Кіріспе
Молекуланың екі фотонын бір мезгілде сіңіруі Атомдық физикада екі фотонын сіңіру (TPA немесе 2PA), сонымен қатар екі фотонын қозу немесе сызықтық емес сіңіру деп аталады, атомды немесе молекуланы бір күйден (әдетте негізгі күйден) виртуалды энергия деңгейі арқылы жоғары энергияға, көбінесе қозылған электронды күйге қоздыру үшін бірдей немесе әртүрлі жиіліктегі екі фотонын бір мезгілде сіңіруі. Екі фотондардың әр түрлі жиілікпен сіңірілуі дегеніміз - екі фотондардың бір-біріне дегенгереймейтін сіңірілуі. ТПА екі фотондардың бір мезгілде сіңірілуіне байланысты болғандықтан, ТПА ықтималдығы фотондар дозасына (D) пропорционалды, ол жарық интенсивтілігінің квадратына (D I2) пропорционалды; сондықтан бұл сызықтық емес оптикалық процесс. Молекуланың төменгі және жоғарғы күйлерінің арасындағы энергия айырмашылығы екі сіңірілген фотондардың фотондар энергиясының қосындысына тең немесе одан кіші. Екі фотондардың сіңіруі - үшінші реттік процесс, сіңіру қимасы әдетте бір фотондардың сіңіру қимасынан бірнеше шамадан кіші. Флюорофордың (флуоресцентті молекуланың) екі фотоны қоздыруы екі фотоны қоздырған флуоресценцияға әкеледі, онда ТПА өндіретін қозған күй фотоны төмен энергиялы күйге өздігінен шығару арқылы ыдырайды.
In atomic physics, two photon absorption (TPA or 2PA), also called two photon excitation or non linear absorption, is the simultaneous absorption of two photons of identical or different frequencies in order to excite an atom or a molecule from one state (usually the ground state), via a virtual energy level, to a higher energy, most commonly an excited electronic state. Absorption of two photons with different frequencies is called non degenerate two photon absorption. Since TPA depends on the simultaneous absorption of two photons, the probability of TPA is proportional to the photon dose (D), which is proportional to the square of the light intensity (D ∝ I2); thus it is a nonlinear optical process. The energy difference between the involved lower and upper states of the molecule is equal or smaller than the sum of the photon energies of the two photons absorbed. Two photon absorption is a third order process, with absorption cross section typically several orders of magnitude smaller than one photon absorption cross section. Two photon excitation of a fluorophore (a fluorescent molecule) leads to two photon excited fluorescence where the excited state produced by TPA decays by spontaneous emission of a photon to a lower energy state.
Өмірбаян
Бұл құбылысты 1931 жылы Мария Гёпперт Майер өзінің докторлық диссертациясында алдын ала айтқан. Отыз жылдан кейін лазердің пайда болуы TPA-ны алғашқы эксперименттік тексеруге мүмкіндік берді, өйткені европиймен допингтелген кристалда екі фотоны қозғайтын флуоресценция байқалды. Көп ұзамай әсер цезий буында, содан кейін жартылай өткізгіш CdS-да байқалды. TPA - сызықтық емес оптикалық процесс. Әсіресе, үшінші реттік сызықтық емес сезімталдықтың елестетілген бөлігі берілген молекуладағы ТПА-ның көлемімен байланысты. Сондықтан TPA үшін таңдау ережесі бірінші реттік сезімталдылыққа байланысты бір фотондарды сіңіруден (OPA) өзгеше. Бір және екі фотондарды сіңірудің таңдау ережелерінің арасындағы байланыс Раман және ИЖ спектроскопиясы ережелеріне ұқсас. Мысалы, центросимметриялық молекулада бір және екі фотондардың