非厄米拓扑系统的拓扑不变量可以由定义在双正交基下的局域拓扑指标刻画。不同于厄米体系，非厄米局域拓扑指标在动力学过程中的传播和演化目前还未见文献讨论。本文研究非厄米拓扑体系局域拓扑指标的动力学特性，重点关注淬火过程中，局域拓扑指标由边界向体内的传播。结果表明，当淬火前后的体系拓扑性质不同时，系统中存在局域拓扑指标的流动，其流速与体系群速度相关，但具体形式与相应厄米体系不同。以3个具体模型为例，通过数值计算说明了这一结论。其中，对于特定具有非厄米趋肤效应的模型，可以发现局域拓扑指标的流速上限与广义布里渊区中的群速度直接相关。但这一关系在其他非厄米模型中则需要修正，其更普适的形式有待进一步研究。本文的结果揭示了非厄米体系中局域拓扑指标传播的复杂性，是进一步理解非厄米局域拓扑指标动力学行为的基础。

图1  非厄米局域拓扑指标的传播速度 (a) 淬火过程中系统中心格点处的非厄米局域拓扑指标的时间演化。系统尺寸为L=23，取开边界。初始时H(t₁=1，m=1)处于拓扑非平庸相，淬火后H(t₁′=1，m′=6)处于拓扑平庸相，淬火前后γ_x=γ_y=0.3。这里只考虑x方向的动力学演化，y方向的演化有类似性质。(b) 非厄米局域拓扑指标的传播速度随末态哈密顿量参数t₁′的变化。淬火参数与图(a)相同。分别数值模拟了体系大小为L=11，15，19，23，27时的淬火过程，并通过线性拟合t^∗与L的关系，数值得到了局域拓扑指标的传播速度

非厄米研究是现在凝聚态物理研究的热门领域。局域拓扑指标是表征系统拓扑性质的重要参量，由于局域指标可以从实空间角度刻画系统的拓扑性质，可以应用在没有平移对称性的系统，且有望被实验观测，因此具有重要的意义。近年来人们基于双正交基表示，提出了适用于非厄米体系的局域拓扑指标。本文在此基础上进一步研究了非厄米相变附近局域拓扑指标的标度行为，并利用非布洛赫能带论展示了非厄米模型在淬火过程中局域拓扑指标的动力学演化。主要的新发现是局域拓扑指标的传播速度与体系群速度有关但并不普适。

在光泵原子磁强计的实验装置中，窄线宽及高信噪比的磁共振信号是实现高灵敏度磁强计的充要条件。本文的实验中利用795 nm波长窄线宽单频连续极化光(同时也是探测光)对比研究了不同类型铷原子气室、不同温度下典型的磁共振信号，在镀石蜡的铷原子气室中获得最优化的磁共振信号。通过引入铷原子D2线780 nm波长窄线宽单频连续反抽运光，研究了激光功率对磁共振信号信噪比和线宽的影响。实验表明，780 nm波长窄线宽单频连续反抽运光的引入使得铷-85原子磁共振信号的信号幅值有明显提高并且线宽没有明显展宽。引入780 nm波长窄线宽单频连续反抽运光后，闭环锁定的铷-85原子磁强计在约1.2 kHz频率带宽范围内灵敏度约为26.4 pT/Hz^1/2，相比仅有795 nm波长窄线宽单频连续极化光(同时也是探测光)存在时提高了近1个数量级。同时本实验利用增强后的铷原子磁共振信号对一种商用的磁通门磁强计在弱磁场测量时的准确度和偏差进行了校准。

图1  有无780 nm波长窄线宽单频连续反抽运光情况下磁场灵敏度，标定场频率63 Hz，磁场强度4.7 nT  (a)在仅有795 nm波长窄线宽单频连续极化光(同时也是探测光)(功率200 μW，共振于铷-85原子D1线 (F=3)− (F′=2)超精细跃迁)情况下的磁场灵敏度；(b)加入780 nm波长窄线宽单频连续反抽运光(功率300 μW，共振于铷-85原子D2线 (F=2)−(F′′=3) 超精细跃迁)情况下的磁场灵敏度

高灵敏的光泵磁力计对于基础物理研究、生物医学、军事领域等都有重要的应用。作者通过引入一束反抽运光提高了磁共振信号的信噪比，实现了铷-85 原子磁强计的闭环锁定，同时实验利用增强后的铷原子磁共振谱对一种磁通门磁强计在弱磁场测量时的准确度和偏差进行了校准，这对于原子磁力计的长期稳定性具有一定的意义。文章描述清晰，实验完整。

