双光子吸收截面
非线性光吸收与光折射-副本
（1）：弱光情况 I ' 0 n 10N n0
（2）：单重态情况 ST S ,T A 1, B 0
Rs
S 0
,I'
I Ic
, Ic
0 S
n
1
1 RS 1 I
I '
'
0
N
22/32
（2）：单重态情况 ST
1 I / Ic
三阶非线性光吸收是饱和吸收的线性近似。
dE(z) i P (3) (z) dz 20cn0
考虑非线性吸收
P (3) 30 (3) (;, ,) | E|2 E
|E|2 2I
0cn0
dE(z) E(z)
dz
2
P(3) (z)
i
21, 23,31 : 弛豫时间
速率方程为
dn2 dt
0I
n1
n2
21
n2
23
N n1 n2 n3
dn3 n2 n3
dt 23 31
5/32
速率方程为
dn2 dt
0I
n1
n2
21
n2
23
dn3 n2 n3
dt 23 31
dn2 0In1 n2 n2
dt
S 0 ST
dn3 n2 n3
dt ST T 0
0In1 n2 n3
ST T 0
N n1 n3
n1 n2 n3 N
n1
双光子吸收——精选推荐
4.3 双光子吸收用红宝石激光照射掺铕的氟化钙晶体时，探测其荧光光谱时发现了红宝石激光的倍频光谱。
但是1、该材料不存在与单个红宝石激光光子对应的任何激发态，因此不能用连续吸收两个红宝石激光光子来解释；2、该材料为立方晶体，具有反演对称性，因此不存在(2)χ，不会出现二次谐波的频率。
唯一的解释是同时吸收了两个光子。
更一般地，当频率分别为1ω、2ω的两束光通过非线性媒质时，如果1ω+2ω接近媒质的某个跃迁频率0ω，媒质就会从每一束光波中同时各吸收一个光子，而引起两束波的同时衰减，这就是双光子吸收，如图4.3-1所示。
j g 宇称相同图4.3-1 双光子共振设媒质中只传输两束光，而且没有二阶非线性效应，或者不满足产生和频、差频和二次谐波相对应的相位匹配条件，同时不满足产生三次谐波的相位匹配条件，而1ω+2ω对应与媒质的某个跃迁频率0ω。
这时只需考虑辐射场之间的耦合作用所产生的结果，所以必须考虑频率为1ω和2ω的三阶非线性极化强度：(3)*101221221()6(;,,)()()()χ=−−P E E E M ωεωωωωωωω (4.3-1)(3)*202112112()6(;,,)()()()χ=−−P E E E M ωεωωωωωωω (4.3-2)耦合方程：2(3)1112212121(,)3(;,,)(,)(,)dE z i E z E z dz k c ωωχωωωωωω=−− (4.3-3) 2(3)2221121221(,)3(;,,)(,)(,)dE z i E z E z dz k c ωωχωωωωωω=−− (4.3-4) 由于12+ωω接近媒质共振频率，因此(3)1221(;,,)−−χωωωω，(3)2112(;,,)−−χωωωω.中的实部与虚部都应当是有限值，在方程中都必须考虑。
非线性极化率的实部具有完全对易对称性，即：Re{(3)2112(;,,)−−χωωωω}=Re[(3)1221(;,,)−−χωωωω]=χ (4.3-5) 非线性极化率的虚部，可以从式(1.3-23)得到：4(3)212211************Im (;,,)Im {[()()(0)]}23()()()()−=+−+++×−−+Ne B A F F F m F F F F χωωωωωωωωεωωωωωω 2201()=−−F i ωωωΓω由于1ω+2ω≈0ω，因此1ω，2ω，12−ωω都远离共振频率0ω，这样(0)F 