рұқсат етілген ауысуы өзара ажыратылады, спектроскопияның бірінде рұқсат етілген оптикалық ауысуы екіншісінде тыйым салынады. Алайда, центросимметриялық емес молекулалар үшін ОПА мен ТПА үшін таңдау ережелері арасында ресми өзара алып тастау жоқ. Кванттық механика терминдерінде бұл айырмашылық мұндай молекулалардың кванттық күйлері + немесе инверсиялық симметрияға ие, әдетте g (for +) және u (for) белгілерімен белгіленеді. Бір фотонның өтпелі өтуі тек кері симметриясы әр түрлі мемлекеттер арасында ғана рұқсат етіледі, яғни g < > u, ал екі фотонның өтпелі өтуі тек кері симметриясы бірдей мемлекеттер арасында ғана рұқсат етіледі, яғни g < > g және u < > u. Фотон санының арасындағы қатынасты немесе, баламалы түрде, ТПА процесінде қатысатын электронды өтпелердің ретін (екі) және сәйкес келетін сызықтық емес сезімталдықтың ретін (үш) оптикалық теореманы қолдану арқылы түсінуге болады. Бұл теорема берілген бұзылу реті бар барлық оптикалық процестің қиялдық бөлігін бұзылу реті бар заряд тасымалдаушыларды қамтитын процесспен байланыстырады, яғни бұл теореманы қолдану үшін бұзылу теориясындағы барлық оптикалық процестің ықтималдық амплитудасын есептеу тәртібі болып табылады. ТПА жағдайында екінші реттік электрондық ауысулар болғандықтан, оптикалық теоремадан пайда болады, сызықтық емес сезімталдықтың тәртібі болып табылады, яғни бұл процесс. Феноменологиялық тұрғыдан алғанда, ТПА молекулалардың тербелістік мінез-құлқын бейнелеу үшін дәстүрлі анармониялық тербеліш моделінің үшінші термі ретінде қарастырылуы мүмкін. Басқа көзқарас - жарықты фотондар деп санау. Резонанссыз ТПА-да фотондардың ешқайсысы жүйелік энергиялық алшақтықпен резонанста болмайды, ал екі фотондар әр фотондардың жеке энергиясынан үлкен энергиялық алшақтықты көтеру үшін бірігеді. Егер ол аралықта аралық электронды күй болса, онда бұл "резонанстық TPA", "тізбекті TPA" немесе "1+1 сіңіру" деп сипатталған процесте екі бөлек бір фотонды ауысу арқылы болуы мүмкін, онда сіңіру ғана бірінші реттік процесс болып табылады және пайда болған флуоресценция кіріс қарқындылығының квадраты ретінде көтеріледі. Резонанссыз ТПА-да ауысу аралық күйдің болмауымен жүреді. Мұны фотондардың молекуламен өзара әрекеттесуі арқылы пайда болған "виртуалды" күйге байланысты деп қарастыруға болады. Виртуалды күй аргументі анармониялық тербеліс аргументімен өте ортогональды. Мысалы, ол жартылай өткізгіште, егер екі фотондар жолақты босатпаса, жоғары энергияда сіңіру мүмкін емес екенін айтады. Керр эффектісі үшін көптеген материалдар пайдаланылуы мүмкін, олар ешқандай сіңірілмейтін және осылайша зақымдану шегі жоғары. Бұл процестің сипаттамасындағы "сызықтық емес" дегеніміз, өзара әсерлесудің күші жарықтың электр өрісімен сызықтықтан гөрі жылдам өседі. Идеалдық жағдайда TPA жылдамдығы өріс интенсивтілігінің квадратына пропорционалды. Бұл тәуелділік кванттық механика арқылы анықталуы мүмкін, бірақ уақыт пен кеңістікте екі фотондардың сәйкес келуін қажет ететінін ескерсек, ол интуитивті түрде айқын. Бұл талап жоғары жарық интенсивтілігі үшін лазерлер TPA құбылыстарын зерттеу үшін қажет. Сонымен қатар, ТПА спектрін түсіну үшін ТПА қимасының әр түрлі толқын ұзындығында өлшеу үшін монохроматикалық жарық қажет. Сондықтан, үйлесімді импульсті лазерлер (мысалы, жиілігі екі еселенген Nd: YAG сорғылы ОПО және ОПА) қозудың таңдауы болып табылады.
