仪器与测量

地基激光干涉引力波探测器的升级与改造

黄小曼，刘见，郭越凡，马怡秋，马宇波，王浩宇，王梦瑶，吴斌，杨圣，尤志强，张帆，张腾，肇宇航，朱兴江

物理学报, 2025, 74(20):200401

doi: 10.7498/aps.74.20250852

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地基激光干涉引力波探测器不仅首次发现引力波、开创了一个观测天文学的全新分支——引力波天文学，同时也是物理学相关领域前沿科学与先进技术的成功典范。为了实现引力波探测的目标，使引力波成为一个常态化的天文观测手段，全球主要地基引力波探测器经历了持续数十年的技术升级与改造。本文重点介绍LIGO、Virgo和KAGRA等探测器的升级历程，详细分析关键技术改进，包括激光功率增强、悬挂与隔振系统优化以及量子噪声抑制等方面的进展。这些技术进步显著提升了探测器在10至几千赫兹的灵敏度，从而成功探测到数以百计的致密天体并合引力波信号。展望未来，第三代地基引力波探测器的建设将大幅度拓展引力波的探测能力，为物理学和天文学研究开辟新的视野。

图1 Virgo鸟瞰图

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专题：高压下的光电物性调控与原位表征

压力调控材料光电响应特性研究进展

程鹏，叶婷婷，潘孝美，薛二巧，姚德元，丁俊峰

物理学报, 2025, 74(20):206201

doi: 10.7498/aps.74.20250912

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光电子技术领域的快速发展对半导体材料在光电特性上提出了更高要求，推动了对更加高效、可控的调控手段的深入探索。高压技术作为一种“干净”的外场调控手段，能够有效地调控材料晶体结构与电子态，激发新奇物理现象，实现性能的优化。近年来，高压技术在光电功能材料领域迅速崭露头角，为光电特性的优化提供了全新视角，展现出不俗的研究价值和应用潜力。本文概述了近年来二维过渡金属硫化物、金属与非金属卤化物等材料体系在高压条件下光电响应特性演化的研究进展。总结了高压对材料晶体结构、电子能带、光谱响应拓展、自驱动响应、极性反转等效应的影响规律，分析了结构与性能的内在关联，并探讨了高压调控所揭示的新机制和新效应。最后，针对当前压力调控光电特性领域存在的科学问题与技术瓶颈，提出了未来可能的研究方向与前景，以期为开发新型高性能光电器件提供理论基础和实验依据。

图1 高压调控光电响应特性研究中的典型材料分类示意图

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专题：高压下的光电物性调控与原位表征

高压下二维材料结构和光电性能研究进展

程龄莹，张华芳，毛艳丽

物理学报, 2025, 74(20):200701

doi: 10.7498/aps.74.20251034

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二维材料因其优异的光电性能在基础科学探索与光电子学、能源存储和转换器件等未来技术应用中展现出巨大的潜力，成为凝聚态物理和材料科学领域的前沿热点。二维材料独特的层状结构使其物理性能极易受外场的影响。高压技术作为一种高效、连续且清洁的调控手段，可以通过压缩原子间距、增强层间耦合，甚至诱导结构相变，进而实现对二维材料结构的精准调控以及光电性能的优化提升。本文以石墨烯、过渡金属二硫族化合物、二维金属卤化物钙钛矿等为例，结合金刚石对顶砧高压装置以及原位高压表征技术，重点探讨了它们在高压下的结构演化规律与光电性能调控机制，并指出了这一新兴研究领域所面临的挑战和机遇，以期为新型高性能功能材料的开发和实际应用有所启发。

图1 (a) 在DAC中压缩薄层石墨烯的XRD图谱；(b) 加压至52 GPa(左)和卸压(右)时石墨烯样品的拉曼光谱；(c) 卸压后与初始的石墨烯样品拉曼光谱对比；(d) 三层、六层及多层石墨烯吸光度随压力的变化关系；(e) 三层、六层、十二层及多层石墨烯在2.0 eV光子能量处的吸光度压力依赖关系

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综述

波导集成的碳基红外探测器研究进展

吕晓炜，张家振，陈俊宇，刘子卓，赵文超，吴秋诗，徐浩，陈效双

物理学报, 2025, 74(20):208101

doi: 10.7498/aps.74.20250830

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碳基材料因其独特且优异的光、热、电、磁、力等物理特性在红外光电探测领域备受关注，这些特性使其在通信、军事、成像、能源、生物等领域具有广泛的应用前景。然而，在面向工程化应用的实际场景中，碳基材料仍面临诸多挑战，如富勒烯、石墨烯和单根碳纳米管在红外波段吸收弱、灵敏度不足、响应慢等。碳基材料与波导集成，一方面可限域光场，有效抑制光传输的环境耗散，提升光与物质的耦合效率，从而提高探测器的信噪比、灵敏度、响应速度与工作带宽；另一方面，其工艺兼容CMOS加工工艺，有望实现低成本、高密度集成，可满足下一代红外光电探测器的发展需要。本文围绕多种波导材料集成的碳基红外光电探测器展开综述，详细介绍分析了器件的性能增强策略与发展瓶颈，最后展望了波导集成的碳基红外探测器的发展方向。

