来源：福建物质结构研究所
多光子吸收上转换具有空间限域效应、深组织穿透能力和高成像分辨率等优异的光学性能，在纳米光子学和生物医学等前沿领域具有广阔的应用前景。然而，由于材料的多光子吸收截面随着非线性阶数的增加而急剧减小，且在高功率密度激光激发下结构不稳定，实现高阶（n > 5）多光子吸收上转换及自发辐射放大仍是该领域的一个重大挑战。
近日，中国科学院福建物质结构研究所陈学元/郑伟研究员团队和福州大学于岩/李凌云教授团队合作开发了一种Te4+掺杂Cs2SnCl6多光子吸收上转换纳米晶。该纳米晶在385 nm紫外光激发下呈现明亮的宽带黄光发射，来源于Te4+的3P1 → 1S0电子跃迁，其荧光量子产率达到51.3%，而且还表现出优异的结构和光化学稳定性。利用5s2金属Te4+的1S0 → 3P1吸收允许跃迁，该纳米晶在800−2600 nm近红外波段展现出良好的非线性光学响应，可实现阶数高达七光子的上转换发光与三光子自发辐射放大（ASE）。
团队基于自行研制的纳米光子学测试系统，采用800−2600 nm飞秒脉冲激光激发Cs2SnCl6: Te4+纳米晶，观测到与385 nm紫外光激发一致的发射光谱和荧光寿命，表明其多光子吸收上转换发光来源于Te4+的发射。不同波长激发下的功率依赖关系测试表明其中2−7光子吸收的上转换过程。团队还通过荧光参比法测试了Cs2SnCl6: Te4+纳米晶的多光子吸收截面，其中6光子和7光子吸收截面分别达到5.974 × 10−167 cm12 s5 photon−5和2.320 × 10−196 cm14 s6 photon−6，优于铅卤钙钛矿纳米晶、CdSe/CdS量子点、荧光染料等传统的多光子吸收材料。
进一步地，团队通过显微镜聚焦激光束来提升激发功率密度（图3A），实现了粒子数反转，首次观测到Cs2SnCl6: Te4+纳米晶的多光子吸收自发辐射放大现象。在800 nm飞秒激光激发下，当功率密度超过2.4 μJ cm-2时，双光子上转换发射强度急剧增大，半峰宽从108 nm显著缩窄至6.7 nm，表现出双光子吸收自发辐射放大（图3B-D）。同样地，在1300 nm飞秒激光激发下，也表现出优异的三光子吸收自发辐射放大，激发阈值低至0.22 μJ cm-2（图3E-F），比此前文献报道的ASE材料激发阈值降低了1−4个数量级。这些结果表明Cs2SnCl6: Te4+纳米晶有望作为新型高效的多光子吸收发光材料在微型上转换激光、多光子生物成像等前沿领域发挥重要作用。