雙光子吸收 TPATwo?Photon?Absorption三階非線性光學(xué)效應(yīng)\(\boldsymbol{\chi^{(3)}}\)不要求晶體無中心對稱硅、普通有機(jī)物、半導(dǎo)體都可以發(fā)生必須高光強(qiáng)飛秒脈沖激光才能顯現(xiàn)‘通俗原理單光子吸收線性吸收 1 個光子電子跳到高能級只要光子能量夠就能發(fā)生普通光就可以。雙光子吸收同一個分子 / 電子幾乎同一瞬間吸收 2 個低能量光子兩個光子能量加在一起才把電子抬到高能激發(fā)態(tài)中間經(jīng)過短暫的虛能級不是真實能級。單個光子能量不夠激發(fā)分子兩個加起來總能量滿足躍遷條件。發(fā)生概率和光強(qiáng)的平方成正比。光不強(qiáng)的時候幾乎不發(fā)生只有激光焦點極高光子密度效應(yīng)才明顯光束沿途光強(qiáng)低幾乎沒有吸收。吸收兩個光子之后電子落到真實激發(fā)態(tài)之后可以釋放熒光、或者產(chǎn)生載流子半導(dǎo)體。區(qū)分兩個容易混淆過程二次諧波 SHG 倍頻二階兩個光子湮滅 → 生成 1 個更高頻率新光子向外發(fā)射介質(zhì)本身不吸收光子能量。雙光子吸收 TPA三階兩個光子被介質(zhì)吸收、光子消失介質(zhì)電子被激發(fā)能量留在物質(zhì)內(nèi)部不再輻射出倍頻光子關(guān)鍵特點只在激光焦點極小體積發(fā)生光路穿過的其他位置光強(qiáng)低雙光子吸收幾乎為零。天然自帶三維空間切片能力不需要共聚焦的小孔光闌。生物成像只在焦點產(chǎn)生激發(fā)離焦位置不會損傷樣品抖音百科。材料對稱性無硬性約束 二階倍頻 SHG 必須無中心對稱晶體雙光子吸收中心對稱材料也可以發(fā)生硅探測器就可以做雙光子接收。必須強(qiáng)脈沖激光 連續(xù)激光很難實現(xiàn)一般用飛秒脈沖激光把能量壓縮在極短時間瞬間獲得極高光強(qiáng)。弱光環(huán)境完全觀測不到該效應(yīng)。可以用長波長光實現(xiàn)短波長的激發(fā)效果 例用近紅外 900 nm 紅外光雙光子吸收等效獲得 450 nm 紫外的激發(fā)能量紅外光穿透樣品更深、光損傷更小。單光子吸收 VS 雙光子吸收對比表格項目單光子吸收線性雙光子吸收三階非線性 TPA光學(xué)階次一階線性\(\chi^{(1)}\)三階非線性\(\chi^{(3)}\)發(fā)生條件普通光源即可高光強(qiáng)一般飛秒脈沖激光概率關(guān)系與光強(qiáng)成正比與光強(qiáng)平方成正比空間發(fā)生區(qū)域光束整條路徑全部發(fā)生吸收僅焦點極小體積發(fā)生材料對稱性無要求無特殊要求中心對稱介質(zhì)也可以光子結(jié)局吸收 1 個光子電子激發(fā)同時吸收 2 個光子光子消失電子激發(fā)典型光源氙燈、連續(xù)激光飛秒脈沖激光器典型工程應(yīng)用雙光子熒光顯微鏡生物醫(yī)學(xué)近紅外飛秒激光對活組織深層成像穿透深度大光漂白、光損傷低神經(jīng)科學(xué)、活體組織觀測主流設(shè)備。雙光子光刻、三維微加工只在焦點發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)三維立體微結(jié)構(gòu)打印。雙光子光探測器雙光子接收硅 PD 光電二極管紅外光子單個不足以激發(fā)強(qiáng)光下發(fā)生雙光子吸收產(chǎn)生光電流用于紅外高速光探測、全光采樣。注意普通 PD 的雙光子接收靈敏度很低只適合強(qiáng)光脈沖場景弱光不能用。光限幅防護(hù)器件強(qiáng)光下發(fā)生雙光子吸收自動削弱透射光保護(hù)探測器。三維光存儲材料內(nèi)部焦點處發(fā)生雙光子光化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)寫入。哲學(xué)小結(jié)二階倍頻 SHG兩個舊光子湮滅向外誕生一個全新光子能量向外釋放。雙光子吸收 TPA兩個光子湮滅消失能量交給介質(zhì)內(nèi)部電子能量被物質(zhì)內(nèi)部接納、存儲。二者都是強(qiáng)光開啟的非線性 “湮滅” 過程但一個向外創(chuàng)造新光一個向內(nèi)完成物質(zhì)激發(fā)。