Quang phi tuyến - Sự hấp thụ hai photon

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TP TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TP HỒ CHÍ MINH HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ KHOA VẬT LÝ BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG SEMINAR SEMINAR : : Sự Hấp Thụ Hai Photon Ánh Sáng Sự Hấp Thụ Hai Photon Ánh Sáng Học viên: HOÀNG VĂN ANH 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 nl P E P ε χ = + ur ur ur 2 0nl P dE ε = (0) (1) E ε ε ε = + (0) (1) (2) 2 E E ε ε ε ε = + + 2 3 0 0 0 ( )P E E dE eE ε χ ε χ = = + + Số hạng P = ε 0 eE 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 E 4 tương ứng với quá trình hấp thụ hai photon vì cường độ quá trình hấp thụ một photon tỷ lệ với E 2 . 3 4 1 2 ( ) ( ) ( ) ( ) 0 1 2 3 P e E E E ω ω ω ω ε ± ± ± = d p p E dt = ur r Khi có trường bức xạ với tần số ω tương tác: H = H 0 + H B (t). Yếu tố ma trận của toán tử nhiễu loạn: Xác suất tìm hệ ở trạng thái u k , ở thời điểm t sẽ tỷ lệ với: Ta có: ( ) ( ) B B i t i t km km H t H e e ω ω − = + 2 (2) ( ) k a t (2) 1 k kn i t B n kn n da i a H e dt ω ω = − ∑ h • Trong đó: Thay vào phương trình trên ta có: • Hấp thụ cộng hưởng xảy ra khi: ω km = 2ω và biểu diễn bằng số hạng thứ 2.Bình phương modun số hạng 2 ta có: ( ) ( ) (1) 1 1 ( ) mn mn i t i t B nm n mn mn H e e a t ω ω ω ω ω ω ω ω − −   − − = +   − +   h ( ) (2 ) (2) 2 1 1 1 ( ) ( )( ) (2 )( ) kn km i t i t B B k nm kn kn nm kn nm e e a t H H ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω − − −   − − = +   − − − −   h 2 2 2 (2) 4 2 2 1 sin [ (2 ) ] 2 ( ) . 1 ( ) [ (2 )] 2 B B km nm kn k nm km t H H a t ω ω ω ω ω ω − = − − h • 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(W k – W m ) tức là ω nm = ω,thì xác suất dịch chuyển hai lượng tử sẽ rất lớn. ( ) 1d ρ ω ω +∞ −∞ = ∫ 2 2 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 ρ ω ω ρ ω π ω ω +∞ → −∞ = − = − ∫ h h m n k • Như vậy xác suất dịch chuyển m→k tỷ lệ với E 4 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 α ω   =  ÷   =   = −  ÷   h ( ) ( ) ( ) 2 4 2 2 3 4 nm kn k m km nm e x x N N E πω ρ ω α ω ω − = −h 1 ( ) 2 km km ρ ω π ν ≈ ∆ Sự hấp thụ hai photon 2 ( ) dI cI cI I dx β β = − = − dI cI dx σ = − 0 ( ) exp( )I x I cx σ = − 0 0 ( ) 1 I I x cI x β = + Beer’s Law 1PA TPA 0 1 1 T cxI β = + exp( )T cx σ = − I 1 I 2 ∆x I 1 -∆I 1 2 I I I x γ ∆ = − ∆ β – TPA cross-section, c – concentration of material 2 I I x γ ∆ = − ∆ Degenerate case c γ β = [...]...2PE Spectra 2PE ω Medium 2ω Hiệu quả quang trị liệu One -photon absorption 660 nm, 2.3 mW Two -photon absorption 920 nm, 300 fs, 4.2 mW Tw o -Photon A bsorption Simultaneous two -photon absorption 2nd EXCITED STATE Energy 800 nm 1st EXCITED STATE 400 nm 550 nm GROUND STATE 800 nm Một số chất quang phi tuyến Tên công thức hóa học và bước sóng hiệu dụng Lợi ích của TPA Sternberg... chỉ bằng ½ so với photon hấp thụ Kawata et al, Nature 2001, 412, 697 Two -Photon Absorption in Silicon Photodiode TPA is observed when: 1100 nm < λ < 2200 nm Kính hiển vi TPA Better focus ~λ : λ /2 Two photon imaging Single photon imaging (works even under the surface!) Optical power spreading Image from Heidelberg University web-site TPA Measurements in NonFluorescent Materials Z-Scan Technique Sample... aperture Z-scan, TPA measurements TPA microscopy Sample laser light (70 0-1 000 nm) Beam shaping optics Emission Pickup Optics And Filters Two -photon Absorption Ưu điểm: • Cường độ lớn • Dễ thiết lập • Không cần khuếch đại Emission Spectrometer Photomultiplier tube Or CCD camera Nhược điểm: • Cần cường độ ánh sáng lớn,công suất laser lớn • Mẫu vật cần chuẩn bị TPA Applications • 3D bộ nhớ quang học... 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 a b c d B.H Cumpston et al., Nature 398, p 51 (1999) Photonic crystal Magnified view of (a) Tapered waveguide Array of cantilevers . DỤNG SEMINAR SEMINAR : : Sự Hấp Thụ Hai Photon Ánh Sáng Sự Hấp Thụ Hai Photon Ánh Sáng Học viên: HOÀNG VĂN ANH Học viên: HOÀNG VĂN ANH Độ phân cực • Độ phân cực P: • Một đặc điểm nổi bật của quang học Phi. tán xạ photon có thể phát bức xạ do độ phân cực phi tuyến: Công suất mất mát do môi trường: tỷ lệ với E 4 tương ứng với quá trình hấp thụ hai photon vì cường độ quá trình hấp thụ một photon. ) 2 4 2 2 3 4 nm kn k m km nm e x x N N E πω ρ ω α ω ω − = −h 1 ( ) 2 km km ρ ω π ν ≈ ∆ Sự hấp thụ hai photon 2 ( ) dI cI cI I dx β β = − = − dI cI dx σ = − 0 ( ) exp( )I x I cx σ = − 0 0 ( ) 1 I I