、12()−F ωω、2()F ω、1()F ω等都是实数，这样：42(3)221221121230(3)2112Im (;,,)()()Im ()3Im (;,,)Ne A F F F m χωωωωωωωωεχωωωω−−=+=−− 因此，令：Im[(3)2112(;,,)−−χωωωω]=Im[(3)1221(;,,)−−χωωωω]=TA χ (4.3-6)由此可见，不仅极化率张量(3)2112(;,,)ωωωω−−χ和(3)1221(;,,)ωωωω−−χ的虚部相同，而且还与与跃迁频率接近0ω的上下两能级之间的集居数密度差有相同的符号。
双光子吸收法-概念解析以及定义
双光子吸收法-概述说明以及解释1.引言1.1 概述双光子吸收法是一种用于研究和探索材料和分子结构的前沿技术。
随着科学技术的不断发展，双光子吸收法已成为物理化学领域中一个重要的研究手段。
通过该方法，我们可以更深入地了解物质内部的复杂结构和性质，从而为材料科学、化学生物学等领域的研究提供有力支持。
双光子吸收法的原理相对复杂，但简单来说，它是利用两个光子同时作用于分子或材料时的吸收现象。
与传统的单光子吸收法不同，双光子吸收法能够提供更高的分辨率和更准确的结果。
其基本原理是两个光子在同时作用于目标物质上时，能量的总和正好等于目标分子的激发能级的能量。
因此，通过测量吸收光的强度和频率，我们可以得到目标物质的结构和性质信息。
双光子吸收法在许多领域中具有广泛的应用。
例如，在材料科学中，它可以用来研究纳米材料的光学和电子性质，以及材料的非线性光学行为。
在化学生物学领域，双光子吸收法可以用于研究生物分子的结构和功能，以及分子与细胞相互作用的过程。
此外，它还被广泛应用于光子学、光催化、光电子学等领域。
然而，双光子吸收法也存在一些局限性。
首先，由于双光子吸收过程的低概率性，它通常需要较高的光强和长的激光脉冲宽度，这限制了其在实际应用中的灵活性和可行性。
其次，鉴于双光子吸收法的复杂性和技术要求，研究人员需要具备较高的实验技能和仪器设备，这也限制了其在广泛领域的推广和应用。
总之，双光子吸收法作为一种先进的研究手段，为我们研究材料和分子结构提供了新的途径和突破口。
通过深入了解其原理和应用领域，我们能够更好地发挥它在科学研究和技术创新中的作用，并为未来的研究方向提供更广阔的空间。
1.2 文章结构本文将按照如下结构来展开对双光子吸收法的介绍和分析：第一部分是引言部分，其中包括对双光子吸收法的概述，即双光子吸收法的基本原理、应用领域以及它在科学研究和工程实践中的重要性。
同时，引言部分也会明确文章的结构和目的。
第二部分是正文部分，将重点介绍双光子吸收法的原理。
双光子吸收截面
TN
1n1I0L
I0L
TN
1
1 I0L
←均匀光束
TN
1n1I0L
I0L
←高斯光束
h Nc
非线性透过率法
优点：实验装置简单，测量方便，处理数据容易。
缺点： 〔1〕待测介质浓度高时，线性吸收会比较大。 〔2〕入射光强度很高时，其它机制的吸收会对
非线性吸收过程有奉献。 〔3〕当受激辐射、放大自发辐射、光散射等过
由于荧光强度和激发强度之间为平方关系，根 据其偏离程度，可以进一步减小激发光强，以 防止这些效应对测量双光子吸收的影响。
双光子诱导荧光法〔上转换荧光法〕
比较待测样品和标准样品〔具有δ〕的双光子诱导荧 光，求得待测样品的δ。
F K NLI2
2
2
1
F2 F1
1 2
c1 c2
1：标准样品 2：待测样品 F：双光子诱导荧光强度 φ：荧光量子效率 c：样品浓度 L：样品通光长度 N：荧光团数密度 K：无量纲常数
