研究方向之一：新型光纤激光光源研究
主要研究内容：
（1）多模光纤激光光源
多模光纤超短脉冲激光光源可使光脉冲的输出能量、输出模式数量、信息承载能力产生质的飞跃。设计渐变折射率多模光纤，研制2微米波段多模光纤激光光源，利用二维材料的饱和吸收特性，实现超快光脉冲的输出，利用其多模特性，实现输出脉冲的高能量；设计延展自相似光脉冲多模光纤激光器，实现输出脉冲的高稳定性、超宽带和高峰值功率；总结2微米波段超强、超快光脉冲产生的关键技术，实现新型光纤激光光源的应用开发。
（2）Mamyshev光纤振荡器
基于非线性再整形技术的Mamyshev光纤振荡器在材料加工、非线性光学显微镜、光频梳、飞秒化学等领域具有重要应用。研制Mamyshev光纤振荡器，通过去啁啾和延展自相似光脉冲技术，实现其输出脉冲的超宽带和周期量级脉宽；利用基于大模面积光纤、非对称臂的腔结构，减小非线性相移积累，提高输出脉冲能量；总结构造稳定、高能量超短脉冲光纤光源的关键技术；为Mamyshev光纤振荡器走向实用化提供技术支撑。
（3）超宽带类噪声光纤激光光源
低相干宽谱光源在光测量、光传感、光数据恢复、微加工、超连续光谱产生等领域具有重要应用。尤其在光测量和光传感方面，类噪声脉冲具有较低成本。利用反饱和吸收效应，研制宽带类噪声脉冲光纤激光光源，给出实现超宽光谱输出的关键技术；研究反饱和吸收效应对类噪声脉冲光谱特性的影响，给出其动力学特性；利用级联泵浦及非线性光谱展宽技术，实现脉冲放大，利用反饱和吸收效应增加光谱的平坦化，为超宽带类噪声光纤光源的制备奠定基础。
研究方向之二：低维光材料的研究
主要研究内容：
（1）低维VSe2/WSe2垂直异质结的理论预测与光电性质探究
二维过渡金属二硫化物（TMD）具有独特的物理性质。可将不同的TMD单层材料堆叠构成范德瓦尔斯（vdW）异质结。研究表明，vdW异质结在光电子器件、光伏应用和自旋电子学器件等领域有广阔的应用前景。通过对VSe2/WSe2垂直堆叠异质结进行第一性原理计算研究，探索它的磁性、肖特基势垒高度、电子性质以及应变、缺陷、层间转角、衬底等对这些性质的影响。计算不同几何结构的热力学和动力学，讨论它们的相对稳定性，通过拟合伊辛模型相互作用研究其磁性及其低温激发，为新型异质结光电材料的应用提供理论基础。
（2）二维硼基材料的理论预测与光电性质探究
硼单层是现有质量最轻，除石墨烯外几乎最薄的单层材料。通过在硼烯中引入过渡金属元素，设计稳定的硼基单层结构，并运用第一性原理计算结合粒子群优化算法，探索二维硼-过渡金属的低能量相。通过密度泛函微扰理论以及分子动力学模拟，确定材料动力学以及热力学稳定性；通过密度泛函理论下的广义梯度近似(GGA)和杂化泛函(HSE)等方法，计算能带色散关系；利用对称性分析以及紧束缚模型探讨能带形成机理；计算边界态以及拓扑不变量来探索能带的拓扑性质。
（3）利用STM和ARPES技术测量应力作用下二维光子材料性质
在单晶衬底上生长单层的二维材料时，由于晶格失配或者热膨胀系数不同引入的应变对二维材料的结构和电学性质会产生重要影响。例如，金属衬底上生长的石墨烯会形成应变结构：褶皱、鼓包等，从而改变石墨烯的电学性质。我们将利用扫描隧道显微镜(STM)和角分辨光电子能谱(ARPES)仪，研究不同应变对硅烯、锗烯、锑烯等单元素二维晶体材料结构和带隙的影响，从实验上建立应变和带隙之间的关联；探索具有较大应变情况下，这些单元素二维晶体材料的结构并研究其中可能出现的拓扑能带反转和拓扑边缘态等新奇物理效应。对于在半导体衬底上生长的二维晶体材料，可以直接进行输运性质的测量，因其与现有的半导体工艺兼容，可以为实际应用奠定基础。
研究方向之三：光量子信息处理的研究
主要研究内容：
（1）光信息的量子理论
量子相干、量子纠缠、量子关联作为基本的物理资源已经广泛地应用到量子信息处理的众多研究领域，相关量子资源的描述问题以及不同量子资源间的操作性联系是量子信息理论中的基本课题。围绕多量子比特系统中量子相干、量子纠缠和量子关联之间的关系展开研究，研究量子相干、量子纠缠的量化及探测问题，分析多体量子纠缠的纠缠结构及分布特性，建立不同量子资源之间的转化关系，并探讨在典型噪声环境中多量子比特系统的资源演化行为。
（2）光学非线性效应与量子态操控
光子作为量子信息的优良载体，可以在自由空间中传输，并具有传输速度快、与环境的耦合作用弱、消相干时间较长等优点，并且光纤的应用技术发展成熟、简单、保真度高。借助cross-Kerr非线性能够建立光子之间的相互作用，研究基于Kerr介质的性质进行光子纠缠态的操控，可以为实用光量子信息处理奠定理论基础和提供实验依据。研究固态光学腔中的非线性与量子混沌问题，为量子操控新方法与新型光学器件的设计提供理论基础。
（3）纳米光学系统的量子信息处理
纳米结构等离激元系统因其优良的光学特性得到人们广泛关注。通过设计等离激元系统的物理结构，可以有效地增加光场的局域效应，增加分子与场、分子与分子间相互作用强度，形成强耦合系统。基于纳米光学结构，如纳米光腔、表面等离激元、光学超材料、光子晶体等，设计合适的系统研究分子间能量转移、量子关联传递、量子多体局域化等信息处理问题；探究基于纳米光学的量子系统功提取等量子热力学问题，设计基于纳米光学系统的高效的量子器件如量子电池。
