光子上转换：具有超临界耦合的转向光

新加坡国立大学的研究人员及其合作者提出了一种称为“超临界耦合”的新概念，该概念可以将光子上转换效率提高数倍。这一发现不仅挑战了现有的范式，而且为控制发光开辟了新的方向

光子上转换，即将低能量光子转换为高能量光子的过程，是一项具有广泛应用的关键技术，从超分辨率成像到高级光子器件。尽管取得了相当大的进展，但由于掺杂镧系元素的纳米颗粒的辐照度和光学谐振的临界耦合条件的固有限制，对高效光子上转换的探索仍面临挑战

“超临界耦合”的概念在应对这些挑战方面发挥着关键作用。由新加坡国立大学化学系的刘晓刚教授和他的合作者、意大利国家研究委员会的Gianluigi Zito博士领导的研究团队提出的这一全新方法利用了“连续体中的束缚态”（BICs）的物理原理

BICs是一种使光能够被困在理论上无限寿命的开放结构中的现象，超过了临界耦合的极限。这些现象与光的通常行为不同

通过操纵这些结构中暗模式和亮模式之间的相互作用，类似于电磁感应透明的经典模拟，研究人员不仅增强了局部光场，而且精确控制了光发射的方向

他们的发现发表在《自然》杂志上

超临界耦合的实验验证标志着一个重大的飞跃，证明了上转换发光增加了八个数量级。实验装置包括一个覆盖有上转换纳米颗粒的光子晶体纳米实验室。这些纳米粒子可以作为微型光源和激光器

BICs的独特特性，以可忽略的光散射和光斑的微尺度尺寸为特征，被用来实现发射光的聚焦和方向控制的精度。这为控制光的状态开辟了新的途径

刘教授表示，“这一突破不仅是一项基础性发现，而且代表了纳米光子学领域的范式转变，改变了我们对纳米级光操纵的理解。超临界耦合的意义不仅限于光子上转换，还为量子光子学和基于耦合谐振器的各种系统提供了潜在的进展。”

刘教授补充道：“随着研究界努力研究这项工作的影响，未来的大门敞开了，在未来，光，我们宇宙中最基本的元素之一，可以以无与伦比的精度和效率得到控制。”