近日，武汉量子技术研究院李仲阳研究员团队和武汉大学、香港大学合作，在Nature Communications（《自然·通讯》）和材料权威期刊Advanced Materials（《先进材料》）上发表了超构表面用于非相干荧光操控的最新研究成果。论文一题为“Switchable unidirectional emissions from hydrogel gratings with integrated carbon quantum dots”（《集成碳量子点的水凝胶光栅实现可切换单向辐射》）。

光致发光的荧光定向辐射控制是有源发光和微纳光学研究的新型领域。该工作基于集成碳量子点的水凝胶微纳光栅器件，能够实现波导模式荧光的定向辐射功能。通过进一步调整泵浦光的激发位置，实验中可以操控波导模式荧光的波矢传播方向，从而实现单向荧光辐射，光束发散角<1.5°。此外，利用水凝胶材料湿度响应的膨胀特性，通过控制外部环境湿度，该有源器件能够有效地调整光栅的衍射效率，从而实现单向荧光辐射能量的主动控制，如图1所示。该工作为纳米光子学器件实现主动式荧光辐射控制提供了新的范例，在发光材料以及集成化可调控光学器件等领域有科学价值和应用潜力。

图1.量子点集成的水凝胶微纳光栅实现荧光辐射操控和可切换单向荧光辐射

论文二题为“Multi-Dimensional Light-Emitting Meta-Display: Photoluminescence and Pumping Light Multiplexing”（《多维发光超构器件：荧光和泵浦光的多路复用显示》）,在Advanced Materials期刊发表。该研究提出了一种基于超构表面的泵浦光和光致荧光的精细化操控方法，并实验验证了多功能的超构显示器件。

该研究工作围绕光致发光中的图案化编码目标，厘清了周期性单元结构对光致荧光定向辐射和泵浦光定向散射的控制机理，从而实现了对光致荧光和泵浦光的分别独立图案化编码控制，同时还可利用x和y方向固有的正交性拓展了其波矢方向的复用自由度。研究所提出的发光超构表面器件最终能够同时实现四通道的泵浦光和荧光的超构图案化显示功能，如图2所示。该研究中的设计方法实现了泵浦光和荧光的独立操纵，拓宽了有源超构表面器件的编码自由度，有望在多功能复用的光学器件、光学信息存储加密以及新型显示功能等方面具有应用潜力。

图2.基于荧光和泵浦光多维复用显示的超构器件

据悉，NEAL课题组近期在超构表面光学器件领域取得了一系列研究成果，在中科院分区一区TOP权威期刊发表多篇高水平成果。未来，课题组将继续推进微纳光学器件在动态智能显示与多维光场操控等潜在应用方面的科学创新研究。

论文链接：

“Switchable unidirectional emissions from hydrogel gratings with integrated carbon quantum dots”：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-45284-1

“Multi-Dimensional Light-Emitting Meta-Display: Photoluminescence and Pumping Light Multiplexing”

https://doi.org/10.1002/adma.202310294