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超表面透镜是一种通过调制表面微单元结构参数来实现对光波相位、振幅和偏振的精确调控的微型平面透镜. 相较于普通透镜, 具有尺寸小、重量轻、集成度高等优点, 是光子芯片的核心器件. 为突破衍射极限, 进一步提升超表面透镜的聚焦性能和成像分辨率, 需结合现有的光场调控技术, 对入射光场进行多维信息调控. 参考光瞳滤波器的超分辨成像原理, 设计了一种融合型超表面透镜, 可同时实现透镜聚焦和光瞳滤波器的功能, 从而获得超越衍射极限的聚焦光斑. 通过参数优化, 最终实现了半高全宽为323.4 nm(~0.51λ)的焦斑, 较未加光瞳滤波器的超表面透镜(半高全宽为376 nm)性能提升了近15%. 本文设计的融合型超表面透镜展示了全面光场调控对其光学性能的提升, 在未来有望代替传统透镜, 并在纳米显微成像、纳米光刻、虚拟现实以及3D显示等领域发挥重要作用.
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高电荷态重离子的双电子复合精密谱实验不仅能够为天体物理、聚变等离子体物理等研究提供诊断和建模的关键原子物理数据, 还可以用于检验强电磁场条件下的量子电动力学(QED)效应、相对论效应以及电子关联效应等基本物理模型. 我国正在建设的“十二五”大科学装置强流重离子加速器(HIAF), 其中高精度环形谱仪(SRing)装备有450 kV电子冷却器和80 kV超冷电子靶装置, 能够在宽质心能量范围(从meV到几十keV)内对高电荷重离子开展双电子复合谱精密测量. 本文首先采用分子动力学方法模拟了SRing上超冷电子靶的电子束温度分布, 结果表明, 热阴极产生的电子束经过磁场的绝热膨胀和电场加速后, 电子束的横向温度从100 meV降至5 meV以下, 而纵向温度则能从100 meV降至0.1 meV以下, 这为开展高分辨和高精度的双电子复合实验提供了独一无二的实验条件. 接着分析了SRing上超冷电子靶的电子束温度对双电子复合实验中共振峰能量分辨的影响, 以类锂$ {}_{54}^{129}{{\mathrm{X}}{\mathrm{e}}}^{51+} $和$ {}_{92}^{238}{{\mathrm{U}}}^{89+} $重离子为例, 模拟了SRing上的双电子复合共振谱, 并与兰州重离子储存环CSRe上的模拟结果进行了比较. 结果表明, 基于SRing超冷电子靶的双电子复合精密谱学实验在质心系能量较低的时候具有极高的能量分辨, 能够测量更为精细的双电子复合共振结构. 本研究为SRing上开展高电荷态重离子双电子复合谱精密测量检验强场QED效应和提取原子核结构信息等前沿实验奠定了坚实的基础.
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在活性布朗粒子系统中，速度的自发对齐是可实现的，但其机制及影响因素尚需进一步研究。本文主要探讨了具有吸引性相互作用的活性布朗粒子系统中的团簇行为和自发全局速度对齐现象。吸引性相互作用和自推进作用的耦合导致粒子趋向于与周围粒子速度对齐。通过数值模拟，本文发现自推进作用与吸引性相互作用之间的竞争显著影响团簇的形成及其结构，系统中会出现网状团簇、块状团簇、粒子离散分布或形成不稳定团簇，并进而影响自发速度对齐程度。其中，块状团簇结构最有利于自发速度对齐的实现。随着自推进作用在竞争中逐渐占优，中低填充分数系统中速度对齐程度呈现增加-稳定-下降的趋势，而高填充分数系统则表现为先稳定后下降的趋势。系统形成单一块状团簇时，能够实现自发全局速度对齐。
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本文研究了一维复相互作用调制的非厄米玻色子模型.通过数值计算能谱的实-复转变、Shannon熵、标准参与比率与拓扑缠绕数,发现当相互作用强度低于临界相互作用强度时,系统的能谱全为实数,处于扩展相,且系统是拓扑平庸的;而当相互作用强度超过临界相互作用强度时,系统开始出现复能谱,处于扩展态与局域态混合相,且此时系统是拓扑非平庸的.计算结果表明,能谱的实-复转变点、扩展-局域的转变点与拓扑转变点相一致.动力学演化结果可以验证系统的实-复转变与局域化转变.最后,提出利用二维光子波导阵列可以模拟这一复相互作用调制的一维玻色子模型.此项工作将对非厄米两体系统的局域性质提供很好的参考.
