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基于保偏光子晶体光纤提出并构建了一种掺铒光纤激光扭转传感器. 该传感器将基于保偏光子晶体光纤的Sagnac干涉仪引入掺铒光纤环形腔中作滤波器和扭转传感器件, 利用光纤激光器线宽窄、信噪比高的优势, 成功实现了高分辨率的光纤扭转传感器. 实验系统研究了激光器的输出特性及扭转响应特性. 研究结果表明, 该扭转传感可以实现的最大线性测量范围可达480°(31.02 rad/m), 最大扭转传感灵敏度为0.032 nm/(°)(0.5 nm/(rad/m)), 分辨率高达0.681°(0.06 rad/m). 同时, 在20—95 ℃温度变化范围内, 该传感器随温度的变化量仅为4×10–3 nm/℃, 温度交叉敏感带来的扭转角度的测量误差仅为0.16 (°)/℃. 其温度稳定性和温度对扭转角度测量造成的误差分别为现有报道的2/73和40/333. 本文提出的光纤激光扭转传感器具有线性响应范围宽、分辨率高、温度稳定性好等显著优势, 在航空航天、医疗微创手术、机械结构形变感知等领域具有巨大的应用潜力.
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简单忆阻混沌系统的丰富动力学分析与预定义时间同步研究对充分认识系统动力学形成机制以及拓展混沌系统应用潜力有重要意义. 本文提出一种仅含单个非线性项的四维忆阻混沌系统模型, 旨在揭示系统在参数与初始条件变化下的多样动力学行为并实现高效预定义时间同步控制. 基于耗散性分析和Lyapunov指数量化, 结合参数分岔与多稳态研究, 揭示了该系统具有无穷多不稳定平衡点、同构与异构多稳态(点吸引子、周期吸引子与混沌吸引子)分布特征, 并发现通过调节忆阻器内部参数可精准实现信号的幅度控制, 从而为周期信号与混沌信号的有效调幅提供新的模型支撑. 针对该复杂动力学特性, 构建了包含线性与双向幂次非线性衰减项的预定义时间滑模面, 利用Lyapunov稳定性理论推导出误差系统在预设时间内收敛的一种新型的充分条件, 并设计了可调同步时间上界的双阶段滑模控制律. 数值仿真表明该系统能够在预定义时间内完成误差收敛, 且过程无超调或抖振, 具备高精度和强鲁棒性.
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针对单模光纤中四波混频-受激拉曼散射(FWM-SRS)强非线性耦合效应难以解析的问题, 本文提出了一种融合物理机理与神经网络的多尺度物理约束网络(MSPC-Net). 该模型通过将非线性薛定谔方程(NLSE)的频域残差作为物理约束项嵌入网络优化过程, 并设计多尺度空洞卷积模块融合局部细节、中程展宽及长程衰减特征, 实现了光谱成分分离与物理参数的联合高精度反演. 在250 m与500 m单模石英光纤实验中, MSPC-Net重建斯托克斯光谱的均方根误差(RMSE)分别低至0.014与0.0173, 较传统卷积神经网络降低超68%; 其频率偏移预测的平均绝对误差分别为0.03 nm和0.04 nm, 精度较现有方法提升约90%. 在信噪比(SNR)为6 dB的噪声环境下, MSPC-Net对FWM次峰信息的检测正确率高达95.3%, 伪峰率低于4.7%. 模型得益于物理约束的引导及轻量化结构设计, 在SNR = 15 dB噪声下RMSE增幅仅9.8%, 并具备良好的实时处理能力, 可部署于嵌入式设备, 为高功率光通信系统优化与分布式光纤传感提供高效解决方案. 本研究通过将严格物理规律与多尺度特征提取相结合, 有效解决了长距离光纤复杂非线性效应的解析难题, 显著提升了预测结果的理论符合度与噪声鲁棒性.
