城大學者實現骨牌式上轉換發光 把紅外線升級成紫外線激光

高強度的紫外光發射裝置，具有巨大的醫療和工業應用潛能，但如何以高效的方式產生紫外光，一直是科學界一個重大的挑戰。最近，由香港城市大學（城大）的學者共同領導的一支研究團隊，便開發了一種嶄新的技術，利用設計獨特的納米粒子，在受日常電訊設備中常用的低能量、近紅外線激發後，成功引發了骨牌式的連串上轉換（domino upconversion）發光，從而放射出高能量的深紫外線激光。這項研究成果為發展出可適用於生物檢測（如癌細胞）和光子設備的微型高能量激光器，帶來了突破。

在納米粒子材料的世界裡，「上轉換發光」（photon upconversion）是指當納米材料受到較長波長、較低能量的光或光子激發時，它能產生波長較短、能量較高的電磁波如紫外光。

破解靈活性不足的難題，實現光子上轉換的挑戰

上轉換發光的特點在於受到低能量光子的激發後，可以放射出高能量的電磁波（如紫外光）。這個「能量升級」的獨特現像，引起了科學家極大的興趣，因為它有潛質能以高成本效益的方式，制造出微型的深紫外光發射裝置，而這種小型裝置具有巨大的醫療和工業應用前景，例如紫外光可應用於殺死微生物的消毒程序，或是應用於生物醫學儀器。然而，以往上轉換發光的過程，靈活性不足，因這特殊的現像一般只能在具有特定能量狀態的獨特「鑭系離子（稀土金屬離子）」之中出現」。

到了最近，上述難題終於獲解決。由城大材料科學及工程學系王鋒教授、物理學系朱世德教授和哈爾濱工業大學（深圳）的金立敏博士共同領導的研究團隊，研發了骨牌式上轉換（domino upconversion）策略，克服了有關局限。

納米粒子的特殊結構設計，積聚能量如連鎖反應

骨牌式上轉換發光如連鎖反應，在一個上轉換過程中積聚得來的能量，會觸發另一個後續的上轉換過程，使得最初吸收的光子的能量多次提升。研究團隊通過使用特別設計的「上轉換納米粒子」（upconversion nanoparticles），結合形狀如冬甩的「微環諧振器」（microresonator），成功地把波長1550納米的低能量紅外線光子吸收後升級，最終產生了波長290納米的高能量深紫外線。

王鋒教授說：「由於激發所需的波長在電訊波長的範圍之內，故新設計的納米粒子可以很容易地使用並結合到現有的光纖通信和光子電路中，無需復雜的修改或調整。」上述研究成果已於學術期刊《自然通訊》上發表，標題為〈Ultralarge anti-Stokes lasing through tandem upconversion〉。

骨牌式上轉換這嶄新的構思，源自王鋒教授和朱世德教授之前對「核-殼」納米粒子（core-shell nanoparticles）能量轉移進行的研究所帶來的啟發。因為納米粒子的“核-殼”結構設計，容許鉺（Er³⁺）離子產生多光子發光（multiphoton luminescence）現像。透過應用類似的合成程序，團隊在今次研究中使用「濕化學」方法，成功構建了「核-殼-殼」（core-shell-shell）多殼層納米粒子，以探索包括“銩（Tm³⁺）”離子在內的稀土金屬離子的能量轉移機制。

冬甩形狀的微環諧振器，協助產出高質量紫外線微激光

 

通過在上轉換多殼層納米粒子內，精心設計不同層之中摻雜的離子成分和濃度，研究團隊成功實現了基於Er³⁺和Tm³⁺離子的串聯式多重上轉換反應。納米粒子外殼中的Er³⁺離子，可接收波長為1550納米（這波長屬於電訊範圍之內）的近紅外線光子的激發。團隊於是在實驗中，通過把納米粒子裝入微環諧振器如冬甩形狀的環形管道之內，再以波長為1550納米的近紅外線光激發，成功產生出高質量、波長為289納米的紫外線微激光。

王教授解釋：「上轉換納米粒子成為了『波長轉換器』，能把入射的紅外線光子的能量倍增。」他預計，今次研究的新發現可開拓新的方向，有助將來研制新一代的微型短波激光器，並可能會激發出設計光子電路的新構思。他補充說，使用這種骨牌式上轉換技術的微型紫外線激光器，可以為要求高靈敏度的生物檢測應用提供平台，例如透過監測激光強度和臨界值，可檢測出癌細胞的分泌物，將可有巨大的生物醫學應用價值。

研究論文的共同第一作者是城大材料科學及工程學系的孫天瀛博士和陳冰博士。研究團隊的其他城大成員包括郭洋小姐、朱綺小姐、趙劍雄博士和李玉花博士，以及來自中山大學、深圳大學和哈爾濱工業大學（深圳）的研究人員。這項研究得到了國家自然科學基金、香港研究資助局和深圳市基礎研究基金的支持。

DOI number: 10.1038/s41467-022-28701-1