TiO2/m-TiO2/CH3NH3PbI3/Carbon电池结构.通过对介孔二氧化钛层、钙钛矿层厚度进行优化，并对钙钛矿的薄膜形貌及钙钛矿激发电子寿命、可见光吸收度、载流子的提取与分离等进行深度分析，讨论了电池效率提升的内在机理.当介孔氧化钛层和钙钛矿层达到最优厚度时，钙钛矿太阳能电池获得了开路电压（Voc）为0.93 V、电流密度（Jsc）为21.75 mA/cm2、填充因子为55%、光电转化效率达到11.11%.同时对电池进行了稳定性研究，在室温湿度为40%–50%的条件下放置15 d电池性能依旧稳定保持原来的95%，优于金属基钙钛矿太阳能电池，从而为碳电极钙钛矿太阳能电池的商业化发展提供了可能.
各种环境毒物危害着人类的生产生活，二噁英更是严重危害人类的健康.C12H4Cl4O2（2，3，7，8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin，TCDD）是二噁英中毒性最强的化合物，也是目前已知毒性最强的污染物.为研究TCDD外场效应，采用密度泛函理论方法优化了不同静电场0–0.025 a.u.（0–1.2856×1010 V/m）作用下TCDD分子的基态几何结构，得到了分子总能量；在此基础上，采用含时密度泛函理论方法对TCDD分子的紫外-可见（UV-Vis）吸收光谱在不同外电场下的变化进行了研究.结果表明：分子几何构型与电场大小呈现强烈的依赖关系，分子总能量随着外电场的增强而减小；伴随着外电场的增强，分子激发态的摩尔吸收系数逐渐减小，UV-Vis吸收峰显著红移.
各种环境毒物危害着人类的生产生活，二噁英更是严重危害人类的健康.C12H4Cl4O2（2，3，7，8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin，TCDD）是二噁英中毒性最强的化合物，也是目前已知毒性最强的污染物.为研究TCDD外场效应，采用密度泛函理论方法优化了不同静电场0–0.025 a.u.（0–1.2856×1010 V/m）作用下TCDD分子的基态几何结构，得到了分子总能量；在此基础上，采用含时密度泛函理论方法对TCDD分子的紫外-可见（UV-Vis）吸收光谱在不同外电场下的变化进行了研究.结果表明：分子几何构型与电场大小呈现强烈的依赖关系，分子总能量随着外电场的增强而减小；伴随着外电场的增强，分子激发态的摩尔吸收系数逐渐减小，UV-Vis吸收峰显著红移.
将超材料设计思想与微电机系统（micro-electro-mechanical system，MEMS）技术相结合，提出了一种宽带可重构反射型极化旋转表面.该结构由上层方形金属贴片、中间介质层、金属底板以及连接贴片与底板的金属通孔构成，通过在电流短路点处加载MEMS开关，使其具有电可调特性.仿真结果表明，当MEMS开关导通时，该结构能在7.78 GHz–14.10 GHz频带内将入射的线极化波转化为正交极化波并反射；当MEMS开关断开时，入射波则以同极化全反射.加工了实际的样品并进行了测试，结果与仿真符合较好.该结构具有结构简单易加工、器件个数少、工作频带宽、损耗低等优点，在电磁波动态调控中具有潜在应用价值.
将超材料设计思想与微电机系统（micro-electro-mechanical system，MEMS）技术相结合，提出了一种宽带可重构反射型极化旋转表面.该结构由上层方形金属贴片、中间介质层、金属底板以及连接贴片与底板的金属通孔构成，通过在电流短路点处加载MEMS开关，使其具有电可调特性.仿真结果表明，当MEMS开关导通时，该结构能在7.78 GHz–14.10 GHz频带内将入射的线极化波转化为正交极化波并反射；当MEMS开关断开时，入射波则以同极化全反射.加工了实际的样品并进行了测试，结果与仿真符合较好.该结构具有结构简单易加工、器件个数少、工作频带宽、损耗低等优点，在电磁波动态调控中具有潜在应用价值.
原子系综内部分原子发生相干态转移后所处量子态被称为集体激发态.如果激发数目在单原子量级则被称为单激发态.在量子存储过程中，单光子以单激发态的形式在原子系综内进行存储.因此，研究单激发态的制备、演化、转化、干涉等过程是量子存储及其应用研究的关键.本文总结了近年来作者所在研究团队针对冷原子系综体系在此研究方向取得的若干成果.主要包括采用动量模式调控、三维光晶格等手段抑制单激发态的退相干，采用环形腔增强原子至光子的转化效率，发展基于拉曼光的单激发态相干转移技术，利用单量子态不同模式间干涉制备光与原子纠缠，利用里德伯阻塞机制提升纠缠制备效率等.此外，简要回顾了基于多个单激发态的量子中继及量子网络实验.
原子系综内部分原子发生相干态转移后所处量子态被称为集体激发态.如果激发数目在单原子量级则被称为单激发态.在量子存储过程中，单光子以单激发态的形式在原子系综内进行存储.因此，研究单激发态的制备、演化、转化、干涉等过程是量子存储及其应用研究的关键.本文总结了近年来作者所在研究团队针对冷原子系综体系在此研究方向取得的若干成果.主要包括采用动量模式调控、三维光晶格等手段抑制单激发态的退相干，采用环形腔增强原子至光子的转化效率，发展基于拉曼光的单激发态相干转移技术，利用单量子态不同模式间干涉制备光与原子纠缠，利用里德伯阻塞机制提升纠缠制备效率等.此外，简要回顾了基于多个单激发态的量子中继及量子网络实验.
结构光场在光信息传输、显微成像以及微粒俘获中有重要作用.本文基于光线庞加莱球法结合不同花瓣数的梅花曲线构建了一类结构光束.根据光线庞加莱球法可计算这类光束在束腰面上的光强与相位分布，以及光束内外焦散线的分布.这些焦散线的特征表明梅花形结构光束具有无衍射与自修复的特性.进一步采用角谱衍射法和光线追迹研究了这类光束在空间中的传输特性.当梅花花瓣数为0时，该光束退化为拉盖尔-高斯光束；当花瓣数为1时，内焦散线汇集到两点，使光束具有无衍射特性.通过光线庞加莱球法获得其光线在空间传播的轨迹，直观地展示了光束被遮挡后的自修复特性.此外，本文还展示了花瓣数为5的结构光束，其内焦散线为十角星结构，该光束同样具有自修复特性.通过修改梅花曲线参数或选择其他庞加莱球面曲线可以构造更加复杂的结构光场.