图1 (a) 非对称接触配置下硅波导上集成的石墨烯光电探测器；(b) 平面化波导上集成的双层石墨烯调制器/探测器的示意图；(c) 波导集成碳纳米管光电二极管结构示意图；(d) 低暗电流、48 GHz带宽的硅波导集成CNT光电探测器；(e) 基于平面化硅波导的高速CNT光电探测器；(f) 埋入硅波导上的hBN/SLG/hBN光电探测器；(g) 高性能硅-石墨烯混合等离激元波导光电探测器的结构；(h) PTE石墨烯光电探测器的3D示意图；(i) 硅-石墨烯等离子体肖特基光电探测器

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一种光谱特征增强驱动的机器学习地基红外高光谱云检测方法

王越，叶函函，熊伟，王先华，施海亮，李超，程晨，吴时超

物理学报, 2025, 74(20):200202

doi: 10.7498/aps.74.20250982

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云是地基红外高光谱仪器探测大气的重要干扰源，有效云检测不可或缺。水汽干扰和高云识别精度低是云检测面临的两个关键挑战。本文利用大气红外光谱探测仪（ASSIST）在云南丽江、西藏自治区墨脱和西藏自治区日土的观测数据，分析了晴空和有云条件下的光谱特征差异，并据此提出了一种光谱特征增强的机器学习云检测方法。结合同步观测的激光雷达、气象站及全天空成像仪数据，系统评估了该方法在不同相对湿度（RH）和不同云底高度（CBH）条件下的检测性能。实验结果表明：该方法与激光雷达检测结果的一致性高达97.61%。在不同RH条件下，该方法精度均优于使用原始光谱特征的方法，尤其在RH > 70%时，对晴空光谱的识别精度提升明显，从86.01%提高至91.89%。同样，在不同CBH条件下，新方法也展现出优于使用原始光谱特征方法的性能，特别在识别3 km < CBH ≤ 5 km的中云和CBH > 5 km的高云时，精度提升尤为明显。当3 km < CBH ≤ 5 km时，精度从95.45%提升至98.64%；当CBH > 5 km时，精度从87.5%提升至91.67%。

图1 云检测算法的流程图

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高分辨率宽范围连续变推力离子推力器设计及其天地一体化验证

胡竟，谷增杰，王成飞，郭德洲，王大年，陈娟娟，杨三祥，唐福俊，孙明明，贾艳辉，吴辰宸，耿海，杨福全，成荣

物理学报, 2025, 74(20):205205

doi: 10.7498/aps.74.20250841

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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。

图1 离子推力器单推力点高精密维轨期间主要工作参数变化情况   (a) 推力与比冲；(b) 功率；(c) 阴极触持电流和中和器触持电流；(d) 加速栅电流

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专题：二维材料与未来信息器件

过渡金属二硫族化合物异质结构中层间激子的形成判定与调控机制

王烁，殷垚，王琳

物理学报, 2025, 74(20):207102

doi: 10.7498/aps.74.20250890

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层间激子是由范德瓦耳斯异质结构中相邻材料层内的电子与空穴通过库仑作用束缚形成的激子，通常表现出空间间接性，因而具有较大结合能、长寿命及主要沿垂直方向分布的电偶极矩，在低维激子物理与新型光电器件研究中具有重要意义。过渡金属二硫族化合物异质结构因其天然的能带对齐特性成为理想研究平台。 本文综述了层间激子的形成机制与判定方法，总结了在典型能带结构下激子的能量分布、空间归属与态属性，并归纳了光致发光光谱分析、瞬态吸收和电调制吸收等表征手段的识别特征。在此基础上，系统梳理了电场、磁场、光场、应力、扭转角等外部条件对激子能级、复合行为与光谱特征的调控规律，并介绍了温度变化、多激子作用和多层堆叠结构等辅助策略，揭示了层间激子的行为受能带结构、界面耦合影响及局域势场共同作用的复杂性，对构建可控激子态与激子功能器件具有重要意义，有望推动其在低功耗逻辑、量子光源与集成光电子芯片等领域的实际应用。

图1 TMD异质结构中层间激子的形成判定与多样化调控机制. 图中心展示典型异质结构中层间激子的空间构型及常用光谱学表征手段(PL，PLE，EA，TA)，外围示意常见调控方式，包括电场、磁场、应力、光学微腔与扭转角等

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