光子转换，尤其是将低能红外光子“拼接”成高能可见光的上转换技术，在光伏、生物成像和光电器件领域具有重要价值。然而，传统上转换材料受限于三个“死穴”：光谱响应范围窄、效率低、响应速度慢（通常毫秒级）。

大连民族大学董斌教授、徐文教授团队与哈尔滨工业大学宋瑛林教授团队合作，提出了一种“乐高式光子堆叠”策略——用双波长级联泵浦，将镧系离子的中间态作为“虚拟基态”，实现单光子直接泵浦至目标能级。成果于2026年7月31日发表于《自然-通讯》。

通过机器学习算法优化，Ho³⁺掺杂NaYS₂的上转换发射实现了2-3个数量级的选择性增强，有效响应波长扩展至~2100 nm，响应时间从30 ms骤降至54 μs（提速550倍）。该策略普适于Tm³⁺/Pr³⁺/Er³⁺等多种离子体系，并实现了近纯色RGB发射。基于此原理制备的窄带近红外探测器，在CO₂气体传感中实现了6.4×10⁻⁴ ppm⁻¹的高灵敏度。

用“光子乐高”堆叠出高效上转换

传统上转换依赖于单一波长从基态到激发态的多步激发，能量匹配苛刻、损耗大。受乐高积木“逐层堆叠”的启发，团队提出：先用一个波长将电子泵浦到中间态（如Ho³⁺的⁵I₇能级），形成一个稳定的“虚拟基态”，再用第二个波长直接单光子泵浦到目标高能态。这相当于把“爬楼梯”变成了“搭积木”——每步都是单光子过程，能量损耗大幅降低。

机器学习算法从海量参数中筛选出最优方案：选择NaYS₂:Ho³⁺体系，通过双波长级联泵浦，分别实现红、绿、蓝三色发射的选择性增强。

2-3个数量级增强，响应提速550倍

在Ho³⁺掺杂NaYS₂中，单一波长激发时上转换发射极弱。双波长级联泵浦带来惊人提升：

• 红色（⁵F₅→⁵I₈）：2096 nm + 980 nm激发，发射增强4220倍
• 绿色（⁵F₄/⁵S₂→⁵I₈）：2096 nm + 760 nm激发，增强219倍
• 蓝色（⁵F₃→⁵I₈）：1208 nm + 808 nm激发，增强1023倍

光子数分析确认：级联泵浦下，每步跃迁均为单光子过程，而非传统多光子过程。响应时间从30 ms（980 nm单独激发）骤降至54 μs（2096 nm连续波+980 nm脉冲激发），提速约550倍。瞬态吸收实验证实了“虚拟基态”的快速耗尽机制。

Figure 1

普适性与RGB调控

该策略不仅限于Ho³⁺，在Tm³⁺、Pr³⁺、Er³⁺体系中同样实现了数十至数百倍的上转换增强。通过引入Yb³⁺和Tm³⁺作为能量传递介质，在Ho³⁺体系中实现了近纯色RGB发射，色域覆盖116.6%的sRGB标准。

Figure 3

应用：2096 nm窄带探测与CO₂传感

基于该上转换机制，团队制备了窄带近红外光电探测器。在2096 nm（980 nm辅助）激发下：

• 响应度：1.83 A/W（提升1534倍）
• 探测率：1.02×10¹¹ Jones（提升1721倍）
• 响应时间：上升沿595 μs，下降沿4.28 ms

以此构建的激光吸收光谱CO₂传感器，在2004 nm检测光下实现了6.4×10⁻⁴ ppm⁻¹的灵敏度，与商用2004 nm探测器相当甚至略优，为工业CO₂监测提供了低成本、高性能的新方案。

Figure 4

论文信息：Manipulatable Cascade Pumping Single-Photon Upconversion，Nature Communications，2026，

DOI: 10.1038/s41467-026-75688-0

总结：

机器学习优化级联泵浦参数→中间态作“虚拟基态”实现单光子跃迁→Ho³⁺上转换增强2-3个数量级、响应提速550倍→普适于多种Ln³⁺体系→窄带NIR探测器响应度1.83 A/W→CO₂传感灵敏度6.4×10⁻⁴ ppm⁻¹。