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多光子显微镜(multiphoton microscopy, MPM)已成为生物医学领域的重要研究工具. 目前, MPM的驱动激光基于钛蓝宝石激光器, 可提供720—950 nm的波长可调谐飞秒脉冲. 为覆盖1000—1350 nm的第二生物透射窗口, 通常需要引入复杂的光学参量振荡器. 而为增加成像深度, 位于1600—1750 nm 的第三生物透射窗口的光源同样也得到了广泛的关注. 然而, 迄今为止还没有能够同时覆盖三个透射窗口的超快激光源, 这阻碍了MPM在生医领域的广泛应用. 本文发展了一种基于双波长光纤激光器的超快光源, 输出波长在800—1650 nm之间可调谐的四色飞秒脉冲, 覆盖了适合驱动MPM的全部波段. 利用该超倍频程的超快光源驱动MPM, 我们成功地实现了对多种生物医学样品的无标记多模态成像.
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针对实际应用中由非均匀激波驱动的界面失稳问题, 开展了马赫反射波系与平面气体界面相互作用的机理研究, 重点探讨了马赫杆尺度效应对界面失稳演化和扰动增长的影响. 结果表明, 马赫反射波系冲击界面时, 通过复杂波系作用在界面上印刻速度扰动, 诱发界面失稳. 随后, 在波后流场非均匀性的影响下, 界面进一步演化形成凹腔和“射流状气泡”结构, 显著区别于经典Richtmyer-Meshkov不稳定性中的尖钉与气泡结构. 扰动振幅的定量分析表明, 界面失稳演化可分为初期线性增长和后期非线性发展两个阶段. 其中, 滑移线弯曲和卷曲射流驱动的界面变形, 是界面演化向非线性阶段转变的关键物理机制. 马赫杆尺度决定了滑移线卷曲和射流形成的特征时间. 在线性阶段, 扰动增长由马赫反射波系的激波强度和入射角度主导, 与马赫杆尺度无关; 而在非线性阶段, 界面扰动增长率随着马赫杆尺度的增大而增大. 基于数值模拟结果对理论模型进行了考察, 结果表明, 现有理论模型可有效地预测马赫反射波系印刻的界面速度扰动, 但无法考虑马赫杆尺度效应和波后非均匀流场的影响. 本研究揭示了界面失稳演化与马赫反射波系激波强度、入射角度及马赫杆尺度之间的内在关系, 对界面扰动增长理论模型的建立具有重要意义.
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在射频容性耦合尘埃等离子体放电中, 下极板凹槽通过影响鞘层里的电势分布, 进而对尘埃颗粒的集体行为产生显著影响. 实验中通过在腔室内撒入微米级直径的尘埃颗粒, 观察到其在下电极凹槽势阱上方分层出现, 整体呈“碗状”云分布. 尘埃云的体积大小随射频功率和放电气压的变化而变化. 尘埃空洞在每层尘埃颗粒的中心出现, 其直径大小和变化受尘埃颗粒数量、射频功率和放电气压影响. 此外, 基于流体模型和尘埃粒子模型建立混合模型, 模拟发现尘埃颗粒的集体行为主要由其所受的轴向合力(考虑轴向电场力、离子拖拽力和重力)和径向合力(考虑径向电场力和离子拖拽力)决定. 实验发现, 通过在射频电极施加负直流偏压, 尘埃颗粒悬浮高度先增大后减小, 悬浮高度的变化能够较直观地反映等离子体放电从α-γ模式的转变.
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在活性物质系统中, 外部驱动场(如电场、磁场或光场)常被用于调控粒子的运动行为与集体状态. 惯性效应在粒子动力学中扮演关键角色, 它使粒子对场的响应出现延迟, 从而诱发复杂的集体行为. 然而, 具有转动惯性的活性粒子在周期交流场作用下的动力学行为尚不明确. 本文通过数值模拟系统研究具有转动惯性的活性粒子在周期交流场作用下的集体行为. 结果表明, 改变外场频率可诱导系统出现一系列集体运动状态, 包括极性有序、向列有序以及交叉流动带等结构. 粒子的自推进速度与相互作用强度对系统状态转变的影响较弱. 本研究揭示了周期交流场在调控惯性活性粒子系统集体行为中的关键作用, 为进一步理解非平衡系统中驱动场与粒子动力学之间的耦合机制提供了新的见解.
