在实际器件的界面中，不同深处的结构对界面特性和功能的影响有显著差别。因此，发展可将界面结构分层表征的表面非线性光谱理论和技术，是原位探索界面结构和能量转移微观机制的关键。基于表层和深层分子的非线性响应对光波矢依赖性的本征差异，我们提出了通过界面层间干涉获取界面相位信息，进而发展了界面结构的层析理论方法和实验方案，突破了过去无法将有限厚度界面的表层与深层结构分离表征的瓶颈，首次在实验上获得了直接参与界面物质、能量交换的表层分子的微观结构。我们将该技术应用于实际新型能源界面，即柔性发电器件界面和可燃冰界面，理清了该界面能量转化和存储的微观机理，进而提出了改善效率的解决方案。