【Adv.Mater.】21倍红光增强！动态上转换操控的新范式

文章标题：Dynamic Upconversion Manipulation via Cross‐Relaxation Engineering for Optical Encryption
通讯作者：Bin Dong, Wen Xu, Yinglin Song
文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.202520497

文章概要

引言

光子上转换（UC）是一种通过顺序吸收和能量转移实现反斯托克斯位移的过程，能够将低能光子转化为高能发射。镧系离子（Ln³⁺）因其独特的4f电子构型而成为理想的上转换材料。然而，传统的化学手段（如共掺杂、浓度优化、核壳结构设计等）难以直接操控激发态电子的动态分布，导致发射效率和可调性受限。交叉弛豫（CR）作为一种能量转移机制，理论上可实现对特定能级的定向调控，但其随机性和不可控性一直是瓶颈。本研究提出了一种基于双波长协同激发的交叉弛豫控制策略，为动态上转换操控开辟了新路径。

主要实验及结论

研究团队在NaYS₂基体中引入Er³⁺与不同Ln³⁺（Tm³⁺、Ho³⁺、Yb³⁺）的共掺杂体系。NaYS₂因其低声子能量（约260–280 cm⁻¹）、独特层状结构、大离子间距和高折射率，成为理想的能量存储与迁移平台。在980 nm与1532 nm双波长激发下，体系实现了绿色到红色的动态发光切换，并显著增强了红光发射强度，最高提升达21倍。

实验结果显示，Er³⁺作为光子收集者，Ln³⁺则充当交叉弛豫的中介，定向引导电子群体迁移至目标能级。通过透射电镜、光谱分析和寿命测试，研究揭示了双波长激发如何选择性地激活特定CR路径，从而实现对红光与近红外发射的精确调控。理论建模进一步证实了三个关键参数——激发态寿命、能量转移效率和CR动力学——在决定发射增强中的核心作用。

在应用层面，研究团队构建了光学逻辑AND门，并实现了动态随机视觉加密系统。该系统利用发光强度与寿命信号的双维度编码，实现了“00”“01”“11”等逻辑输出，成功展示了字母与数字的多维加密解码功能，具备高安全性、抗电磁干扰和直观可视化等优势。

总结及展望

本研究首次通过双波长协同激发实现了对交叉弛豫的直接操控，突破了传统单波长激发的局限，建立了动态上转换调控的新范式。NaYS₂基体的独特物理特性为高效能量存储与迁移提供了条件，使得红光发射增强超过21倍，并实现了绿色到红色的可控切换。这一机制不仅适用于Er³⁺-Tm³⁺体系，也可推广至Er³⁺-Ho³⁺与Er³⁺-Yb³⁺体系。

未来，该策略有望推动光学信息安全、三维显示、生物成像等领域的发展，成为新一代光子学与信息技术的重要基础。研究成果为智能化上转换调控提供了理论与实验依据，开启了光学加密与高维信息处理的新篇章。