Abstract This article reviews recent progress leading to the generation of optical vortex beams. After introducing the basics of optical vortex beams and their promising applications, we summarized different approaches for optical vortex generation by discrete components and laser cavities. We place particular emphasis on the recent development of vortex generation by the planar phase plates, which are able to engineer a spiral phasefront via dynamic or geometric phase in nanoscale, and highlight the independent operation of these two different phases which leads to a multifunctional optical vortex beam generation and independent spin-orbit interaction. We also introduced the recent progress on vortex lasing, including vortex beam generation from the output of bulk lasers by modification of conventional laser cavities with phase elements and from integrated on-chip microlasers. Similar approaches are also applied to generate fractional vortex beams carrying fractional topological charge. The advanced technology and approaches on design and nanofabrications enable multiple vortex beams generation from a single device via multiplexing, multicasting, and vortex array, open up opportunities for applications on data processing, information encoding/decoding, communication and parallel data processing, and micromanipulations.

The distribution of dopants in semiconductors can intrinsically determine the electronic structure and consequently the absorbance, redox potential, and charge-carrier mobility of the semiconductor photocatalysts. In contrast to most reported nitrogen-doped titania photocatalysts with some localized states in the intrinsic band gap and small visible light absorption shoulders induced by inhomogeneous nitrogen doping near the particle surface, we report here the homogeneous substitution of O by N in the whole particles of layered titanates. The resultant materials Cs0.68Ti1.83O4−xNx exhibited extraordinary band-to-band excitation in the visible-light ranging up to blue light. From photoelectron spectroscopy and first-principles calculations, the upward shift of valence band maximum by N 2p states is concluded as the cause of the band-to-band visible light excitation. The holes generated upon visible light excitation in the newly formed valence bands of Cs0.68Ti1.83O4−xNx and H0.68Ti1.83O4−xNx had strong oxidation ability in oxidizing OH− into active •OH radicals in photocatalysis. These findings are the clear evidence for the substantial role of homogeneous nitrogen doping in obtaining band-to-band visible-light photon excitation in layered titanates. The new physical insights into the electronic structure of homogeneous substitutional N in layered titanates gained here may have important implications for developing other efficient visible light photocatalysts by nonmetal doping.

The lossy nature of plasmonic wave due to absorption is shown to become an advantage for scaling-up a large area surface nanotexturing of transparent dielectrics and semiconductors by a self-organized sub-wavelength energy deposition leading to an ablation pattern-ripples-using this plasmonic nano-printing. Irreversible nanoscale modifications are delivered by surface plasmon polariton (SPP) using: (i) fast scan and (ii) cylindrical focusing of femtosecond laser pulses for a high patterning throughput. The mechanism of ripple formation on ZnS dielectric is experimentally proven to occur via surface wave at the substrate-plasma interface. The line focusing increase the ordering quality of ripples and facilitates fabrication over wafer-sized areas within a practical time span. Nanoprinting using SPP is expected to open new applications in photo-catalysis, tribology, and solar light harvesting via localized energy deposition rather scattering used in photonic and sensing applications based on re-scattering of SPP modes into far-field modes.

Hexagonal boron nitride is a wide-band-gap van der Waals material that has recently emerged as a promising platform for quantum photonics experiments. In this work, we study the formation and localization of narrowband quantum emitters in large flakes (up to tens of micrometers wide) of hexagonal boron nitride. The emitters can be activated in as-grown hexagonal boron nitride by electron irradiation or high-temperature annealing, and the emitter formation probability can be increased by ion implantation or focused laser irradiation of the as-grown material. Interestingly, we show that the emitters are always localized at the edges of the flakes, unlike most luminescent point defects in three-dimensional materials. Our results constitute an important step on the roadmap of deploying hexagonal boron nitride in nanophotonics applications.

