文献解读 | 超表面增强上转换成像：用 TiO₂ 谐振超表面把红外图像转成可见光（Light: Science & Applications 2026）

论文简介

本文解读的论文是 Enhanced infrared-to-visible upconversion imaging via metasurface–lanthanide nanoparticle hybrid screens，发表于 Light: Science & Applications 15（2026），开放获取，可点击 DOI 或 PMC 全文查看：

• DOI：https://doi.org/10.1038/s41377-026-02449-5
• 开放全文：https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC13558671/

作者团队来自澳大利亚国立大学、加州大学伯克利分校、新南威尔士大学与 RMIT 大学等机构，通讯作者包括 Dragomir N. Neshev 与 Kenneth B. Crozier。工作的一句话贡献是：把一层上转换纳米颗粒（UCNP，upconverting nanoparticle）涂在一块 TiO₂ 介质超表面上，做出了一块”红外进、可见光出”的成像屏幕——在 976 nm 红外激发下，红光上转换发射增强约 1100 倍，并用普通硅相机拍出了保留细节的红外图像。

为什么红外成像需要换一条路线

红外成像在环境监测、工业检测、安防和生物医学诊断中都很重要，但常规做法一直有一道硬门槛：能直接”看见”红外的探测器，大多需要窄带隙半导体材料，例如 InGaAs（铟镓砷）和 HgCdTe（碲镉汞）。这类探测器成本高、噪声大，不少还需要主动制冷才能正常工作。

于是有了另一条思路：不动探测器，改动物理过程。既然硅基相机和人的眼睛对可见光很敏感，那就把红外光”搬”到可见波段再拍。这个过程叫上转换（upconversion）：材料连续吸收两个或更多低能红外光子，最后发出一个高能可见光子。这类过程本身效率不高，但一旦成功，后端就可以用成熟、便宜、无需制冷的硅相机。

镧系掺杂的上转换纳米颗粒是这条路线里最受关注的发光材料之一。它们发射谱线窄、光稳定性和化学稳定性好、细胞毒性低，已经在生物成像、传感、近红外探测和光伏等方向积累了应用。问题同样明显：多光子吸收本身是低概率事件，激发光弱下来之后发光就迅速变暗。要让上转换成像真正可用，必须想办法把光和纳米颗粒的相互作用”放大”。

放大相互作用有两条现成路线：一是用金属等离激元结构，靠局域场增强把红外光挤到纳米颗粒所在的位置，但金属的非辐射损耗大，场又主要集中在金属界面附近，真正能与颗粒层重叠的体积有限；二是用介质谐振结构，损耗低、品质因子（Q factor）可以做到很高，但高 Q 共振通常伴随强色散和强非局域性——共振只在一个很窄的角度、很窄的波长范围内成立。

最后这一点正好撞上成像的本质需求。一张图像在光学上可以分解成不同空间频率的成分：细节对应高空间频率，也就对应较大的入射角度。若共振只在正入射附近有效，倾斜入射的光得不到同样强度的增强，相当于给图像加了一个”偏心”的增益，细节就会被抑制。论文作者把这对矛盾写得很明白：高 Q 共振往往是非局域的，而高分辨成像要求对不同空间频率提供均匀的吸收——这是一种局域响应。本文的核心贡献，就是用平带色散把这两件事同时满足。

图 1：红外光从物体发出，经涂覆在谐振 TiO₂ 超表面上的 UCNP 层转换后，形成可见图像。

图 1 给出了整块屏幕的工作方式：红外光从物体一侧入射，穿过均匀涂覆的纳米颗粒层，被超表面上的谐振模式增强吸收，随后纳米颗粒发出红绿可见光，直接进入相机或人眼。接下来需要先弄清发光材料本身的能级过程，再看超表面如何介入。

纳米颗粒怎么把两个红外光子变成一个可见光子

先看发光材料本身。论文使用的是一种”合金化”核壳结构纳米颗粒：核心是 β 相 NaYb₀.₈Er₀.₂F₄，外面再包一层约 4 nm 厚的未掺杂 NaYF₄ 惰性壳层，整体平均尺寸 21.4 nm，核心直径约 14 nm。