结构光场在光信息传输、显微成像以及微粒俘获中有重要作用.本文基于光线庞加莱球法结合不同花瓣数的梅花曲线构建了一类结构光束.根据光线庞加莱球法可计算这类光束在束腰面上的光强与相位分布，以及光束内外焦散线的分布.这些焦散线的特征表明梅花形结构光束具有无衍射与自修复的特性.进一步采用角谱衍射法和光线追迹研究了这类光束在空间中的传输特性.当梅花花瓣数为0时，该光束退化为拉盖尔-高斯光束；当花瓣数为1时，内焦散线汇集到两点，使光束具有无衍射特性.通过光线庞加莱球法获得其光线在空间传播的轨迹，直观地展示了光束被遮挡后的自修复特性.此外，本文还展示了花瓣数为5的结构光束，其内焦散线为十角星结构，该光束同样具有自修复特性.通过修改梅花曲线参数或选择其他庞加莱球面曲线可以构造更加复杂的结构光场.
高功率微波在受控热核聚变加热、微波高梯度加速器、高功率雷达、定向能武器、超级干扰机及冲击雷达等方面有着重要的应用.本文针对高功率微波输出窗内侧氩气放电击穿过程，建立了二次电子倍增和气体电离的一维空间分布、三维速度分布（1D3V）模型，并开发了相应的PIC/MC程序代码.研究了气压、微波频率、微波振幅对放电击穿的影响.结果表明：在真空情况下，介质窗放电击穿只存在二次电子倍增过程；在低气压和稍高气压时，二次电子倍增和气体电离共存；在极高气压时，气体电离占主导.给出了不同气压下电子、离子的密度和静电场的空间分布.此外还观察到，在500 mTorr时，随着微波振幅或微波频率的变化，气体电离出现的时刻和电离产生的等离子体峰值位置有较大差异，尤其是当微波频率（GHz）在数值上是微波振幅（MV/m）的2倍时，气体电离出现的较早.
高功率微波在受控热核聚变加热、微波高梯度加速器、高功率雷达、定向能武器、超级干扰机及冲击雷达等方面有着重要的应用.本文针对高功率微波输出窗内侧氩气放电击穿过程，建立了二次电子倍增和气体电离的一维空间分布、三维速度分布（1D3V）模型，并开发了相应的PIC/MC程序代码.研究了气压、微波频率、微波振幅对放电击穿的影响.结果表明：在真空情况下，介质窗放电击穿只存在二次电子倍增过程；在低气压和稍高气压时，二次电子倍增和气体电离共存；在极高气压时，气体电离占主导.给出了不同气压下电子、离子的密度和静电场的空间分布.此外还观察到，在500 mTorr时，随着微波振幅或微波频率的变化，气体电离出现的时刻和电离产生的等离子体峰值位置有较大差异，尤其是当微波频率（GHz）在数值上是微波振幅（MV/m）的2倍时，气体电离出现的较早.
本文建立了同时具有化学势梯度和温度梯度的非平衡系统，研究非对称双原子分子的输运扩散行为.研究发现，双原子分子在非平衡输运中具有取向效应.浓度梯度与温度梯度使双原子分子在输运中产生的大小原子取向的方向刚好相反，沿着梯度的正方向，前者使小原子在前，后者使大原子在前.通过最小熵产生原理，解释了取向的物理机制.研究结果对于深刻理解非平衡条件下物质的输运与其形态的关系具有理论意义.
本文建立了同时具有化学势梯度和温度梯度的非平衡系统，研究非对称双原子分子的输运扩散行为.研究发现，双原子分子在非平衡输运中具有取向效应.浓度梯度与温度梯度使双原子分子在输运中产生的大小原子取向的方向刚好相反，沿着梯度的正方向，前者使小原子在前，后者使大原子在前.通过最小熵产生原理，解释了取向的物理机制.研究结果对于深刻理解非平衡条件下物质的输运与其形态的关系具有理论意义.
辐射状磁涡旋结构是一种稳定的拓扑磁结构，因其具有热稳定性高、驱动电流小等特点，成为当前继斯格明子之后又一新兴的研究热点.本文利用微磁学模拟方法研究了在界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（IDMI）下辐射状磁涡旋形成机制.结果表明：纳米盘直径越小，能稳定形成辐射状磁涡旋的IDMI强度范围就越大，当圆盘厚度增加一个数量级时，虽然可以稳定形成辐射状磁涡旋，但IDMI强度取值范围会随之变小.通过对不同磁矩初始态下辐射状磁涡旋的形成过程中磁矩、斯格明子数及各项能量变化的研究发现，环形涡旋和单畴均可作为辐射状磁涡旋形成的初始状态，但单畴初始态的形成时间比环形涡旋初始态的形成时间更长，其能量衰减时间比以环形涡旋为初始态的衰减时间更短.这表明形成辐射状磁涡旋极性比形成辐射旋性需要更长时间，且能量变化主要与涡旋核的生成及面内辐射状磁矩有关，而与涡旋核在盘中的位置无关.研究结果揭示了辐射状磁涡旋的形成机制，为基于辐射状磁涡旋的具体应用提供了理论依据.
辐射状磁涡旋结构是一种稳定的拓扑磁结构，因其具有热稳定性高、驱动电流小等特点，成为当前继斯格明子之后又一新兴的研究热点.本文利用微磁学模拟方法研究了在界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（IDMI）下辐射状磁涡旋形成机制.结果表明：纳米盘直径越小，能稳定形成辐射状磁涡旋的IDMI强度范围就越大，当圆盘厚度增加一个数量级时，虽然可以稳定形成辐射状磁涡旋，但IDMI强度取值范围会随之变小.通过对不同磁矩初始态下辐射状磁涡旋的形成过程中磁矩、斯格明子数及各项能量变化的研究发现，环形涡旋和单畴均可作为辐射状磁涡旋形成的初始状态，但单畴初始态的形成时间比环形涡旋初始态的形成时间更长，其能量衰减时间比以环形涡旋为初始态的衰减时间更短.这表明形成辐射状磁涡旋极性比形成辐射旋性需要更长时间，且能量变化主要与涡旋核的生成及面内辐射状磁矩有关，而与涡旋核在盘中的位置无关.研究结果揭示了辐射状磁涡旋的形成机制，为基于辐射状磁涡旋的具体应用提供了理论依据.
过去的二十年中，量子信息相关研究取得了显著的进展，重要的理论和实验工作不断涌现.与其他量子信息处理系统相比，基于自旋动力学的核磁共振系统，不仅具有丰富而且成熟的控制技术，还拥有相干时间长、脉冲操控精确、保真度高等优点.这也是核磁共振体量子系统能够精确操控多达12比特的量子系统的原因.因此，核磁共振量子处理器在量子信息领域一直扮演着重要角色.本文介绍核磁共振量子计算的基本原理和一些新研究进展.研究的新进展主要包括量子噪声注入技术、量子机器学习在核磁共振平台上的实验演示、高能物理和拓扑序的量子模拟以及核磁共振量子云平台等.最后讨论了液态核磁共振的发展前景和发展瓶颈，并对未来发展方向提出展望.
