HADAR (High Altitude Detection of Astronomical Radiation)是一个基于大气切伦科夫成像技术的地面望远镜阵列，其采用大口径折射式水透镜系统来收集大气切伦科夫光，以实现对10 GeV—10 TeV能量段的伽马射线和宇宙线的探测。HADAR具有低阈能和大视场的优势，因此可以对天区进行连续扫描和观测，在观测活动星系核(Active Galactic Nuclei，AGN)等银河系外伽马射线源方面具有明显优势。本文研究了HADAR实验对AGN的探测能力。基于费米望远镜(Fermi Large Area Telescope，Fermi-LAT)的AGN源能谱信息，将观测能量外推至甚高能能段，同时加入河外背景光的吸收效应，以计算HADAR对AGN源观测的统计显著性。研究结果显示，HADAR运行一年时间，预计将有31个Fermi-LAT AGN源以高于5倍显著性被观测到，其中大部分为蝎虎状天体类型。

图7  赤道坐标系(J2000 坐标)下HADAR对河外源的观测显著性预期，显著性显示范围为–3—15。

本文针对HADAR对活动星系核的观测能力开展预研，通过模拟，发现它在运行一年后，有望探测到31个活动星系核。对天体现象的10GeV至10TeV的高能光子进行观测具有重要的意义，这对深入了解高能天体活动星系核AGN和伽马暴GRB的高能特征是非常及时和重要的。HADAR是一个基于大气切伦科夫成像技术的地面望远镜阵列，具有低阈能和大视场的优势，因此可以对天区 进行连续扫描和观测，在观测活动星系核(Active Galactic Nuclei，AGN)等银河系外伽马射线源方面具有明显优势。

基于HIRFL加速器装置的低能束实验平台，实验测量了1.07 MeV(~66.9 keV/u)高电荷态O⁵⁺离子穿过中性氢气和部分电离的低密度氢等离子体靶后的能量损失，观测到等离子体中离子能损减小的新实验现象。分别考虑部分电离等离子体对炮弹离子的电荷屏蔽效应以及靶区原子的极化效应(Barkas修正)，重新计算了离子能损，讨论了离子能损减小的可能物理机制。研究结果表明：在部分电离的低密度等离子体中，靶区的原子极化效应将显著影响Bohr速度能区离子的能量损失过程。

图1  中科院近物所的离子束与等离子体相互作用实验装置示意图。

基于中国科学院近代物理研究所的中低能高电荷态离子与等离子体相互作用实验平台，实验测量了 1.07 MeV 的 O⁵⁺离子穿过中性氢气体靶和射频放电氢等离子体靶后的能量损失，发现随着气压和馈入功率的增加，等离子体温度和密度都逐步增加，而离子能损却出现下降的新现象。理论上，考虑了离子-原子的极化效应，引入了Barkas 修正项的计算发现，激发态原子的占比随着馈入功率的升高而增加，引起 Barkas 修正项数值迅速降低，造成了离子能损的下降，计算结果与离子能损的实验测量符合的很好，解释了实验现象，为人们更深入理解离子束与等离子体相互作用提供了重要数据。

高温超导薄膜因其微波表面电阻低，可用于尖端高温超导微波器件的制作。然而由于高温超导材料特殊的二维超导机制和极短的超导相干长度，高温超导材料的微波表面电阻对微结构特别敏感。为了探究高温超导材料微结构和微波电阻的联系，采用脉冲激光沉积(PLD)技术在(00l)取向的MgO单晶衬底上生长了不同厚度的YBa₂Cu₃O_7–δ (YBCO)薄膜。电学测量发现不同厚度的样品超导转变温度、常温电阻差别不大，但超导态的微波表面电阻差异很大。同步辐射三维倒空间扫描(3D-RSM)技术对YBCO薄膜微结构的表征表明：CuO₂面平行于表面晶粒(c晶)的多寡、晶粒取向的一致性是造成超导态微波表面电阻差异的主要原因。

图5  (a) 1#样品和(b) 2#样品(109)衍射峰的3D-RSM，图中同时画出了(108)的3D-RSM；(c)和(d)是(a)和(b)在45o方向的垂直截面。