近年来，图像加密技术备受关注。随着人们对通信隐私及网络安全重视程度的提高，对信息加密技术的要求更加严格，图像作为信息的载体之一，因携带信息的有效性和生动性而受到重视。本文提出一种基于DNA编码与交替量子随机行走的彩色图像加密算法。量子随机行走作为出色的密码学工具参与算法流程中各个部分，DNA编码作为核心加密方式完成算法。本文详细描述加密、解密流程，并对所提出算法进行仿真实验验证与结果分析。仿真阶段设计模拟密钥参数，编码进行彩色图像加密、解密实验，并进行了相关分析。实验结果表明，本文提出的彩色图像加密算法能够进行安全有效的彩色图像加密，且相关分析表示其加密后图像直方图平稳、像素相关性系数趋近于0、密钥空间2128，三通道信息熵达到7.997以上，能够抵御统计攻击、穷举攻击等攻击手段。此外，DNA编码除新颖的编码及运算方式之外还有其独特的生物学特性，为密码学的研究提供了新的思路与方向。

图1 Lena图像加密前后三通道直方图分析

作者在研究中提出了一种基与DNA编码与交替量子随机行走的彩色图像加密算法，该方法具有较强的新颖性。

大口径超高峰值功率激光装置中展宽器、压缩器、透镜等光学元件会导致不同空间位置的脉冲波形及延时各有不同，称为“时空耦合效应”。常规的测量手段仅能反映激光近场的局部时间特性，本文设计并验证了一种基于空谱干涉线扫描的时空特性测试方案: 采用空谱干涉方法单次测量可获得一个空间维度上的时空耦合特性，通过沿另一空间维度扫描，即可获得完整的近场时空耦合特征。利用该方法实验测量了劈板引入的角色散以及近场不同空间位置处的脉冲波形、脉冲前沿、脉冲宽度等信息，与理论计算结果符合得较好，说明该方法能够有效地测量超宽带激光的时空耦合特性。

图1  加入1号劈板单次采样 (a) 谱相位信息模拟计算结果；(b) 时空耦合特性模拟计算结果；(c) 谱相位信息测量结果；(d) 时空耦合特性测量结果

论文研究飞秒激光脉冲时空耦合特性的测量方法，在该测量方法上的突破对深入研究飞秒激光脉冲作用效果的物理机制具有重要价值。论文所提出的测量方法具有一定创新性，可以为同类研究提供参考。

地基激光空间碎片清除等激光烧蚀推进在太空中的应用中，激光功率已远超过大气非线性自聚焦临界功率，因此自聚焦效应是影响光束质量的重要因素。此外，由于高功率激光产生过程中的非线性效应，光束常伴有球差。本文采用数值模拟方法，研究了球差对高功率激光上行大气传输光束质量的影响。研究表明: 对于大尺寸(光束发射尺寸)光束，利用正球差可提高靶面光强。然而，对于小尺寸光束，则需利用负球差提高靶面光强。并且，大尺寸比小尺寸光束更适合地基激光空间碎片清除等应用。在线性衍射效应和非线性自聚焦效应共同作用下，存在一个最佳发射功率使得靶面光强最大化，本文拟合出了大尺寸光束的最佳发射功率的公式。另一方面，由于衍射、自聚焦和球差均导致焦移，这使得靶面光束质量变差。本文推导出了大尺寸光束情况下透镜修正焦距公式，这样可把将实际焦点移至靶面，从而提高靶面光束质量。本文所得结论具有重要的理论和实际应用意义。

图1  透镜修正焦距F_mod随球差系数kC₄和相对发射功率P/P_crGs的变化，w₀ = 1.414 m，β = 5.9275

该文研究了球差对高功率激光上行大气传输光束质量的影响。光束发射尺寸越大，则靶面光斑越小，从而靶面光强越强。该文研究发现：利用正球差可进一步提高靶面光强。另一方面，该文推导出了透镜的修正焦距公式，从而把将实际焦点移至靶面，提高靶面光束质量。并且，该文对主要结论给出了合理的物理解释。研究结果对地基激光空间碎片清除等激光烧蚀推进在太空中的应用具有重要意义。

