Введение

Одновременное поглощение двух фотонов молекулой В атомной физике, поглощение двух фотонов (TPA или 2PA), также называемое двумя фотонами возбуждения или нелинейного поглощения, является одновременное поглощение двух фотонов одинаковых или различных частот для того, чтобы возбудить атом или молекулу из одного состояния (обычно основное состояние), через виртуальный уровень энергии, к более высокой энергии, чаще всего возбужденное электронное состояние. Поглощение двух фотонов с разными частотами называется не дегенерирующим поглощением двух фотонов. Поскольку TPA зависит от одновременного поглощения двух фотонов, вероятность TPA пропорциональна дозе фотона (D), которая пропорциональна квадрату интенсивности света (D I2); таким образом, это нелинейный оптический процесс. Разница энергии между участвующими нижним и верхним состояниями молекулы равна или меньше, чем сумма энергий фотонов двух поглощенных фотонов. Поглощение двух фотонов - это процесс третьего порядка, при этом поперечное сечение поглощения обычно на несколько порядков меньше, чем поперечное сечение поглощения одного фотона. Двухфотонное возбуждение флюорофора (флуоресцентной молекулы) приводит к двум фотонным возбужденным флуоресценциям, где возбужденное состояние, производимое TPA, распадается путем спонтанного излучения фотона в более низкое энергетическое состояние.

Предыстория

Феномен был первоначально предсказан Марией Гёпперт Майер в 1931 году в своей докторской диссертации. Тридцать лет спустя изобретение лазера позволило впервые экспериментально проверить TPA, когда в допированном европием кристалле было обнаружено два фотона возбужденной флуоресценции. Вскоре после этого эффект был наблюдан в паре цезия, а затем в полупроводнике CdS. TPA - это нелинейный оптический процесс. В частности, мнимая часть нелинейной восприимчивости третьего порядка связана с величиной ТПА в данной молекуле. Поэтому правила отбора для TPA отличаются от одного фотонового поглощения (OPA), которое зависит от восприимчивости первого порядка. Связь между правилами отбора для одного и двух фотонов поглощения аналогична тем, что используются для Раман и ИК спектроскопии. Например, в центросимметричной молекуле один и два фотона допускают взаимно исключающие переходы, оптический переход, разрешенный в одной из спектроскопий, запрещен в другой. Однако для нецентрисимметричных молекул нет формального взаимоисключения между правилами отбора для OPA и TPA. В квантовой механике это различие происходит из-за того, что квантовые состояния таких молекул имеют либо +, либо инверсионную симметрию, обычно обозначенную g (для +) и u (для). Один фотонный переход допускается только между состояниями, которые отличаются по инверсионной симметрии, т.е. g < > u, в то время как два фотонных перехода допускаются только между состояниями, которые имеют одну и ту же инверсионную симметрию, т.е. g < > g и u < > u. Отношение между количеством фотонов или, эквивалентно, порядком электронных переходов, участвующих в процессе TPA (два), и порядком соответствующей нелинейной восприимчивости (три) может быть понято с использованием оптической теоремы. Эта теорема связывает воображаемую часть всеоптического процесса данного порядка возмущения с процессом, включающим носители заряда с половиной порядка возмущения, т. е. Для применения этой теоремы важно учитывать, что порядок в теории возмущения для расчета амплитуды вероятности всего оптического процесса является . Поскольку в случае TPA имеются электронные переходы второго порядка, из оптической теоремы следует, что порядок нелинейной восприимчивости , т. е. это процесс. Феноменологически, TPA можно рассматривать как третий термин в обычной модели анармонического осциллятора для изображения вибрационного поведения молекул. Другой взгляд - думать о свете как о фотонах. В нерезонансной TPA ни один из фотонов не находится в резонансе с энергетическим разрывом системы, и два фотона объединяются, чтобы преодолеть энергетический разрыв, превышающий энергии каждого фотона отдельно. Если бы в промежутке было промежуточное электронное состояние, это могло бы произойти через два отдельных перехода одного фотона в процессе, описанном как "резонансный TPA", "последовательный TPA" или "1 + 1 поглощение", где только поглощение является процессом первого порядка, и генерируемая флуоресценция будет расти как квадрат входящей интенсивности. В нерезонансной TPA переход происходит без присутствия промежуточного состояния. Это можно рассматривать как "виртуальное" состояние, создаваемое взаимодействием фотонов с молекулой. Аргумент виртуального состояния вполне ортогонален аргументу анармонического осциллятора. Например, в полупроводнике поглощение при высоких энергиях невозможно, если два фотона не могут преодолеть полосу. Таким образом, для эффекта Керра можно использовать многие материалы, которые не проявляют никакого поглощения и, следовательно, имеют высокий порог повреждения. "Нелинейный" в описании этого процесса означает, что сила взаимодействия увеличивается быстрее, чем линейно, с электрическим полем света. В идеальных условиях скорость TPA пропорциональна квадрату интенсивности поля. Эта зависимость может быть получена квантовой механикой, но она интуитивно очевидна, если учесть, что для этого требуется два фотона, чтобы совпасть во времени и пространстве. Это требование к высокой интенсивности света означает, что для изучения явлений TPA необходимы лазеры. Кроме того, для понимания спектра TPA также требуется монохромный свет для измерения поперечного сечения TPA при различных длинах волн. Следовательно, настраиваемые импульсные лазеры (такие как частота удвоенная Nd: YAG насосные OPOs и OPAs) являются выбором возбуждения.

