在實際器件的界面中，不同深處的結構對界面特性和功能的影響有顯著差别。因此，發展可将界面結構分層表征的表面非線性光譜理論和技術，是原位探索界面結構和能量轉移微觀機制的關鍵。基于表層和深層分子的非線性響應對光波矢依賴性的本征差異，我們提出了通過界面層間幹涉獲取界面相位信息，進而發展了界面結構的層析理論方法和實驗方案，突破了過去無法将有限厚度界面的表層與深層結構分離表征的瓶頸，首次在實驗上獲得了直接參與界面物質、能量交換的表層分子的微觀結構。我們将該技術應用于實際新型能源界面，即柔性發電器件界面和可燃冰界面，理清了該界面能量轉化和存儲的微觀機理，進而提出了改善效率的解決方案。