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1、双光子光聚合反应,房德仁导师 刘中民 研究员,1 概述,1931年Goppert-Mayer提出双光子吸收理（Ann.Physik,1931,9:273295）；20世纪60年代由实验观测所证实(Phys.Rev.Lett,1961,39:13471348)但由于缺少大的双光子吸收截面材料（均小于10-48cm4s/photon），限制了其应用研究。20世纪90年代后，大双光子吸收截面有机分子被逐渐发现（10-46cm4s/photon）。如双光子上转换激光、双光子光限幅、双光子三维光存储、双光子光动力学疗法、双光子光聚合等,光聚合机理,普通的光敏聚合机理为只要染料或者引发剂或光敏剂捕获一个光
2、子，就会产生自由基或阳离子等活性基团，引发单体聚合；或光敏剂本身不能直接形成自由基，而是将光吸收后把能量传递给单体或引发剂引发聚合，双光子聚合机理与单光子基本相同，惟有光子的吸收机理不同。,光聚合机理示意图,双光子吸收,双光子吸收过程一般是两个光子同时被一个分子吸收，或者在极短的时间内两个光子被一个分子相继吸收，一般两个光子吸收的时间差小于0.1飞秒（1飞秒=10-15秒）。一般认为吸收是经过一个假想态（virtual state），然后到达一个分子的激发态。,双光子吸收示意图,双光子吸收示意图,双光子吸收与单光子吸收,单光子吸收的强度与入射光强成正比（线形吸收），双光子吸收的强度与入射光强的
3、平方成正比（非线形吸收）；单光子吸收的辐照光源一般在紫外区（400nm），双光子在可见-近红外区（800nm），长波长使得入射光的损耗较小，在介质中的穿透性好；,单光子吸收的吸收截面为 10-1710-18 cm4s/photon，对光密度要求小，即使弱光也可发生吸收，在光线经过的地方都会发生聚合，是整体或面上的聚合;双光子吸收截面一般为10-5010-46cm4s/photon，一般在两束光聚焦的焦点处才能同时吸收两个光子，引发聚合反应，聚合反应只发生在入射光波长立方（3）范围的微小体积内。双光子吸收截面：TP=43ao5 2 TP 15c f即双光子可进行立体微加工。,双光子吸收的光源,双
4、光子吸收一般采用较大功率的红宝石或蓝宝石脉冲激光器，波长800nm1000nm左右，要求激光器的功率大于一个最低值，一般在30J100J。利用双光路聚焦的方法。,双光子光聚合光敏引发剂,一般要求：具有共轭大键，吸电子基团，给电子基团，如D-D,D-A-D,A-A,A-D-A,A-D结构等，共轭大键越长，吸收截面越大；分子的偶极矩及极化率都对分子的吸收截面有重大影响。,双光子海量信息存储,在光学存储技术中信息存储密度依赖于波长倒数的幂，该幂的次数等于存储信息的空间维数。利用该技术，可以存储的容量理论上可以达到1.21014bits/cm3,远远超出现有的二维光存储材料的容量（理论值为在200nm
5、波长下，2.5109bits/cm2）（Science,1989,245:843845;Applied Physics Letters,1999,74:13381340）,光子晶体的加工,光子晶体是用于控制光的一种器件，工作原理与半导体类似。由于光子速度比电子快的多，如果能象控制电子一样控制光子，就有可能制造出比电子计算机速度更快、功能更强大的光子计算机。光子在传播中几乎不消耗能量。由于双光子聚合可以提供规律性很好的周期性结构，成为光子晶体制造的有效方法（Nature,1999,398:5154）,三维操控和微加工,一个立体的复杂整体结构，材料在不同的部位的尺寸和形状都不同时，利用现有的精密机
6、械尚无有效的方法实现。如非球面透镜的加工，特别是微型非球面透镜是目前的技术难题之一，双光子聚合可以用来解决该问题。Kawata将计算机辅助设计和双光子聚合技术相结合，成功的制造出了红细胞大小的立体公牛（长10m，高7m）（Nature,2001,412:697698）。另外还制作出了一个微小的弹簧，弹簧的直径为300nm，用激光作动力拉动弹簧，测出了弹簧的弹性常数为8.2nNm-1.,Nature,2001,412:697698,展望,国际上美国和日本的研究处于前沿水平；国内北京大学、清华大学、中科院理化所及山东大学在进行这方面的研究，处于起步阶段。目前的研究重点：寻找和合成更大吸收截面的双光子吸收剂；继续研究双光子吸收剂在光聚合等方面的应用；开展大量的理论计算研究；,谢 谢！,