通〔过2〕测入量射介光质强的度双很光高子入1时诱和，导射其荧3它光光个机，制也强数的可吸以和量收得会到溶级对双非光液，线子性吸浓相吸收收截度对过面程值比于有。奉非双献。线光性子透吸过收率来法说分，别其低它 非线性效应的奉献被大大减小。
利用单色仪可以把双光子诱导荧光和其它非线 性产生的效应区分开来。
程有重要影响时，δ比实际值偏小；当激发态吸 收等过程有重要影响时，δ比实际值偏大。
Z-扫描方法
灵敏度高，单光束测量 缺点与非线性透过率法类似。
双光子诱导荧光法〔上转换荧光法〕
对于很多有机染料分子，双光子吸收后将伴随着 荧光辐射过程，其荧光发射波长比激发光的波长 短，并且荧光强度与激发光强度之间的依赖关系 为平方关系。通过测量介质的双光子诱导荧光， 也可以得到双光子吸收截面值。
双光子和光谱扫描在激光共聚焦显微镜上的应用经验
图像采集与处理
采集参数设置
根据样本特性和实验目的，合理 设置图像采集的参数，如曝光时 间、增益等，以提高图像质量。
图像处理与分析
利用专业软件对采集到的图像进 行必要的处理和分析，如去噪、 增强对比度、测量荧光强度等。
数据导出与共享
将处理后的数据导出为通用的文 件格式，便于进一步的数据分析 和共享。
防止光漂白
在观察过程中，应尽量避免长时间 照射和频繁扫描，以减少荧光染料 的光漂白。
荧光探针的选择与使用
探针特异性
选择具有高特异性的荧光探针，以确 保标记的准确性和可靠性。
探针浓度与稳定性
探针混合使用
在某些情况下，可能需要将几种荧光 探针混合使用，此时应确保它们之间 不会发生相互干扰或淬灭现象。
根据实验需求，调整荧光探针的浓度， 并确保其在样本中的稳定性。
药理学研究中的应用
总结词
双光子和光谱扫描在药理学研究中具有重要价值，能够观察药物对细胞和组织的影响，有助于发现新 的药物作用机制和靶点。
详细描述
在药理学研究中，双光子和光谱扫描技术被广泛应用于观察药物对细胞和组织的影响。这些技术能够 实时监测药物对细胞代谢、能量代谢、蛋白质表达等方面的影响，帮助科学家们发现新的药物作用机 制和靶点，为新药研发提供有力支持。
04 技术挑战与未来展望
提高成像深度与分辨率
优化双光子吸收截面
通过提高双光子吸收截面，可以降低成像所需的激光功率，从而 减少光毒性。
开发新型光谱扫描技术
通过改进光谱扫描技术，可以实现更快速、更准确的图像采集，提 高分辨率。
优化光学元件
选用高数值孔径的物镜和低噪声的光电探测器，提高成像深度和分 辨率。
察细胞和组织的细微结构。
有机杂环分子的双光子吸收特性
近年来， 双光子吸收截面大的材料在三维光信 息存储 、 双光子荧光显微和成像 、 光学微加工 、 频率 上 转 换激 射 、 限幅 以及 光生 物 学 等方 面 显示 出 的 光 良好应用前景【】 ｌ， － 使得从理论 和实验上寻找 、 ３ 合成
ｉ ｏ ｔｎ ａ ａ ｆｃ ａ ｇ ｇ ｏ ｌｃｒｎ ｄ ａ ｎ ｒｕ ．Ｔ ｉ ｉｄ ｏ ｌｃ ｌ ａ ｅｔｒＴＰ （ｗｏ ｐ ｏｏ ｍｐ ｒ ｔｔｎ ｔ ｔｏ ｈ ｉ ｆｅｅ ｔ ｒ ｗｉｇ ｇ ｏ ｐ ｈ ｓｋｎ ｆｍｏｅ ｕｅ ｈ ｄ ａ ｂ ｔ Ａ ｔ ・ｈ ｔｎ ａ ｈ ｈ ｎ ｎ ｏ ｅ
具 有 大 的 双光 子 吸 收截 面 的材 料 以及 了解 分 子 结 构 与性 能 的关 系成 为 材料 学 、 电子 学 等领 域 研究 光
的热 点．
素有 关 ． 按供 吸电子 的性质划 分， 官能 团分 为给体（ ） Ｄ 和受体 （ 两类 ． 称分 子是 指分 子 两端 的官 能 团 同 Ａ】 对