文章采用PLD制备了YBCO薄膜，利用同步辐射三维倒空间扫描技术对YBCO薄膜的微结构进行了表征，研究了高温超导材料微结构与微波表面电阻的关系，发现CuO₂面平行于表面晶粒的多寡、取向的一致性是造成超导态微波表面电阻差异的主要原因。文章研究方法独特，研究结果对后续实验研究有一定借鉴作用。

本文主要研究二维耦合布朗粒子在非保守外力作用下的定向输运问题。研究发现，非保守外力有促进二维耦合棘轮定向输运的效果。同时，在保守力(弹簧弹力)和非保守外力的相互协作与竞争中耦合布朗粒子的反向输运能够获得增强。特别地，随着弹簧原长或弹性系数的改变，二维耦合布朗粒子的定向运动都能够产生反向，这意味着耦合作用能够诱导二维布朗棘轮流反转的产生。实验上，通过选取不同种类的外力(保守力及非保守力)，能够对二维耦合布朗粒子的分离技术提供新的方案。

图4   非保守力F_x随参数a的变化曲线。

布朗粒子的非平衡定向输运是非平衡统计物理重要研究方向，相关研究对于理解和实现分子马达有理论指导作用。本文重点研究了非保守力作用下二维耦合布朗粒子的定向输运并发现非保守外力有促进二维耦合棘轮定向输运。同时还发现在保守力和非保守外力的相互协作与竞争中耦合布朗粒子的反向输运能够获得增强。通过控制系统的参数，还可以实现流的反转。论文的结果是有意义的，相关研究能够丰富布朗粒子的非平衡定向输运，也为可能的相关实验提供支持。

分层是大气湍流特别是高空湍流显著特征。在某一固定高度真实光学湍流Cn²值在平均值上有1—2个量级甚至更大的起伏。以观测数据建立的湍流廓线模式，是一个统计平均的结果。既不能代表某次实际大气湍流廓线的分层特征，也没有预报功能，不能完全满足光学工程需求。受限于计算机的容量和速度，无法通过DNS (direct numerical simulation)以及LES (large eddy simulation)求解Navier-Stokes方程来预报光学湍流，解决方案是通过中尺度天气数值预报模式MM5/WRF，预报出常规气象参数，再由湍流参数化方案计算出Cn²。本文介绍了近地面层、边界层和自由大气层Cn²预报方法和研究成果，从湍流动能预报方程和温度脉动方差预报方程详细推导出Tatarski公式，归纳出该公式所隐含的物理意义和适用条件。重点介绍了神经网络预报Cn²和Cn²估算和预报方法在南极天文选址的最新研究进展。分析了以实验数据拟合的经验模式、建立在Kolmogorov湍流理论基础之上含有常规气象参数的参数模式、与中尺度气象模式有关的预报模式、基于数据驱动的神经网络方法等不同模式的特点和差异。强调Kolmogorov湍流理论是现有大气光学湍流参数模式的理论基础。

图8  Polar WRF模拟的2014年1月30日(UTC)南极高原2 m高度处Cn²的日变化。等高线表示地形高度(m)，太阳图标引出的红色箭头表示太阳光照射方向，黑色五角星表示泰山站位置，灰色同心圆表示间隔为5°的纬度。

作者对大气光学湍流的预报方法和研究成果进行了介绍，着重介绍了相似理论预报Cn²、中尺度天气预报模式预报Cn²、人工神经网络预报Cn²，并从方程推导Tatarski的Cn²廓线估算公式，阐明其物理意义和适用条件，具有较高的参考价值。

