1 中国科学院安徽光学精密机械研究所大气光学重点实验室，安徽 合肥 230031
2 中国科技大学研究生院科学岛分院，安徽 合肥 230026
3 安徽省先进激光技术实验室，安徽 合肥 230037
4 安徽建筑大学环境与能源工程学院，安徽 合肥 230601
5 安徽省东超科技有限公司，安徽 合肥 230088
本文介绍了一种波长宽、响应快的静态体三维显示系统，包括显示介质、控制系统及激光系统三部分。实验中，选取具有双频上转换效应的NaYF4∶Er@NaGdF4∶Yb@NaYF4∶Er纳米晶溶液作为显示介质。控制系统选用1024×768的数字微镜显示器（DMD）及扫描振镜对红外激光进行投影，使用成像光学软件将立体图像的二维切片转换为DMD/扫描振镜的控制信号。激光系统选用1550 nm和850 nm的红外激光，用适当的光学元件调整光束和光路。最终在纳米晶的环己烷溶液中（1 mmol/mL）以30×1024×768的分辨率实现了绿色（532 nm）三维图像体的快速扫描，图像无闪烁、深度线索自然、可360°观看。该显示系统对材料性能要求不高，搭建方便，显示效果明显，为上转换材料在三维显示领域的初步研究及大尺寸体三维显示技术的探究提供了参考。
体三维显示 双步双频上转换 NaYF4纳米晶 数字微镜显示器
1 北京航空航天大学物理学院，北京 100191
2 澳大利亚国立大学物理学院电子材料工程研究室，澳大利亚堪培拉 2601
超分辨荧光成像技术因其能够突破光学衍射极限的限制，为生命科学研究带来全新的观察尺度而获得了诺贝尔化学奖。但是，传统的超分辨荧光显微镜需要极为复杂的光学系统来突破衍射极限，通常伴随着明显的光毒性和低时间分辨率，昂贵的造价以及日益复杂的操作限制了其在生物医学领域中的推广应用。因此，全球各大研究团队都在积极寻求具有近红外、高亮度和抗光漂白的替代荧光探针，并通过改善成像装置与算法，进一步拓展超分辨显微技术的应用范围。稀土元素纳米材料由于其独特而优异的物理化学特性，如显著的反斯托克斯光谱位移、无背景噪声、抗光漂白、光稳定性、低毒性和高成像穿透能力等，持续受到化学、物理学和材料学领域的广泛关注，是近期兴起的一种稳定性优异的无机荧光探针。本文首先简要介绍了上转换纳米颗粒的发光机制，然后讨论了纳米结构材料中实现光子上转换的主要限制。此外还介绍了镧系元素掺杂上转换纳米粒子在超分辨生物成像、分子检测等领域的应用，以及介绍了包括降低激光功率要求和耦合技术难度、提高激光直扫成像分辨率与速度、提高多路复用成像效率等应用技术优势。最后重点介绍了颗粒合成方面的主要挑战、可行的改进措施以及对未来发展的展望，为稀土纳米材料在生命科学成像领域的推广应用提供有力的理论基础与技术支撑。
荧光显微 超分辨成像 上转换纳米颗粒 镧系离子掺杂 激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618018
1 南开大学现代光学研究所，天津 300350
2 天津市微尺度光学信息技术科学重点实验室，天津 300350
上转换发光即发射光子能量高于激发光子能量的反斯托克斯过程，可以有效实现能量重整与转化，在生物成像、太阳能电池、光催化及光制冷等方面有着巨大应用前景。作为后摩尔时代战略性新材料，二维材料由于激子偶极矩强度大、线宽窄、无序性低、束缚能高等优势，为实现室温高效激子上转换发光创造了有利条件，近年来吸引了研究者的广泛兴趣。本文首先介绍实现光子上转换的发光机制，包括声子辅助、双光子吸收、俄歇复合等途径，进而梳理基于六方氮化硼、单层过渡金属二硫化物、二维钙钛矿等典型二维材料体系的上转换发光效应研究，同时针对上转换发光效率低的问题，讨论对二维材料上转换发光的调控和增强方式，最后展望二维材料体系激子上转换发光效应的应用前景。
上转换发光 材料 二维材料 激子 非线性光学 激光与光电子学进展
2024, 61(3): 0316007
1 哈尔滨理工大学测控技术与通信工程学院大珩量子调控协同创新中心，黑龙江 哈尔滨 150080
2 中国科学技术大学中国科学院量子信息重点实验室，安徽 合肥 230026
目标边缘增强上转换探测是一种通过非线性光学手段将红外（或太赫兹等）长波目标图像“上转换”到可见光波段的同时，强化目标图像几何边缘特征的新型上转换探测技术。基于准相位匹配的近红外上转换系统，理论结合实验进一步深入研究了泵浦空间复振幅结构对上转换目标图像特征的影响。通过比对研究定量分析了振幅带通滤波与螺旋相衬对目标图像边缘特征的增强效果，以及各自量子效率的差异。基于研究结论，针对几种典型场景给出了若干可实施的应用建议。