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高温高压下硅基设备因自热效应漏电及形变, 无法长期稳定工作. 碳化硅作为第三代半导体在高温高频场景优势显著, 但其4H-SiC器件极限高温性能瓶颈源于欧姆电极与金属互连稳定性, 当前引线电极存在输出不稳定问题, 高温下氧气侵入易致输出失效. 研究在SiC/Ti/TaSi2/Pt欧姆接触基础上, 提出分批次溅射退火工艺制备耐高温引线电极, 通过改变退火与溅射顺序, 先在SiC衬底溅射Ti/TaSi2并退火形成欧姆接触, 再沉积Pt保护层, 构建新型SiC/Ti/TaSi2/Pt电极结构. 分批次溅射后退火形成的电极结构更致密, 600 ℃高温老化实验表明, Ti/TaSi2形成欧姆接触后溅射Pt的电极电学性能更稳定, 即初始比接触电阻率为6.35×10–5 Ω⋅cm2, 20 h空气老化后仍保持欧姆特性; Pt可有效抑制原子扩散和氧化反应使其电极微观形貌平整无卷曲. 分批次溅射退火工艺能显著提升SiC欧姆接触综合性能, 对其他金属组合欧姆接触的结构优化、稳定性提升及应用拓展具有重要指导意义, 为开发热稳定性强、适应复杂环境的欧姆接触提供思路.
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SnTe类拓扑晶体绝缘体发生超导转变后, 在其单个磁通涡旋中能够形成受晶体对称性保护的多重Majorana零能模. 这种奇特的性质能够降低多个Majorana零能模之间相互作用的难度. 最近多重Majorana零能模存在的实验证据已在SnTe/Pb超导异质结单个磁通涡旋中被观测到. SnTe是一种非常p型的半导体材料, 如何调控其电子性质, 在分辨和操控Majorana零能模方面具有重要研究意义. 本文利用分子束外延技术在Si (111)衬底生长的Pb (111)薄膜上制备了Sn1–xPbxTe薄膜, 并且通过扫描隧道显微镜研究了薄膜边缘、畴界以及位错对其电子态的影响. 扫描隧道显微镜的微分电导谱显示, 在薄膜边缘、畴界以及位错附近, Sn1–xPbxTe电子态相对于费米能级的位置能够发生显著改变, 载流子类型能从p型转变到n型. 在远离这些缺陷的区域, Pb含量对Sn1–xPbxTe的费米能级的影响不显著, 但是过多的Pb含量会抑制磁通中零能峰的形成. 该研究将为基于SnTe类材料的拓扑超导器件的设计提供新的思路.
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为满足重力梯度测量卫星无拖曳飞行任务和近地轨道高分辨率观测卫星精确维轨任务对离子推力器连续变推力能力及其高分辨率特性的应用需求, 对高分辨率宽范围变推力离子推力器开展了技术研究与应用验证. 基于Kaufman型离子推力器等离子体放电与离子束流引出两大关键物理过程之间的弱耦合性和相对分离性, 提出了发散场构型的宽范围变推力离子推力器技术方案, 开展了放电室宽范围放电稳定性设计、兼顾宽温域启动和高密度引出需求的凹球面离子光学系统构型设计以及空心阴极电流发射连续性设计等技术研究工作. 基于此, 完成了10 cm口径高分辨率宽范围连续变推力离子推力器的设计优化与地面性能评测, 并在2023年实现在轨飞行应用. 卫星在轨测试结果表明: 10 cm口径高分辨率宽范围连续变推力离子推力器可在98.3—585.3 W功率范围内实现1.39—20.05 mN的推力调节, 比冲保持在547—3056 s范围内, 与地面测试结果相当; 推力响应速率约为3 mN/s, 推力分辨率不低于15 μN, 较地面测试结果更佳. 相比同类型传统化学推进模式下的卫星轨道控制效果, 基于10 cm口径高分辨率宽范围连续变推力离子推力器的卫星维轨精度提高2个数量级, 有效保障了卫星在轨工程任务的实施.
