近年来，二维铁电异质结在高密度存储及光电器件等领域展现了应用潜能，开发新颖二维铁电异质结是当前的一个重要研究方向。本论文采用第一性原理计算研究二维铁电材料α-In₂Se₃与二维单层InSe组成的In₂Se₃/InSe垂直异质结的能带结构及应力调控。计算表明，In₂Se₃/InSe异质结为间接带隙半导体，具有II型能带匹配。当In₂Se₃的极化方向垂直表面朝外时，带隙大小为0.50 eV，价带顶和导带底分别来自于InSe和In₂Se₃；当In₂Se₃的极化方向指向面内时，带隙降低0.04 eV，价带顶和导带底的来源互换。在面内拉伸下，拉伸度越大，带隙越小。当极化方向指向面外(内)时，在双轴拉伸应变达到6%(8%)及以上时会使异质结由半导体转变为导体；在双轴压缩应变为–6%(–8%)下还可使异质结由间接带隙变为直接带隙；对于单轴拉伸及压缩，定性结果与双轴应变一致。本论文的研究结果表明改变极化方向和施加应力是调控二维In₂Se₃/InSe铁电异质结的有效方式，可为设计相关铁电器件提供理论参考。

图5  双轴应变(左)和单轴应变(右)的晶胞选取以及应变施加方向

本文基于第一性原理计算，主要研究单层InSe与单层铁电材料α-In₂Se₃组成的二维垂直范德瓦尔斯异质结的能带结构及应力调控，研究了铁电极化方向和外加应力对二维In₂Se₃/InSe铁电异质结能带结构的影响，对基于二维铁电材料的电子器件设计有一定的理论指导意义。

测试质量是空间引力波测量的核心传感器，宇宙线高能粒子能够穿透航天器屏蔽对其造成电荷注入，进而产生库仑力和洛伦兹力噪声对引力波科学探测造成严重影响。本文采用蒙特卡洛仿真方法，探究了不同宇宙线高能粒子对测试质量的充电过程和机制。研究结果表明，在同一能谱下随着截止能量的降低充电速率逐步增大，充电速率变化约为9%；太阳活动极小年时测试质量的充电速率为39.5 +e/s，其中贡献最大的质子占比约为83.16%，太阳活动极大年时测试质量的充电速率约为12.5 +e/s，1989年最恶劣的太阳高能粒子事件造成测试质量的充电速率约为120700 +e/s；在太阳活动极小年时，银河宇宙线各成分的充电速率取决于各成分的初级粒子在测试质量中的沉积，其中初级粒子贡献占测试质量总充电速率的73%；太阳活动极小年时，质子的充电贡献主要来自能量为0.1—1 GeV的区间，占比约为65%。研究结果可用于评估测试质量在轨充电规律，为电荷管理的设计和在轨工作提供依据。

图7  宇宙线各粒子的充电率  (a) 太阳活动极小年；(b) 太阳活动极大年

文章面向空间引力波探测这个世界科学前沿，针对惯性传感器中测试质量的充电效应展开详细仿真，科学价值明显。文章以LISA计划的航天器为模板，具体考虑了结构、形状和材料；还详细考虑了GCR和SEP轰击的物理过程；以及太阳极大、极小年的不同影响；仿真结果翔实，论证充分，结果可信，填补了国内在空间引力波探测测试质量充电效应研究领域的空白。

针对透过随机散射介质成像中由于光源谱宽导致目标信息被淹没于背景噪声中，无法清晰复原隐藏目标信息的问题，提出基于散斑光场偏振共模抑制特性的宽谱散射成像方法。该方法深入分析散斑光场的偏振特性，利用散斑光场中目标与背景的偏振信息差异性与独立性，结合光场的偏振共模抑制特性，有效去除光源谱宽所带来的背景噪声影响，重建高对比度、高信噪比的隐藏目标图像，实现透过随机散射介质的宽谱成像。实验结果表明，该成像方法不仅能够在宽谱光源照明下实现目标与背景信息的分离，而且能够大幅提高重建图像的信噪比、对比度和结构相似度，在散射成像领域具有普适性及良好应用前景。