非线性光学 边缘增强 空间复振幅调制 上转换探测 傅里叶光学 平顶涡旋光束
新疆医科大学医学工程技术学院，乌鲁木齐 830011
近红外（ NIR）光诱导的光热治疗（ PTT）因其无创、非侵入、毒副作用低、可精准靶向治疗等特性，已成为肿瘤精准治疗的新型手段。凭借其独特的表面等离激元共振（ SPR）特性及其高效的光热转换效率、生物毒性与良好的光稳定性，金纳米颗粒（ Au NPs）已成为理想的光热治疗剂。而高质量成像技术是实现有效光热治疗的可靠有力的工具，尤其是多模态成像技术，比起单一成像方式具有更卓越的性能，为更全面、更精准的肿瘤成像提供了可能，显著提高了非侵入性医学治疗的潜力。 NIR光激发的稀土上转换纳米颗粒（ UCNPs），因其丰富的 4f电子结构展现出磁性、荧光、 X射线衰减和放射等多功能特性，使其作为造影剂在多模态成像领域展现了重要的应用前景。因此，构建 NIR光诱导的 Au NPs/UCNPs复合纳米体系，可用于多模态成像引导下的光热治疗，有望成为癌症诊疗的一种新策略。本文简单介绍了 Au NPs、UCNPs的光学特性，重点综述了 NIR光诱导的 UCNPs-Au NPs（纳米壳、纳米棒、纳米团簇）复合纳米体系在癌症光热治疗领域的最新研究进展，并对其实现诊疗一体化的未来进行了展望。
近红外 光热治疗 荧光成像 上转换纳米颗粒 金纳米颗粒 near-infrared photothermal therapy fluorescence imaging upconversion nanoparticles Au NPs
强激光与粒子束
2023, 35(12): 121005
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 发光学及应用国家重点实验室，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
提高上转换发光效率是促进上转换发光材料实际应用的关键。在NaErF4@NaYF4体系中，惰性NaYF4壳层可以抑制高组分Er3+掺杂下的发光浓度猝灭，其上转换发光主要来源于Er3+⁃Er3+的能量传递上转换。本文利用共沉淀法制备了Er3+和Yb3+分区掺杂的NaErF4@NaYbF4@NaYF4核壳结构的纳米颗粒，通过包覆惰性壳层研究Er3+⁃Yb3+⁃Er3+之间的能量传递和反向能量传递过程。由于808 nm波长只能激发Er3+而不能激发Yb3+，因此在808 nm波长激发下，Er3+在惰性壳层的保护作用下将激发态能量传递给Yb3+，随后通过反向能量传递回Er3+，使得Er3+的上转换发光增强。实验结果发现，当中间层Yb3+掺杂浓度为100%时，绿色和红色上转换发光最大增强倍数为24.9和9.79。
稀土纳米材料 上转换发光 反向能量传递 β-NaErF4 rare earth nanoparticles upconversion luminescence back energy transfer β-NaErF4
提出了基于NaYbF4∶Ho上转换发光粉末和SrAl2O4∶Eu, Dy长余辉发光粉末的潜在手印无背景显现技术, 旨在显著提高手印显现的信噪比, 并从光谱分析角度对显现信号和背景噪声进行定量评估。 首先, 采用溶剂热法和燃烧法分别制备了NaYbF4∶Ho上转换发光粉末和SrAl2O4∶Eu, Dy长余辉发光粉末。 然后, 对制备发光粉末的微观形貌、 晶体结构、 吸收光谱、 发光性质等进行表征。 经表征, NaYbF4∶Ho上转换发光粉末的微观形貌为纳米圆柱体, 晶体结构为六方晶系, 红外最大吸收波长为976 nm, 受980 nm红外光激发能产生539 nm绿色上转换发光; SrAl2O4∶Eu, Dy长余辉发光粉末的微观形貌为微米多面体, 晶体结构为单斜晶系, 紫外最大吸收波长为331 nm, 受365 nm紫外光激发能产生515 nm绿色长余辉发光。 最后, 将上转换发光粉末和长余辉发光粉末应用于荧光性客体表面的手印显现中, 分别通过上转换发光模式和长余辉发光模式对手印显现效果进行荧光增强, 实现了潜在手印的无背景显现。 本研究还借助视觉效果和光谱表征两种手段分别对手印显现的信噪比进行主观评价和客观分析。 手印显现结果表明, 两种荧光增强模式均能够消除掉客体背景荧光的干扰, 显现后的手印在暗场下发出了明亮的绿色可见光, 且手印与客体之间的颜色反差明显, 具有非常好的视觉效果。 光谱分析结果表明, 手印显现信号与客体背景噪声之间的强度差异显著, 能够达到较高的显现信噪比。 与基于传统荧光粉末的普通荧光模式相比, 上转换发光模式和长余辉发光模式具有高显现信噪比的突出优势。 该研究提出的基于上转换发光粉末和长余辉发光粉末的手印显现与荧光增强方法, 实现了潜在手印的无背景干扰显现, 扩大了稀土发光粉末的应用范围, 拓宽了手印显现方法研究的创新思路。
