封继康大会报告 双光子吸收材料分子设计研究

双光子吸收首先在1931年有理论预测 (M.Göppert-Mayer, Ann. Phys., 1931, 9,273.)
第一个实验观测到在1961年 (W.Kaiser,C.G.B.Garrett, Phys.Rev.Lett.,
1961, 7, 229.)
• 光在介质中的传播服从下列关系
•
dI I I2
(1 )F(2)F F(3)FF F
所以 (2) (2) (2) 0同理 (4) (6) 0
对有中心对称性的介质,其二阶非线性光学系 数必为零.
图2c所示是非中心对称介质, P(F)P(F), (2) 0
E(ω ) P P
P(2ω )
1.各种高技术领域的需求:如激光防护,荧光显微.三维光数 据存储,双光子诱导生物笼,光动力疗法.
2.有大的双光子吸收截面的材料已经开始被合成. 要进一步设计合成出新的更有效的双光子吸收材料,
除了在实验上进行广泛的研究探索外,理论研究也是十 分必要的.
理论研究需要回答和解决的问题是
• 双光子吸收以及各种非线性光学现象究竟是怎么 产生的?它的本质是什么? Origin and Nature
D
x
A
P(ω )
图3 推/拉分子在x方向的极化响应P(x)
将这个非对称极化分解为Fourier分量,可产生 P(),P(2)···.
P(2) 将会产生一个光电场 F(2),就是二次谐波.
由于电场(F)和极化度(P)都是向量,故上述定性描述要略 加修正,即:
(5) P I
P (1 )F (2 )F F(3 )FF F
(4)
b. 诱导极化度(P)
c. 诱导极化度(P)
光电场场强(F) P(F)=-P(-F)
光电场场强(F) P(F)≠ -P(-)F
• 图2 光电场极化 b.中心对称非线性 c.非中心对称非线性
» » (1)
(2)
(3)
P(i,
j,k,l;;1,2,3)

mono
po( m
o
oi im
m mj n nk p pl o o)(no2 3 ino)(po3
ipo)
(9)
mono
(m
(1)
dZ
• 为线性(单光子)吸收系数,为双光子吸收
系数.
• «
近年来国际上关于双光子吸收的研究报导与 日俱增,如: Science, 2019, 281, 1653. Nature, 2019, 398, 51. J.Am.Chem.Soc., 2000, 122, 9500. J.Am.Chem.Soc., 2019, 123, 10039 等.
双光子吸收材料的分子 设计研究
封继康
吉林大学
双光子吸收是非线性光学现象的一种
非线性光学现象的产生是光与物质相互作 用的结果.光与物质究竟怎样作用?
• 分子是由原子组成的,分子中的电子被束缚 在原子核周围运动.如果外加一个电磁场(光 也是一种电磁场),则这种运动将受到扰动,如 外场是一种谐振场,则电子也会产生和外电 场相同频率的谐振,这就诱导产生了一种” 极化”(因为”极性”就来源于正负电中心 不重合).如外场为中等场强,则产生的诱导极 化强度(称为诱导极化度)将和场强成正比,如 图2a.
• 分子结构和双光子吸收性质之间有什么关系?分子 结构怎样决定(影响)分子的双光子吸收性质? Structure and Property
• 分子设计,即从理论上,通过理论计算研究设计ห้องสมุดไป่ตู้双 光子吸收截面大且综合品质优良的双光子吸收材 料分子. Molecular Devise
双光子吸收的大小可用双光子吸收系数β来衡量。
光 电 场 场 强 (F) P(F)=-P(-F)
图2 光电场极化 a.线性
把这个意思表达出来就是:
P (1) F
(3)
F :场强, P :诱导极化度, (1) :极化率, 因为上述关系
是线性的,故称为线性极化率.
当场强增加时,介质的极化响应不再是线性,而 是非线性的,如图2b,c和场强的关系就是:
P i
j
iF jj 1 2jkijF k jF k 1 6jkiljF kjF lkF l
(6)
ij 对应
(1) IJ
;
; ijk
对应

(2) IJK
；
ijkl
对应
(3) IJKL
等等.
ijk(l ;1,2,3)
43
3h3
J
I ( 1 )F J J 1 2 JK I ( 2 )J F J F K K 1 6 JK I ( 3 )L J F J K F K F L L

(n)
是(n+1)阶张量.如:
(2) IJK
:三阶张量(下指标有三个:I,J,K),
二阶非线性光学系数, 第一超极化率.
在分子水平上,即研究每个分子,也可以完全类似地写出其极 化度表示式
• 激光和非线性光学是一对孪生子
图2b所示是有中心对称性的介质, P(F)P(F)
P(F) (1 )F(2)F F(3 )FF F
P ( F )
( 1 )( F )(2 )( F ) F ()( 3 )( F ) F () F ()
双光子吸收( Two-Photon Absorption TPA ) 是指介质同时吸
收两个光子2h (或 h1h2 )向高能级跃迁.
终态Sn 2
虚中间态 1
始态S0 (a) 双光子吸收
第n激发态Sn 2
第一激发态S1 1
始态S0 (b) 二个连续的单光子吸收
激发态吸收
图1. 双光子吸收和激发态吸收
由于双光子吸收系数β与样品浓度有关，为便于 比较，微观上用双光子吸收截面δ来表示分子双光子 吸收的大小
h /N (AC) (2)
双光子吸收作用最初是在半导体材料中发现的， 最近的研究工作大量转向有机材料。
构成器件结构简单，使用方便，瞬时响应快，线 性透射率高，可裁剪性等。
a. 诱 导 极 化 度 (P)