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液相是化学和生物反应的关键环境, 由于溶剂化效应的存在, 液相分子的化学、生物反应动力学表现出显著区别于气相孤立分子的演化行为. 深入地研究液相分子的超快激发态动力学对于揭示复杂化学和生物过程的微观机制具有重要意义. 分子激发态的制备与演化通常发生在阿秒至皮秒的时间尺度, 光电子能谱不仅能够表征激发态分子的电子结构, 对分子构型的演化也很敏感, 被广泛用来研究激发态分子的超快动力学过程. 磁瓶式光电子谱仪、液体微束装置与高次谐波技术的结合, 可以在高真空条件下直接测量出射电子的能量分布及动力学演化信息, 是液相光电子能谱研究的核心手段. 本文系统地总结了该技术在液相超快动力学研究领域的最新进展, 详细地介绍了磁瓶式谱仪的基本工作原理、液体微束靶的制备方法; 讨论了其在生物分子激发态动力学演化、液相分子激发态非绝热过程、分子间库仑衰变和芳香族化合物水溶液的气-液界面性质等研究中的典型应用; 最后对技术瓶颈以及未来发展方向进行了探讨.
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二维材料的发光特性与各向异性构成了微纳偏振发光器件实现与性能优化的物理基础. 然而, 并非所有天然二维材料体系同时具备强本征发光与强各向异性, 这在很大程度上限制了其在偏振可控发光器件中的应用潜力. 针对这一问题, 本研究基于范德瓦耳斯工程策略, 构建了由单层MoS2与低对称性NbIrTe4组成的异质结, 从而实现了高效发光特性与强各向异性响应的协同耦合. 角分辨偏振光致发光测试结果表明, NbIrTe4中固有的各向异性势场能够有效地改变单层MoS2的面内晶格对称性, 诱导其光致发光过程呈现明显的偏振依赖性, 并显著地提升激子的各向异性辐射强度. 本研究不仅揭示了范德瓦耳斯异质结中发光各向异性产生的微观物理机制, 还为新一代高性能偏振发光器件的结构设计与性能调控提供了可行的理论指导与实验依据.
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固态电池凭借能量密度大, 安全系数高等优势, 近年来逐渐成为人们关注和研究的焦点. 锂枝晶是影响电池安全性和使用寿命的关键因素, 严重时会发生电池短路的情况. 相较于液态电池, 固态电池依赖于机械强度更高的固态电解质, 能有效地抑制锂枝晶的生长, 然而随着充放电循环次数的增加, 由于锂枝晶未完全溶解而产生的死锂逐渐累积, 电池的性能逐渐降低. 本文针对固态电池中的死锂问题, 采用相场法模拟了力-热-电化学三种物理场耦合下的锂枝晶溶解和死锂产生过程. 结论显示, 当在相场模型中耦合入传热模型或者力学场后, 枝晶溶解截止时间和死锂面积都会发生变化. 同时, 在此基础上升高温度或是施加低外压、高外压时, 死锂面积都会降低. 而对于改变电化学参数, 减小扩散系数、增大界面迁移率以及减小各向异性强度都能有效地减少死锂面积.
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太阳风中的He离子与H2O分子碰撞的电荷转移截面是天体等离子体建模等领域所需的重要数据. 然而, 当前对应太阳风速度范围的中低能区He+离子与H2O分子碰撞的单电荷转移截面实验测量数据有限, 基于第一性原理的理论计算尚未开展. 本工作利用含时密度泛函非绝热耦合分子动力学模型, 计算了1.33—1800 keV宽能量范围内He+离子与H2O分子碰撞的单电荷转移截面. 模拟采用反转碰撞框架, 探究了电荷转移和电子离子耦合动力学, 发现H2O分子的单电荷转移截面有较强的分子取向依赖特性, 并且低能区和高能区不同分子取向对截面的贡献有显著区别. 截面计算结果与已有的实验以及经典理论模型数据较为符合, 表明本文所用理论方法和数值框架不仅适用于处理非裸核离子和分子碰撞的电荷转移过程, 还能定量分析分子取向对截面的影响. 这为后续复杂碰撞体系的相关截面计算奠定了基础. 本文数据集可在https://doi.org/10.57760/sciencedb.j00213.00193 中访问获取.
