a) 具有高 Q 值准 BIC 和米氏共振模式的共振元表面示意图。 b) 在 y 和 x 线性偏振照明下，通过连续改变几何不对称参数 δ 而产生的反射光谱变化。 c) 沉积在元表面和玻璃基底上的 UCNPs 的上转换发光光谱。归功于：冯紫薇、谭石、耿广洲、李俊杰、邓子兰、尤里-基夫沙尔和李湘平

掺杂镧系元素的上转换纳米粒子（UCNPs）具有许多优越性能，包括可广泛调节的多色发射和较长的发射寿命。这使它们非常适合许多光发射应用。尽管 UCNPs 具有诸多优势，但其进一步发展和实际应用仍面临重大挑战。

偏振是荧光的另一个重要特征。它从另一个维度提供了方向和结构信息。偏振在荧光偏振成像技术中得到了广泛应用。UCNPs 中与 4f 电子转变相关的固有上转换发射过程通常较弱，不会表现出偏振特性。

在发表于《eLight》的一篇新论文中，由李湘平教授、邓子兰教授（暨南大学）、李俊杰教授（中科院物理所）、Yuri Kivshar教授（澳大利亚国立大学）领导的科学家团队开发了一种用于放大上转换发射的介电元表面。

之前的大多数研究都侧重于通过将 UCNPs 与等离子体纳米结构耦合来增强上转换发光。这些纳米结构附近的集中电磁场可显著提高吸收截面和上转换辐射率。支持表面等离子体的金属结构可有效定位光并产生强电场，从而增强上转换荧光。

由于内在损耗，金属纳米结构的品质因数（Q 因子）值通常较低。由于与发射材料直接接触，它们可能会产生淬火效应。Q 值是共振激发的关键参数。质子共振的 Q 值范围通常为几十。一些特殊的设计，如金属-绝缘体-金属（MIM）结构，可以获得较高的 Q 值。发射器靠近金属表面。淬火效应会使量子效率迅速下降。

与等离子纳米结构相比，在可见光频率下具有低损耗的高指数介质纳米结构组成的全介质谐振元表面支持更丰富的多极米氏谐振。这为荧光增强提供了一个极佳的替代方案。

由于这些米氏多极子在周期性阵列中的耦合，出现了集体高 Q 值共振。打破元原子的对称性可以将连续体中的束缚态（BIC）转化为具有有限但超高 Q 因子的准 BIC。这些新兴概念最近已在荧光增强和低阈值激光应用中得到了很好的开发和展示。

研究团队利用共振元表面的高 Q 值集体模式这一新兴概念，实现了偏振控制的双波段上转换猝发。研究小组设计并制造了由二原子纳米砖组成的高 Q 值共振元表面。该设计支持 Y 偏振入射的准 BIC 模式和 X 偏振入射的另一种高 Q Mie 共振模式。沉积在元表面上的 NaYF4:Yb/Er UCNPs 在双波段显示出超亮的上转换发光。

通过控制偏振分析仪的旋转，研究小组展示了超高偏振度（DoPs）的双波段线性和交叉偏振发射。该演示为 UCNP 发射的高效增强和偏振控制铺平了道路，有望应用于低阈值偏振上转换激光器和高光谱成像/传感。

参考资料

Ziwei Feng et al, Dual-band polarized upconversion photoluminescence enhanced by resonant dielectric metasurfaces, eLight (2023). DOI: 10.1186/s43593-023-00054-2