双光子吸收 two-photon absorption

2022-10-21 16:58:06 浏览:822

定义

两个光子同时被吸收的非线性吸收过程。

双光子吸收(TPA)是两个光子(通常具有相同能量)同时被吸收的过程,例如将原子或离子激发到更高位置的状态,能量增加等于光子能量的总和。这是一个非线性吸收过程,仅在高光学强度下以显着速率发生,因为吸收系数与光学强度成正比:

三氧化二苯醚吸收系数

TPA 系数β。

因此,吸收功率与光输入功率的平方成正比。

双光子吸收是多光子吸收的最简单变体。

图 1:半导体中的双光子吸收允许吸收光,即使光子能量低于带隙能量。

在电介质材料或半导体中,通常只有当光子能量至少是带隙能量的一半时,才会发生双光子吸收。因此,例如,当800nm波长的超短脉冲在二氧化硅光纤中传播时,不会通过双光子吸收而损失。另一方面,相同波长的双光子吸收可以发生在半导体中,例如GaAs,其带隙要小得多。

应用

双光子吸收现象在各种技术领域都有应用。一些例子:

  • 它用于简单的自相关器进行脉冲表征,其中光电二极管中的TPA具有大于光子能量的带隙能量,被利用来获得非线性响应。
  • 此外,双光子吸收通常用于荧光显微镜(双光子显微镜)中,用于用红外激光束激发荧光,这可以很容易地穿透样品。
  • 在其他情况下,TPA被用于光功率限制或微加工。

在某些情况下(用超短脉冲照明),由于视网膜中的双光子吸收过程,人眼甚至有可能对红外光做出反应[7]

TPA还可以改变SESAM等饱和吸收体的饱和特性,从而导致饱和曲线的翻转,这有助于抑制诸如Q开关的不稳定性。

技术性转化问题

非线性晶体材料中超短脉冲的非线性频率转换可能会发生有害的TPA效应,特别是对于短波长的转换,例如在紫外光源中。非线性吸收导致额外的功率损耗,热效应,还可能导致材料的降解(光氧化)。

参考文献

[1] W. Kaiser and C. G. B. Garrett, “Two-photon excitation in CaF2:Eu2+”, Phys. Rev. Lett. 7 (6), 229 (1961), doi:10.1103/PhysRevLett.7.229 (first experimental demonstration of two-photon absorption)
[2] E. W. Van Stryland et al., “Energy band-gap dependence of two-photon absorption”, Opt. Lett. 10 (10), 490 (1985), doi:10.1364/OL.10.000490
[3] M. Sheik-Bahae et al., “Dispersion and band-gap scaling of the electronic Kerr effect in solids associated with two-photon absorption”, Phys. Rev. Lett. 65 (1), 96 (1990), doi:10.1103/PhysRevLett.65.96
[4] E. R. Thoen et al., “Two-photon absorption in semiconductor saturable absorber mirrors”, Appl. Phys. Lett. 74, 3927 (1999), doi:10.1063/1.124226
[5] F. R. Ahmad et al., “Energy limits imposed by two-photon absorption for pulse amplification in high-power semiconductor optical amplifiers”, Opt. Lett. 33 (10), 1041 (2008), doi:10.1364/OL.33.001041
[6] M. Rumi and J. W. Perry, “Two-photon absorption: an overview of measurements and principles”, Advances in Optics and Photonics 2 (4), 451 (2010), doi:10.1364/AOP.2.000451
[7] P. Artal et al., “Visual acuity in two-photon infrared vision”, Optica 4 (12), 1488 (2017), doi:10.1364/OPTICA.4.001488

 

基础光学

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