（ ｏｌ ｅ ｆ ｈｓ ｓ ｎ ｌ ｔ ｎｃ， ｈｎ ｏｇＮ ｒ ａ ｎｖｒｉ， ｉ ｎ ２ ０ １ ， ． ｈｎ ） Ｃ ｌ ｇ Ｐ ｙｉ ｄ ｅ ｒ ｉ Ｓ ａ ｄ ｎ ｏｍ ｌ ｉｅｓｙ Ｊ ａ ５ ０ ４ Ｐ Ｒ Ｃ ｉａ ｅ ｏ ｃａ Ｅ ｃｏ ｓ Ｕ ｔ ｎ
Ａｂｓ ｒ ｃ ： ｔａ ｔ Ｔ ｅ ｎ ｎ ｉｅ ｒｏ ｔ ａ ｒ ｐ ｒｉｓｏ ｒ ｅｂ ｎ ｏ ｈ ａ ｏ ｙ ． ｅ ｖ ｔ ｅ ｅ ｙ ｓ ｎｈｅ ｉｅ ｒ ａｃ ｌｔ ｄ ｈ ｏ ｌ ａ ｐｉ ｌ ｏ ｅ ｔ ｆｔ ｅ ｅ ｚ ｔ ｉｚ ｌ １ｄ ｒ ａ ｉ ｓｎ ｗｌ ｙ ｔ ｓ ｄ ｗｅ ｅ ｃ ｌｕ ａ ｅ ｎ ｃ ｐ ｅ ｈ ｉ ｖ ｚ
双光子吸收法
双光子吸收法
一、原理
双光子吸收法是一种非线性光学技术，它利用双光子吸收过程来探测物质。
在双光子吸收过程中，物质同时吸收两个光子，这些光子能量等于或大于物质的电子跃迁能。
双光子吸收过程主要在物质的表面和界面处发生，因此双光子吸收法非常适合用于表面和界面研究的非线性光学技术。
二、技术优势
1. 高灵敏度：由于双光子吸收需要同时吸收两个光子，因此需要非常强的激光源，这就大大提高了检测的灵敏度。
2. 空间分辨率高：由于双光子吸收主要发生在物质表面和界面处，因此可以获得高空间分辨率的信息。
3. 可以用于厚样品：与单光子吸收不同，双光子吸收可以穿透深度有限的样品，因此可以用于研究厚样品。
三、技术挑战
1. 需要高功率激光源：双光子吸收需要同时吸收两个光子，因此需要高功率激光源才能获得足够的信号。
这可能会增加设备的成本和复杂性。
2. 需要精确的聚焦：为了获得高空间分辨率的信息，需要将激光束精确地聚焦在样品上。
这可能需要精确的显微镜系统和技术。
3. 对样品条件要求较高：双光子吸收通常需要样品是无色或浅色的，并且需要是透明的。
这可能会限制该技术的应用范围。
四、未来发展
随着技术的不断进步，双光子吸收法在未来的发展中可能会面临以下挑战和机遇：
1. 新型激光源的开发：随着激光技术的不断发展，未来可能会开发出更高功率、更短脉冲、更窄线宽的激光器，这将进一步推动双光子吸收法的应用和发展。
2. 新型探测技术的发展：未来可能会开发出更灵敏、更快速、更稳定的光电探测器，这将有助于提高双光子吸收法的检测灵敏度和速度。
面光电效应中的双光子吸收
面光电效应指的是当光照射到某些物质的表面时，会产生电学变化，即电电容或电阻的变化。
这种现象可以用来检测光强度、光频率和光谱等光学参数。
在面光电效应中，双光子吸收指的是由两个光子同时吸收所产生的电学变化。
这种现象一般只会出现在光照强度非常小的情况下，即当光照强度非常低时，光子数量也非常少。
双光子吸收是由两个光子同时吸收一个电子产生的，这个过程可以被描述为：
光子1 + 电子1 -> 电子2 + 光子2
光子2 + 电子2 -> 电子1 + 光子1
这个过程中，两个光子吸收了一个电子，并将其转化为另一个电子和光子。
双光子吸收在物理、化学和材料科学中都有着广泛的应用。
例如，在化学感应光谱法中，双光子吸收可以用来检测物质的吸收光谱，从而确定物质的结构和性质。
在材料科学中，双光子吸收也可以用来研究材料的光电性能。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
谢谢大家！
SUCCESS
THANK YOU
2019/10/26
由于荧光强度和激发强度之间为平方关系，根 据其偏离程度，可以进一步减小激发光强，以 避免这些效应对测量双光子吸收的影响。
双光子诱导荧光法（上转换荧光法）
