近期，華南先進光電子研究院詹求強教授課題組聯(lián)合北京大學嚴純華/孫聆東教授課題組，在國際頂尖光學期刊《Nature Photonics》上發(fā)表題為“Parallel photon avalanches for tunable emission and multicolour sub-diffraction microscopy”的封面論文，報道了一種新型光子雪崩上轉換發(fā)光機制——并行光子雪崩（parallel photon avalanches，PPA）。

光子雪崩作為一種特殊的上轉換發(fā)光機制，激發(fā)波長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，可實現(xiàn)高階（N≥10）非線性上轉換發(fā)光。光子雪崩的高階非線性發(fā)光在超分辨光學成像等領域具有獨特的優(yōu)勢：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，無需圖像后處理算法，顯著簡化了超分辨成像系統(tǒng)架構。然而，傳統(tǒng)光子雪崩發(fā)光機制受限于單一中間能級和激發(fā)態(tài)能級的能量循環(huán)，僅能產(chǎn)生單一波長的發(fā)光。這一局限性制約了其在多色成像、動態(tài)示蹤等領域的應用。因此，發(fā)展發(fā)光可調的光子雪崩機制，實現(xiàn)多重能量循環(huán)路徑的協(xié)同調控，是拓展光子雪崩應用維度的重要途徑。

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研究團隊以Ho3+離子作為發(fā)光中心，利用具有較長壽命的5I7、5I6雙中間能級構建PPA機制。在965 nm連續(xù)波長激光的激發(fā)下，通過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)藍光（485 nm，5F2,3/5K8→5I8）發(fā)射，產(chǎn)生紅、綠、藍多色光子雪崩上轉換發(fā)光。在約20 nm Ho3+摻雜的NaGdF4:Ho@NaYF4納米晶中，通過核殼結構抑制非輻射弛豫、控制Ho3+離子的摻雜濃度調節(jié)交叉弛豫，實現(xiàn)了高達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，實現(xiàn)了對細胞間肌動蛋白絲（隧道納米管）的標記與超分辨成像。

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基于相互獨立運行的兩組光子雪崩發(fā)光，研究團隊實現(xiàn)了將PPA從近單色紅光（LiLuF4:Ho, Ce@LiYF4）至紅/綠/藍多色發(fā)光（NaGdF4:Ho, Tm@NaYF4）的調節(jié)，實現(xiàn)了分別標記細胞質、細胞間肌動蛋白絲的超分辨圖像，成像分辨率達到102 nm（紅）與78 nm（藍/綠）。PPA機制突破了傳統(tǒng)光子雪崩在多色發(fā)光應用的局限，為多色超分辨光學成像提供了簡易的新方案，為稀土納米晶在多色超分辨成像等領域的應用打開了新的研究路徑。

詹求強教授與北京大學孫聆東教授、嚴純華教授為該論文的通訊作者，北京大學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。該工作獲得了國家自然科學基金優(yōu)青/重點項目、科技部國家重點研發(fā)計劃、廣東省自然科學基金等項目的資助。

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