H₂S作为一种有毒且腐蚀性较强的气体污染物，实现其浓度的准确测量意义重大。实际工业过程中，H₂S测量常受其他排放产物的干扰，本文基于腔衰荡吸收光谱技术(CRDS)通过扫描6336—6339 cm^–1范围内的吸收光谱，实现了H₂S/CO₂/CO三组分物质浓度的同步测量，为实际工业过程中物质干扰下的H₂S浓度测量提供新思路。首先，对不同采样长度下提取衰荡时间的准确性进行分析，发现衰荡信号的采样长度约为衰荡时间的8倍时，衰荡时间提取效果最好；通过不同压力对比实验确定最佳实验压力工况为50 kPa，并将最佳采样长度与压力工况应用于H₂S浓度测量。随后，改变H₂S浓度对CO₂/CO干扰下系统对痕量H₂S浓度的测量效果进行检验，并对不同稀释比例下浓度测量结果的线性度进行分析。最后，对本文CRDS系统的检测限进行分析，通过对4组低浓度H₂S光谱的信噪比进行分析，得到H₂S的检出限为6.9 ppb (1 ppb = 10^–9)；通过对系统长期测量结果进行Allan方差分析，得到系统对H₂S物质浓度的检测下限约在2 ppb左右。

图6   仅改变H₂S浓度测量结果。

文章的背景是在二氧化碳和一氧化碳的干扰下测量硫化氢浓度。大多数现有文献仅在二氧化碳干扰下使用CRDS测量硫化氢浓度，未见和一氧化碳同步测量，可以为衰荡光谱谱线干扰测试时提供借鉴。

高效地产生相互正交的各阶轨道角动量(orbital angular momentum，OAM)模式具有重要的研究价值。目前全光纤系统中高效地产生高阶轨道角动量模式的方法主要是基于二氧化碳激光器加工的长周期光纤光栅(long period fiber grating，LPFG)。然而产生高阶模式的光栅需要强的折射率调制与小的光栅周期，因此二氧化碳激光器高的功率和大的聚焦光斑不利于其刻写的重复性、成功率和延展性。为了解决这一问题，本文首次提出并制作了基于飞秒激光加工的三阶OAM模式转换器，在六模光纤上加工出了非对称的长周期光纤光栅，实验结果表明其在1550 nm附近能将基模转换为三阶的角向线性偏振模式LP₃₁模式，模式转换效率为98%，该模式可进一步被叠加转化为三阶OAM模式。与此同时，在1310 nm附近，该光栅还能够产生角向一阶径向二阶的OAM模式。本文证明了飞秒激光加工提供了一种可用于全光纤系统，具有高重复刻写性的长周期光纤光栅来产生高阶OAM模式的思路。

图6   (a)飞秒激光器刻写长周期光纤光栅实验装置；(b)光栅刻写前光纤侧视图；(c)光栅刻写后折射率调制区域侧视图。

论文基于飞秒激光在六模沟槽光纤刻写非对称长周期光纤光栅，实验产生了三阶OAM模式，模式转换效率为98%，并和二氧化碳激光加工长周期光栅产生三阶OAM模式进行了比较，在刻写精度、成功率和重复性等方面具有一定的优势。实验方案对高阶 OAM 模式的产生具有指导意义。

在磁光阱中利用冷原子温度低，多普勒展宽小的优势获得了窄线宽的里德堡电磁感应透明(EIT)谱峰，结合Autler-Townes分裂效应(EIT-AT分裂)分别测量了多个频率的微波电场强度。结果显示，EIT-AT分裂间距与微波电场强度呈很好的线性关系，EIT-AT分裂方法可测量的微波电场强度线性区的下限可达222μV/cm，这个下限比传统热原子蒸汽池中EIT-AT分裂线性区的下限5 mV/cm提高了大约22倍，这对极弱微波电场的绝对校准非常有帮助。我们进一步利用EIT共振处探测光透过率的变化测量微波电场强度，对应的最小测量值可以小于1μV/cm，相应的灵敏度可达到1 μV·cm^–1·Hz^–1/2。这些结果展示了冷原子样品在微波电场测量及其绝对校准方面的优势。

图5  微波频率为14.2 GHz时，冷原子和热原子EIT-AT分裂测量结果的比较. 图中蓝色方框代表冷原子测量结果，红色圆圈代表热原子测量结果. 具体实验参数如下：冷原子实验中探测光的强度和光斑直径分别为500 nW和100 μm，耦合光强度和光斑直径分别为60 mW和300 μm。热原子实验中探测光的强度和光斑直径分别为60 μW和800 μm，耦合光强度和光斑直径分别为40 mW 和900 μm。

