TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TP TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TP HỒ CHÍ MINHHỒ CHÍ MINHKHOA VẬT LÝKHOA VẬT LÝ

BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNGBỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG

SEMINARSEMINAR::Sự Hấp Thụ Hai Photon Ánh SángSự Hấp Thụ Hai Photon Ánh Sáng

Học viên: HOÀNG VĂN ANHHọc 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 ������������������������������������������

20nlP dE

(0) (1)E (0) (1) (2) 2E E

2 30 0 0( )P E E dE eE

Số hạng P = ε0eE3 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

d pp 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

2(2) ( )ka t

(2)1k kni tBn kn

n

da ia H e

dt

• 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

nmn

mn mn

H e ea t

( ) (2 )(2)

2

1 1 1( )

( )( ) (2 )( )

kn kmi t i tB B

k nm knkn nm kn nm

e ea t H H

22

2(2)4 2

2

1sin [ (2 ) ]

2( ) .1( ) [ (2 )]2

B Bkmnm kn

knm

km

tH Ha t

• 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

22

4 22

2

4 2

sin ( )1 2( ) ( )( ) ( )

2

1( ) .

( )

B Bkn nm

m knm

B Bkn nm

kmnm

xtH H

P t x dxxt

H Ht

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 mkk m

dI

I dz

EI

dI PN N

dz t

242

23

4 nm kn k m km

nm

e x x N NE

1( )

2kmkm

Sự hấp thụ hai photon

2 ( )dI

cI cI Idx

dIcI

dx

0( ) exp( )I x I cx 0

0

( )1

II x

cI x

Beer’s Law

1PA TPA

0

1

1T

cxI

exp( )T cx

I1

I2

x

I1-I1 2I I I x

– TPA cross-section, c – concentration of material

2I I x Degenerate case

c

2PE Spectra

2

2PE Medium

One-photon absorption

660 nm, 2.3 mWTwo-photon absorption

920 nm, 300 fs, 4.2 mW

Hiệu quả quang trị liệu.

Two-Photon Absorption

GROUND STATE

550 nm

400 nm

800 nm

800 nm

1st EXCITED STATE

2nd EXCITED STATE

En

erg

ySimultaneous 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 photonimaging

Two photonimaging

(works even under the surface!)

/ 2~Image from Heidelberg Universityweb-site

Optical power spreading

Better focus

TPA Measurements in Non-Fluorescent Materials

Z-Scan Technique

z

Sample

Lens

Transmission of the sample

Intensityof light

Open aperture Z-scan, TPA measurements

TPA microscopy

Beam shaping optics

Spectrometer

Sample

Photomultiplier tubeOr CCD camera

EmissionPickupOpticsAnd

Filters

laser light (700-1000 nm)

Two-photonAbsorption 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 crystalb. Magnified view of (a)c. Tapered waveguided. Array of cantilevers