[論文レビュー] Dual-band polarized upconversion photoluminescence enhanced by resonant dielectric metasurfaces

Ziwei Feng, Tan Shi+5 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2023

Luminescence and Fluorescent MaterialsMaterials Science被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、540 nmおよび660 nmで高Qファクターのモードを励起することで、ランタニドドーピングナノ粒子における二波長帯の偏光上変換フォトリュミネッセンスを強化する共振型誘電メタサーフェスを提案する。最大で2桁の発光強度増幅と、それぞれ0.86および0.91の偏光度を達成し、超明るく偏光した光源のためのクロス偏光制御を可能にする。

ABSTRACT

Lanthanide-doped upconversion nanoparticles emerged recently as an attractive material platform underpinning a broad range of innovative applications such as optical cryptography, luminescent probes, and lasing. However, the intricate 4f-associated electronic transition in upconversion nanoparticles leads only to a weak photoluminescence intensity and unpolarized emission, hindering many applications that demand ultrabright and polarized light sources. Here, we uncover a new strategy for achieving ultrabright and dual-band polarized upconversion photoluminescence. We employ resonant dielectric metasurfaces supporting high-quality resonant modes at dual upconversion bands enabling two-order-of-magnitude amplification of upconversion emissions. We demonstrate that dual-band resonances can be selectively switched on polarization, endowing cross-polarization controlled upconversion luminescence with ultra-high degrees of polarization, reaching approximately 0.86 and 0.91 at dual emission wavelengths of 540 nm and 660 nm, respectively. Our strategy offers an effective approach for enhancing photon upconversion processes paving the way toward efficient low-threshold polarization upconversion lasers.

研究の動機と目的

• ランタニドドーピング上変換ナノ粒子における弱く偏光のないフォトリュミネッセンスの問題を克服し、高性能光学デバイスへの応用を制限する要因を解消すること。
• 同時に二波長帯発光強度の増幅と高い偏光制御を達成する戦略の開発。
• 偏光制御による二波長帯共鳴の選択的スイッチングを可能とし、調節可能で明るく偏光した光源を実現すること。
• 共振型誘電メタサーフェスを用いた低しきい値偏光上変換レーザーのためのプラットフォームを実証すること。

提案手法

• 540 nmおよび660 nmという上変換発光の主な二つの波長帯に合わせてチューニングされた高Qファクターモードを持つ共振型誘電メタサーフェスの設計およびプロセス。
• ナノメタサーフェスとランタニドドーピング上変換ナノ粒子を統合し、局所的共鳴モードに結合させる。
• メタサーフェスの偏光依存共鳴応答を活用して、特定の波長での励起と発光強度の選択的増幅を実現する。
• 高屈折率誘電ナノ構造におけるMie共鳴を用いて、強い電磁界の局所的閉じ込めとPurcell効果を達成する。
• 偏光依存励起により、二波長帯発光のクロス偏光制御を可能にする。
• 角度分解および偏光分解フォトリュミネッセンス分光法を用いて、発光強度増幅および偏光度の定量的評価を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共振型誘電メタサーフェスは、二つの異なる波長帯で同時に上変換発光を強化できるか？
• RQ2 メタサーフェスは、二波長帯上変換発光に対して高い偏光制御を可能にするか？
• RQ3 この手法により、どの程度の発光強度増幅と偏光度が達成できるか？
• RQ4 二波長帯共鳴は、偏光制御により選択的にオンにできるか？
• RQ5 このプラットフォームは、低しきい値偏光上変換レーザーの実現に有効であるか？

主な発見

• 共振型誘電メタサーフェスは、540 nmおよび660 nmの発光帯で、上変換フォトリュミネッセンス強度をそれぞれ2桁の増幅を達成した。
• 540 nmでは偏光度が0.86、660 nmでは0.91に達し、非常に偏光した発光であることが示された。
• 入射光の偏光状態に応じて、二波長帯共鳴が選択的に励起され、クロス偏光制御が可能となった。
• メタサーフェスの高Qファクター共鳴モードにより、局所的電磁界が顕著に強化され、発光効率が向上した。
• 発光帯の偏光依存スイッチングが実現され、出力光の動的制御が可能となった。
• 本研究の結果は、誘電ナノ構造を用いた効率的で低しきい値の偏光上変換レーザーへの道筋を示している。