Thảo luận: Sự hấp thụ hai photon ánh sáng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TP HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG SEMINAR: Sự Hấp Thụ Hai Photon Ánh Sáng Học viên: HOÀNG VĂN ANH Độ phân cực • Độ phân cực P: • Một đặc điểm nổi bật của quang học Phi tuyến tính là: 0 nlP E P      2 0nlP dE (0) (1)E    (0) (1) (2) 2E E      2 3 0 0 0( )P E E dE eE       Số hạng P = ε0eE 3 tương ứng quá trình tán xạ photon có thể phát bức xạ do độ phân cực phi tuyến: Công suất mất mát do môi trường: tỷ lệ với E4 tương ứng với quá trình hấp thụ hai photon vì cường độ quá trình hấp thụ một photon tỷ lệ với E2. 34 1 2 ( )( ) ( ) ( ) 0 1 2 3P eE E E ww w w   This image cannot currently be displayed. d p p E dt    Khi có trường bức xạ với tần số ω tương tác: H = H0 + HB(t). Yếu tố ma trận của toán tử nhiễu loạn: Xác suất tìm hệ ở trạng thái uk, ở thời điểm t sẽ tỷ lệ với: Ta có: ( ) ( )B B i t i tkm kmH t H e e w w  2(2) ( )ka t (2) 1k kni tB n kn n da i a H e dt ww    • Trong đó: Thay vào phương trình trên ta có: • Hấp thụ cộng hưởng xảy ra khi: ωkm = 2ω và biểu diễn bằng số hạng thứ 2.Bình phương modun số hạng 2 ta có: ( ) ( ) (1) 1 1( ) mn mni t i tB nm n mn mn H e e a t w w w w w w w w           ( ) (2 ) (2) 2 1 1 1 ( ) ( )( ) (2 )( ) kn kmi t i t B B k nm kn kn nm kn nm e e a t H H w w w w w w w w w w w w              This image cannot currently be displayed. 22 2(2) 4 2 2 1 sin [ (2 ) ] 2( ) . 1( ) [ (2 )] 2 B B kmnm kn k nm km tH H a t w w w w w w     • Đưa vào hàm mật độ xác suất: ρ(ω) • Khi đó xác suất dịch chuyển vào trạng thái k: • Sự có mặt của mức n, mà năng lượng của nó bằng ½(Wk – Wm) tức là ωnm = ω,thì xác suất dịch chuyển hai lượng tử sẽ rất lớn. ( ) 1d w w    22 4 2 2 2 4 2 sin ( )1 2( ) ( ) ( ) ( ) 2 1 ( ) . ( ) B B kn nm m k nm B B kn nm km nm xt H H P t x dx xt H H t  w w  w  w w          m n k • Như vậy xác suất dịch chuyển m→k tỷ lệ với E4 hay tỷ lệ với bình phương năng lượng của trường. • Hệ số hấp thụ ánh sáng α do quá trình hai photon: • Do đó: • Trong đó:   2 1 2 2 mk k m dI I dz E I dI P N N dz t  w                       24 2 23 4 nm kn k m km nm e x x N N E w  w  w w    1 ( ) 2 km km  w    D Sự hấp thụ hai photon 2 ( ) dI cI cI I dx b b    dI cI dx   0( ) exp( )I x I cx  0 0 ( ) 1 I I x cI xb   Beer’s Law 1PA TPA 0 1 1 T cxIb   exp( )T cx  I1 I2 Dx I1-DI 1 2I I I xD   D b – TPA cross-section, c – concentration of material 2I I xD   D Degenerate case c b 2PE Spectra 2ww 2PE Medium One-photon absorption 660 nm, 2.3 mW Two-photon absorption 920 nm, 300 fs, 4.2 mW Hiệu quả quang trị liệu. 0 1 2 3 4 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 T ra n sm it te d E n er gy ( m J) Input Energy (mJ) 885 nm 800 nm Two-Photon Absorption GROUND STATE 550 nm 400 nm 800 nm 800 nm 1st EXCITED STATE 2nd EXCITED STATE E n e rg y Simultaneous two-photon absorption Một số chất quang phi tuyến. Tên công thức hóa học và bước sóng hiệu dụng Sternberg et al, Tetrahedron 1998, 54, 4151 Kawata et al, Nature 2001, 412, 697 Hội tụ tại điểm rất nhỏ Bước sóng chỉ bằng ½ so với photon hấp thụ Lợi ích của TPA Two-Photon Absorption in Silicon Photodiode TPA is observed when: 1100 nm < λ < 2200 nm Kính hiển vi TPA Single photon imaging Two photon imaging (works even under the surface!) /2l~l Image from Heidelberg University web-site Optical power spreading Better focus TPA Measurements in Non- Fluorescent Materials Z-Scan Technique z Sample Lens Transmission of the sample Intensity of light Open aperture Z-scan, TPA measurements TPA microscopy Beam shaping optics Spectrometer Sample Photomultiplier tube Or CCD camera Emission Pickup Optics And Filters laser light (700-1000 nm) Two-photon Absorption Emission Ưu điểm: • Cường độ lớn • Dễ thiết lập • Không cần khuếch đại Nhược điểm: • Cần cường độ ánh sáng lớn,công suất laser lớn. • Mẫu vật cần chuẩn bị. TPA Applications • 3D bộ nhớ quang học. • Tạo cấu trúc quang 3D và toàn kí 3D. • Điều khiển từ xa và hi-res imaging At depth 1 At depth 2 TPA Microfabrication B.H. Cumpston et al., Nature 398, p. 51 (1999) a. Photonic crystal b. Magnified view of (a) c. Tapered waveguide d. Array of cantilevers