近期，華南先進(jìn)光電子研究院詹求強(qiáng)教授課題組聯(lián)合北京大學(xué)嚴(yán)純?nèi)A/孫聆東教授課題組，在國(guó)際頂尖光學(xué)期刊《Nature Photonics》上發(fā)表題為“Parallel photon avalanches for tunable emission and multicolour sub-diffraction microscopy”的封面論文，報(bào)道了一種新型光子雪崩上轉(zhuǎn)換發(fā)光機(jī)制——并行光子雪崩（parallel photon avalanches，PPA）。

光子雪崩作為一種特殊的上轉(zhuǎn)換發(fā)光機(jī)制，激發(fā)波長(zhǎng)匹配稀土離子的激發(fā)態(tài)吸收，在離子間交叉弛豫的協(xié)同作用下，可實(shí)現(xiàn)高階（N≥10）非線性上轉(zhuǎn)換發(fā)光。光子雪崩的高階非線性發(fā)光在超分辨光學(xué)成像等領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：常規(guī)顯微鏡搭配連續(xù)光，即可獲得突破衍射極限的超分辨圖像，無(wú)需圖像后處理算法，顯著簡(jiǎn)化了超分辨成像系統(tǒng)架構(gòu)。然而，傳統(tǒng)光子雪崩發(fā)光機(jī)制受限于單一中間能級(jí)和激發(fā)態(tài)能級(jí)的能量循環(huán)，僅能產(chǎn)生單一波長(zhǎng)的發(fā)光。這一局限性制約了其在多色成像、動(dòng)態(tài)示蹤等領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，發(fā)展發(fā)光可調(diào)的光子雪崩機(jī)制，實(shí)現(xiàn)多重能量循環(huán)路徑的協(xié)同調(diào)控，是拓展光子雪崩應(yīng)用維度的重要途徑。

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研究團(tuán)隊(duì)以Ho3+離子作為發(fā)光中心，利用具有較長(zhǎng)壽命的5I7、5I6雙中間能級(jí)構(gòu)建PPA機(jī)制。在965 nm連續(xù)波長(zhǎng)激光的激發(fā)下，通過(guò)5I7→5F5、5I6→5S2/5F4激發(fā)態(tài)吸收，同步激活紅光（645 nm，5F5→5I8）與綠光（540 nm，5S2/5F4→5I8）發(fā)射；額外的激發(fā)態(tài)吸收和交叉弛豫還可觸發(fā)藍(lán)光（485 nm，5F2,3/5K8→5I8）發(fā)射，產(chǎn)生紅、綠、藍(lán)多色光子雪崩上轉(zhuǎn)換發(fā)光。在約20 nm Ho3+摻雜的NaGdF4:Ho@NaYF4納米晶中，通過(guò)核殼結(jié)構(gòu)抑制非輻射弛豫、控制Ho3+離子的摻雜濃度調(diào)節(jié)交叉弛豫，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)22階非線性、~22 kW/cm2溫和激發(fā)閾值的PPA多色發(fā)光。利用PPA納米晶的高階非線性發(fā)光，在常規(guī)單光束多光子顯微鏡上獲得了74 nm的成像分辨率，實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)胞間肌動(dòng)蛋白絲（隧道納米管）的標(biāo)記與超分辨成像。

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基于相互獨(dú)立運(yùn)行的兩組光子雪崩發(fā)光，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了將PPA從近單色紅光（LiLuF4:Ho, Ce@LiYF4）至紅/綠/藍(lán)多色發(fā)光（NaGdF4:Ho, Tm@NaYF4）的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了分別標(biāo)記細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞間肌動(dòng)蛋白絲的超分辨圖像，成像分辨率達(dá)到102 nm（紅）與78 nm（藍(lán)/綠）。PPA機(jī)制突破了傳統(tǒng)光子雪崩在多色發(fā)光應(yīng)用的局限，為多色超分辨光學(xué)成像提供了簡(jiǎn)易的新方案，為稀土納米晶在多色超分辨成像等領(lǐng)域的應(yīng)用打開(kāi)了新的研究路徑。

詹求強(qiáng)教授與北京大學(xué)孫聆東教授、嚴(yán)純?nèi)A教授為該論文的通訊作者，北京大學(xué)董浩副研究員為該論文的第一作者，參與工作的還有我校博士研究生喬書(shū)倩、倪閱，以及已畢業(yè)碩士生朱志旻、梁宇森。該工作獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)青/重點(diǎn)項(xiàng)目、科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、廣東省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41566-025-01671-8