Yb/Er 上转换的带选择性 LDOS 工程：电磁-动力学诊断框架
摘要
等离子体上转换中的一个核心挑战是泵浦波长处的近场工程与发射波长处的光态局部密度（LDOS）工程之间的耦合。在这里，我们展示了涂有致密 NaYF4:Yb(20%),Er(5%) 上转换纳米颗粒（UCNP）单层的波纹 SU8/Au/Al2O3 光栅实现了一个带选择性平台：靠近 670 nm 的宽等离子体共振与红色 4F9/2 -> 4I15/2 Er3+ 跃迁对齐，作为 Al2O3 间隔层厚度 d 的函数将红色衰减率调制了 +/-15%，而绿色 2H11/2 / 4S3/2 -> 4I15/2 跃迁在实验上是不变的（在所有 d 下 |k/k_ref - 1| < 1%）。980 nm 处的泵浦场被单调抑制至低于自由空间参考值（在 d = 5 和 25 nm 之间 <f_exc> 从 0.27 降至 0.48），因此可观测量可以在没有泵浦侧干扰的情况下干净地探测发射侧 LDOS。我们用结合了全波 FDTD 泵浦增强和取向平均珀塞尔因子与分离辐射、本征非辐射和环境诱导非辐射通道的六能级 Yb/Er 速率方程模型的耦合电磁-动力学框架来合理解释这些结果。该框架再现了 670 nm 消光共振、+/-10-15% 的红带衰减率调制以及绿/红比随 d 的单调下降，但预测的单调红带趋势未能捕捉到 d = 15 nm 处的实验下凹，且高估了绿带的减少（k/k_ref^550 约为 0.73 vs. 1.00）。脊尖平滑（h_round 在 {0, 5, 10} nm 内）仅使珀塞尔因子改变 1-3%，排除了尖端形状作为主导原因的可能性。因此，该框架作为一种诊断工具，将绿带差异分离出来，表明其需要超出半椭圆模型的修正——可能是蒸发金中的晶界阻尼或 550 nm 处六能级动力学模型中未包含的额外非辐射通道。
引用
@article{arxiv.2605.04872,
title = {Band-Selective LDOS Engineering of Yb/Er Upconversion: an Electromagnetic-Kinetic Diagnostic Framework},
author = {Yuxiang Zhang and Mayte Gómez-Castaño and Agustín Mihi and Serge Ravaine and Xiaogang Liu and Renaud A. L. Vallée},
journal= {arXiv preprint arXiv:2605.04872},
year = {2026}
}
备注
30 pages, 9 figures