近期，华南师范大学的光及电磁波研究中心课题组在非线性光学领域取得了重大突破，提出了一项引人瞩目的串联光子雪崩机理。此机理在常温下利用单一雪崩纳米引擎，实现了铒发光离子的超高阶非线性荧光，达到了41阶非线性效应。相关研究成果以《Advanced Materials》期刊在线发表，题为“Tandem Photon Avalanches for Various Nanoscale Emitters with Optical Nonlinearity up to 41st-Order Through Interfacial Energy Transfer”。
光子雪崩是超高阶非线性光学现象，在1979年于掺镨晶体中首次观测到。其特征在于激发光功率超过一定阈值后，发射荧光强度随激发光强度呈现超高阶非线性依赖关系，阶数远高于传统的多光子吸收。然而，过去四十年里，光子雪崩基本只能在块状材料中观测，且需极端条件。
铒(Er3+)离子在众多领域具有重要应用价值，但由于其丰富的多峰、宽带的基态能级共振吸收，与光子雪崩原理相悖，过去难以实现高效的纳米光子雪崩效应。
本课题组解决了这一挑战。通过前期工作的基础上，从理论到实验，系统分析能量传递路径，创新性地提出了串联光子雪崩新机理(Tandem Photon Avalanche)，成功实现了掺铒纳米颗粒的超高阶光学非线性荧光响应。
采用合成多层核壳结构的纳米颗粒，利用铥离子作为雪崩纳米引擎，在1064 nm近红外连续光激发下，实现铒离子在室温下高达41阶的非线性光学响应。此外，成功将串联光子雪崩机理扩展到钬离子、铈离子及上转换体系，探测到覆盖蓝光至近红光的多波段荧光的超高阶非线性光学响应曲线。
这一发现对光子雪崩机理的研究有着重要推动作用，同时在超分辨成像、光传感、光存储、光刻及纳米激光等领域具有广泛应用前景。此研究将在非线性光学、纳米光子学、生物光子学等领域产生重大影响。