图7   不同偏振方位角散斑自相关函数的PCE曲线

在透过随机散射介质成像中，宽谱光源会导致较强的背景噪声且干扰目标信息问题，本文为解决该问题提出了基于散斑光场偏振共模抑制特性的宽谱散射成像方法，分别研究了宽谱散射成像模型、散斑光场的偏振特性分析和偏振散斑差分成像方法，较大程度提升了图像信噪比、对比度和结构相似度，工作量较大，且具有一定的应用前景。

提出了一种基于动态光学频率梳啁啾脉冲干涉的绝对距离快速测量方法。借助于重复频率的线性扫描，可获取啁啾光谱干涉信号中最宽条纹的动态频率偏移，从而完成被测距离的高精度测量。动态重复频率能够延伸光谱仪探测极限，相应地减小测量盲区，并且基于合成波长也使得测量非模糊范围得到极大的拓展。本文测距系统无需重复频率的锁定，能够摆脱对锁相环等复杂应用模式的依赖，在简化系统的同时借助铷钟提供精准时钟参考，从而进一步提高测量精度。此外，电荷耦合器件成像帧速以及重复频率扫描速度的提升可实现干涉信号的快速采集，弥补传统光谱干涉测量以及腔调谐方式在探测速度上的不足。实验结果表明，本文方法单点测距数据更新率为13.5 Hz，相较于参考数值，在20 m的测量范围内，测量不确定度优于27 μm，相对精度为1.35 × 10^–6。

图5   实验装置图

论文提出一种用光谱干涉的方法测距的方法，这种方法和光纤中测量色散的原理类似，也和啁啾脉冲OCT成像的原理相似，优点是相对双光梳法简单，又有一定的精度。文中对方法的基本原理、系统标定和测量精度等都给出了介绍，结果可信。

本文基于非线性薛定谔方程的Peregrine怪波解，讨论有理分式的脉冲动力学，基于其特性并利用谱过滤方法，提出一种光脉冲串的放大方法。连续波泵浦与频谱过滤器相结合，能够实现光放大器作用。这一思路被应用到光脉冲串的长距离传输，以4级放大为例，实现了光脉冲串的级联放大，并且通过矩形脉冲截断，能够实现有限个数脉冲的放大。其次，以实验上可控的周期调制的平面波作为初始输入，能够产生放大脉冲串，且最大放大脉冲串产生的位置与调制强度有关。改变调制强度的大小，能够影响最大放大脉冲串所产生的位置。研究结果表明，对于不同频率的输入脉冲串，利用此方法可以实现放大，并且通过改变调制强度的大小，能够实现两路不同频率信号的同时放大。

图8  不同频率脉冲串的同时放大 (a)初始输入；(b)零背景的放大脉冲串，其中Ω₁=0.3，Ω₂=0.6，A₁=0.2，A₂=0.07

本文的从非零背景的呼吸子式（nls的解）出发，利用傅里叶展开，在用物理技术过滤掉展开的基频率项，从而得到零背景的周期脉冲（不再是nls的解了）。再对这个零背景上的周期脉冲（勉强可以称为呼吸子，含无穷多个等高峰）进行放大。作者用截断函数，提出了对有限个峰的脉冲放大，由此看出，本文主要创新想法是滤掉基频率项，再放大，以保证脉冲稳定性。这些研究结果具有重要的理论意义，将为实现光脉冲串在光纤中的放大和传输提供了一定的实际指导价值。

分子聚集体中激子-激子湮灭动力学过程与其发光特性和能量转移过程密切相关，研究激子动力学过程对模拟自然界中的光合作用以及研究其光载流子的输运过程有重要意义。本文在密度矩阵理论框架下引入弱耦合近似得到率方程，用率方程研究了分子间距离、激子态密度和激发态偶极矩与激子-激子湮灭动力学的关系。研究发现当分子间距离减小时，第一激发态衰变过程受激子融合过程的影响，导致其衰变有明显的S型特征。高阶激发态的偶极矩是激子融合过程的关键因素，且偶极矩越大，子融合过程越容易发生。在不同激子密度下第一激发态随时间的演变规律与在低功率下激发聚对苯乙炔(OPPV7)类单体和不同功率下激发聚对苯乙炔(OPPV7)类聚集体的激子动力学过程的实验结果一致。考虑光激发作用下的量子波包作为初始态，模拟了不同激子能级下的激子动力学演变过程发现激子态在几百飞秒内能够保持很好的局域性，说明激子态是相干叠加态，其局域特点与所在的激发能级有关。

