前沿进展 | 实现46阶非线性光子雪崩效应及超分辨荧光成像

“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

01 导读

近日，华南师范大学詹求强教授团队在非线性光学及超分辨荧光显微成像领域取得进展：提出了一种新型的迁移光子雪崩机理，在常温下实现了国际上非线性响应阶数最高（46阶）的光子雪崩现象，基于该极高阶非线性荧光效应发展了一种极其简便的单光束、低光强、近红外超分辨显微成像技术（62 nm），系统比传统共聚焦更简单，并成功应用于亚细胞结构的观测。相关研究成果以“Migrating photon avalanche in different emitters at the nanoscale enables 46th-order optical nonlinearity”为题发表在Nature Nanotechnology上。2022 | 前沿进展

02 研究背景

光子雪崩是一种具有超高阶非线性光学响应特性的上转换发光现象，于1979年首次在掺镨晶体中被观察到，表现出的特征为激发光功率超过一定阈值后，发射荧光强度随激发光强度增加而展现出超高阶非线性依赖关系，阶数远高于传统的瞬态多光子吸收。

但过去四十多年里光子雪崩基本只能在块状材料中观测到，甚至需要超低温等极端条件。如何在纳米尺度、常温条件下实现高效光子雪崩一直是个重大科学难题。这是因为在纳米尺度下实现光子雪崩存在巨大困难，如掺杂浓度提高增强交叉驰豫同时影响高能级电子布居、纳米颗粒表面存在众多损耗发光能量的猝灭中心。

03 研究创新点

针对这个重要难题，詹求强教授带领团队努力探索适用于在纳米尺度实现光子雪崩的新理论，并取得了重要进展。在物理机理上，提出了多离子级联作用的新型光子雪崩机理（Cascade Photon Avalanche），在室温条件下实现了掺镨纳米颗粒的26阶非线性荧光的光子雪崩。具体地，詹教授团队提出了双离子掺杂的光子雪崩体系，相比传统的研究引入了一种能级简单的新离子（镱离子）承担存储能量的功能。该研究从理论和实验上系统地分析了能量传递路径，建立完善的雪崩体系模型并使用数学方程理论模拟发光的动力学过程，探寻了最佳掺杂配比，阐明了影响光子雪崩建立的内在机制。基于理论指导，合成对应的双离子掺杂的纳米颗粒，在近红外光激发下，成功探测到覆盖蓝光至红光的多波段荧光的超高阶非线性光学响应曲线（图1）。图1 镱镨共掺的多离子级联纳米颗粒的光子雪崩能级理论分析和实验研究此外，团队发现了在多离子级联体系中的镱离子具有同样的光子雪崩效应，而镱离子是上转换体系中常用的敏化离子和能量迁移离子，能够有效敏化多种活化离子进行上转换发光，为光子雪崩效应传递给其他镧系离子提供了可能性。该团队由此进一步提出能量迁移光子雪崩机制（Migration Photon Avalanche），通过合成多层核壳结构的纳米颗粒，将最内层双离子级联体系作为提供雪崩能量的“纳米引擎”，雪崩能量经过镱离子组成的能量迁移网络传递给外层其他发光离子，并且由于上转换的多光子效应非线性阶数实现了进一步放大。例如，以铥离子作为扩展对象，得到了阶数高达46的非线性光学响应（图2）。图2 迁移光子雪崩 (MPA) 理论和实验研究，实现了光子雪崩效应迁移至钬和铥离子，非线性阶数最高达46阶值得注意的是，在传统块状材料中，光子雪崩的光学响应时间在秒至分钟量级，而该研究中的光子雪崩纳米颗粒具有快速的发光动力学，将光子雪崩荧光的时间响应速度提高了2-3个数量级，这对于光子雪崩应用来说具有重要的实际意义。由此，该团队开发出一种低功率、单光束激发下的超分辨显微成像技术，首先基于简单的激光扫描显微镜在单纳米颗粒上证明了超分辨成像的可行性，分辨率高达62 nm，随后进一步将光子雪崩纳米颗粒作为探针免疫标记到HeLa细胞，可清楚分辨细胞的精细结构。成像时单点扫描时间仅为~100 μs，很好地兼容传统的共聚焦显微系统，能在短时间内实现多细胞视野的低光强、近红外、单光束超分辨显微成像。图3 基于光子雪崩高阶非线性荧光效应开发出的一种低功率、单光束激发下的超分辨显微成像技术。在单颗粒成像中分辨率达62 nm，光子雪崩纳米颗粒成功应用于细胞标记，成像分辨率高达71 nm

04 总结与展望

该团队提出新理论并通过实验证实了多离子级联的光子雪崩体系以及能量迁移光子雪崩机理，为光子雪崩高阶非线性荧光在多种镧系离子中的实现提供了一种通用的策略，实现了46阶的超高阶非线性响应，并大大加快了光子雪崩荧光的响应速度。除超分辨显微成像应用外，在突破衍射极限的光传感、光存储、光刻以及纳米激光等方面可能会有多方面的应用前景，未来将会对非线性光学、纳米光子学、生物光子学等领域产生积极的影响。华南师范大学研究生梁宇森、朱志旻和乔书倩为论文的共同第一作者，詹求强教授为论文的通讯作者，华南师范大学为第一完成单位和通讯单位。参与工作的还有团队其它成员以及瑞典皇家理工学院（KTH）Jerker Widengren教授、刘海春博士团队以及北京大学孙聆东教授、董浩博士团队。该工作得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金等经费的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41565-022-01101-8本文来源：课题组供稿推荐阅读：

编辑 | 方紫璇

END

由于微信公众号试行乱序推送，您可能没办法准时收到“爱光学”的文章。为了让您第一时间看到“爱光学”的新鲜推送， 请您：

1. 将“爱光学”点亮星标（具体操作见文末）
2. 多给我们点“在看”

欢迎爆料

新闻线索、各类投稿、观点探讨、故事趣事

留言/邮件，我来让你/事红

爆料请联系：[e-mail]

点在看联系更紧密