“合金化”的含义是：核心里的 Yb³⁺ 和 Er³⁺ 不是少量掺进去的杂质，而是几乎填满了整个核心晶格。常见的上转换颗粒掺杂浓度较低（例如 Yb/Er 为 20%/2%），而这里两种离子同时充当敏化剂和发光中心，单位体积内可参与吸收和能量传递的离子数目大幅增加，在低激发强度下更亮。外层惰性壳层作用也很直接：把发光离子与颗粒表面隔开，抑制能量向表面缺陷迁移后被无辐射地消耗掉。

发光过程可以按能级逐步拆开。Yb³⁺ 在 980 nm 附近有很强的吸收截面，先吸收入射的近红外光子，跃迁到激发态；接着它把能量传给相邻的 Er³⁺，使 Er³⁺ 分两步爬到高能级。Er³⁺ 从 ⁴S₃/₂ 回到 ⁴I₁₅/₂ 时发出约 542 nm 的绿光，从 ⁴F₉/₂ 回到 ⁴I₁₅/₂ 时发出约 654 nm 的红光。论文测量到的发射峰恰好落在 654 nm 和 542 nm，两个波长的比值由两条能级通道的分支比决定。

这里有一个能直接用实验检验的判据：如果发光确实来自双光子过程，那么发射强度 I 与激发功率 P 之间应满足幂律关系 $I \propto P^n$，在低激发区间 n 应当接近 2；激发功率升高、中间态开始饱和后，指数会下降到 1 附近。论文在 log–log 坐标下拟合 660 nm 红光强度与激发强度的关系，得到 n ≈ 1.9，说明所使用的激发区间仍以双光子过程为主，尚处于未饱和区。

图 2：镧系上转换纳米颗粒的表征。(a) UCNP 将红外光转换为可见光的示意图；(b) β 相 NaYb₀.₈Er₀.₂F₄@NaYF₄ 核壳合金化 UCNP 的 HAADF-STEM 图像；(c) UCNP 尺寸分布；(d) Yb³⁺/Er³⁺ 合金化 UCNP 的能级图，展示上转换过程；(e) 在 6.6 W cm⁻²、980 nm 激发下，从滴涂薄膜测得的可见上转换发射谱；(f) 660 nm 红光发射强度随 980 nm 激发强度的 log–log 图。

图 2 把”材料—能级—光谱—功率依赖”串在了一条线上：尺寸分布说明颗粒均一，(d) 给出能量传递路径，(e) 说明发光落在红绿两个可见波段，(f) 则用斜率 n ≈ 1.9 确认了双光子主导的机制。

理解这一机制后，超表面的任务就很清楚了：它不改变能级结构，只负责把 976 nm 附近的光更强地”喂”给颗粒层，并把颗粒发出的可见光更高效地取出。

超表面怎么同时兼顾”增强”和”看得清”

单元结构：四根不等半径的 TiO₂ 纳米柱

这块超表面的单元由石英衬底上的四根 TiO₂ 纳米柱组成，几何参数为周期 p = 900 nm、柱高 h = 375 nm，四根柱的半径分别是 r₁ = 163 nm、r₂ = 147 nm、r₃ = r₄ = 70 nm。最上面旋涂一层厚度 t = 425 nm 的纳米颗粒膜，就构成了完整的”上转换屏幕”。

设计里有两个约束值得单独说明。第一，把 r₃ 与 r₄ 设为相等，是为了让结构在正入射下不区分偏振方向——成像面对的是自然光，偏振无关性是必要条件。第二，四根柱半径故意不相等，这是整套设计的关键：它打破了原本方晶格的对称性。

图 3：超表面–UCNP 屏幕。(a)、(b) 分别为旋涂 UCNP 前后超表面单元结构的示意图；(c)、(d) 为 UCNP 沉积前后超表面的 30° 倾斜 SEM 图像。