基于里德堡原子的精密测量具有非常重要的意义。作者在实验上利用EIT-AT分裂来实现冷里德堡原子的微波强度测量并与热里德堡原子数据做对比（数据来自本篇论文署名第二的一篇工作），得出了冷原子可以最大限度地免疫于多普勒展宽，能够实现微波电场测量以及微波强度校准。这个实验展示了冷原子样品在微波电场测量和校准极弱微波电场强度等方面的优势。

纳米激光作为一种纳米级相干光源,是光电集成芯片的关键器件。激光器进一步小型化的阻碍在于随着激光器谐振腔体积的减小，其损耗迅速增大。连续域束缚态(bound states in the continuum,BICs)能有效降低全介质结构的辐射损耗。本文提出一种基于全介质共振波导光栅(resonant waveguide grating structures，RWGs)准BIC的纳米激光器,可有效降低纳米激光器的阈值。将传统两部分光栅转换为四部分光栅,可激发波导结构的准BIC模式。本文数值研究了该模式的受激辐射放大特性。结果表明：TE偏振光照射下，基于四部分光栅的RWG结构的纳米激光阈值比基于传统RWG结构的阈值低20.86%。TM偏振光照射时，阈值比传统RWG结构降低了3.3倍。而且TE偏振光照射时纳米激光的阈值比TM偏振光照射时阈值大约低一个数量级，这是因为TE偏振光照射时,结构的电场局域在波导层内，增强了光与增益材料的相互作用，从而降低了纳米激光的阈值。

图8  TE(a)和TM(b)偏振光照射下，不同几何参数δ的RWG结构的归一化最大发射强度随泵浦光功率密度的变化。

微腔的品质因子是微腔的最重要特性，高品质微腔是研究腔量子电动力学以及器件应用的关键。准连续域束缚态（QBIC）利用特殊的相位调控机制实现无穷大的微腔品质因子，其产生原因从拓扑光子学的角度也可以找到答案，因此成为目前半导体微腔光子学的研究热点。这篇文章从器件应用的角度出发，基于增益介质与QBIC模式的结合，探索了实现低阈值纳米激光器的可能性。文章巧妙利用四部分光栅结构，进一步降低体系的对称性，解决了传统两部分光栅BIC模式无法与外界光场耦合的问题，系统考察了QBIC模式的频率、光场分布、以及品质因子。最终利用合适的设计实现了基于这种结构的纳米激射，并且证明了其优越性。

由于结构巨大的自由度，缺陷石墨烯纳米带热电转换性能的优化设计是材料研究领域的难点之一。本文利用非平衡格林函数结合贝叶斯算法，对5-7环缺陷石墨烯纳米带热电性能进行了优化设计。研究结果表明，在搜寻具有高热电转换效率5-7环缺陷石墨烯纳米带的过程中，贝叶斯算法具备有效性和优越性。计算发现，利用贝叶斯算法能快速且准确地从32896个候选结构中搜索到具有最佳热电转换性能的唯一构型。即使在效率最低的一轮优化中，也仅需要计算1495个候选结构(约占所有候选结构的4.54%)即可寻找到最佳构型。研究还发现，在室温下的最佳构型5-7环缺陷石墨烯纳米带(长和宽分别为21.162 nm和1.23 nm)的热电优值ZT (约1.13)较完美石墨烯纳米带(约0.14)提升了近一个量级。这主要归因于5-7环缺陷有效抑制了系统的电子热导率，使得功率因子的减弱作用和热导率的抑制作用(正效应)之间达到了最大平衡。研究结果为设计和制备具有优异热电转换效率的石墨烯纳米带热电器件提供了一种新的可行性方案。

图7  比较原始石墨烯纳米带和最佳5-7环缺陷石墨烯纳米带的声子输运特性　(a) 声子热导；(b) 声子透射系数；(c)，(d) 三个典型声子频率下的声子局域态密度图。

作者结合非平衡格林函数方法和贝叶斯算法，对包含5-7环结构的石墨烯纳米带热电性能进行了系统研究。研究结果比较有趣，能为碳基新材料与热电领域带来新的认识。