过去的二十年中，量子信息相关研究取得了显著的进展，重要的理论和实验工作不断涌现.与其他量子信息处理系统相比，基于自旋动力学的核磁共振系统，不仅具有丰富而且成熟的控制技术，还拥有相干时间长、脉冲操控精确、保真度高等优点.这也是核磁共振体量子系统能够精确操控多达12比特的量子系统的原因.因此，核磁共振量子处理器在量子信息领域一直扮演着重要角色.本文介绍核磁共振量子计算的基本原理和一些新研究进展.研究的新进展主要包括量子噪声注入技术、量子机器学习在核磁共振平台上的实验演示、高能物理和拓扑序的量子模拟以及核磁共振量子云平台等.最后讨论了液态核磁共振的发展前景和发展瓶颈，并对未来发展方向提出展望.
近年来，量子通信技术取得了卓越的进步和发展，而作为接收端的单光子探测器在其通信系统中则起着至关重要的作用.本文聚焦于当前主流的半导体单光子探测器，就其器件原理、工作模式、优势和劣势等方面进行了相关评述.在此基础上，着重介绍了本课题组所提出的一种新型半导体近红外上转换单光子探测技术（USPD）的研究进展.从USPD的器件基本原理、器件结构、性能指标等方面阐述了其优越性和可行性，并给出了USPD最新的空间光耦合实验结果.半导体上转换单光子探测技术的关键特性在于它不是采用InP雪崩层结构实现信号的放大，而是利用成熟的硅单光子雪崩二极管（Si-SPAD）器件来实现信号的放大和采集，从而规避InP结构在暗计数率和后脉冲效应方面的问题.USPD利用半导体材料，通过外加电场将近红外光子上转换为短波近红外或者可见光子，再用商用Si-SPAD进行探测的方法，也为我们提供了一种单光子探测的新思路，打开了另一扇单光子探测的窗口.
近年来，量子通信技术取得了卓越的进步和发展，而作为接收端的单光子探测器在其通信系统中则起着至关重要的作用.本文聚焦于当前主流的半导体单光子探测器，就其器件原理、工作模式、优势和劣势等方面进行了相关评述.在此基础上，着重介绍了本课题组所提出的一种新型半导体近红外上转换单光子探测技术（USPD）的研究进展.从USPD的器件基本原理、器件结构、性能指标等方面阐述了其优越性和可行性，并给出了USPD最新的空间光耦合实验结果.半导体上转换单光子探测技术的关键特性在于它不是采用InP雪崩层结构实现信号的放大，而是利用成熟的硅单光子雪崩二极管（Si-SPAD）器件来实现信号的放大和采集，从而规避InP结构在暗计数率和后脉冲效应方面的问题.USPD利用半导体材料，通过外加电场将近红外光子上转换为短波近红外或者可见光子，再用商用Si-SPAD进行探测的方法，也为我们提供了一种单光子探测的新思路，打开了另一扇单光子探测的窗口.
控制激发光功率密度是一种调控红绿荧光比率的简单方法.然而，大多数上转换系统对功率的调控并不敏感.本文通过柠檬酸钠辅助的水热法，合成了一系列具有不同Yb浓度掺杂的NaYF4：Yb/Ho微米棒.通过激光共聚焦显微镜系统，研究了Yb浓度和激发功率密度依赖的NaYF4：Yb/Ho微米棒的上转换荧光特性.发射谱和同步荧光成像图案表明：荧光红绿比率不仅敏感于激发功率，而且敏感度依赖于Yb浓度.随着Yb浓度的增加，功率调控的红绿比率的敏感度增加，这暗示了功率调控的红绿比率的敏感度可以作为一种度量和评估Yb掺杂浓度的有效途径和方法.通过上/下转换发射谱、激发谱和功率依赖关系，揭示了功率调控红绿比率的机理，并提出了荧光色彩敏感于功率调控的上转换系统具有的特征和判据.本研究为设计和合成高敏感度的功率调控的上转换材料提供了理论基础和实验数据.
控制激发光功率密度是一种调控红绿荧光比率的简单方法.然而，大多数上转换系统对功率的调控并不敏感.本文通过柠檬酸钠辅助的水热法，合成了一系列具有不同Yb浓度掺杂的NaYF4：Yb/Ho微米棒.通过激光共聚焦显微镜系统，研究了Yb浓度和激发功率密度依赖的NaYF4：Yb/Ho微米棒的上转换荧光特性.发射谱和同步荧光成像图案表明：荧光红绿比率不仅敏感于激发功率，而且敏感度依赖于Yb浓度.随着Yb浓度的增加，功率调控的红绿比率的敏感度增加，这暗示了功率调控的红绿比率的敏感度可以作为一种度量和评估Yb掺杂浓度的有效途径和方法.通过上/下转换发射谱、激发谱和功率依赖关系，揭示了功率调控红绿比率的机理，并提出了荧光色彩敏感于功率调控的上转换系统具有的特征和判据.本研究为设计和合成高敏感度的功率调控的上转换材料提供了理论基础和实验数据.
Nikishov等建立的海洋湍流功率谱模型中，假设了海水有着稳定的分层.但是，实际海水通常不是稳定分层的，温度与盐度的涡流扩散率是不相等的.2017年，Elamassie等建立了考虑这些因素的更合理的海洋湍流功率谱模型.湍流介质中光波空间相干长度等基本特征参量在表征湍流强度和光传输相位校正技术等方面起着重要作用.本文基于Elamassie海洋湍流功率谱模型，重新推导出了海洋湍流中光波结构函数、光波空间相干长度和Fried参数的解析公式，并校验了所得公式的正确性.研究发现：当温度变化引起的光学湍流占主导地位时，Nikishov海洋湍流功率谱模型把湍流强度低估了；当盐度变化引起的光学湍流占主导地位时，Nikishov海洋湍流功率谱模型把湍流强度高估了.基于Elamassie海洋湍流功率谱模型，本文推导出了高斯光束短期光束扩展的半解析公式，并验证了其正确性.研究还表明：海水稳定分层与否，短期光束扩展差异很大.本文研究结果对水下湍流环境中的光通信、成像和传感等应用具有重要意义.