图 3 中 (a)(b) 的示意图说明颗粒层如何均匀覆盖纳米柱，(c)(d) 的 SEM 图像则验证了沉积前后结构完整、纳米柱没有被覆盖层淹没。几何参数与仿真模型一致，这是后续把仿真与实验对照的前提。

对称性破缺带来准 BIC，也带来平带

对称性破缺为什么重要？在完美的对称结构中，某些模式与自由空间辐射完全解耦，理论上 Q 值趋于无穷，这类模式被称为连续域束缚态（BIC，bound states in the continuum）。一旦对称性被破坏，这些模式获得微弱的辐射通道，Q 值降到有限但依然很高的水平，成为准连续域束缚态（quasi-BIC）。

以周期方晶格为例，原来位于布里渊区边界的模式，在单元内引入不等半径、使晶格周期加倍之后，会被”折叠”到布里渊区中心（Γ 点）。在布里渊区边界，群速度 $v_g = \partial \omega / \partial k$ 因对称性为零；折叠到 Γ 点后，这个一阶导数为零的性质被保留下来，于是在正入射附近形成一段平带色散。

顺着色散读物理：$\partial \omega / \partial k = 0$ 的另一个直观含义是，在小范围内改变入射角度（等价于改变面内波矢 k），共振频率几乎不动。这就是本文要的角稳健性——一个较宽角度范围内的入射光都能”看到”同一个共振，从而获得大致相同的增强。论文的角分辨透射测量证实，激发带共振在约 ±6° 范围内对入射角和偏振都不敏感。

论文还用对称性分析筛选模式。结构具有 C₄ᵥ 对称性（四个镜面），把本征模式按照 C₄ᵥ 的 E 不可约表示分解后，能与线性偏振平面波耦合的”亮模式”才是有用的：激发带的 m₁、m₂ 与发射带的 m₄、m₅ 都具有强 E 对称性和高 Q 值，电场主要分布在纳米柱与颗粒层的界面处。相比之下，模式 m₃ 在 E 表示上的投影很弱，被归为 A₂ 表示的暗模式，无法被线偏振平面波有效激发，对增强没有贡献。

这一点也区分了本文与常见的介质 Mie 共振：Mie 共振的场主要被限制在高折射率柱体内部，而这里使用的准 BIC 模式把场更多推向颗粒层，增强了与发光材料的重叠。

目标函数与量纲

设计用严格耦合波分析（RCWA，rigorous coupled-wave analysis）计算吸收与透射谱，用粒子群算法（particle swarm optimization）搜索几何参数，模式分析由 COMSOL 完成。优化的目标函数写成

$$\mathrm{FOM} = \frac{\mathrm{abs}{975}\times \mathrm{abs}{660}}{t^{2}}$$

其中 abs₉₇₅ 和 abs₆₆₀ 分别是纳米颗粒膜在 975 nm 与 660 nm 处的模拟吸收，t 是膜厚。选择 975 nm 对应激发激光与颗粒激发带，660 nm 对应主要发射带，两者相乘表示同时照顾”进”和”出”；除以 t² 是因为在无超表面时，吸收近似与膜厚成正比，归一化后不同厚度的设计才可比较。

这里需要说明一个设计取舍：目标函数把激发与发射过程按线性权重相加，而实际发光对激发强度是非线性的（n ≈ 1.9）。论文对此的处理是事后代入幂律修正，先用线性代理量筛选多共振结构，再用实测非线性关系换算预期增强。

论文给出的换算过程可以直接复核。仿真得到激发带吸收增强 43.1 倍、发射带吸收增强约 80 倍。按 $I \propto P^{n}$ 折算，激发增强被幂律放大约 $43.1^{1.9} \approx 1275$ 倍，再乘发射贡献约 80 倍，得到约 1.02 × 10⁵ 的总增强。这个十万倍是假设激发与发射模式空间完全重叠的上限值，不是实测结果，也不能与后文的 1100 倍混用。