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本文系统研究了过渡金属二硫化物3R相MoS2的声子性质，并与常见的2H相进行了对比。研究通过拉曼光谱实验结合线性链模型、力常数模型和键极化模型，对不同堆垛结构的振动模式、峰位及强度演化规律进行了深入分析。结果表明，高频拉曼光谱难以有效区分两种相，但二次谐波对晶体对称性极为敏感，可清晰实现堆垛相的鉴别；在低频区域，线性链模型能够刻画剪切模与呼吸模的层数依赖性，而力常数模型因引入层内和层间的力常数后能更准确地拟合实验趋势；键极化模型进一步解释了不同堆垛结构下拉曼散射强度的差异；在高频区域，3R相的峰位差对层数变化更加敏感，因而在层数判定中具有更高的可靠性，同时表面效应在其高频声子行为中起着更为关键的作用。综上所述，本文全面揭示了3R相MoS2的独特声子特征及层数依赖性，为低维材料的堆垛结构识别和物性调控提供了重要依据，并为其在光电器件、量子器件中的应用奠定了基础。
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压力下双层镍氧超导体展现出高达80 K的超导临界温度，使Ruddlesden-Popper（RP）相层状镍氧化物成为研究非常规高温超导机制的新平台。本综述从弱耦合理论计算角度出发，系统回顾了近期在RP相层状镍酸盐中非常规超导配对机制的理论研究进展，内容涵盖配对对称性、主导轨道成分及其自旋涨落特征等方面，涉及加压条件下的La3Ni2O7、La4Ni3O10、La5Ni3O11块材以及常压条件下的La3Ni2O7薄膜等多个体系。这些材料普遍表现出以Ni-3dz2与3dx2-y2轨道为主导的低能电子自由度。在RP块材中，无规相近似、泛函重整化群和涨落交换近似等弱耦合方法普遍支持一种由自旋涨落介导、以层间dz2轨道为主导的s±波配对机制。其中，La3Ni2O7块材的超导可能与费米面上γ口袋的出现密切相关，该口袋源于dz2轨道成键态的金属化过程。另一方面，La4Ni3O10的超导特性主要取决于洪特耦合强度和掺杂浓度，而非能带细节；而La5Ni3O11则因层间约瑟夫森效应，呈现出穹顶型的压力-超导相图。对于La3Ni2O7薄膜，理论研究表明其可能存在s±波与dxy波竞争的配对特征。此外，常压下的自旋密度波序与超导存在紧密联系。整体而言，弱耦合理论不仅解释了实验现象，还为在常压下实现高温超导提供了理论思路。
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本文研究具有集体耗散的里德堡原子系统中的非平衡相变。结合平均场理论与刘维尔谱分析，发现集体耗散可诱导原子间关联,并引发一种新型双稳态：系统或收敛于某不动点或保持自激周期性振荡，区别于传统相互作用导致的双稳态。结果表明刘维尔能谱方法在有限维系统中提取的非平衡相变特征与热力学极限下的平均场结果基本一致。该研究不仅能解释里德堡原子实验中观测到的自激振荡现象，还预言了新的相结构，也验证了刘维尔能谱方法在量子多体研究中的有效性，为探索耗散系统中的非平衡相变提供了理论框架。
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本文综述了布里渊光散射(Brillouin Light Scattering,BLS)技术的基本原理、发展历程及实验装置演化，并深入探讨了其在现代科学研究中的多领域应用。BLS技术基于光子与材料中元激发(如磁子、声子)的非弹性散射过程，通过精确测量散射光的频移，可获取这些准粒子的能量、动量及相互作用等关键物理信息。自1914年布里渊首次提出理论预测以来，BLS技术经历了显著的技术演进：从早期仅能实现单一波矢的选择性测量，逐步发展为兼具微米级空间分辨率、纳秒时间分辨率和相位测量能力的高精度表征手段。这一技术演化过程不仅拓展了布里渊光散射在凝聚态物理研究中的应用范围，更使其成为研究磁子动力学和声子输运现象的重要工具。本文详细阐述了串联法布里-珀罗干涉仪的工作原理及其在BLS高精度光谱分析中的核心作用，并结合近年来一系列前沿研究案例，系统展示了BLS技术在自旋波色散关系测量、非互易传播特性研究、非线性动力学表征、磁声耦合效应以及生物力学分析等领域的独特优势。随着BLS技术的持续优化及其与新兴表征方法的交叉融合，布里渊光散射作为一种多维度、高灵敏度的光学无损探测平台，将在材料科学、量子信息、生物医学等前沿领域发挥更加关键的作用。