Nikishov等建立的海洋湍流功率谱模型中，假设了海水有着稳定的分层.但是，实际海水通常不是稳定分层的，温度与盐度的涡流扩散率是不相等的.2017年，Elamassie等建立了考虑这些因素的更合理的海洋湍流功率谱模型.湍流介质中光波空间相干长度等基本特征参量在表征湍流强度和光传输相位校正技术等方面起着重要作用.本文基于Elamassie海洋湍流功率谱模型，重新推导出了海洋湍流中光波结构函数、光波空间相干长度和Fried参数的解析公式，并校验了所得公式的正确性.研究发现：当温度变化引起的光学湍流占主导地位时，Nikishov海洋湍流功率谱模型把湍流强度低估了；当盐度变化引起的光学湍流占主导地位时，Nikishov海洋湍流功率谱模型把湍流强度高估了.基于Elamassie海洋湍流功率谱模型，本文推导出了高斯光束短期光束扩展的半解析公式，并验证了其正确性.研究还表明：海水稳定分层与否，短期光束扩展差异很大.本文研究结果对水下湍流环境中的光通信、成像和传感等应用具有重要意义.
利用兰姆波的扩散场信号，实现了距离传感器较近缺陷的全聚焦成像.通过两传感器接收的扩散场全矩阵信号进行互相关，恢复出两传感器之间的格林函数响应，重建新的全矩阵.该重建全矩阵削弱了直接耦合采集响应信号中存在的早期饱和非线性效应信号，恢复了被遮盖的近距离缺陷散射信号.在含缺陷的各向同性铝板中激发兰姆波，重建信号的早期信息与直接俘获信号的后期信息相结合形成混合全矩阵，结合全聚焦成像，优化成像效果.所提方法为薄板类结构中距离传感器较近缺陷的兰姆波无损检测提供了理论指导.
利用兰姆波的扩散场信号，实现了距离传感器较近缺陷的全聚焦成像.通过两传感器接收的扩散场全矩阵信号进行互相关，恢复出两传感器之间的格林函数响应，重建新的全矩阵.该重建全矩阵削弱了直接耦合采集响应信号中存在的早期饱和非线性效应信号，恢复了被遮盖的近距离缺陷散射信号.在含缺陷的各向同性铝板中激发兰姆波，重建信号的早期信息与直接俘获信号的后期信息相结合形成混合全矩阵，结合全聚焦成像，优化成像效果.所提方法为薄板类结构中距离传感器较近缺陷的兰姆波无损检测提供了理论指导.
提出了一种改进的基于相场理论的两相流格子Boltzmann模型.通过引入一种新的更加简化的外力项分布函数，使得此模型克服了前人工作中界面力尺度与理论分析不一致的问题，并且通过Chapman-Enskog多尺度分析表明，所提出的模型能够准确恢复到追踪界面的Cahn-Hilliard方程和不可压的Navier-Stokes方程，并且宏观速度的计算更为简化.利用所提模型对几个经典两相流问题，包括静态液滴测试、液滴合并问题、亚稳态分解以及瑞利-泰勒不稳定性进行了数值模拟，发现本模型可以获得量级为10-9极小的虚假速度，并且这些算例获取的数值解与解析解或已有的文献结果相吻合，从而验证了模型的准确性和可行性.最后，利用所发展的两相流格子Boltzmann模型研究了随机扰动的瑞利-泰勒不稳定性问题，并着重分析了雷诺数对流体相界面的影响.发现对于高雷诺数情形，在演化前期，流体界面出现一排“蘑菇”形状，而在演化后期，流体界面呈现十分复杂的混沌拓扑结构.不同于高雷诺数情形，低雷诺数时流体界面变得相对光滑，在演化后期未观察到混沌拓扑结构.
提出了一种改进的基于相场理论的两相流格子Boltzmann模型.通过引入一种新的更加简化的外力项分布函数，使得此模型克服了前人工作中界面力尺度与理论分析不一致的问题，并且通过Chapman-Enskog多尺度分析表明，所提出的模型能够准确恢复到追踪界面的Cahn-Hilliard方程和不可压的Navier-Stokes方程，并且宏观速度的计算更为简化.利用所提模型对几个经典两相流问题，包括静态液滴测试、液滴合并问题、亚稳态分解以及瑞利-泰勒不稳定性进行了数值模拟，发现本模型可以获得量级为10-9极小的虚假速度，并且这些算例获取的数值解与解析解或已有的文献结果相吻合，从而验证了模型的准确性和可行性.最后，利用所发展的两相流格子Boltzmann模型研究了随机扰动的瑞利-泰勒不稳定性问题，并着重分析了雷诺数对流体相界面的影响.发现对于高雷诺数情形，在演化前期，流体界面出现一排“蘑菇”形状，而在演化后期，流体界面呈现十分复杂的混沌拓扑结构.不同于高雷诺数情形，低雷诺数时流体界面变得相对光滑，在演化后期未观察到混沌拓扑结构.
为了探究微米级微小水滴撞击深水液池运动中空腔的成长过程与机理，采用自适应网格技术和流体体积方法对撞击速度为2.5–6.5 m/s的微小水滴撞击深水液池的运动进行数值模拟研究，考察不同撞击速度下水滴撞击深水液池后的水体混掺、毛细波传播、空腔变形规律以及气泡截留过程，并深入探究空腔运动的动力学机制.研究结果表明，不同撞击速度下，在忽略毛细波作用、空腔深度h∈（D，hmax）的前提下，空腔深度随时间的成长仍满足t∝h5/2的关系；液滴撞击产生的空腔形状有U形和半球形两种，前者一般向V形转变，后者空腔底部会变为圆柱形，产生细长射流，并有可能发生气泡截留现象；在撞击速度较低时，低压区首先在空腔侧壁与底部交界处产生，随后在靠近液面以及空腔底部靠近中心区域各产生一个较大的涡环；在撞击速度较高，产生细长射流时，涡环的生成被抑制，低压区首先在波浪底部与侧壁上交界处产生，随后空腔底部变为圆柱状，空腔侧壁首先坍塌形成气泡截留.
为了探究微米级微小水滴撞击深水液池运动中空腔的成长过程与机理，采用自适应网格技术和流体体积方法对撞击速度为2.5–6.5 m/s的微小水滴撞击深水液池的运动进行数值模拟研究，考察不同撞击速度下水滴撞击深水液池后的水体混掺、毛细波传播、空腔变形规律以及气泡截留过程，并深入探究空腔运动的动力学机制.研究结果表明，不同撞击速度下，在忽略毛细波作用、空腔深度h∈（D，hmax）的前提下，空腔深度随时间的成长仍满足t∝h5/2的关系；液滴撞击产生的空腔形状有U形和半球形两种，前者一般向V形转变，后者空腔底部会变为圆柱形，产生细长射流，并有可能发生气泡截留现象；在撞击速度较低时，低压区首先在空腔侧壁与底部交界处产生，随后在靠近液面以及空腔底部靠近中心区域各产生一个较大的涡环；在撞击速度较高，产生细长射流时，涡环的生成被抑制，低压区首先在波浪底部与侧壁上交界处产生，随后空腔底部变为圆柱状，空腔侧壁首先坍塌形成气泡截留.