Измерения

Поглощение двух фотонов может быть измерено несколькими методами. Некоторые из них - это флуоресценция с двумя фотонами (TPEF), z-сканирование, самодифракция или нелинейная передача (NLT). Импульсные лазеры чаще всего используются, потому что TPA является нелинейным оптическим процессом третьего порядка и, следовательно, наиболее эффективен при очень высоких интенсивностях.

Единицы поперечного сечения

Молекулярный поперечный сечение поглощения двух фотонов обычно цитируется в единицах Гёпперта Майера (GM) (по имени его открывателя, лауреата Нобелевской премии Марии Гёпперт Майер), где 1 GM равен 10−50 см4 s фотону−1. Рассматривая причину этих единиц, можно увидеть, что она является результатом произведения двух областей (одна для каждого фотона, каждый в см2) и времени (в течение которого два фотона должны прибыть, чтобы иметь возможность действовать вместе). Большой коэффициент масштабирования введен для того, чтобы 2 фотоновых поглощения поперечного сечения обычных красителей имели удобные значения.

Развитие области и потенциальные применения

До начала 1980-х годов TPA использовался в качестве спектроскопического инструмента. Ученые сравнили спектры OPA и TPA различных органических молекул и получили несколько фундаментальных отношений свойств структуры. Однако в конце 1980-х годов начали разрабатываться приложения. Питер Ренцепис предложил применение в 3D оптическом хранении данных. Уотт Уэбб предложил микроскопию и визуализацию. Были продемонстрированы и другие приложения, такие как 3D-микрофабрикация, оптическая логика, автокорреляция, преобразование импульса и ограничение оптической мощности.

3D-изображение полупроводников

Было продемонстрировано, что при использовании двух фотонов поглощение носителей заряда может быть создано в пространственном ограничении в полупроводниковом устройстве. Это может быть использовано для исследования свойств транспортировки заряда такого устройства.

Микрофабрикация и литография

В 1992 году, с использованием более высоких мощностей лазера (35 мВт) и более чувствительных смол/резистов, TPA нашла свой путь в литографию. Одной из самых отличительных особенностей TPA является то, что скорость поглощения света молекулой зависит от квадрата интенсивности света. Это отличается от ОПА, где скорость поглощения является линейной по отношению к интенсивности входа. В результате этой зависимости, если материал резается с помощью мощного лазерного луча, скорость удаления материала очень резко снижается от центра луча до его периферии. Из-за этого созданная "дырка" более четкая и лучше разрешается, чем если бы дырка того же размера была создана с использованием нормального поглощения.

3D фотополимеризация

В 1997 году Maruo et al. разработала первое применение TPA в 3D микрофабрикации. В 3D микрофабрикации в качестве сырья получают блок геля, содержащий мономеры и 2-фотонный активный фотоинициатор. Применение фокусированного лазера к блоку приводит к полимеризации только в фокусном месте лазера, где интенсивность поглощаемого света является наибольшей. Таким образом, лазер может отследить форму объекта, а затем очистить избыточный гель, чтобы оставить следы твердыми. Фотополимеризация для 3D-микрофабрикации используется в самых разных областях, включая микрооптику, микрожидкости, биомедицинские имплантаты, 3D-помещения для клеточных культур и тканевой инженерии.

Образование изображений

Человеческое тело не прозрачно для видимых длин волн. Поэтому однофотонная визуализация с использованием флуоресцентных красителей не очень эффективна. Если бы тот же самый краситель обладал хорошей абсорбцией двух фотонов, то соответствующее возбуждение произошло бы примерно в два раза больше длины волны, при которой произошло бы возбуждение одного фотона. В результате, можно использовать возбуждение в дальней инфракрасной области, где человеческое тело показывает хорошую прозрачность. Иногда говорят, что рассеяние Рэйли имеет отношение к методам визуализации, таким как два фотона. Согласно закону Рэйли, количество рассеяния пропорционально длине волны. В результате, если длина волны увеличивается в 2 раза, рассеивание Рэйли уменьшается в 16 раз. Однако рассеяние Рэйли происходит только тогда, когда рассеивающие частицы намного меньше длины волны света (небо синее, потому что молекулы воздуха рассеивают голубой свет намного больше, чем красный свет). Когда частицы больше, рассеивание увеличивается примерно линейно с длиной волны: поэтому облака белые, так как они содержат капли воды. Эта форма рассеивания известна как рассеивание Mie и происходит в биологических тканях. Таким образом, хотя более длинные волны рассеиваются меньше в биологических тканях, разница не так значительна, как предсказывает закон Рэйли.