Abstract High‐dimensional frequency converter provides an enticing promise for establishing frequency interfaces to connect various physical systems toward the next generation of high‐capacity optical communication. The constant pursuit of high fidelity accompanied by multi‐dimensional information coding is restricted by the inherent fundamental nature of the degrees of freedom. Here, a high‐dimensional frequency converter is theoretically proposed and experimentally demonstrated, which builds a high‐fidelity interface between near‐infrared and blue‐violet wavelength. The perfect Poincaré beam exploiting the mutual orthogonality and transverse structure‐invariance of perfect vortex beam, accesses high‐dimensional spaces from spatial amplitude, phase, and polarization, and realizes the fidelity above 99% for arbitrary Poincaré states. Additionally, the trans‐spectral multiplexing utilizing the radial degree of freedom endows a superior capability in further increasing the system capacity. This proof‐of‐principle demonstration represents a key step toward the lossless transmission between different frequency domains, and has great prospects for constructing high‐capacity optical communication networks.

Expanded heterohelicene composing of alternating linearly and angularly fused multi‐resonance (MR) skeleton has garnered wide interest for their promising narrowband emission. Herein, a pair of sym‐ and asym‐expanded heterohelicene isomers are firstly developed by merging boron/oxygen (B/O)‐embedded MR triangulene and indolo[3,2,1‐jk]carbazole units via one‐shot synthesis. Owing to the fully resonating extended helical skeleton, the target heterohelicenes exhibit significantly narrowed spectra bandwidth while emission red‐shifting, thus affording deep‐blue narrowband emission with peak at around 460 nm, full‐width‐at‐half‐maximum (FWHM) of merely 18 nm and near‐unity photoluminescence quantum yields. In comparison with symmetrical one, the asym‐expanded heterohelicene displays suppressed aggregation in the doped films, thereby showcasing a superior narrowband electroluminescence in devices with CIE coordinates of (0.12, 0.18) and high external quantum efficiency up to 25%, which retains 18.1% even at high luminance of 10,000 cd m‐1. This is the first work achieving FWHM < 20 nm in B/O‐embedded [4]helicene MR derivatives, and provides a novel paradigm for the development of narrowband expanded heterohelicence.

Abstract A fast reverse intersystem crossing (RISC) remains an ongoing pursuit for multiresonance (MR) emitters but faces formidable challenges, particularly for indolocarbazole (ICz) derived ones. Here, heavy‐atom effect is introduced first to construct ICz‐MR emitter using a sulfur‐containing substitute, simultaneously enhancing both spin–orbit and spin–vibronic coupling to afford a fast RISC with a rate of 1.2 × 10 5 s −1 , nearly one order of magnitude higher than previous maximum values. The emitter also exhibits an extremely narrow deep‐blue emission peaking at 456 nm with full‐width at half‐maxima of merely 12 nm and a photoluminescence quantum yield of 92%. Benefiting from its efficient triplet upconversion capability, this emitter achieves not only a high maximum external quantum efficiency (EQE) of 31.1% in organic light‐emitting diodes but also greatly alleviates efficiency roll‐off, affording record‐high EQEs of 29.9% at 1000 cd m −2 and 18.7% at 5000 cd m −2 among devices with ICz‐MR emitters.

Expanded heterohelicene composing of alternating linearly and angularly fused multi‐resonance (MR) skeleton has garnered wide interest for their promising narrowband emission. Herein, a pair of sym‐ and asym‐expanded heterohelicene isomers are firstly developed by merging boron/oxygen (B/O)‐embedded MR triangulene and indolo[3,2,1‐jk]carbazole units via one‐shot synthesis. Owing to the fully resonating extended helical skeleton, the target heterohelicenes exhibit significantly narrowed spectra bandwidth while emission red‐shifting, thus affording deep‐blue narrowband emission with peak at around 460 nm, full‐width‐at‐half‐maximum (FWHM) of merely 18 nm and near‐unity photoluminescence quantum yields. In comparison with symmetrical one, the asym‐expanded heterohelicene displays suppressed aggregation in the doped films, thereby showcasing a superior narrowband electroluminescence in devices with CIE coordinates of (0.12, 0.18) and high external quantum efficiency up to 25%, which retains 18.1% even at high luminance of 10,000 cd m‐1. This is the first work achieving FWHM < 20 nm in B/O‐embedded [4]helicene MR derivatives, and provides a novel paradigm for the development of narrowband expanded heterohelicence.

Transparent conductive electrodes are important components of perovskite solar cells (PSCs) and their carrier transport capabilities directly affect the power conversion efficiency (PCE) of PSCs. Despite the excellent photoelectric performance...