晶体硅作为一种重要的半导体材料，在集成电路、太阳能电池等方面具有广泛的应用.基于各向异性的刻蚀方法，不同晶面指数的硅都可以在表面形成由{111}晶面族组成的正/倒金字塔.本文基于{111}晶面族与（abc）晶面相交构成类倒金字塔结构的特性，建立了硅的晶面指数（abc）与所形成的类倒金字塔结构的数学模型.将硅的晶面指数（abc）分成0≤a≤bc，0≤ab=c，a=b=c三种情况进行讨论，分别得到不同晶面指数的类倒金字塔结构.实验结果的扫描电子显微镜图证实了理论计算的准确性.晶面指数与类倒金字塔结构具有一一对应的关系，因此可以根据各向异性刻蚀后的类倒金字塔结构，进行硅的晶面指数进行检测.
晶体硅作为一种重要的半导体材料，在集成电路、太阳能电池等方面具有广泛的应用.基于各向异性的刻蚀方法，不同晶面指数的硅都可以在表面形成由{111}晶面族组成的正/倒金字塔.本文基于{111}晶面族与（abc）晶面相交构成类倒金字塔结构的特性，建立了硅的晶面指数（abc）与所形成的类倒金字塔结构的数学模型.将硅的晶面指数（abc）分成0≤a≤bc，0≤ab=c，a=b=c三种情况进行讨论，分别得到不同晶面指数的类倒金字塔结构.实验结果的扫描电子显微镜图证实了理论计算的准确性.晶面指数与类倒金字塔结构具有一一对应的关系，因此可以根据各向异性刻蚀后的类倒金字塔结构，进行硅的晶面指数进行检测.
介绍了自组织量子点单光子发光机理及器件研究进展.主要内容包括：半导体液滴自催化外延GaAs纳米线中InAs量子点和GaAs量子点的单光子发光效应、自组织InAs/GaAs量子点与分布布拉格平面微腔耦合结构的单光子发光效应和器件制备，单量子点发光的共振荧光测量方法、量子点单光子参量下转换实现的纠缠光子发射、单光子的量子存储效应以及量子点单光子发光的光纤耦合输出芯片制备等.
介绍了自组织量子点单光子发光机理及器件研究进展.主要内容包括：半导体液滴自催化外延GaAs纳米线中InAs量子点和GaAs量子点的单光子发光效应、自组织InAs/GaAs量子点与分布布拉格平面微腔耦合结构的单光子发光效应和器件制备，单量子点发光的共振荧光测量方法、量子点单光子参量下转换实现的纠缠光子发射、单光子的量子存储效应以及量子点单光子发光的光纤耦合输出芯片制备等.
分子量子态的研究，特别是分子激发态演化过程的研究不仅可以了解分子量子态的基本特性和量子态之间的相互作用，而且可以了解化学反应过程和反应通道间的相互作用.飞秒时间分辨质谱和光电子影像是将飞秒抽运-探测分别与飞行时间质谱和光电子影像相结合的超快谱学方法，为实现分子内部量子态探测，研究分子量子态相互作用及超快动力学过程提供了强有力的工具，可以在飞秒时间尺度下研究单分子反应过程中的光物理或光化学机理.本文详细介绍了飞秒时间分辨质谱和光电子影像的技术原理，并结合本课题组的工作，展示了这两种方法在量子态探测及相互作用研究领域，特别是激发态电子退相、波包演化、能量转移、分子光解动力学以及分子激发态结构动力学研究中的广泛应用.最后，对该技术的发展前景以及进一步的研究工作和方向进行了展望.
分子量子态的研究，特别是分子激发态演化过程的研究不仅可以了解分子量子态的基本特性和量子态之间的相互作用，而且可以了解化学反应过程和反应通道间的相互作用.飞秒时间分辨质谱和光电子影像是将飞秒抽运-探测分别与飞行时间质谱和光电子影像相结合的超快谱学方法，为实现分子内部量子态探测，研究分子量子态相互作用及超快动力学过程提供了强有力的工具，可以在飞秒时间尺度下研究单分子反应过程中的光物理或光化学机理.本文详细介绍了飞秒时间分辨质谱和光电子影像的技术原理，并结合本课题组的工作，展示了这两种方法在量子态探测及相互作用研究领域，特别是激发态电子退相、波包演化、能量转移、分子光解动力学以及分子激发态结构动力学研究中的广泛应用.最后，对该技术的发展前景以及进一步的研究工作和方向进行了展望.
分子尺度上的光电相互作用研究可以为发展未来信息和能源技术提供科学基础.扫描隧道显微镜不仅可以用来观察和操纵纳米世界中的原子和分子，而且其高度局域化的隧穿电流还可以被用来激发隧道结中的分子，使之发光，以研究局域场下的分子光电特性.本文综述了中国科学技术大学单分子光电研究组近期在锌酞菁分子电致发光方面取得的科学进展，包括：1）利用有效的电子脱耦合与纳腔等离激元调控技术，实现了隧穿电子激发下的单个锌酞菁分子的电致荧光，并通过发展相关的光子发射统计测量方法，表征了单个分子在隧穿电子激发下的电致荧光具有单光子发射特性；2）发展了具有亚纳米空间分辨的荧光光谱成像技术，实现了对酞菁分子间相干偶极相互作用特征的实空间观察；3）对分子与纳腔等离激元之间的相干耦合作用进行了亚纳米精度的操控，在单分子水平上观察到了法诺共振和兰姆位移效应.这些研究结果不仅为研发基于有机分子的电泵纳米光源与单光子光源等分子光电器件提供了新的思路，而且为在单分子尺度上研究分子光电特性、分子间能量转移以及场与物质之间的相互作用规律等提供了新的表征方法.
分子尺度上的光电相互作用研究可以为发展未来信息和能源技术提供科学基础.扫描隧道显微镜不仅可以用来观察和操纵纳米世界中的原子和分子，而且其高度局域化的隧穿电流还可以被用来激发隧道结中的分子，使之发光，以研究局域场下的分子光电特性.本文综述了中国科学技术大学单分子光电研究组近期在锌酞菁分子电致发光方面取得的科学进展，包括：1）利用有效的电子脱耦合与纳腔等离激元调控技术，实现了隧穿电子激发下的单个锌酞菁分子的电致荧光，并通过发展相关的光子发射统计测量方法，表征了单个分子在隧穿电子激发下的电致荧光具有单光子发射特性；2）发展了具有亚纳米空间分辨的荧光光谱成像技术，实现了对酞菁分子间相干偶极相互作用特征的实空间观察；3）对分子与纳腔等离激元之间的相干耦合作用进行了亚纳米精度的操控，在单分子水平上观察到了法诺共振和兰姆位移效应.这些研究结果不仅为研发基于有机分子的电泵纳米光源与单光子光源等分子光电器件提供了新的思路，而且为在单分子尺度上研究分子光电特性、分子间能量转移以及场与物质之间的相互作用规律等提供了新的表征方法.