比较待测样品和标准样品（具有已知δ）的双光子诱 导荧光，求得待测样品的δ。
F K N LI 2
2
2
1
F2 F1
1 2
通过改变入射光强的强度， 得到随入射光强变化的非 线性透过率。用公式对实 验中获得的随入射光强变 化的非线性透过率数据进 行拟合，求得非线性介质
的双光子吸收系数β，并
可进一步求得双光子吸收
截面δ。
TN
1n1 I0L
I 0 L
TN
1
1 I0L
←均匀光束
TN
1n1 I0L
c1 c2
1：标准样品 2：待测样品 F：双光子诱导荧光强度 φ：荧光量子效率 c：样品浓度 L：样品通光长度 N：荧光团数密度 K：无量纲常数
双光子诱导荧光法（上转换荧光法）
准确度高，但是必须首先测出样品的荧光量子 效率，准确度很大程度上依赖于所选择标准样 品。
对实验光学装置要求较高。尤其对荧光收集系 统，必须保证两次测量荧光时的荧光收集效率 是相同的。
SUCCESS
THANK YOU
2019/10/26
双光子诱导荧光法（上转换荧光法）
可以有效排除其它非线性效应所产生的影 响，准确地测量介质真实的双光子吸收截面：
入射光强和溶液浓度比非线性透过率法分别低 1和3个数量级，相对于双光子吸收来说，其它 非线性效应的贡献被大大减小。
利用单色仪可以把双光子诱导荧光和其它非线 性产生的效应区分开来。
Z-扫描方法
灵敏度高，单光束测量 缺点与非线性透过率法类似。
双光子诱导荧光法（上转换荧光法）
对于很多有机染料分子，双光子吸收后将伴随 着荧光辐射过程，其荧光发射波长比激发光的波 长短，并且荧光强度与激发光强度之间的依赖关 系为平方关系。通过测量介质的双光子诱导荧光， 也可以得到双光子吸收截面值。
I 0 L
←高斯光束
h Nc
非线性透过率法
优点：实验装置简单，测量方便，处理数据容易。
缺点： （1）待测介质浓度高时，线性吸收会比较大。 （2）入射光强度很高时，其它机制的吸收会对非
线性吸收过程有贡献。 （3）当受激辐射、放大自发辐射、光散射等过程
有重要影响时，δ比实际值偏小；当激发态吸收 等过程有重要影响时，δ比实际值偏大。
dI I 2 式中：
dz
2 0c2n2
3
通常，双光子吸收的强弱用双光子吸收截面
δ来表示：
h Nc
Nc为单位体积的分子数
测量双光子吸收截面的方法
非线性透过率法 Z-扫描方法 双光子诱导荧光法（上转换荧光法） 双光子瞬态吸收光谱法
非线性透过率法
关于双光子吸收截面的几种测量方法
双光子吸收
当光束通过非线性介质 时，介质同时从光束中 吸收两个光子来激发物 质系统，引起光束的衰 减。
一种三阶非线性效应过 程，可以出现在具有对 称中心的晶体和各项同 性介质中。
E2
2
1 E1
当两束光的频率相同或者只有光强为I的一
束光在介质中传播时，双光子吸收过程的表 达式为：
来求得待测样品的δ。
Hale Waihona Puke 双光子瞬态吸收光谱法根据以下公式可得到待 测样品的双光子吸收截 面：
2
1
A2 A1
ex 1
ex 2
gr 1
gr 2
c1 c2
1：标准样品 2：待测样品 ΔA：双光子激发下瞬态吸收为最
大的波长λmax处的吸收变化值 c：样品浓度 σ： λmax处单光子吸收截面
难以测出非荧光材料的双光子吸收截面。
双光子瞬态吸收光谱法
由激发态泵浦-探测瞬 态吸收光谱法发展而来， 是唯一能精确测出非荧 光材料双光子吸收截面 的方法。
能将直接的双光子吸收 和通过中间实能级实现 的连续分布吸收区分开 来。
和双光子诱导荧光法类 似，该方法也是通过比 较待测样品和已知双光 子吸收截面的标准样品