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容性耦合等离子体源具备结构简单、造价低、能产生大面积均匀等离子体的优点，被广泛应用于半导体芯片制造的刻蚀、沉积等工艺中。为了满足先进生产工艺的需求，人们常常需要对等离子体源实施流体模拟，从而对等离子体的密度、均匀性等重要参数进行优化。本文采用自主研发的容性耦合等离子体快速模拟程序对双频容性耦合Ar/CF4等离子体源进行了三维流体模拟，以对程序在该问题中的有效性进行初步验证，并研究气压、高低频电压、低频频率、气体组分比例等放电参数对等离子体产生的影响。模拟结果显示，该程序具有极高的模拟速度；随着低频电压的增加，等离子体密度先近似不变，后显著增大，而等离子体的均匀性先上升，后显著下降，在此过程中低频电源带来的γ模式加热逐渐增加，直到取代高频电源的α模式加热成为主导；随着低频频率的增加，等离子体密度先近似不变，后略微增大，而等离子体的均匀性变化不大，这是因为低频电源的γ模式加热与频率无关，而α模式加热远远低于高频电源；随着高频电压的增加，等离子体密度显著增大，而等离子体的均匀性先上升，后显著下降，在此过程中高频电源的α模式加热显著增强；随着气压的增加，等离子体密度明显增大，同时等离子体的均匀性也明显上升，原因是粒子与背景气体间碰撞更为充分；随着背景气体中Ar比例的增加，等离子体密度变化较小，Ar相关粒子的密度总体呈上升趋势，CF4相关粒子的密度总体呈下降趋势，但部分粒子的密度变化存在非单调的情况，这体现了部分组分的电离、解离间具有相互促进的作用。
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偏振探测是获取光矢量信息的重要手段，广泛应用于光通信、智能感知与生物传感等领域。二维范德瓦尔斯材料因其独特的各向异性与可调电学特性，为实现高性能偏振探测提供了新的材料平台，但这类材料存在本征吸收弱、响应效率有限等局限性。等离激元结构可在微纳尺度实现强局域光场调控，是突破上述局限性、提升探测性能的重要手段。本文系统梳理了等离激元微纳结构与范德瓦尔斯材料的光学耦合机制，分析了不同类型等离激元结构在各类偏振光探测中的作用与优势。最后，讨论了该方向在偏振敏感光通信、片上光计算与信息处理、仿真视觉与图像识别等前沿领域的应用前景，展望了未来研究面临的机遇与挑战。
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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，能有效的抑制锂枝晶的生长，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减少死锂面积。
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多光子显微镜(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。在本论文中，我们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 nm到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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常压镍基高温超导电性的发现，为深入探索镍基超导机理带来了新平台。然而，Ruddlesden-Popper镍氧化物在热力学上处于亚稳态，对其结构和氧含量的精准控制极具挑战。本文介绍了利用强氧化原子逐层外延生长技术在LaAlO3和SrLaAlO4衬底上制备单相、高质量的Ln3Ni2O7（Ln为镧系元素）薄膜的系统方法。其中，(La,Pr,Sm)3Ni2O7/SrLaAlO4超导薄膜的超导起始转变温度（Tc,onset）达到50 K。阳离子化学计量偏差、逐层原子覆盖度、薄膜与衬底界面重构和氧化条件是影响薄膜Ln3Ni2O7晶体质量和超导性能的四个重要因素： 1）精准的阳离子化学计量控制会抑制晶体杂相的产生； 2）原子逐层的完整覆盖和3）优化的界面重构可以减少薄膜的堆垛层错； 4）准确的氧含量调控则是实现超导单转变和高Tc,onset的关键。这些发现对各类氧化物高温超导薄膜的逐层外延生长具有借鉴意义。
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