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湿度环境下的气溶胶粒子群具有形状不一、成分不同、密度不等、复折射率多样、吸湿性参数不唯一、长短轴比不固定等复杂的微物理特性，并且这些物理量会直接影响激光的传输和散射特性。基于湿度环境下气溶胶粒子存在的各种可能性，本文充分考虑了气溶胶粒子的形态(球形、扁椭球形、长椭球形、不规则形)、尺度谱、复折射率、密度、长短轴比及其分布模型、吸湿性参数等理化特性的多样性，构建了一种复杂外混合气溶胶粒子群的光散射模型。基于该光散射模型，数值分析典型激光波长(0.78mm、0.905mm、1.064mm、1.55mm、2.1mm)入射下不同混合比例和相对湿度对消光系数、单次散射反照率、不对称因子、散射相矩阵、后向散射系数、激光雷达比、线性退偏比等光学特性的影响。结果表明：消光系数、相函数P11对混合比例和相对湿度均表现出较强的敏感性，且随着相对湿度的增加，消光系数和相函数P11的前向散射也随之增大；相比混合比例，单次散射反照率、不对称因子对相对湿度更加敏感；不同散射角处的线偏振、圆偏振特性对相对湿度和波长的敏感性差异显著；后向散射系数和激光雷达比成反比，且它们对混合比例和相对湿度均比较敏感，相对湿度对线性退偏比的影响较大，而混合比例的影响较弱。本文所提出的复杂气溶胶光散射模型进一步丰富了气溶胶光学特性的研究，为研究不同湿度环境下的大气物理、遥感探测、光通信等应用提供了理论支撑。
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低维电子材料与超导材料的复合体系一直是研究介观输运和低维超导特性的重要平台，其中具有强自旋轨道耦合效应的低维结构与超导宏观量子态结合呈现出丰富的量子现象，为探索新物性和研制新型拓扑量子器件提供了一个理想的平台。采用高质量的一维电子材料构筑超导复合器件，探索受限量子体系与超导界面的量子输运现象和器件调控机制迅速成为研究的前沿和热点。其中的关键问题在于理解纳米尺度下低维体系与超导界面的特征散射机制和量子输运过程，研究电荷态与拓扑局域态的耦合机制，实现对拓扑态本征输运特性的探测，在此基础上为研制新型超导纳电子器件和拓扑量子器件探索新原理和新方法。由于多种能量尺度和束缚态的竞争，介观尺度下的超导复合结构在器件物理、结构设计以及测量方案上都存在前所未有的挑战。本文回顾了基于一维电子体系的超导复合器件的近期进展，聚焦在以半导体纳米线和碳纳米管为代表的实验体系，简要介绍了从材料和器件物理，到输运测量的主要现象和实验挑战。最后本文对一维体系拓扑量子器件的研制和输运研究进行了总结和展望。
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采用直流电弧等离子体法，以Al粉和Er2O3粉为原料，在氮气环境下，成功制备出了具有松树状纳米结构的Er3+掺杂AlN (AlN:Er3+)材料。通过X射线衍射，X射线光电子能谱，能量色散光谱，扫描电子显微镜，透射电子显微镜和高分辨率透射电子显微镜的分析，详细测定了松树状纳米结构的成分、形貌特征和显微结构。结果显示，该材料呈现出典型的六方纤锌矿晶体结构，其形态由主干与分支纳米线交织而成，且证实Er3+成功掺入其晶格中。光致发光光谱显示，AlN:Er3+能够发出强烈的绿光(～548 nm)，并伴有多个发光峰，分别对应于Er3+内层4f电子跃迁的特征发光峰。根据不同温度下热耦合能级(2H11/2/4S3/2→4I15/2)发光光谱强度的比值，在温度为293 K时获得最高相对灵敏度，为1.9% K-1。磁学测量表明，AlN:Er3+显现出明显的室温铁磁性。通过第一性原理计算后发现其磁矩主要由Al空位周围N原子的2p轨道电子自旋极化产生。AlN:Er3+松树状纳米结构在光电器件、温敏传感器以及稀磁半导体等多个领域展现出潜在的应用前景。
