▍導讀

稀土上轉換納米材料具有寬波段吸收、長壽命、獨特的反斯托克斯等優勢，已廣泛應用于生物醫學、顯示技術、光學復用和上轉換激光等領域。偏振作為熒光發射的重要特性，可以在另一維度上提供物質的結構與方向信息。然而，與4f電子躍遷相關的稀土上轉換發光亮度通常較弱，且不表現出偏振極化特征。如何增強上轉換納米材料的發光效率以及調控其偏振極化特性是目前研究的難點。局域表面等離激元（LSPR）被認為是增強上轉換發光最有效的途徑之一。盡管目前已報道的多種金屬等離激元結構在增強上轉換材料發光方面具有較好的效果。然而，金屬材料在可見光波段表現出顯著的歐姆損耗，導致傳統等離激元結構的光學品質因子 (quality factor，Q-factor) 相對較低。并且由于稀土上轉換顆粒的多位置發光和譜線展寬，其上轉換發光的偏振組分往往難以區分。與等離激元結構相比，由高折射率介質納米結構組成的諧振超表面在可見光波段具有低損耗、高Q值特性，為稀土摻雜納米顆粒上轉換發光強度和偏振態的調控提供了一條有效途徑。

近日，由暨南大學李向平、鄧子嵐教授團隊與澳大利亞國立大學Yuri Kivshar院士、中國科學院物理所李俊杰教授團隊合作，將具有高品質（Q）因子的電介質共振超表面與上轉換顆粒材料進行耦合，實現了具有雙偏振選擇性的上轉換發光增強。

該研究成果以“Dual-band polarized upconversion photoluminescence enhanced by resonant dielectric metasurfaces”為題發表在卓越計劃高起點新刊eLight上。

在這項工作中，研究人員設計并制備了由高折射率介質納米結構組成的高Q諧振超表面（圖1）。共振超表面由一個雙原子單元組成，通過改變兩個納米磚之間的相對角度，可以調整結構的非對稱度。該結構支持y偏振入射的準連續域中束縛態（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雙波段表現出超亮的偏振上轉換發光。

圖1：偏振調控的上轉換發射增強

作者所提出的介電諧振超表面的單元結構如圖1b所示。對于y偏振入射光，通過引入非對稱參數δ（雙棒結構的相對轉角），將其轉變為具有高Q值的準bic模式。對于x偏振入射光，通過改變結構參數，以調整Mie氏共振波長匹配上轉換發射波長，可以顯著地增強上轉換發光強度。所設計兩個共振峰的Q值均超過1000（圖1e）。在準BIC共振與Mie共振位置處的場分布可以看出，電場增強集中在納米轉以外的區域，即上轉換納米顆粒填充的區域，因此能有效與上轉換納米顆粒發生耦合，增強其發光效率（圖2）。

圖2：通過打破結構對稱性實現從BIC到高Q準BIC共振的轉換

作者進一步研究了上轉換納米顆粒在超表面和玻璃基板上的熒光光譜（圖3）。首先通過旋涂方式，將上轉換納米顆粒附著于超表面上。對于x偏振分量的熒光發射，超表面上的540 nm熒光強度比玻璃襯底上熒光輻射增強了51倍。而對于y偏振分量的熒光發射，在660 nm附近處，其熒光強度增強了43倍。超表面支持的準BIC及Mie氏共振同時導致上轉換熒光光譜線寬的明顯變窄，弛豫時間明顯減少，符合Purcell效應的基本規律。

圖3：（a）上轉換熒光增強；（b）上轉換熒光壽命測量；（c）上轉換熒光線寬比較

接下來作者還研究了該諧振超表面對于上轉換發光偏振響應的調控，采用980 nm光泵浦激發超表面上的上轉換納米顆粒，得到了不同檢偏度條件下超表面耦合上轉換熒光偏振光譜。通過旋轉檢偏器，光譜中540 nm和660 nm處的光譜強度隨檢偏度而改變。結果表明上轉換熒光具有交叉偏振特性，線偏振度（Dop）可達到0.86和0.91。

圖4：上轉換熒光線偏振特性表征

本研究提出的方法能有效增強上轉換發光，并且實現線偏振上轉換熒光發射。通過將稀土納米顆粒與共振超表面結合，為納米級超亮偏振光發射源提供了優越平臺，在上轉換偏振激光、生物傳感和熒光成像等方面具有潛在的應用前景。

▍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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