[논문 리뷰] Dual-band polarized upconversion photoluminescence enhanced by resonant dielectric metasurfaces

Ziwei Feng, Tan Shi외 5명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 16.

Luminescence and Fluorescent MaterialsMaterials Science인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 540 nm 및 660 nm에서 고Q 인자 모드를 자극함으로써 먨드산 도핑 나노입자에서 双-밴드 편광된 업컨버전 형광을 강화하는 공진성 유전체 메타표면을 제시한다. 이로 인해 형광 강도가 최대 두 계단(100배) 증가하고, 각각 편광도 0.86과 0.91을 달성하여 초박성, 편광된 빛원천을 위한 교차 편광 제어가 가능해진다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고성능 광학 장치에서의 응용을 제한하는, 루티늄 도핑 업컨버전 나노입자에서의 약한 형광 및 비편광 형광을 극복하기 위해.
• 동시 이중 밴드 방출 강도 향상과 높은 편광 제어를 달성하기 위한 전략을 개발하기 위해.
• 편광 제어를 통해 이중 밴드 공진을 선택적으로 스위칭하여 조절 가능한 밝고 편광된 빛원천을 실현하기 위해.
• 공진성 유전체 메타표면을 이용한 저임계 편광 업컨버전 레이저 플랫폼을 구현하기 위해.

제안 방법

• 540 nm 및 660 nm의 두 주요 업컨버전 방출 밴드에 맞추어 조정된 고Q 인자 공진 모드를 갖는 공진성 유전체 메타표면의 설계 및 제작.
• 메타표면과 국소 공진 모드에 결합할 수 있도록 루티늄 도핑 업컨버전 나노입자를 메타표면에 통합.
• 메타표면의 편광에 의존하는 공진 반응을 활용하여 특정 파장에서의 방출을 선택적으로 자극하고 강화.
• 고지수 유전체 나노구조에서의 마이-공진을 활용하여 강한 전자기장 농축과 풀-펌프 강화를 달성.
• 교차 편광 제어를 가능하게 하기 위한 편광에 의존하는 자극.
• 각도에 따라 변하는 및 편광에 따라 변하는 형광 스펙트럼 측정을 통해 형광 강도 향상 및 편광도의 정량적 특성 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공진성 유전체 메타표면은 두 개의 서로 다른 파장에서 동시에 업컨버전 방출을 강화할 수 있는가?
• RQ2 메타표면은 이중 밴드 업컨버전 방출에 대해 높은 편광 제어를 가능하게 하는가?
• RQ3 이 방법을 통해 얻을 수 있는 형광 강도 향상 수준과 편광도는 어느 정도인가?
• RQ4 이중 밴드 공진은 편광 제어를 통해 선택적으로 켜질 수 있는가?
• RQ5 이 플랫폼은 저임계 편광 업컨버전 레이저를 실현하는 데 실용적인가?

주요 결과

• 공진성 유전체 메타표면은 540 nm 및 660 nm 방출 밴드에서 업컨버전 형광 강도를 각각 두 계단(100배) 증가시켰다.
• 540 nm에서 편광도는 0.86, 660 nm에서 0.91에 도달하여 매우 높은 편광 방출을 나타냈다.
• 입사광의 편광 상태에 따라 이중 밴드 공진이 선택적으로 자극되어 교차 편광 제어가 가능했다.
• 메타표면의 고Q 인자 공진 모드가 국소 전자기장을 크게 강화하여 방출 효율을 향상시켰다.
• 시스템은 방출 밴드의 편광에 의존하는 스위칭을 보이며 출력 빛의 동적 제어를 가능하게 했다.
• 결과적으로 이는 유전체 나노구조를 이용한 효율적이고 저임계 편광 업컨버전 레이저를 햖थन하는 길을 열었다.