当海面上方漂浮油膜时，海面的毛细波成分将因油膜的阻尼作用而被破坏.本文采用PM谱，基于Marangoni阻尼效应，建立油膜覆盖的一维Creamer非线性海面模型，并简单分析了油膜的阻尼作用对海面轮廓的影响.在此基础上，利用迭代物理光学方法研究了L波段下该模型的后向散射回波的多普勒谱特性，通过与基于线性模型的海面散射回波多普勒谱对比发现，在大中入射角下，非线性海面散射回波与线性海面多普勒谱的差异不可忽略，说明采用Creamer非线性理论建立海面几何模型的必要性.研究发现，油膜覆盖海面的散射回波的多普勒频移及展宽与干净海面雷达回波的多普勒特性具有明显差异，这表明海面上漂浮的油膜对雷达散射回波的多普勒特性具有显著的影响.数值结果重点分析了入射角、油膜参数以及风速对油膜覆盖海面散射回波多普勒谱展宽和频移的影响规律.
当海面上方漂浮油膜时，海面的毛细波成分将因油膜的阻尼作用而被破坏.本文采用PM谱，基于Marangoni阻尼效应，建立油膜覆盖的一维Creamer非线性海面模型，并简单分析了油膜的阻尼作用对海面轮廓的影响.在此基础上，利用迭代物理光学方法研究了L波段下该模型的后向散射回波的多普勒谱特性，通过与基于线性模型的海面散射回波多普勒谱对比发现，在大中入射角下，非线性海面散射回波与线性海面多普勒谱的差异不可忽略，说明采用Creamer非线性理论建立海面几何模型的必要性.研究发现，油膜覆盖海面的散射回波的多普勒频移及展宽与干净海面雷达回波的多普勒特性具有明显差异，这表明海面上漂浮的油膜对雷达散射回波的多普勒特性具有显著的影响.数值结果重点分析了入射角、油膜参数以及风速对油膜覆盖海面散射回波多普勒谱展宽和频移的影响规律.
基于菲涅耳衍射积分理论和巴比涅原理，推导出像散Bessel光束经圆形障碍物后的光强分布一般表达式.数值模拟了像散Bessel光束经圆形障碍物遮挡后光场的自重建过程，并设计相关实验进行验证，实验结果与理论模拟基本符合.结果表明：零阶像散Bessel光束经过轴上和离轴障碍物后均会发生光束重建现象.随着传输距离的增加，像散Bessel光束的外轮廓尺寸变大、中心光点阵列数增多，逐渐重建出不同于障碍物前的完整光束.并且观察到光束在重建过程中横向和纵向的重建速度并不一致，存在一定的速度差.利用螺旋相位板产生高阶像散Bessel光束，验证了高阶像散Bessel光束经障碍物遮挡后同样具有自重建特性.研究结果对像散Bessel光束在多层面粒子操纵方面的应用具有参考价值.
基于菲涅耳衍射积分理论和巴比涅原理，推导出像散Bessel光束经圆形障碍物后的光强分布一般表达式.数值模拟了像散Bessel光束经圆形障碍物遮挡后光场的自重建过程，并设计相关实验进行验证，实验结果与理论模拟基本符合.结果表明：零阶像散Bessel光束经过轴上和离轴障碍物后均会发生光束重建现象.随着传输距离的增加，像散Bessel光束的外轮廓尺寸变大、中心光点阵列数增多，逐渐重建出不同于障碍物前的完整光束.并且观察到光束在重建过程中横向和纵向的重建速度并不一致，存在一定的速度差.利用螺旋相位板产生高阶像散Bessel光束，验证了高阶像散Bessel光束经障碍物遮挡后同样具有自重建特性.研究结果对像散Bessel光束在多层面粒子操纵方面的应用具有参考价值.
声波在深海海底山环境中传播时，海底山会对声传播产生重要影响.2016年在南海深海进行了一次海底山环境下的声传播实验，观测到了由海底山引起的三维声传播效应，本文利用BELLHOP射线理论解释了海底山环境下的三维声传播机理.结果表明：声波在传播过程中与海底山作用后破坏了深海会聚区结构，导致传播损失增大，在海底山后形成具有明显边界的声水平折射区，利用二维声传播模型无法解释实验现象，海底山后声水平折射区实验测量的声场结构与N×2D模型计算结果存在明显差异，实验的传播损失比N×2D模型计算结果大10 dB.通过三维射线模型分析N×2D模型计算结果与实验结果存在明显差异产生的原因，发现由于声波水平折射作用，部分声线无法到达接收器，使得三维声传播效应对海底山后一定角度范围内声场影响较为明显.因此，深海海底山会引起明显的三维水平折射效应，应在水下目标探测和定位等应用中给予重视.
声波在深海海底山环境中传播时，海底山会对声传播产生重要影响.2016年在南海深海进行了一次海底山环境下的声传播实验，观测到了由海底山引起的三维声传播效应，本文利用BELLHOP射线理论解释了海底山环境下的三维声传播机理.结果表明：声波在传播过程中与海底山作用后破坏了深海会聚区结构，导致传播损失增大，在海底山后形成具有明显边界的声水平折射区，利用二维声传播模型无法解释实验现象，海底山后声水平折射区实验测量的声场结构与N×2D模型计算结果存在明显差异，实验的传播损失比N×2D模型计算结果大10 dB.通过三维射线模型分析N×2D模型计算结果与实验结果存在明显差异产生的原因，发现由于声波水平折射作用，部分声线无法到达接收器，使得三维声传播效应对海底山后一定角度范围内声场影响较为明显.因此，深海海底山会引起明显的三维水平折射效应，应在水下目标探测和定位等应用中给予重视.
两回转体并联入水过程中，双空泡在空间上相互干扰，使得单个入水空泡呈现非对称特性.本文基于势流理论，在现有二维轴对称入水空泡计算模型的基础上，对空泡干涉区域的三维流动进行简化，将相对流动对空泡发展的约束简化为约束势，分析了两回转体轴线内外两侧的空泡形态变化；基于非线性假设，引入影响函数，给出了空泡在三维空间演化的计算模型，并分析了同步并联入水过程空泡的三维演化特性.结果表明：回转体入水过程流场速度势可以看作由一个随回转体运动的点源和位于空泡轴线处的线源叠加产生；在并联入水过程中，双空泡演化在空间呈镜面对称，空泡间的相互扰动可以通过引入有势壁面进行分析；并联入水空泡半径随极角的变化与空泡截面所处深度有关，在靠近闭合点附近的抑制演化区空泡截面半径随极角的增大而逐渐减小，远离闭合点处的抑制演化区空泡截面半径随极角的增大而增大，空泡加权半径规律相反.
