稀土上轉(zhuǎn)換納米材料具有寬波段吸收、長(zhǎng)壽命、獨(dú)特的反斯托克斯等優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、顯示技術(shù)、光學(xué)復(fù)用和上轉(zhuǎn)換激光等領(lǐng)域。偏振作為熒光發(fā)射的重要特性，可以在另一維度上提供物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與方向信息。然而，與4f電子躍遷相關(guān)的稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光亮度通常較弱，且不表現(xiàn)出偏振極化特征。如何增強(qiáng)上轉(zhuǎn)換納米材料的發(fā)光效率以及調(diào)控其偏振極化特性是目前研究的難點(diǎn)。局域表面等離激元（LSPR）被認(rèn)為是增強(qiáng)上轉(zhuǎn)換發(fā)光最有效的途徑之一。盡管目前已報(bào)道的多種金屬等離激元結(jié)構(gòu)在增強(qiáng)上轉(zhuǎn)換材料發(fā)光方面具有較好的效果。然而，金屬材料在可見(jiàn)光波段表現(xiàn)出顯著的歐姆損耗，導(dǎo)致傳統(tǒng)等離激元結(jié)構(gòu)的光學(xué)品質(zhì)因子 (quality factor，Q-factor) 相對(duì)較低。并且由于稀土上轉(zhuǎn)換顆粒的多位置發(fā)光和譜線展寬，其上轉(zhuǎn)換發(fā)光的偏振組分往往難以區(qū)分。與等離激元結(jié)構(gòu)相比，由高折射率介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)組成的諧振超表面在可見(jiàn)光波段具有低損耗、高Q值特性，為稀土摻雜納米顆粒上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度和偏振態(tài)的調(diào)控提供了一條有效途徑。

近日，由暨南大學(xué)李向平、鄧子嵐教授團(tuán)隊(duì)與澳大利亞國(guó)立大學(xué)Yuri Kivshar院士、中國(guó)科學(xué)院物理所李俊杰教授團(tuán)隊(duì)合作，將具有高品質(zhì)（Q）因子的電介質(zhì)共振超表面與上轉(zhuǎn)換顆粒材料進(jìn)行耦合，實(shí)現(xiàn)了具有雙偏振選擇性的上轉(zhuǎn)換發(fā)光增強(qiáng)。

該研究成果以“Dual-band polarized upconversion photoluminescence enhanced by resonant dielectric metasurfaces”為題發(fā)表在卓越計(jì)劃高起點(diǎn)新刊eLight上。

在這項(xiàng)工作中，研究人員設(shè)計(jì)并制備了由高折射率介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)組成的高Q諧振超表面（圖1）。共振超表面由一個(gè)雙原子單元組成，通過(guò)改變兩個(gè)納米磚之間的相對(duì)角度，可以調(diào)整結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱(chēng)度。該結(jié)構(gòu)支持y偏振入射的準(zhǔn)連續(xù)域中束縛態(tài)（BIC）模式以及x偏振入射的Mie氏共振模式。沉積在超表面上的NaYF?:Yb/Er納米顆粒在540 nm、660nm雙波段表現(xiàn)出超亮的偏振上轉(zhuǎn)換發(fā)光。

圖1：偏振調(diào)控的上轉(zhuǎn)換發(fā)射增強(qiáng)

作者所提出的介電諧振超表面的單元結(jié)構(gòu)如圖1b所示。對(duì)于y偏振入射光，通過(guò)引入非對(duì)稱(chēng)參數(shù)δ（雙棒結(jié)構(gòu)的相對(duì)轉(zhuǎn)角），將其轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂懈逹值的準(zhǔn)bic模式。對(duì)于x偏振入射光，通過(guò)改變結(jié)構(gòu)參數(shù)，以調(diào)整Mie氏共振波長(zhǎng)匹配上轉(zhuǎn)換發(fā)射波長(zhǎng)，可以顯著地增強(qiáng)上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度。所設(shè)計(jì)兩個(gè)共振峰的Q值均超過(guò)1000（圖1e）。在準(zhǔn)BIC共振與Mie共振位置處的場(chǎng)分布可以看出，電場(chǎng)增強(qiáng)集中在納米轉(zhuǎn)以外的區(qū)域，即上轉(zhuǎn)換納米顆粒填充的區(qū)域，因此能有效與上轉(zhuǎn)換納米顆粒發(fā)生耦合，增強(qiáng)其發(fā)光效率（圖2）。

圖2：通過(guò)打破結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性實(shí)現(xiàn)從BIC到高Q準(zhǔn)BIC共振的轉(zhuǎn)換

作者進(jìn)一步研究了上轉(zhuǎn)換納米顆粒在超表面和玻璃基板上的熒光光譜（圖3）。首先通過(guò)旋涂方式，將上轉(zhuǎn)換納米顆粒附著于超表面上。對(duì)于x偏振分量的熒光發(fā)射，超表面上的540 nm熒光強(qiáng)度比玻璃襯底上熒光輻射增強(qiáng)了51倍。而對(duì)于y偏振分量的熒光發(fā)射，在660 nm附近處，其熒光強(qiáng)度增強(qiáng)了43倍。超表面支持的準(zhǔn)BIC及Mie氏共振同時(shí)導(dǎo)致上轉(zhuǎn)換熒光光譜線寬的明顯變窄，弛豫時(shí)間明顯減少，符合Purcell效應(yīng)的基本規(guī)律。

圖3：（a）上轉(zhuǎn)換熒光增強(qiáng)；（b）上轉(zhuǎn)換熒光壽命測(cè)量；（c）上轉(zhuǎn)換熒光線寬比較

接下來(lái)作者還研究了該諧振超表面對(duì)于上轉(zhuǎn)換發(fā)光偏振響應(yīng)的調(diào)控，采用980 nm光泵浦激發(fā)超表面上的上轉(zhuǎn)換納米顆粒，得到了不同檢偏度條件下超表面耦合上轉(zhuǎn)換熒光偏振光譜。通過(guò)旋轉(zhuǎn)檢偏器，光譜中540 nm和660 nm處的光譜強(qiáng)度隨檢偏度而改變。結(jié)果表明上轉(zhuǎn)換熒光具有交叉偏振特性，線偏振度（Dop）可達(dá)到0.86和0.91。

圖4：上轉(zhuǎn)換熒光線偏振特性表征

本研究提出的方法能有效增強(qiáng)上轉(zhuǎn)換發(fā)光，并且實(shí)現(xiàn)線偏振上轉(zhuǎn)換熒光發(fā)射。通過(guò)將稀土納米顆粒與共振超表面結(jié)合，為納米級(jí)超亮偏振光發(fā)射源提供了優(yōu)越平臺(tái)，在上轉(zhuǎn)換偏振激光、生物傳感和熒光成像等方面具有潛在的應(yīng)用前景。

▍論文信息

Feng, Z., Shi, T., Geng, G. et al. Dual-band polarized upconversion photoluminescence enhanced by resonant dielectric metasurfaces. elight 3, 21 (2023). 

https://doi.org/10.1186/s43593-023-00054-2

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