Өлшемдер
Екі фотондардың сіңірілуін бірнеше әдіспен өлшеуге болады. Олардың кейбіреулері екі фотоны қоздырған флуоресценция (TPEF), z сканерлеу, өзіндік дифракция немесе сызықтық емес беріліс (NLT) болып табылады. Импульстік лазерлер көбінесе қолданылады, өйткені TPA үшінші реттік сызықтық емес оптикалық процесс болып табылады, сондықтан өте жоғары интенсивтілікте тиімді.
Көлденең қима бірліктері
Молекулалық екі фотондардың сіңіру қимасы әдетте Гёпперт Майердің (GM) бірліктерімен келтіріледі (оның ашқан, Нобель сыйлығының лауреаты Мария Гёпперт Майердің есімімен), мұнда 1 GM 10−50 см4 s фотоны-1 . Бұл бірліктердің себебін қарастырғанымызбен, оның екі аумақтың көбейтіндісінен (әр фотоны бір фотонға, әрқайсысы см2-ге) және уақыттан (екі фотоның бірге әрекет етуі үшін келу керек) пайда болатынын көруге болады. Үлкен масштабталу коэффициенті енгізілген, сондықтан 2 фотондар сіңіруі бойынша жалпы бояулардың қималары ыңғайлы мәндерге ие болады.
Өнеркәсіптің дамуы және әлеуетті қолдану
1980 жылдардың басына дейін TPA спектроскопиялық құрал ретінде қолданылды. Ғалымдар әр түрлі органикалық молекулалардың OPA және TPA спектрлерін салыстырып, бірнеше негізгі құрылым қасиеттері қатынастарын тапты. Алайда, 1980 жылдардың соңында қосымшалар жасала бастады. Питер Ренцепис 3D оптикалық деректерді сақтаудың қосымшаларын ұсынды. Уотт Уэбб микроскопия мен бейнелеуді ұсынды. Сондай-ақ, 3D микрофабрикация, оптикалық логика, автокорреляция, импульсті қайта пішімдеу және оптикалық қуатты шектеу сияқты басқа да қолданбалар көрсетілді.
Жартылай өткізгіштердің 3D бейнелеуі
2 фотоны сіңіру арқылы жартылай өткізгіш құрылғыда кеңістіктегі заряд тасымалдаушыларды құруға болатыны дәлелденді. Бұл құрылғының заряд тасымалдау қасиеттерін зерттеу үшін пайдаланылуы мүмкін.
Микроөндіру және литография
1992 жылы жоғары лазерлік қуаттылық (35 мВт) және сезімтал шайырлар / резистерді қолдану арқылы TPA литографияға жол тапты. ТПА-ның ерекше ерекшеліктерінің бірі - молекуланың жарық сіңіру жылдамдығы жарық интенсивтілігінің квадратына байланысты. Бұл OPA-дан ерекшеленеді, онда сіңіру жылдамдығы кіріс қарқындылығына қатысты сызықтық болып табылады. Осы байланыстың нәтижесінде, егер материалды жоғары қуатты лазер сәулесімен кесіп тастаса, материалды алу жылдамдығы сәуле ортасынан оның шеттеріне дейін өте күрт төмендейді. Осыған байланысты, пайда болған "қазба" қалыпты сіңіруді пайдаланып, бірдей өлшемді қазбаны пайдаланғанына қарағанда, өткір және жақсы шешіледі.
3D фотополимерлеу
1997 жылы Maruo және басқалар. 3D микрофабрикациядағы TPA-ны алғаш рет қолданды. 3D микрофабрикация кезінде шикізат ретінде мономерлер мен 2 фотоны бар белсенді фотоинициатордан тұратын гель блогы дайындалады. Блокка фокус лазерін қолдану лазердің фокустық нүктесінде ғана полимерленуге әкеледі, онда сіңірілген жарықтың интенсивтілігі ең жоғары. Осылайша лазер арқылы нысанның пішінін анықтауға болады, содан кейін артық гельді жуу арқылы трассаны қатты қалдыруға болады. 3D микрофабрикация үшін фотополимерлеу микрооптика, микротіріліктер, биомедициналық имплантаттар, жасушалық дақылдар мен тін инженериясы үшін 3D эшафолдтар сияқты көптеген түрлі қолданбаларда қолданылады.