两回转体并联入水过程中，双空泡在空间上相互干扰，使得单个入水空泡呈现非对称特性.本文基于势流理论，在现有二维轴对称入水空泡计算模型的基础上，对空泡干涉区域的三维流动进行简化，将相对流动对空泡发展的约束简化为约束势，分析了两回转体轴线内外两侧的空泡形态变化；基于非线性假设，引入影响函数，给出了空泡在三维空间演化的计算模型，并分析了同步并联入水过程空泡的三维演化特性.结果表明：回转体入水过程流场速度势可以看作由一个随回转体运动的点源和位于空泡轴线处的线源叠加产生；在并联入水过程中，双空泡演化在空间呈镜面对称，空泡间的相互扰动可以通过引入有势壁面进行分析；并联入水空泡半径随极角的变化与空泡截面所处深度有关，在靠近闭合点附近的抑制演化区空泡截面半径随极角的增大而逐渐减小，远离闭合点处的抑制演化区空泡截面半径随极角的增大而增大，空泡加权半径规律相反.
SrTiO3（001）单晶表面上生长的单层FeSe薄膜显示出了超乎寻常的高温超导电性，其超导增强机制的一个重要因素是电子由衬底转移到了单层FeSe薄膜当中.基于此认识，研究者们在吸附了钾（K）原子的多层FeSe薄膜表面上观察到了类似超导能隙的隧穿能谱和光电子能谱.但这种自上而下的电子掺入方式在多层FeSe薄膜表面上可能引起的高温超导电性，还缺乏零电阻或迈斯纳效应等物性测量实验的直接证实.本研究利用自行研制的一台特殊的多功能扫描隧道显微镜，在生长于SrTiO3（001）衬底上的多层FeSe薄膜表面上，不但观察到了超导能隙随K吸附量的变化，而且利用原位双线圈互感测量技术，成功地的观察到了该薄膜的抗磁响应，并由此确定了该薄膜样品呈现迈斯纳效应的超导转变温度为23.9 K.其穿透深度随温度的变化呈二次幂指数关系，表明该体系的超导序参量很可能具有S±配对对称性.
SrTiO3（001）单晶表面上生长的单层FeSe薄膜显示出了超乎寻常的高温超导电性，其超导增强机制的一个重要因素是电子由衬底转移到了单层FeSe薄膜当中.基于此认识，研究者们在吸附了钾（K）原子的多层FeSe薄膜表面上观察到了类似超导能隙的隧穿能谱和光电子能谱.但这种自上而下的电子掺入方式在多层FeSe薄膜表面上可能引起的高温超导电性，还缺乏零电阻或迈斯纳效应等物性测量实验的直接证实.本研究利用自行研制的一台特殊的多功能扫描隧道显微镜，在生长于SrTiO3（001）衬底上的多层FeSe薄膜表面上，不但观察到了超导能隙随K吸附量的变化，而且利用原位双线圈互感测量技术，成功地的观察到了该薄膜的抗磁响应，并由此确定了该薄膜样品呈现迈斯纳效应的超导转变温度为23.9 K.其穿透深度随温度的变化呈二次幂指数关系，表明该体系的超导序参量很可能具有S±配对对称性.
具有核/壳结构的磁性复合纳米材料是十分重要的功能材料，其综合物性受材料微结构的影响，而这很大程度上又取决于复合体系的可控合成.本文综述了近二十年来有关核/壳磁性复合纳米材料的制备、表征及性能研究方面的进展，讨论的体系主要有：铁氧体基永磁/软磁（反铁磁）复合纳米材料、非磁性体包覆磁性核而成的复合纳米材料、用磁性颗粒催化合成的碳基复合纳米材料、基于交换偏置效应而设计的复合纳米材料、核-壳同轴结构的一维复合纳米材料和核/壳/壳三元结构的磁性复合纳米材料等.构建复合体系的组分包括M型永磁铁氧体、3d过渡金属（及其合金、氧化物、碳化物）、多铁化合物、非磁性体（比如绝缘体、半导体、有机分子）和碳材料等，着重分析了复合纳米材料的热稳定性、光致发光性能、光电催化能力、电化学特性、微波吸收性能、磁电阻效应、永磁体性能、高频软磁特性、交换偏置效应及其相关现象.最后，对核/壳结构磁性复合纳米材料的未来发展趋势进行了展望，并在基础研究和改性应用方面提出了一些建议.
具有核/壳结构的磁性复合纳米材料是十分重要的功能材料，其综合物性受材料微结构的影响，而这很大程度上又取决于复合体系的可控合成.本文综述了近二十年来有关核/壳磁性复合纳米材料的制备、表征及性能研究方面的进展，讨论的体系主要有：铁氧体基永磁/软磁（反铁磁）复合纳米材料、非磁性体包覆磁性核而成的复合纳米材料、用磁性颗粒催化合成的碳基复合纳米材料、基于交换偏置效应而设计的复合纳米材料、核-壳同轴结构的一维复合纳米材料和核/壳/壳三元结构的磁性复合纳米材料等.构建复合体系的组分包括M型永磁铁氧体、3d过渡金属（及其合金、氧化物、碳化物）、多铁化合物、非磁性体（比如绝缘体、半导体、有机分子）和碳材料等，着重分析了复合纳米材料的热稳定性、光致发光性能、光电催化能力、电化学特性、微波吸收性能、磁电阻效应、永磁体性能、高频软磁特性、交换偏置效应及其相关现象.最后，对核/壳结构磁性复合纳米材料的未来发展趋势进行了展望，并在基础研究和改性应用方面提出了一些建议.
近年来，超导量子计算的研究有了很大的进展.本文首先介绍了nSQUID新型超导量子比特的制备和研究进展，包括器件的平面多层膜制备工艺和量子相干性的研究.这类器件在量子态的传输速度和二维势系统的基础物理问题研究方面有着很大的优越性.其次，国际上新近发展的平面形式的transmon和Xmon超导量子比特具有更长的量子相干时间，在器件的设计和耦合方面也有相当的灵活性.本文介绍了我们和浙江大学与中国科学技术大学等单位合作逐步完善的这种形式的Xmon器件的制备工艺、制备出的多种耦合量子比特芯片，以及参与合作，在国际上首次完成的多达10个超导量子比特的量子态纠缠、线性方程组量子算法的实现和多体局域态等固体物理问题的量子模拟.最后介绍了基于这些超导量子比特器件开展的大量的量子物理、非线性物理和量子光学方面的研究，包括在Autler-Townes劈裂、电磁诱导透明、受激拉曼绝热通道、循环跃迁和关联激光等方面形成的一整套系统和独特的研究成果.