图 4：介质超表面的设计。(a) 有无超表面时 UCNP 光吸收谱的仿真对比；(b) 超表面–UCNP 屏幕零级透射谱的仿真与实验测量对比。

图 4(a) 显示超表面在激发带附近提供较宽的共振、在发射带提供较锐的共振；图 4(b) 则给出关键的对照结果：975 nm 附近的共振在仿真与实验之间吻合良好，但 660 nm 附近设计的共振在实际样品中没有出现。论文分析认为该共振对纳米颗粒膜的折射率很敏感，而仿真中膜的消光系数被假设为常数 k = 0.0005，光学常数不准很可能是实验与仿真偏差的来源。这是设计层面需要注意的边界，也解释了后续实验结果为什么主要来自激发带共振。

增强了多少，图像还能看清多少

增强主要来自激发带共振

实验用 976 nm 红外激光作为激发源，可见发射经 750 nm 短波通滤光片阻断剩余红外后进入探测器。在 15.9 W cm⁻² 的激发强度下，加上超表面后 660 nm 红光与 540 nm 绿光的发射都明显增强；论文以”有/无超表面的发射强度之比”定义上转换增强因子，测得 660 nm 处为 1100 倍。

一个规律值得注意：增强因子在低激发强度下最高，随着激发功率升高逐渐饱和。这符合双光子过程的饱和行为——纳米颗粒的激发态被填满后，再增加激发功率也无法线性地换来更多发射。也就是说，超表面的价值恰恰体现在弱光一侧，这与”要在低激发强度下获得可用信号”的实际需求方向一致。

论文另外做了两组交叉验证。第一组是时间分辨测量：加上超表面后纳米颗粒的发光寿命没有变化，含超表面与参考样品同为 284 μs。如果增强来自改变发光体的辐射衰减速率，寿命应当改变；寿命不变说明增强来自吸收端。第二组是背焦面成像：实验中没有观察到方向性发射。两组证据共同把增强的物理来源指向激发带共振，而不是发射带的模式或发射方向性的改变。

图 5：超表面–UCNP 屏幕的上转换特性。(a) 在 15.9 W cm⁻² 激发强度下测得的发射谱，有/无超表面的对比（无超表面的谱线放大了 100 倍以便比较）；(b) 660 nm 与 540 nm 发射强度随激发强度的变化；(c) 超表面提供的上转换增强随激发强度的变化。激发波长为 976 nm。

图 5(a) 中参考样品谱线被放大 100 倍才能与超表面样品同图比较，直观说明了增强的量级；(b) 中两条曲线随功率上升的斜率差异，对应 (c) 中增强因子由高原区向饱和区过渡的过程。

图像保真：MTF50 从 0.20 降到 0.10 cycles μm⁻¹

增强倍数只回答”亮了多少”，成像还要求”细节还在不在”。论文用一块分辨率靶标被成像到上转换屏幕上，红外光源为 976 nm、7.3 W cm⁻²，超表面被图案化加工成特定区域。结果显示，图案化区域的上转换发射显著强于周围未图案化区域，同时图像中的细节得到保留。

定量评估用调制传递函数（MTF，modulation transfer function）。它描述不同空间频率的对比度传递效率，MTF50 指对比度降到 50% 时对应的空间频率，数值越大表示能分辨越细的条纹。在校正 20 倍放大（0.4 NA 物镜）之后，可见参考图像的 MTF50 为 0.20 cycles μm⁻¹，上转换图像为 0.10 cycles μm⁻¹——上转换后高空间频率的对比度大约下降一半。

这个损失从哪里来？可以做个量纲与数量级核对。超表面的角带宽约为 ±6°，对应面内波矢上限 $k_{\max} = \sin 6°$；在发射波长 λ = 660 nm 处，可支持的空间频率约为 $\sin 6° / 660\ \mathrm{nm} \approx 0.16\ \mathrm{cycles}\ \mu\mathrm{m}^{-1}$。这个数值与实测的上转换带宽 0.10 cycles μm⁻¹ 处于同一量级，说明平带色散带来的有限角带宽确实是分辨率的主要制约之一；而物镜的衍射极限（数值孔径 0.4）与探测器采样极限都比它宽松，不构成瓶颈。另一方面，物体上约 20 μm 的特征对应 0.05 cycles μm⁻¹，低于实测的 0.10 cycles μm⁻¹，所以这些特征在上转换图像中得以清晰保留。

