[光学原理与应用-517]：双光子吸收 TPA（Two‑Photon‑Absorption）

双光子吸收 TPATwo‑Photon‑Absorption三阶非线性光学效应\(\boldsymbol{\chi^{(3)}}\)不要求晶体无中心对称硅、普通有机物、半导体都可以发生必须高光强飞秒脉冲激光才能显现‘通俗原理单光子吸收线性吸收 1 个光子电子跳到高能级只要光子能量够就能发生普通光就可以。双光子吸收同一个分子 / 电子几乎同一瞬间吸收 2 个低能量光子两个光子能量加在一起才把电子抬到高能激发态中间经过短暂的虚能级不是真实能级。单个光子能量不够激发分子两个加起来总能量满足跃迁条件。发生概率和光强的平方成正比。光不强的时候几乎不发生只有激光焦点极高光子密度效应才明显光束沿途光强低几乎没有吸收。吸收两个光子之后电子落到真实激发态之后可以释放荧光、或者产生载流子半导体。区分两个容易混淆过程二次谐波 SHG 倍频二阶两个光子湮灭 → 生成 1 个更高频率新光子向外发射介质本身不吸收光子能量。双光子吸收 TPA三阶两个光子被介质吸收、光子消失介质电子被激发能量留在物质内部不再辐射出倍频光子关键特点只在激光焦点极小体积发生光路穿过的其他位置光强低双光子吸收几乎为零。天然自带三维空间切片能力不需要共聚焦的小孔光阑。生物成像只在焦点产生激发离焦位置不会损伤样品抖音百科。材料对称性无硬性约束 二阶倍频 SHG 必须无中心对称晶体双光子吸收中心对称材料也可以发生硅探测器就可以做双光子接收。必须强脉冲激光 连续激光很难实现一般用飞秒脉冲激光把能量压缩在极短时间瞬间获得极高光强。弱光环境完全观测不到该效应。可以用长波长光实现短波长的激发效果 例用近红外 900 nm 红外光双光子吸收等效获得 450 nm 紫外的激发能量红外光穿透样品更深、光损伤更小。单光子吸收 VS 双光子吸收对比表格项目单光子吸收线性双光子吸收三阶非线性 TPA光学阶次一阶线性\(\chi^{(1)}\)三阶非线性\(\chi^{(3)}\)发生条件普通光源即可高光强一般飞秒脉冲激光概率关系与光强成正比与光强平方成正比空间发生区域光束整条路径全部发生吸收仅焦点极小体积发生材料对称性无要求无特殊要求中心对称介质也可以光子结局吸收 1 个光子电子激发同时吸收 2 个光子光子消失电子激发典型光源氙灯、连续激光飞秒脉冲激光器典型工程应用双光子荧光显微镜生物医学近红外飞秒激光对活组织深层成像穿透深度大光漂白、光损伤低神经科学、活体组织观测主流设备。双光子光刻、三维微加工只在焦点发生光化学反应实现三维立体微结构打印。双光子光探测器双光子接收硅 PD 光电二极管红外光子单个不足以激发强光下发生双光子吸收产生光电流用于红外高速光探测、全光采样。注意普通 PD 的双光子接收灵敏度很低只适合强光脉冲场景弱光不能用。光限幅防护器件强光下发生双光子吸收自动削弱透射光保护探测器。三维光存储材料内部焦点处发生双光子光化学反应实现写入。哲学小结二阶倍频 SHG两个旧光子湮灭向外诞生一个全新光子能量向外释放。双光子吸收 TPA两个光子湮灭消失能量交给介质内部电子能量被物质内部接纳、存储。二者都是强光开启的非线性 “湮灭” 过程但一个向外创造新光一个向内完成物质激发。