[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出了一种谐振介电超表面，通过在540 nm和660 nm处激发高品质因子模式，增强了掺杂稀土元素的纳米颗粒中的双波段偏振上转换光致发光，实现了高达两个数量级的发光增强，偏振度分别为0.86和0.91，从而实现了超亮、偏振光的交叉偏振控制。

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.

研究动机与目标

• 为克服掺杂稀土元素的上转换纳米颗粒中发光弱且无偏振的问题，从而限制其在高性能光学器件中的应用。
• 开发一种同时实现双波段发光增强与高偏振控制的策略。
• 通过偏振控制实现双波段谐振的可选择性开关，以实现可调谐、高亮度、偏振的光源。
• 展示一种基于谐振介电超表面的低阈值偏振上转换激光平台。

提出的方法

• 设计并制备了谐振介电超表面，其高品质因子模式被调谐至540 nm和660 nm这两个主要上转换发光波段。
• 将掺杂稀土元素的上转换纳米颗粒与超表面集成，使其与局域谐振模式耦合。
• 利用超表面的偏振依赖谐振响应，选择性激发并增强特定波长的发光。
• 利用高折射率介电纳米结构中的Mie共振，实现强场局域化和Purcell增强。
• 通过偏振依赖激发，实现对双波段发光的交叉偏振控制。
• 利用角度分辨和偏振分辨光致发光光谱对发光强度增强和偏振度进行定量表征。

实验结果

研究问题

• RQ1 谐振介电超表面能否同时增强两个不同波长的上转换发光？
• RQ2 该超表面能否实现对双波段上转换发光的高偏振控制？
• RQ3 该方法可实现多高的发光强度增强和偏振度？
• RQ4 能否通过偏振控制选择性开启双波段谐振？
• RQ5 该平台是否适用于实现低阈值偏振上转换激光？

主要发现

• 谐振介电超表面在540 nm和660 nm两个发光波段均实现了上转换光致发光强度的两个数量级增强。
• 在540 nm处偏振度达到0.86，在660 nm处达到0.91，表明发光高度偏振。
• 根据入射光的偏振态，可选择性激发双波段谐振，实现了交叉偏振控制。
• 超表面的高品质因子模式显著增强了局部电磁场，从而提高了发光效率。
• 该系统展示了基于偏振的发光波段选择性开关，实现了对输出光的动态控制。
• 结果为利用介电纳米结构实现高效、低阈值偏振上转换激光提供了可行路径。