把这一段与前面的设计逻辑连起来看，就能理解”平带”为什么是这篇文章的技术重心：它并没有让增强因子变得更大，而是让增强在角度上更均匀，从而把有限的角带宽尽量用在所有空间频率上，而不是只照顾正入射成分。

弱光一侧的门槛

论文还给出一组更接近实际使用场景的对照：超表面–UCNP 屏幕在低至 0.4 W cm⁻² 的激发强度下就能产生可分辨的可见发射，而裸纳米颗粒膜需要约 9 W cm⁻²，门槛相差一个数量级以上。

不过论文对适用边界写得同样清楚：成像演示所用的 7.3 W cm⁻² 显著高于典型环境光水平（太阳光约 0.1 W cm⁻²，室内照明更低）。因此当前实现属于”主动激发下的上转换成像”，还不是环境光工作模式。工艺方面，器件用电子束光刻制备以保证几何精度；作者同时指出该平面介质结构兼容纳米压印等大面积、晶圆级制造工艺，这是后续走向规模化的可行路径。

意义与展望

这篇文章的价值不在于把增强倍数推到某个纪录，而在于把一对长期相互牵制的需求放在同一个器件里处理：高 Q 共振负责增强光与物质的相互作用，平带色散负责让这种增强对不同入射角、不同偏振保持接近一致。结果是 976 nm 红外光在可见波段获得约 1100 倍的发射增强，同时用普通硅相机拍出了细节可辨的红外图像。

从验证走向实际应用，还有几条清晰的推进方向。

第一是把仿真与实验的偏差收窄。实际样品没有复现设计的 660 nm 发射带共振，论文归因于纳米颗粒膜折射率与消光系数取值不准。若能准确测量这类复合薄膜的光学常数，让激发带与发射带共振同时生效，按论文的估算方式，增强空间还会显著高于当前的 1100 倍。

第二是把激发门槛继续压低。当前 0.4 W cm⁻² 已能产生可分辨发射，但距离环境光工作还有数量级差距。可行的路径包括提高纳米颗粒本身的量子效率、优化膜层厚度与填充因子，以及进一步设计更宽带、更角稳健的共振。

第三是走向可制造的大面积器件。现有器件依赖电子束光刻，而平面介质结构本身与纳米压印等晶圆级工艺兼容。若能把增强与角稳健性在大面积上稳定复现，这类”上转换屏幕”就可以作为滤光片式附件叠加到普通硅相机前，用于红外视觉、遥感与需要轻量化红外成像的场景。

对于关注超表面的读者，这篇论文留下一个值得记住的设计经验：要做的功能是成像，就不能只看正入射的共振强度；增强的角均匀性与增强的幅度同样是核心指标，而这两者可以通过色散工程在同一个结构中协调起来。

参考资料

1. N. Sefidmooye Azar et al., Enhanced infrared-to-visible upconversion imaging via metasurface–lanthanide nanoparticle hybrid screens, Light: Science & Applications 15 (2026). https://www.nature.com/articles/s41377-026-02449-5
2. 同篇论文 PMC 开放全文（含图注与补充材料入口）：https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC13558671/
3. Z. Zheng et al., Broadband infrared imaging governed by guided-mode resonance in dielectric metasurfaces, Light: Science & Applications (2024). https://www.nature.com/articles/s41377-024-01535-w
4. L. Valencia Molina et al., Enhanced Infrared Vision by Nonlinear Up-Conversion in Nonlocal Metasurfaces, Advanced Materials 36, e2402777 (2024). https://doi.org/10.1002/adma.202402777
5. J. Peatross & M. Ware, Physics of Light and Optics（BYU 开放教材，用于核对非线性吸收幂律、共振与品质因子的基础表述）. https://optics.byu.edu/