强且相干的紫外光发射装置具有巨大的医疗和工业应用潜力，但以有效方式产生紫外光发射一直具有挑战性。最近，由香港城市大学(CityU)的研究人员共同领导的合作研究团队开发了一种新方法，通过使用近红外光对纳米粒子进行“多米诺上转换”处理来产生深紫外激光，该方法通常用于电信设备。这些发现为构建用于生物检测和光子设备的小型化高能激光器提供了解决方案。

在纳米材料的世界里，“光子上转换”是指当纳米材料被光或波长较长、能量较低的光子激发时，会发出波长较短、能量较高的光，如紫外光。

实现光子上转换的挑战

光子上转换的特点是激发低能光子时的高能发射，这引起了科学家们的极大兴趣。这是因为它具有成本效益高的微型深紫外线发射装置的建造潜力，这些装置具有巨大的医疗和工业应用潜力，例如微生物灭菌和生物医学仪器。然而，光子上转换过程的灵活性有限，因为它主要发生在包含固定能级组的特殊镧系离子中。

由城大材料科学与工程系王峰教授、物理系朱世德教授和哈尔滨工业大学(深圳)金利民博士共同领导的研究小组克服了困难。通过引入“多米诺向上转换”策略来克服障碍。

纳米粒子的特殊结构设计

多米诺上转换就像一个连锁反应，在一个上转换过程中积累的能量会触发另一个成功的上转换过程。通过使用带有特殊设计的“上转换纳米粒子”的环形微谐振器，该团队通过激发1550nm的低能红外光子成功地产生了290nm的高能深紫外光发射。

“由于激发波长在电信波长范围内，纳米粒子可以很容易地使用并集成到现有的光纤通信和光子电路中，而无需复杂的修改或调整，”王教授说。该研究结果发表在《自然通讯》杂志上，标题为“通过串联上转换产生的超大型反斯托克斯激光”。

构建“多米诺上转换”的想法受到了王教授和楚教授之前对核壳纳米粒子能量转移的研究的启发。纳米粒子的核壳结构设计允许在铒(Er3+)离子中进行多光子发光过程。通过采用类似的合成方案，该团队通过湿化学方法成功构建了“核-壳-壳”纳米粒子，以探索包括铥(Tm3+)离子在内的镧系离子的能量转移机制。

环形微谐振器

通过对上转换纳米粒子不同层或壳层中掺杂成分和浓度的精心设计，该团队成功实现了基于Er3+和Tm3+离子的上转换过程(多米诺上转换)的串联组合。在实验中，外壳中所含的Er3+离子对1550nm近红外光子激发响应，该波长位于电信范围内。通过将纳米粒子整合到环形微谐振腔中，该团队进一步生成了高质量的紫外微激光器，在1550nm激发下展示了289nm的激光作用。

王教授解释说：“上转换纳米粒子作为‘波长转换器’来倍增入射红外光子的能量。”他预计这些发现将为构建小型短波长激光器铺平道路，并表示它们可能会激发设计光子电路的新想法。他补充说，使用这种多米诺上转换技术的微型紫外激光器可以通过监测激光强度和阈值，为灵敏的生物检测提供平台，例如检测癌细胞的分泌，这在未来具有巨大的生物医学应用潜力。