Суреттеу
Адам денесі көзге көрінетін толқын ұзындығына мөлдір емес. Сондықтан флуоресцентті бояуларды пайдалана отырып, бір фотоны бейнелеу өте тиімді емес. Егер бір бояудың екі фотоны жақсы сіңіретіндігі болса, онда тиісті қозу бір фотоны қозғайтын толқын ұзындығынан шамамен екі есе жоғары болады. Нәтижесінде адам денесі жақсы мөлдірлік көрсететін алыс инфрақызыл аймақта қоздыруды қолдануға болады. Кейде Rayleigh шашырауы екі фотоны бейнелеу әдістерімен байланысты деп қате айтылады. Рейлидің шашырау заңы бойынша шашырау мөлшері , мұндағы толқын ұзындығы шамасына пропорционалды. Нәтижесінде, егер толқын ұзындығы 2 есеге ұлғайса, Рейлидің шашырауы 16 есеге азаяды. Алайда, Рейлидің шашырауы шашырауыш бөлшектер жарықтың толқын ұзындығынан әлдеқайда кіші болған кезде ғана болады (аспан көк, өйткені ауа молекулалары көк жарықты қызыл жарыққа қарағанда әлдеқайда көбірек шашыратады). Бөліктердің көлемі ұлғайған сайын, шашырау шамамен толқын ұзындығымен сызықтық түрде артады: сондықтан бұлттар ақ түсті, өйткені оларда су тамшылары бар. Бұл шашырау түрі Mie шашырау деп аталады және биологиялық тіндерде пайда болады. Демек, ұзын толқын ұзындығы биологиялық тіндерде аз таралады, бірақ айырмашылық Релидің заңы болжағандай айтарлықтай емес.
Оптикалық қуатты шектеу
Зерттеудің тағы бір саласы - оптикалық қуатты шектеу. Күшті сызықтық емес әсері бар материалда жарық сіңіру қарқындылығымен бірге артады, сондықтан белгілі бір кіріс қарқындылығынан кейін шығыс қарқындылығы тұрақты мәнге жақындайды. Мұндай материал жүйеге кіретін оптикалық қуатты шектеу үшін пайдаланылуы мүмкін. Бұл сенсорлар сияқты қымбат немесе сезімтал жабдықтарды қорғау үшін, қорғаныш көзілдіріктерінде немесе лазер сәулелерінің шуын бақылау үшін пайдаланылуы мүмкін.
Фотодинамикалық терапия
Фотодинамикалық терапия (ФДТ) - қатерлі ісікке арналған емдеу әдісі. Бұл әдісте триплет кванттық өнімділігі жақсы органикалық молекула қозғайды, осы молекуланың триплет күйі оттегімен өзара әрекеттеседі. Оттегі негізгі күйінің үштік сипаты бар. Бұл үштік үштік анигиляцияға әкеледі, бұл синглетті оттегіге әкеледі, ол өз кезегінде қатерлі ісік жасушаларына шабуыл жасайды. Алайда, TPA материалдарын пайдалану арқылы қозу терезесін инфрақызыл аймаққа дейін кеңейтуге болады, осылайша бұл процесті адам денесінде қолдануға тиімдірек болады.
Екі фотоны бар фармакология
Азобензол негізіндегі фармакологиялық лигандтарды фотоизомеризациялау 2 фотоны сіңіру арқылы фотофармакологияда қолдану үшін сипатталған. Ол эндогенді белоктардың белсенділігін таза тіндерде үш өлшемді фармакологиялық селективтілікпен бақылауға мүмкіндік береді. Ол жүйкелік схемаларды зерттеуге және дәрілік заттарға негізделген инвазивті емес фототерапияны әзірлеуге пайдаланылуы мүмкін.
Оптикалық деректерді сақтау
Екі фотоны қоздырудың басқа аймақтарға әсер етпей, сынаманың тереңіндегі молекулаларды атауға қабілеттілігі, ақпаратты тек қана бетке емес, зат көлемінде сақтауға және алуға мүмкіндік береді. Сондықтан 3D оптикалық деректерді сақтау бір дискте терабайт деңгейіндегі деректерді қамтитын құралдарды ұсыну мүмкіндігіне ие.
