1931年,GöppertMayer首先提出了双光子吸收(2PA)的概念,她从理论上预测,对两个光子的同时吸收可导致分子在其两个本征能级间的跃迁[2]。这一预测是基于新建立的辐射量子电动力学的原理[3],而支持她论点的关键是必须引入中间能态的概念,它描述了由分子和光子场组成的组合系统的量子力学状态。由于分子体系对双光子吸收的概率在数量级上远远小于对单光子吸收的概率,因此很难使用普通光源发出的辐射来对以上理论预测进行检验。由于这个原因,在20世纪60年代初激光出现之前,没有观测到真正2PA的实验报道。
激光出现后不久,Kaiser和Garrett于1961年首次报道了在CaF2∶Eu2+晶体中,使用脉冲红宝石激光入射而观察到由2PA诱导的频率上转换荧光发射[4]。之后人们很快发现利用各种脉冲激光器产生的输出辐射的高单色与高亮度等特性,不但可以在各种光学介质中相对容易地观察到与2PA有关的过程,还可以进一步观察到三光子吸收(3PA)、四光子吸收(4PA),甚至与更高阶的多光子吸收有关的激发过程。
与多光子过程相关的课题,包括了多光子吸收、多光子激发和多光子活性材料的基本研究和应用[5]。一般意义上的多光子吸收,意味着组成介质的分子(或原子)通过同时吸收多个(≥2)光子的能量而完成从其低能级(通常为基态)向适当的较高激发态的跃迁。然而,多光子激发则具有更广泛的意义,它亦包括了介质与多光子相互作用而导致的其他物理、化学和生物变化效应。多光子激发不仅可能导致入射相干光束的非线性衰减,而且还可能产生各种其他效应,例如介质的增强折射率变化、分子的离解或原子的电离、材料表面的电子发射、半导体的电导率变化,以及多光子引发的化学聚合等。所有能在多光子激发下表现出这种光物理、光化学或光生物反应的材料都是多光子活性的。实际上,为了实现这种多光子激励,需要一个能提供高光强水平(MW/cm2或GW/cm2量级)的入射激光。
从基础研究的角度来看,与多光子过程相关的研究,可以极大地丰富和加深我们对强相干辐射与物质相互作用的认识和理解。
(1)多光子诱导的表面光电效应。根据以往有关光电阴极材料表面的单光子诱导电子发射理论,一旦入射光的波长比所谓的“红限”长,就不能观测到表面的光电子发射。这是爱因斯坦在提出他的光子假设时所基于的关键实验事实之一。现在人们知道,利用一种比给定光电阴极材料的红限值更长波长的强红外相干辐射,可以观察到由双光子或多光子激发诱导的表面光电子发射。在半导体器件中,体积光电导效应也存在类似的情况(参见第15章)。(www.xing528.com)
(2)多光子诱导的光化学反应。一些基于单光子诱导的光化学反应,包括最熟悉的照相感光过程,不仅取决于光照强度,还取决于光信号的波长。对于一个给定的照相乳胶材料,如果光的波长明显超过一定的极限,就无法产生底片感光反应。类似的规则,也适用于需要紫外(UV)辐射的其他光化学反应(如光聚合)。然而,在激光技术出现之后,人们发现,上述两类光化学反应也可以使用强红外激光辐照,借助双光子或多光子激发过程而实现。
(3)双光子过程研究带来的新知识。一般来说,多光子激发的分子跃迁的选择定则和跃迁途径与单光子激励不同。因此,通过多光子激发过程的研究,可以获得有关多光子活性介质分子能级结构和跃迁特性的新的光谱信息。这方面的光谱研究主要集中在简单原子和分子气体、有机溶剂和化合物、无机晶体和半导体等样品体系。所有这些研究都为深入了解样品系统的电子、振动、转动能级结构和跃迁动态特性提供了一种新的有效技术手段。
(4)高阶多光子研究。在激光出现后,许多研究人员仍然认为利用脉冲和聚焦激光束可以很容易地观测到双光子激发过程,但高阶多光子激发会更难产生。然而,相关研究的进一步发展表明,利用时间宽度为纳秒量级的激光脉冲,在半导体和有机染料溶液中可以很容易地实现3光子吸收(3PA);在有机材料中使用飞秒激光脉冲也可以很容易地产生4光子和5光子吸收(4PA和5PA)。此外,利用红外激光多光子诱导的分子离解和原子电离的早期研究甚至表明,在中红外激光束的相当低强度水平下,可以观察到甚至涉及10光子以上的激发过程[6]。至今为止的许多实验结果表明,多光子吸收或多光子激发过程可以在比人们以前所想象要低得多的光强水平下发生,对这些实验事实的基本解释已经成为进一步研究的一个有趣课题。
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