上转换 长余辉 发光 潜在手印 手印显现 Upconversion Afterglow Luminescence Latent fingerprint Fingerprint development 光谱学与光谱分析
2023, 43(11): 3427
Author Affiliations
Abstract
1 School of Electronic and Electrical Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China
2 State Key Laboratory of Advanced Optical Communication Systems and Networks, School of Physics and Astronomy, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
3 Shanghai Research Center for Quantum Sciences, Shanghai 201315, China
4 Collaborative Innovation Center of Light Manipulation and Applications, Shandong Normal University, Jinan 250358, China
Optical frequency conversion based on the second-order nonlinearity () only occurs in anisotropic media (or at interfaces) and thus is intrinsically polarization-dependent. But for practical applications, polarization-insensitive or independent operation is highly sought after. Here, by leveraging polarization coupling and second-order nonlinearity, we experimentally demonstrate a paradigm of TE/TM polarization-independent frequency upconversion, i.e., sum frequency generation, in the periodically poled lithium niobate-on-insulator ridge waveguide. The cascading of quasi-phase-matched polarization coupling and nonlinear frequency conversion is exploited. With a proper transverse electric field, TE and TM mode fundamental waves can be frequency-upconverted with an equal efficiency in the frequency converter. The proposed method may find ready application in all-optical wavelength conversion and upconversion detection technologies.
frequency upconversion polarization coupling lithium niobate on insulator ridge waveguide cascading process Chinese Optics Letters
2023, 21(12): 121901