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基于已有的一维虚拟阴极理论模型, 本研究进一步建立了虚拟阴极的绝对误差理论, 并系统分析了热阴极温度、饱和电子发射电流、电子收集电流、杜什曼常数以及电子逸出功等参数对虚拟阴极测量的误差贡献. 研究结果表明, 影响虚拟阴极势阱深度测量的主要因素与虚拟阴极的强弱密切相关, 当热阴极产生的虚拟阴极较强时, 阴极加热温度的不确定性约有61%的概率成为势阱深度测量的主要误差源, 而当虚拟阴极较弱时, 电子电流测量的不确定约有39%的概率成为主要误差源. 此外, 在虚拟阴极的空间宽度测量方面, 对于常见的热阴极材料, 其测量结果的主要误差大概率(至少90%)是由热阴极温度和电子逸出功的不确定造成的, 只有当虚拟阴极非常微弱时, 电子电流的不确定是主要误差源.
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准周期莫尔晶格具有独特的平带结构，能够实现光子局域化和长距离光导引。然而，传统光子莫尔晶格仅能导引毫瓦级弱光。为实现强激光的高效导引，本文将莫尔晶格概念引入等离子体领域，提出等离子体莫尔晶格强光导引方案。通过理论计算，证明了等离子体莫尔晶格同样具有传播常数不随横向波数变化的平带，具备长距离光导引的理论基础。利用三维粒子模拟方法，我们研究了等离子体莫尔晶格对相对论强激光脉冲的导引特性。模拟结果表明，在给定参数下，该晶格能将不同初始尺寸的激光脉冲有效约束至相近的通道深度，实现长距离稳定传输。与常用的预制抛物型等离子体密度通道相比，等离子体莫尔晶格能显著抑制导引过程中因尾波场激发导致的激光红移现象，适用于导引大能量短脉冲和小能量长脉冲激光等多种情况。进一步研究表明，等离子体莫尔晶格同样适用于强太赫兹脉冲的长距离弱色散导引。本工作有望为强激光及强太赫兹脉冲的高效弱色散传输提供一种新的思路。
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高性能表面电极离子阱是构建可扩展离子阱量子计算机的关键平台.在室温下实现多离子相干操控,是迈向量子纠错与大规模集成的关键步骤.本文报道了在自主研制的室温表面电极离子阱中,单离子与多离子相干操控的研究进展.该芯片阱在轴向与横向分别实现了低至0.074(8) quanta/ms (@833 kHz)与0.237(51) quanta/ms (@1.3 MHz)的加热率.结合电磁诱导透明(EIT)冷却与边带冷却,单离子被冷却至平均声子数0.04(2)以下.在此基础上,我们利用载波与边带跃迁对多达20个离子进行了全局相干操控,观测到由集体振动模式介导的离子间耦合,并清晰地展示了不同位置离子因高阶振动模式向量差异而呈现出的特异相干演化行为.本工作充分验证了在微型表面电极离子阱的单势阱中囚禁与相干操控链状和二维多离子的能力,为在芯片电极离子阱中实现高效的多离子纠缠态制备和量子模拟奠定了物理基础.
