雙光子吸收 TPATwo?Photon?Absorption三階非線性光學效應\(\boldsymbol{\chi^{(3)}}\)不要求晶體無中心對稱硅、普通有機物、半導體都可以發生必須高光強飛秒脈沖激光才能顯現‘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態中間經過短暫的虛能級不是真實能級。單個光子能量不夠激發分子兩個加起來總能量滿足躍遷條件。發生概率和光強的平方成正比。光不強的時候幾乎不發生只有激光焦點極高光子密度效應才明顯光束沿途光強低幾乎沒有吸收。吸收兩個光子之后電子落到真實激發態之后可以釋放熒光、或者產生載流子半導體。區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射介質本身不吸收光子能量。雙光子吸收 TPA三階兩個光子被介質吸收、光子消失介質電子被激發能量留在物質內部不再輻射出倍頻光子關鍵特點只在激光焦點極小體積發生光路穿過的其他位置光強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生激發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生硅探測器就可以做雙光子接收。必須強脈沖激光 連續激光很難實現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。弱光環境完全觀測不到該效應。可以用長波長光實現短波長的激發效果 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光學階次一階線性\(\chi^{(1)}\)三階非線性\(\chi^{(3)}\)發生條件普通光源即可高光強一般飛秒脈沖激光概率關系與光強成正比與光強平方成正比空間發生區域光束整條路徑全部發生吸收僅焦點極小體積發生材料對稱性無要求無特殊要求中心對稱介質也可以光子結局吸收 1 個光子電子激發同時吸收 2 個光子光子消失電子激發典型光源氙燈、連續激光飛秒脈沖激光器典型工程應用雙光子熒光顯微鏡生物醫學近紅外飛秒激光對活組織深層成像穿透深度大光漂白、光損傷低神經科學、活體組織觀測主流設備。雙光子光刻、三維微加工只在焦點發生光化學反應實現三維立體微結構打印。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強光下發生雙光子吸收產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光脈沖場景弱光不能用。光限幅防護器件強光下發生雙光子吸收自動削弱透射光保護探測器。三維光存儲材料內部焦點處發生雙光子光化學反應實現寫入。哲學小結二階倍頻 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內部電子能量被物質內部接納、存儲。二者都是強光開啟的非線性 “湮滅” 過程但一個向外創造新光一個向內完成物質激發。