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非线性薛定谔方程（NLSE）在量子力学、非线性光学、等离子体物理、凝聚态物理、光纤通信和激光系统设计等多个领域中都具有重要的应用，其精确求解对于理解复杂物理现象至关重要。本文深入研究了传统的有限差分法(FDM)、分步傅里叶法(SSF)与智能算法中的物理信息神经网络(PINN)方法，旨在高效且准确地求解光纤中的复杂NLSE。这里首先介绍了PINN方法对NLSE的求解方法、步骤和结果，并对比了FDM、SSF、PINN方法对复杂NLSE求解与脉冲远距离脉冲传输的误差。然后，讨论了PINN不同网络结构和网络参数对NLSE求解精度的影响，还验证了集成学习策略的有效性，即通过结合传统数值方法与PINN的优势，提高NLSE求解的准确度。最后，采用上述算法研究了不同啁啾的艾里脉冲在光纤中的演化过程与保偏光纤对应的矢量非线性薛定谔方程求解过程。本研究通过对比FDM、SSF、PINN在求解NLSE时的特点，提出的集成学习方案在脉冲传输动力学研究和数据驱动仿真方面具有重要的应用。
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高空核爆过程会向内磁层注入大量相对论性电子，形成人工辐射带，这些高能电子可能对航天器造成显著影响。本文利用Comprehensive Inner Magnetosphere-Ionosphere Model (CIMI模型)模拟研究了核爆注入的电子由局地集中分布向环向均匀分布演化的过程，揭示了人工辐射带形成过程中电子团表现出的螺旋包围、环向膨胀与扩散均匀的行为特征。对初始时刻集中在L=1.1 ∼2.2、环向覆盖1个时区左右的核爆电子进行的数值模拟表明，核爆注入电子主要通过螺旋包围过程演化至环向均匀分布，扩散作用的贡献相对较小。电子注入后，在地球磁场的约束下做自西向东环绕地球的漂移运动。外侧电子漂移速度更快，因此注入电子团会在环向上剪切拉伸，以螺旋线结构包围地球。此外，研究还发现螺旋结构的形成过程伴随有电子的环向膨胀，主要由漂移过程中能量色散和投掷角色散机制驱动。不同能量和投掷角的电子漂移速度不同，因此逐渐环向分离，造成环向分布范围扩展，填充螺旋结构的间隙。在通过形成螺旋结构与环向膨胀包围地球后，核爆注入的高能电子进一步通过扩散作用演变为环向均匀分布的结构，形成相对稳定的人工辐射带。
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非视域成像技术是对视域外隐藏目标进行光学成像的新兴技术. 由于历经多次漫反射, 信号回波微弱, 门控单光子雪崩二极管(single-photon avalanche diode, SPAD)在低信噪比环境中探测信号发挥了重要作用. 然而, 实际使用门控SPAD进行目标信号探测时, 现有方法多需要借助先验信息进行门宽位置预设, 无法完全避免非目标信号干扰和信号丢失, 并且存在数据采集量大、耗时长等问题. 针对上述问题, 本文利用三角定位原理和少量特征点信息, 提出一种自适应门控算法, 该算法可自动识别回波信号并计算其宽度, 无需额外先验信息或人工干预, 降低数据采集量, 提高处理效率等功能. 同时, 搭建了基于门控SPAD的共焦非视域成像系统, 对提出的算法进行验证. 此外, 本文就门控SPAD对目标信号提升效果和目标成像质量进行了定量评估, 并对比了主流的非视域图像重构算法成像质量. 实验结果表明, 自适应门控算法可以有效识别回波信号, 实现门控参数的自动调节, 并在减少数据采集量、提升处理效率的同时, 提高目标成像质量.
