城大学者实现骨牌式上转换发光 把红外线升级成紫外线激光
高强度的紫外光发射装置，具有巨大的医疗和工业应用潜能，但如何以高效的方式产生紫外光，一直是科学界一个重大的挑战。最近，由香港城市大学（城大）的学者共同领导的一支研究团队，便开发了一种崭新的技术，利用设计独特的纳米粒子，在受日常电讯设备中常用的低能量、近红外线激发后，成功引发了骨牌式的连串上转换（domino upconversion）发光，从而放射出高能量的深紫外线激光。这项研究成果为发展出可适用于生物检测（如癌细胞）和光子设备的微型高能量激光器，带来了突破。
在纳米粒子材料的世界里，“上转换发光”（photon upconversion）是指当纳米材料受到较长波长、较低能量的光或光子激发时，它能产生波长较短、能量较高的电磁波如紫外光。
破解灵活性不足的难题，实现光子上转换的挑战
上转换发光的特点在于受到低能量光子的激发后，可以放射出高能量的电磁波（如紫外光）。这个“能量升级”的独特现象，引起了科学家极大的兴趣，因为它有潜质能以高成本效益的方式，制造出微型的深紫外光发射装置，而这种小型装置具有巨大的医疗和工业应用前景，例如紫外光可应用于杀死微生物的消毒程序，或是应用于生物医学仪器。然而，以往上转换发光的过程，灵活性不足，因这特殊的现象一般只能在具有特定能量状态的独特“镧系离子（稀土金属离子）”之中出现。
到了最近，上述难题终于获解决。由香港城大材料科学及工程学系王锋教授、物理学系朱世德教授和哈尔滨工业大学（深圳）的金立敏博士共同领导的研究团队，研发了骨牌式上转换（domino upconversion）策略，克服了有关局限。
纳米粒子的特殊结构设计，积聚能量如连锁反应.
骨牌式上转换发光如连锁反应，在一个上转换过程中积聚得来的能量，会触发另一个后续的上转换过程，使得最初吸收的光子的能量多次提升。研究团队通过使用特别设计的“上转换纳米粒子”（upconversion nanoparticles），结合形状如甜甜圈的“微环谐振器”（microresonator），成功地把波长1550纳米的低能量红外线光子吸收后升级，最终产生了波长290纳米的高能量深紫外线。
王锋教授说：“由于激发所需的波长在电讯波长的范围之内，故新设计的纳米粒子可以很容易地使用并结合到现有的光纤通信和光子电路中，无需复杂的修改或调整。”上述研究成果已于学术期刊《自然通讯》上发表，标题为〈Ultralarge anti-Stokes lasing through tandem upconversion〉。
骨牌式上转换这崭新的构思，源自王锋教授和朱世德教授之前对“核-壳”纳米粒子（core-shell nanoparticles）能量转移进行的研究所带来的启发。因为纳米粒子的“核-壳”结构设计，容许铒（Er3+）离子产生多光子发光（multiphoton luminescence）现象。透过应用类似的合成程序，团队在今次研究中使用“湿化学”方法，成功构建了“核-壳-壳”（core-shell-shell）多壳层纳米粒子，以探索包括“铥（Tm3+）”离子在内的稀土金属离子的能量转移机制。
甜甜圈形状的微环谐振器，协助产出高质量紫外线微激光
通过在上转换多壳层纳米粒子内，精心设计不同层之中掺杂的离子成分和浓度，研究团队成功实现了基于Er3+和Tm3+离子的串联式多重上转换反应。纳米粒子外壳中的Er3+离子，可接收波长为1550纳米（这波长属于电讯范围之内）的近红外线光子的激发。团队于是在实验中，通过把纳米粒子装入微环谐振器如甜甜圈形状的环形管道之内，再以波长为1550纳米的近红外线光激发，成功产生出高质量、波长为289纳米的紫外线微激光。
王教授解释：“上转换纳米粒子成为了‘波长转换器’，能把入射的红外线光子的能量倍增。”他预计，今次研究的新发现可开拓新的方向，有助将来研制新一代的微型短波激光器，并可能会激发出设计光子电路的新构思。他补充说，使用这种骨牌式上转换技术的微型紫外线激光器，可以为要求高灵敏度的生物检测应用提供平台，例如透过监测激光强度和临界值，可检测出癌细胞的分泌物，将可有巨大的生物医学应用价值。
研究论文的共同第一作者是城大材料科学及工程学系的孙天瀛博士和陈冰博士。研究团队的其他城大成员包括郭洋小姐、朱绮小姐、赵剑雄博士和李玉花博士，以及来自中山大学、深圳大学和哈尔滨工业大学（深圳）的研究人员。这项研究得到了国家自然科学基金、香港研究资助局和深圳市基础研究基金的支持。
DOI number: 10.1038/s41467-022-28701-1
本文于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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