廈大物理李艾華老師在鑭系發(fā)光領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

    近日，廈門大學(xué)物理系李艾華老師與研究生高林爍在鑭系發(fā)光增強(qiáng)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果以“Ag-cap-enhanced upconversion luminescence of micropillars with unidirectional radiation”為題在線發(fā)表于Optica的旗艦期刊《Optica》上。

    鑭系（Ln3+）上轉(zhuǎn)換發(fā)光（UCL）在醫(yī)學(xué)、傳感、顯示、激光、固體激光冷卻、發(fā)光開關(guān)、太陽能電池等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。但是，目前UCL效率普遍不高，尤其是在低功率激發(fā)時(shí)，再加上4f-4f受迫電偶極躍遷的吸收截面極小，這兩者導(dǎo)致其發(fā)光亮度難以滿足實(shí)際應(yīng)用，成為UCL的瓶頸。

    為提高UCL亮度，人們制造了各種微/納諧振振結(jié)構(gòu)——通過與發(fā)射共振放大輻射（Purcell效應(yīng)）或者與吸收共振增強(qiáng)激發(fā)（局域場增強(qiáng)效應(yīng)）。迄今，較大的UCL增強(qiáng)均使用發(fā)光不佳的納米晶，而發(fā)光更好的微米晶僅有幾倍增強(qiáng)。

(a-d)結(jié)構(gòu)示意圖, 分別將MP定位在玻璃上(a)、碳膜TEM網(wǎng)上(b)、銀膜上(c)以及銀帽中(d)。(e-h)實(shí)驗(yàn)采集到相應(yīng)上轉(zhuǎn)換發(fā)光圖。(i-l)數(shù)值計(jì)算得到的激發(fā)電場分布圖。

    此項(xiàng)工作中，李艾華團(tuán)隊(duì)以豎直向上的β-NaYF4:Yb3+,Er3+六棱微柱為模版，獲得了三種易制備的UCL增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，其中自構(gòu)型微腔易于制作，方便擴(kuò)展。銀帽中的發(fā)光增強(qiáng)隨微柱直徑的劇烈起伏說明制備的自構(gòu)型微腔具有良好的品質(zhì)因子，對微晶的UCL最大實(shí)現(xiàn)了43倍增強(qiáng)。模擬計(jì)算獲得的各種結(jié)構(gòu)中激發(fā)場分布圖與實(shí)驗(yàn)捕捉到的發(fā)光圖一致，暗示激發(fā)增強(qiáng)是UCL增強(qiáng)的主要原因，不同于發(fā)射激光時(shí)普遍報(bào)道的輻射增強(qiáng)。此外，遠(yuǎn)場分析表明銀帽中的微柱實(shí)現(xiàn)了定向發(fā)射。

銀帽增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的定向發(fā)射與參考結(jié)構(gòu)的雙向發(fā)射對比

    該工作為利用諧振模式增強(qiáng)UCL提供了新的研究范式，構(gòu)建的等離激元增強(qiáng)自構(gòu)型微腔是研究光與物質(zhì)相互作用的有效平臺(tái)，也為低閾值激光研發(fā)提供了候選。另外，輻射角明顯縮小的單向發(fā)射對后續(xù)的光收集、以及與外部光學(xué)器件的耦合均十分有利。

    該工作在廈門大學(xué)物理系微納米光子學(xué)研究組李艾華副教授的指導(dǎo)下完成，物理系2021級(jí)碩士研究生高林爍為論文的第 一作者，課題組的其他研究生也參與了該工作，廈門大學(xué)物理學(xué)系為唯 一單位。所有作者一并感謝與孫志軍老師的有益討論。該工作得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11504307）的資助。