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古斯-汉欣（GH）位移作为一种特殊的光学现象，在高灵敏传感、光开关及纳米光子器件等领域具有广泛应用前景。本文构建了一种黑磷烯-硅介质交替堆叠的层状结构，采用转移矩阵法研究了光电导率、偏振模式、周期层数以及外加电压对该结构在近红外波段的反射特性与GH位移的影响。研究表明，黑磷烯的引入使横磁（TM）波在布儒斯特角处的反射相位由阶跃突变转变为连续变化，从而产生高达40倍波长的GH位移；横电（TE）波在掠入射条件下亦可实现数倍波长的GH位移；通过增加周期层数和施加外电压可有效增强GH位移并调节其角度响应。该结构对末端介质折射率变化表现出高达105 λ/RIU量级灵敏度，在近红外可调谐光电器件与高灵敏度光学传感器方面展现出良好的应用潜力。
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托卡马克等离子体中的测地声模（Geodesic acoustic mode，GAM）及其伴随的电磁场扰动在湍流调控与约束改善中发挥着重要作用．然而，现有的动理学理论与磁流体力学（Magnetohydrodynamics，MHD）在描述GAM扰动磁场的三维结构上存在一个显著差异，即动理学描述通常采用平行磁矢势近似，而无法自洽给出GAM的径向与环向磁场扰动．为弥合理论上的这一差异，本文在线性电磁回旋动理学框架下，摒弃了传统的平行磁矢势近似，保留完整的扰动磁矢势，并结合准中性条件及安培定律，自洽地推导了GAM的电磁扰动特性．推导结果首次在动理学层面自洽给出了GAM磁场扰动在径向、极向与平行（环向）方向上的完整三维结构：径向与极向磁场扰动呈现m=2（m是极向波数）的驻波形式，而平行磁场扰动则呈现m=1的结构．该结果在定性上与理想MHD理论的预测高度一致，从而弥合了长期以来两种理论在电磁GAM描述上的分歧．此外，动理学模型能够清晰区分电子与离子的贡献，进一步分析表明：离子热压对径向和极向磁场扰动的作用更为显著，而电子热压在平行磁场扰动中的贡献相对更大．这展现了动理学效应对GAM电磁特性的细致修正，为相关实验诊断与数值模拟研究提供了更加精确的理论依据．
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近年来，基于忆阻器的突触串扰模拟研究虽取得显著进展，但现有模型仍多采用单一忆阻器结构，难以同时有效表征兴奋性与抑制性突触连接，也无法充分捕捉生物神经元的记忆效应与非局部特征。为此，本研究提出一种分数阶忆阻桥突触串扰耦合模型，通过融合Hindmarsh-Rose（HR）与FitzHugh-Nagumo（FN）神经元，构建新型基于分数阶微积分的8维异质耦合神经网络模型——分数阶忆阻桥式串扰耦合神经网络（FMBCCNN）。该模型的核心创新在于引入分数阶忆阻桥结构，兼具历史记忆特性与突触权重的双向调控能力，突破了传统耦合形式的约束。我们系统分析了传统与非均匀分数阶条件下，突触强度与串扰强度对放电活动的影响，借助时间序列、相图、分岔图与李雅普诺夫指数等多种方法，揭示了系统丰富的动力学行为，包括吸引子共存、倍周期分岔和混沌危机等现象。同时模拟了分数阶导数变化的影响，为神经元放电现象提供了更广义的表征。最终，将该系统生成的混沌序列应用于基于位平面分解与DNA编码的图像加密算法中。安全性分析表明，图像加密后水平、垂直和对角三个方向上的像素相关性皆远小于0.01，信息熵达到7.999以上，密钥空间为22080，因此所提方法与序列具备良好的加密性能与可靠性。
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采用毛细管放电抽运方案，获得了类氖氩（ Ar8+）离子46.9 nm和69.8nm双波长激光输出。在此基础上，研究了初始氩气气压和主脉冲电流幅值对46.9 nm和69.8 nm激光强度的影响规律。实验结果表明，每个主脉冲电流条件下，都存在最佳的初始气压值，且69.8 nm激光的最佳气压值低于46.9 nm激光的最佳气压值。根据最佳气压时的激光强度随主脉冲电流幅值的变化曲线，46.9 nm和69.8 nm激光的最佳电流值分别为10.9 kA和14.5 kA。当主脉冲电流幅值为14.5 kA，初始气压为18.5 Pa时，可获得46.9 nm和69.8 nm均较强的双波长激光。
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