双光子光聚合反应(精)

Nature,2001,412:697~698
展望


国际上美国和日本的研究处于前沿水平；国内北 京大学、清华大学、中科院理化所及山东大学在 进行这方面的研究，处于起步阶段。目前的研究 重点： 寻找和合成更大吸收截面的双光子吸收剂； 继续研究双光子吸收剂在光聚合等方面的应用； 开展大量的理论计算研究；
三维操控和微加工

一个立体的复杂整体结构，材料在不同的部位 的尺寸和形状都不同时，利用现有的精密机械 尚无有效的方法实现。如非球面透镜的加工， 特别是微型非球面透镜是目前的技术难题之一， 双光子聚合可以用来解决该问题。Kawata将计 算机辅助设计和双光子聚合技术相结合，成功 的制造出了红细胞大小的立体公牛（长10μm， 高7μm）（Nature,2001,412:697~698）。另 外还制作出了一个微小的弹簧，弹簧的直径为 300nm，用激光作动力拉动弹簧，测出了弹簧 的弹性常数为8.2nNm-1.

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单光子吸收的强度与入射光强成正比 （线形吸收），双光子吸收的强度与入 射光强的平方成正比（非线形吸收）； 单光子吸收的辐照光源一般在紫外区 （≤400nm），双光子在可见-近红外区 （≥800nm），长波长使得入射光的损耗 较小，在介质中的穿透性好；
单光子吸收的吸收截面为 10-17~10-18 cm4•s/photon，对光密度要求小，即 使弱光也可发生吸收，在光线经过的地方都会发 生聚合，是整体或面上的聚合;双光子吸收截面 一般为10-50~10-46cm4•s/photon，一般在两束光 聚焦的焦点处才能同时吸收两个光子，引发聚合 反应，聚合反应只发生在入射光波长立方（λ3） 范围的微小体积内。 双光子吸收截面： σTP=4π3ao5 ω2 δTP 15c гf 即双光子可进行立体微加工。
双光子光聚合反应
房德仁 刘中民
导师
研究员
1 概述




1931年Goppert-Mayer提出双光子吸收理 （Ann.Physik,1931,9:273~295）； 20世纪60年代由实验观测所证实 (Phys.Rev.Lett,1961,39:1347~1348) 但由于缺少大的双光子吸收截面材料（均小于 10-48cm4•s/photon），限制了其应用研究。 20世纪90年代后，大双光子吸收截面有机分子 被逐渐发现（10-46cm4•s/photon）。如双光子 上转换激光、双光子光限幅、双光子三维光存 储、双光子光动力学疗法、双光子光聚合等
光聚合机理

普通的光敏聚合机理为只要染料或者引 发剂或光敏剂捕获一个光子，就会产生 自由基或阳离子等活性基团，引发单体 聚合；或光敏剂本身不能直接形成自由 基，而是将光吸收后把能量传递给单体 或引发剂引发聚合，双光子聚合机理与 单光子基本相同，惟有光子的吸收机理 不同。
光聚合机理示意图
双光子吸收

双光子吸收过程一般是两个光子同时被 一个分子吸收，或者在极短的时间内两 个光子被一个分子相继吸收，一般两个 光子吸收的时间差小于0.1飞秒（1飞秒 =10-15秒）。一般认为吸收是经过一个假 想态（virtual state），然后到达一个分 子的激发态。
双光子吸收示意图
双光子吸收示意图
双光子吸收与单光子吸收

A- π –D -π-A, A- π –D结构等，共轭大π键越 长，吸收截面越大；分子的偶极矩及极化率 都对分子的吸收截面有重大影响。
双光子海量信息存储

在光学存储技术中信息存储密度依赖于波长倒 数的幂，该幂的次数等于存储信息的空间维数。 利用该技术，可以存储的容量理论上可以达到 1.2×1014bits/cm3,远远超出现有的二维光存储 材料的容量（理论值为在200nm波长下， 2.5×109bits/cm2） （Science,1989,245:843~845;Applied Physics Letters,1999,74:1338~1340）

双光子吸收的光源

双光子吸收一般采用较大功率的红宝石或蓝宝石 脉冲激光器，波长800nm~1000nm左右，要求 激光器的功率大于一个最低值，一般在 30μJ~100μJ。利用双光路聚焦的方法。
双光子光聚合光敏引发剂
一般要求：具有共轭大π键，吸电子基团，给电子 基团，如D-π-D,D-π-A- π –D,A- π-A,
光子晶体的加工

光子晶体是用于控制光的一种器件，工作原理与 半导体类似。由于光子速度比电子快的多，如果 能象控制电子一样控制光子，就有可能制造出比 电子计算机速度更快、功能更强大的光子计算机。 光子在传播中几乎不消耗能量。由于双光子聚合 可以提供规律性很好的周期性结构，成为光子晶 体制造的有效方法 （Nature,1999,398:51~54）