近日，在國家自然科學基金、深圳市基礎研究等項目支持下，哈工大（深圳）微納光電團隊成員金立敏助理教授與香港城市大學王鋒教授、朱世德教授合作，在國際著名期刊《Nature Communications》上發(fā)表了題為“Ultralarge anti-Stokes lasing through tandem upconversion”的論文（Nat. Commun. 2022, 13:1032）。哈工大（深圳）為通訊單位，金立敏、王鋒、朱世德為共同通訊作者。

文章指出，相干紫外光在環(huán)境和生命科學中有著重要應用，然而直接紫外激光面臨著直接制造和運行成本的限制。研究團隊提出了一種通過串聯(lián)上轉換過程間接產(chǎn)生的深紫外激光策略，即構建一種多殼層納米粒子，在1550納米遠程通信波長激發(fā)下，實現(xiàn)290納米處的深紫外激光輸出。在成熟的電信行業(yè)中，各種光學元件很容易獲得，該研究成果為構建適用于器件應用的小型化短波激光器提供了可行的解決方案。

關于上述研究，文章提到1260納米（≈3.5 eV）超大反斯托克斯位移原因一系列不同上轉換過程的串聯(lián)組合。在該實驗中，通過多殼層納米結構將Tm3+和Er3+上轉換過程限制在不同的殼層中，以減少不同上轉換過程之間不可控的能量交換作用引起的激發(fā)能耗散。此文說明了Ce3+摻雜是實現(xiàn)多米諾上轉換的必要條件，這是由于Ce3+通過交叉弛豫抑制了Er3+的高階上轉換，實現(xiàn)了4Ⅰ11/2能級占優(yōu)的粒子數(shù)翻轉，從而能夠促進Er3+Yb3+的能量轉移和隨后的Yb3+Tm3+上轉換過程。團隊將該材料與高Q值（2×105）的片上微環(huán)激光器件相集成以進行光學表征，首次觀察到了Er3+敏化的強深紫外上轉換激光輻射，該多米諾上轉換過程促進下的Tm3+離子五光子上轉換輻射對激光腔的Q值因子很敏感，并以尺寸近似的聚苯乙烯小球模擬癌細胞分泌物進行了傳感測量，可以通過監(jiān)測290納米激光閾值變化實現(xiàn)納米顆粒傳感，傳感尺寸小至300納米。

圖1. Er3+敏化的強深紫外片上激光器件及其在納米顆粒傳感方面的應用

文、圖 | 材料科學與工程學院