图2  不同分子间距离Δ_m,m±1下的J型分子聚集体的平均第一激发态和高阶激发态占据数动力学过程(m_m(n)=0.8 D)。插图：前100 fs的J型分子聚集体的平均激发态占据数和时间的线性关系图

论文使用密度矩阵理论，引入弱耦合近似，研究了分子间距离、激子态密度、激发态偶极距与激子-激子湮灭动力学的关系。理论结果与实验上对OPPV7单体和聚集体在不同功率激发下的激子动力学结果定性一致。说明了在强场激发下多激子在分子聚集体内产生并发生明显的激子湮灭过程。进一步在激子能带理论下模拟了J型分子聚集体的激发态动力学，发现分子链中的激子态是相干叠加态。这对理解分子体系光吸收、能量转移以及发光均具有重要的指导意义。

中子俘获反应截面数据在核天体物理研究、先进核能开发中具有非常重要的应用，由于缺乏合适的白光中子源和探测装置，国内在keV能区(1 eV—100 keV)中子俘获反应截面的实验数据几乎是空白。中国原子能科学研究院核数据重点实验室建造了国内第一台γ全吸收型探测装置，由40块BaF₂探测器单元组成厚度为15 cm，内半径为10 cm的BaF₂晶体球壳，共覆盖了95.2%的立体角。利用升级后的装置在中国散裂中子源的反角白光中子源上建立了中子俘获反应截面在线测量技术。在不规则的ϕ30 mm中子束斑的实验条件下，完成首次¹⁹⁷Au中子俘获反应截面的在线测量，利用加和能谱和多重数分布扣除本底，反演飞行时间谱得到keV能区¹⁹⁷Au中子俘获反应截面的实验数据。通过与ENDF评价数据库相关数据的比较，共振峰位置能够很好地吻合，从而验证了测量装置和测量技术的可靠性，为下一步高精度截面数据的获取奠定基础。

图11   ¹⁹⁷Au中子俘获反应截面的实验结果

中子俘获反应截面数据在核能及天体物理中具有重要意义。该工作利用CSNS反角白光中子源已有的GTAF-II谱仪，发展了中子俘获反应截面在线测量技术，并完成了共振能区¹⁹⁷Au中子俘获反应截面的实验数据，验证了利用GTAF-II谱仪进行中子俘获反应截面数据测量的可行性，为更多重要核素中子俘获反应截面数据的测量积累了经验。

利用密度泛函理论计算，本文系统研究了δ掺杂的La:SrTiO₃超晶格结构的电子性质随掺杂维度和掺杂浓度改变而变化的规律性。该结构通过在SrTiO₃等间距的单元层中掺入一定浓度的La来实现。在25% La掺杂浓度下，随着相邻掺杂层间距从1个单层增加到5个单层，掺杂维度从三维过渡到二维，超晶格从金属性变到绝缘体性，并在带隙中产生局域态，且该局域态呈现出电荷序、自旋序和轨道序。这种金属-绝缘体转变是由于二维电子体系呈现出更强的关联性造成的。而随着二维掺杂浓度提高到50%, 关联性降低，体系变成金属性。

图3   (a) [SLTO]1|[STO]5能带结构图，其中带隙内局域态为Ti dxz 和dyz 轨道态。水平红色虚线为费米能级；(b) [SLTO]1|[STO]5带隙内局域态电荷空间分布，局域态为Ti dxz和dyz 轨道态，上下箭头代表自旋方向；(c) 掺杂层局部结构和Ti³⁺O₆八面体键长，沿着y 和z方向Ti³⁺—O键较长

本文利用密度泛函理论计算，研究了δ掺杂的La:SrTiO₃超晶格结构的电子性质随掺杂维度和掺杂浓度改变特征。给出通过调控掺杂维度和La掺杂浓度可以使体系超晶格从金属性变到绝缘体性。论文结果为利用关联性调控材料电子性质提供了新结果和新思路。

《物理学报》2021年第22期全文链接：