Ограничение оптической мощности

Еще одна область исследований - ограничение оптической мощности. В материале с сильным нелинейным эффектом поглощение света увеличивается с интенсивностью таким образом, что после определенной входной интенсивности выходной интенсивность приближается к постоянному значению. Такой материал может использоваться для ограничения количества оптической мощности, поступающей в систему. Это может быть использовано для защиты дорогостоящего или чувствительного оборудования, такого как датчики, может использоваться в защитных очках или может использоваться для контроля шума в лазерных лучах.

Фотодинамическая терапия

Фотодинамическая терапия (ФДТ) - метод лечения рака. В этой технике органическая молекула с хорошей тройной квантовой отдачей возбуждается так, что тройное состояние этой молекулы взаимодействует с кислородом. Основное состояние кислорода имеет тройной характер. Это приводит к триплетному аннигиляции, что приводит к появлению синглетного кислорода, который, в свою очередь, атакует раковые клетки. Однако, используя материалы TPA, окно для возбуждения может быть расширено в инфракрасную область, тем самым делая процесс более жизнеспособным для использования на человеческом теле.

Фармакология двухфотонных

Для использования в фотофармакологии описана фотоизомеризация фармакологических лигандов на основе азобензола путем абсорбции 2- фотонных элементов. Он позволяет контролировать активность эндогенных белков в неповрежденной ткани с фармакологической селективностью в трех измерениях. Его можно использовать для изучения нейронных цепей и разработки неинвазивных фототерапий на основе лекарственных средств.

Оптическое хранение данных

Способность двухфотонного возбуждения обращаться к молекулам глубоко внутри образца без воздействия на другие области позволяет хранить и извлекать информацию в объеме вещества, а не только на поверхности, как это делается на DVD. Таким образом, 3D-оптическое хранение данных имеет возможность предоставлять носители, которые содержат емкость данных на уровне терабайта на одном диске.

Соединения

В некоторой степени линейная и 2-фотонная силы поглощения связаны. Поэтому первыми исследовавшимися соединениями (и многими, которые все еще изучаются и используются, например, в 2-фотонной микроскопии) были стандартные красители. В частности, использовались лазерные красители, поскольку они обладают хорошими характеристиками фотостабильности. Однако эти красители имеют склонность иметь 2 фотонных поперечных сечений порядка 0,1 10 ГМ, что намного меньше, чем требуется для простых экспериментов. Только в 1990-х годах начали разрабатываться принципы рационального проектирования для построения двух молекул, поглощающих фотоны, в ответ на потребность в технологиях обработки изображений и хранения данных, а также благодаря быстрому увеличению мощности компьютеров, которые позволили производить квантовые вычисления. Точный квантово-механический анализ двух фотонов поглощения является порядками величины более вычислительно интенсивным, чем у одного фотона поглощения, требуя высоко коррелирующих вычислений на очень высоких уровнях теории. Наиболее важными особенностями молекул с сильной ТПА были длинная система конъюгации (аналогична большой антенне) и замена сильными донорскими и акцепторскими группами (что можно рассматривать как индуцирование нелинейности в системе и увеличение потенциала для передачи заряда). Поэтому многие олефины push-pull проявляют высокие переходы TPA, до нескольких тысяч GM. Также было обнаружено, что соединения с реальным промежуточным уровнем энергии, близким к "виртуальному" уровню энергии, могут иметь большие 2-фотонные поперечные сечения в результате усиления резонанса. В Интернете есть несколько баз данных двух спектров поглощения фотонов. Соединения с интересными свойствами TPA также включают различные производные порфирина, конъюгированные полимеры и даже дендримеры. В одном исследовании диарадикальный резонансный вклад соединения, изображенного ниже, также был связан с эффективным ТПА. Длина волны TPA для этого соединения составляет 1425 нанометров с наблюдаемым поперечным сечением TPA 424 GM.

В воде

Лазерный TPA в воде был обнаружен в 1980 году. Вода поглощает ультрафиолетовое излучение около 125 нм, выходя из орбитальной 3a1, что приводит к диссоциации в OH− и H+. Через TPA эта диссоциация может быть достигнута двумя фотонами вблизи 266 нм. Поскольку вода и тяжелая вода имеют разные частоты вибрации и инерцию, для достижения диссоциации им также необходимы разные энергии фотонов и разные коэффициенты поглощения для данной длины волны фотонов. Исследование, проведенное в январе 2002 года, использовало фемтосекундный лазер, настроенный на 0,22 пикосекунды, показало, что коэффициент D2O составляет 42±5 10−11 ((см/Вт), тогда как H2O составляет 49±5 10−11 ((см/Вт). TPE важен для применения в астрофизике, способствуя континууму излучения от планетарных туманностей (теоретически предсказан для них в и наблюдался в). ТПЭ в конденсированном веществе и, в частности, в полупроводниках впервые был обнаружен только в 2008 году, с скоростью выброса почти на 5 порядков меньше, чем спонтанное излучение одного фотона, с потенциальными применениями в квантовой информации.