Құралымдар
Біраз шамада сызықтық және 2 фотондардың сіңіру күші байланысты. Сондықтан, зерттеуге арналған алғашқы қосылыстар (және әлі де зерттеуге және пайдалануға арналған көптеген заттар, мысалы, 2 фотондық микроскопияда) стандартты бояулар болды. Әсіресе лазерлік бояулар пайдаланылды, өйткені олар фотоқалыптылық қасиеттеріне ие. Алайда, бұл бояулардың 2 фотондық қималары 0,110 GM шамасында болады, бұл қарапайым эксперименттерге мүмкіндік беру үшін талап етілетіннен әлдеқайда аз. 1990-шы жылдары ғана екі фотондарды сіңіретін молекулаларды құру үшін рационалды жобалау принциптері жасала бастады, бұл бейнелеу және деректерді сақтау технологияларының қажеттілігіне жауап ретінде, кванттық есептеулерді жасауға мүмкіндік беретін компьютерлік қуаттың тез өсуіне көмектесті. Екі фотондардың сіңірілуін нақты кванттық механикалық талдау бір фотондардың сіңірілуінен есептеу жағынан әлдеқайда қарқынды, теорияның өте жоғары деңгейінде жоғары байланыстағы есептеулерді қажет етеді. Қатты ТПА молекулаларының ең маңызды ерекшеліктері ұзақ конъюгациялық жүйе (үлкен антеннаға ұқсас) және күшті донорлық және акцепторлық топтармен алмастыру (бұл жүйеде сызықтық еместілікті тудырады және зарядты беру әлеуетін арттырады деп ойлауға болады) болып табылды. Сондықтан көптеген түрткі-тарту олефиндерінде ТПА-ның жоғары, бірнеше мың ГМ-ға дейінгі ауысуы байқалады. Сондай-ақ, "виртуалды" энергия деңгейіне жақын аралық энергия деңгейі бар қосылыстар резонанс күшейту нәтижесінде үлкен 2 фотондық қималарға ие бола алатыны анықталды. Интернетте екі фотондар сіңіру спектрінің бірнеше деректер қоры бар. ТПА қызықты қасиеттері бар қосылыстарға әр түрлі порфирин туындылары, конъюгацияланған полимерлер және тіпті дендримерлер жатады. Бір зерттеуде төменде көрсетілген қосылыстың дирадикалды резонанстық үлесі де тиімді ТПА-мен байланысты болды. Бұл қосылыстың TPA толқын ұзындығы 1425 нанометр, байқалған TPA қимасы 424 GM.
Суда
Лазерлік жолмен судағы ТПА 1980 жылы табылды. Су 3а1 орбиталынан 125 нм-ге жақын УФ-сәулесін сіңіреді, бұл OH− және H+ түріне ажырауға әкеледі. ТПА арқылы бұл диссоциацияға 266 нм-ге жақын екі фотондар қол жеткізе алады. Су мен ауыр судың әртүрлі тербеліс жиілігі мен инерциясы болғандықтан, олар диссоциацияға жету үшін әртүрлі фотондар энергиясына мұқтаж және берілген фотондардың толқын ұзындығы үшін әртүрлі сіңіру коэффициенттері бар. 2002 жылдың қаңтарында фемтосекундтық лазерді 0,22 пикосекундқа теңеген зерттеу D2O коэффициентін 42±5 10−11 ((см/Вт) деп тапты, ал H2O 49±5 10−11 ((см/Вт) болды. ТПЭ астрофизикада қолдану үшін маңызды, планеталық тұмандықтардың континуумдық сәулеленуіне ықпал етеді (теориялық тұрғыдан олар үшін болжалды және байқалады). ТПЭ тұндырылған заттарда және әсіресе жартылай өткізгіштерде алғаш рет 2008 жылы ғана байқалды, оның эмиссиясы бір фотонның өздігінен шығарылуынан шамамен 5 рет әлсіреген, кванттық ақпаратта әлеуетті қолдануы бар.