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无磁光学非互易在量子通信、量子网络和光信息处理等方面具有重要的应用. 本文通过简并二能级热原子系统, 在单向泵浦场作用下, 考虑热原子的多普勒效应, 实现双路简并四波混频信号的非互易放大. 在此基础上, 再引入一束对向共线传播的泵浦场, 形成了空间复用的多重四波混频过程, 从而实现了双通道四波混频信号的互易放大. 进一步, 利用多组涡旋相位片分别对信号光和泵浦光加载螺旋相位, 产生携带光学轨道角动量的高阶拉盖尔-高斯涡旋光束, 并参与到四波混频过程中, 实现了泵浦光的轨道角动量向增益光场的转移; 同时利用马赫-曾德尔干涉仪, 进一步分析了各路四波混频信号场在非互易-互易放大转换下, 光学轨道角动量的守恒特性. 该结论为实现基于复杂结构光的光学非互易器件的应用研究提供了重要的参考.
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在集成光学模块的一体化离子阱中, 极易出现光学焦点与囚禁离子鞍点错位的问题, 严重阻碍了该实验方法的实用性. 为解决该问题, 可利用多射频场方法对离子鞍点位置进行补偿和移动. 然而, 在实际实验过程中, 多射频方法的应用, 需要知道鞍点实际空间位置对应的应加载射频电压幅值. 这就需要建立一套数学模型, 对二者关系进行描述. 模型的精确程度决定了鞍点空间位置的控制精度、模型的简易程度决定了求解过程的速度. 因此, 本文提出一种基于数值仿真电场分布结果和多项式拟合方法而建立的多射频电场电压和鞍点位置关系的数学模型, 可以在无需考虑物理机制和模型基础上, 快速、准确地给出二者之间的数学描述. 本文利用数值方法对该模型的正确性和适用范围进行了验证和讨论, 可以在实验中快速准确地给出应加载射频电压幅值, 使鞍点移动并与光学焦点重合, 该方法极大地降低了由于求解引起的时间延迟、提高了鞍点位置移动过程中反馈环路带宽.
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偏振成像技术在去除后向散射光方面是有效的. 针对该技术依赖免靶区域以计算后向散射光信息限制其适用范围和实时成像能力的问题, 本文提出了无免靶区域的偏振成像方法. 该方法结合主动偏振成像和透射率去散射模型, 将相机接收到的图像分解为具有偏振信息和无偏振信息的部分, 具有偏振信息的部分采用主动成像模型计算, 而无偏振信息的部分基于斯托克斯矢量计算. 同时, 结合透射率校正原理实现去散射. 实验和真实世界水下成像结果表明, 本文方法能够有效去除大部分后向散射光, 且具有速率优势, 能够助力实时复杂条件下的水下成像技术, 在海底资源探测与研究等领域具有广阔的应用前景.
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分子离子广泛存在于行星大气的电离层中，其碎裂可以产生多个离子和中性碎片。研究末态产物的动能分布和生成机理，可以促进理解行星大气的逃逸等天文现象。本文开展了电子碰撞乙烷的双电离碎裂实验，重点研究了C2H62+离子C-C键断裂后形成CH3+/CH2+/H的三体解离通道。我们直接测量了CH3+和CH2+离子的三维动量，然后利用动量守恒重构了H的动量。通过动能释放谱、Dalitz图、牛顿图分析了三体碎裂的解离机制。发现协同解离是产生该通道的主要机制，另有部分次序解离的贡献，其第一步是C2H62+解离生成H和亚稳态C2H52+,第二步是C2H52+碎裂生成CH3+和CH2+。实验发现H原子动能分布较广，最高能量甚至达到10 eV,远高于土卫六大气的逃逸能量，因而该解离路径对H逃逸过程有贡献。
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基于亚甲基蓝（Methylene Blue，MB）--银纳米腔中的双拉比分裂实验，建立了MB分子团簇和双金属纳米粒子结构模型，在密度矩阵理论框架下，应用偶极近似，计算了MB分子团簇与双金属纳米粒子形成的杂化态的耦合动力学过程，研究了多激子态--等离激元相互作用下的多模耦合效应，得到了与实验定性一致的结果。通过短脉冲激发，在更大的激发频域下研究激子态和等离激元的耦合态。论文探讨了激子退相干速率和分子间距离对耦合过程的影响、分子与等离激元的耦合强度随激子退相干时间缩短而增强的现象，由于团簇内离域激子与等离激元耦合相互作用，复合体系内可以产生更多杂化能级，使得光学响应峰发生相应变化。通过对分子团簇与金属纳米结构的多模耦合的机理研究，为设计高效光捕获和转换材料提供了理论思路。
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