光分束器是片上集成光子芯片的一个重要组成部分，常规分束多以T型、Y型、树型输出为主，往往分束角度和分束效率不能兼顾，难以同时实现高效和大角度的分束。本文在移动渐近算法基础上，结合材料插值与有限元法，形成了一种计算速度更快、容量更小的适应于微纳光子器件设计的新智能算法，成功地设计出一尺寸为1 μm×2 μm的大角度偏转分束器，实现了光束180°直线分离，分束比近似1∶1，总效率达90%以上。相比同样尺寸的几种常规分束器，该分束器的效率高出近1倍甚至更高。本智能算法还适用于光偏振分光、路由器、光隔离器等多种无源光子器件的设计，为高密度片上集成微纳光子器件的设计提供了一种思路和借鉴。

图1  不同波长的分束效率

同行评价

分束器是片上集成光子芯片的一个重要组成部分，该论文在移动渐近线算法的基础上，结合材料插值与有限元法，首次提出了一种适用于微纳光子器件优化设计的新型智能算法，成功设计出了一个小尺度的双侧大角度偏转的分束器，可使800 nm至1100 nm范围内的光束完成 180°直线分离，具有重要的应用前景。该论文所提供的算法还可应用于光偏振分光、路由器、光隔离器等多种无源光子器件的设计，为高密度片上集成微纳光子器件的设计提供了新思路。

毛细管放电型脉冲等离子体推力器在微纳卫星在轨机动应用中具备良好的发展前景。本文系统研究了单次放电能量5 J条件下，不同毛细管腔体尺寸参数对推力器能量沉积特性、烧蚀特性、输出推力参数和等离子体羽流参数的影响规律。实验结果表明，增大毛细管腔体内径会显著降低放电电流密度，减小沉积能量和等效功率；增大腔体长度有助于提升能量传递效率。腔体结构尺寸变化影响单位面积沉积能量和管壁温度，进而改变烧蚀特性。当毛细管内径从1 mm增加至3 mm时烧蚀质量显著下降，随着腔体内径的进一步增大，等效烧蚀质量近似不变；烧蚀质量随毛细管长度的增加持续增大，但单位面积烧蚀质量不断下降。推力器元冲量取决于烧蚀质量与其等效速度，烧蚀特性的差异进一步影响腔体内等离子体密度和等效压强，影响等离子体电热加速过程。毛细管腔体内径和长度的不断增加，使得加速过程滞后于放电和烧蚀过程，作用于加速过程的电弧沉积能量比例降低，降低推力器等离子体喷射速度，元冲量减小，比冲降低，总体效率下降。结合总体效率传递模型分析，毛细管内径对推力器效率的影响主要体现在能量传递效率方面，毛细管长度变化主要影响等离子体电热加速效率，优化推力器总体效率需要从能量沉积效率和加速效率两方面入手。

图1  推力器能量效率 (a) 不同长度；(b) 不同内径

同行评价

毛细管放电型脉冲等离子体推力器在微纳卫星领域有非常好的应用前景，因此，研究此类推力器放电特性、能量沉积机理、烧蚀特性、推力特性和羽流特性等是非常有意义的。作者采用实验方法研究了毛细管放电型脉冲等离子体推力器中毛细管腔体结构对此类推力器放电特性、能量沉积机理、烧蚀特性、推力特性和羽流特性等，所采用的方法合理，所得到的结论对应用有指导意义。

关联成像近年来成为光学成像领域的研究热点，光学相控阵集成度高、成本低和调制速率高等优点非常适合应用于关联成像。本文使用二维独立相位控制的光学相控阵，研究了光学相控阵产生的周期性赝热光场赋予关联成像的新特性: 分别在暗室、有相位干扰和有热光噪声的条件下基于双周期光场进行了无分束器的关联成像实验；并利用光学相控阵双周期光场实现了图像拼接。研究结果对于促进关联成像技术的进步、拓展光学相控阵的应用有重要的意义。

图1  不同条件下的成像结果 (a) 不同采样次数K的重构图；(b) 重构图PSNR随K的变化曲线

本文研究了 OPA 产生的周期性赝热光场，并基于二维独立相位控制的 4×4硅基 OPA 的双周期光场，实现了无需分束器的关联成像的原理性实验验证。如果使用更大阵列的 OPA，成像系统的分辨率会得到显著提高；如果使用电光相位调制取代热光相位调制可以使采样速率进一步提高。随着 OPA技术的进步，基于 OPA 的关联成像技术必将在生物医疗、军事和遥感等领域得到广泛的应用。

《物理学报》2021年第23期全文链接：