近年来，超导量子计算的研究有了很大的进展.本文首先介绍了nSQUID新型超导量子比特的制备和研究进展，包括器件的平面多层膜制备工艺和量子相干性的研究.这类器件在量子态的传输速度和二维势系统的基础物理问题研究方面有着很大的优越性.其次，国际上新近发展的平面形式的transmon和Xmon超导量子比特具有更长的量子相干时间，在器件的设计和耦合方面也有相当的灵活性.本文介绍了我们和浙江大学与中国科学技术大学等单位合作逐步完善的这种形式的Xmon器件的制备工艺、制备出的多种耦合量子比特芯片，以及参与合作，在国际上首次完成的多达10个超导量子比特的量子态纠缠、线性方程组量子算法的实现和多体局域态等固体物理问题的量子模拟.最后介绍了基于这些超导量子比特器件开展的大量的量子物理、非线性物理和量子光学方面的研究，包括在Autler-Townes劈裂、电磁诱导透明、受激拉曼绝热通道、循环跃迁和关联激光等方面形成的一整套系统和独特的研究成果.
近年来，探索新的拓扑量子材料、研究拓扑材料的新奇物理性质成为凝聚态物理领域的一个热点.但是，由于合成、测量等手段的限制，人们难以在真实材料中实现和观测很多理论预言的材料及其物理性质，促使量子模拟日益成为研究量子多体系统的一个重要手段.作为全固态器件，超导量子电路是一个在扩展性、集成性、调控性上都具有巨大优势的人工量子系统，是实现量子模拟的重要方案.本文总结了利用超导量子电路对时间-空间反演对称性保护的拓扑半金属、Hopf-link半金属和Maxwell半金属等拓扑材料的量子模拟，显示出超导量子电路在模拟凝聚态物理系统方面具有广阔前景.
近年来，探索新的拓扑量子材料、研究拓扑材料的新奇物理性质成为凝聚态物理领域的一个热点.但是，由于合成、测量等手段的限制，人们难以在真实材料中实现和观测很多理论预言的材料及其物理性质，促使量子模拟日益成为研究量子多体系统的一个重要手段.作为全固态器件，超导量子电路是一个在扩展性、集成性、调控性上都具有巨大优势的人工量子系统，是实现量子模拟的重要方案.本文总结了利用超导量子电路对时间-空间反演对称性保护的拓扑半金属、Hopf-link半金属和Maxwell半金属等拓扑材料的量子模拟，显示出超导量子电路在模拟凝聚态物理系统方面具有广阔前景.
半导体量子点是研究光子与电子态相互作用的优选固态体系，并在光子探测和发射两个方向上展现出独特的技术机遇.其中基于量子点的共振隧穿结构被认为在单光子探测方面综合性能最佳，但受到光子数识别、工作温度两个关键性能的制约.利用腔模激子态外场耦合效应，有望获得圆偏振态可控的高频单光子发射.本文介绍作者提出的量子点耦合共振隧穿（QD-cRTD）的光子探测机理，利用量子点量子阱复合电子态的隧穿放大，将QD-cRTD光子探测的工作温度由液氦提高至液氮条件，光电响应的增益达到107以上，并具备双光子识别能力；同时，由量子点能级的直接吸收，原型器件获得了近红外的光子响应.在量子点光子发射机理的研究方面，作者实现了量子点激子跃迁和微腔腔模共振耦合的磁场调控，在Purcell效应的作用下增强激子自旋态的自发辐射速率，从而增强量子点中左旋或右旋圆偏振光的发射强度，圆偏度达到90%以上，形成一种光子自旋可控发射的新途径.
半导体量子点是研究光子与电子态相互作用的优选固态体系，并在光子探测和发射两个方向上展现出独特的技术机遇.其中基于量子点的共振隧穿结构被认为在单光子探测方面综合性能最佳，但受到光子数识别、工作温度两个关键性能的制约.利用腔模激子态外场耦合效应，有望获得圆偏振态可控的高频单光子发射.本文介绍作者提出的量子点耦合共振隧穿（QD-cRTD）的光子探测机理，利用量子点量子阱复合电子态的隧穿放大，将QD-cRTD光子探测的工作温度由液氦提高至液氮条件，光电响应的增益达到107以上，并具备双光子识别能力；同时，由量子点能级的直接吸收，原型器件获得了近红外的光子响应.在量子点光子发射机理的研究方面，作者实现了量子点激子跃迁和微腔腔模共振耦合的磁场调控，在Purcell效应的作用下增强激子自旋态的自发辐射速率，从而增强量子点中左旋或右旋圆偏振光的发射强度，圆偏度达到90%以上，形成一种光子自旋可控发射的新途径.
复杂氧化物可以呈现出高温超导、庞磁阻以及多铁效应等诸多新奇的物理现象.这类材料中的电荷/自旋/轨道和晶格自由度之间的强耦合相互作用，可以导致多种相互竞争且能量非常接近的电子态的空间共存，这就是电子相分离现象.如果可以将材料的空间尺寸缩小到电子相分离的特征长度，其物理性质甚至电子关联作用本身都会发生根本的变化，从而有可能实现复杂氧化物中的量子调控.本文综述了我们课题组在过去几年中针对复杂氧化物中电子相分离的量子调控取得的进展，内容包括：发现了锰氧化物边缘电子态，通过氧化物微纳加工技术，实现了量子态空间分布的调控，提高了庞磁阻锰氧化物的临界温度；研究了当材料空间尺度小于其电子相分离特征尺度时电子相分离的表现，确定了在电子相分离消失以后体系的磁结构；通过超晶格生长技术调控了材料中的掺杂有序度，对锰氧化物中大尺度的电子相分离的物理机理从实验上给出了解释.
复杂氧化物可以呈现出高温超导、庞磁阻以及多铁效应等诸多新奇的物理现象.这类材料中的电荷/自旋/轨道和晶格自由度之间的强耦合相互作用，可以导致多种相互竞争且能量非常接近的电子态的空间共存，这就是电子相分离现象.如果可以将材料的空间尺寸缩小到电子相分离的特征长度，其物理性质甚至电子关联作用本身都会发生根本的变化，从而有可能实现复杂氧化物中的量子调控.本文综述了我们课题组在过去几年中针对复杂氧化物中电子相分离的量子调控取得的进展，内容包括：发现了锰氧化物边缘电子态，通过氧化物微纳加工技术，实现了量子态空间分布的调控，提高了庞磁阻锰氧化物的临界温度；研究了当材料空间尺度小于其电子相分离特征尺度时电子相分离的表现，确定了在电子相分离消失以后体系的磁结构；通过超晶格生长技术调控了材料中的掺杂有序度，对锰氧化物中大尺度的电子相分离的物理机理从实验上给出了解释.