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有机染料CSPI的双光子吸收和上转换荧光性质

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第28卷第4期2002年7月 光学技术OPT I CAL T ECHN IQU EVo l.28N o.4July 2002 文章编号:1002 1582(2002)04 037202有机染料CSPI 的双光子吸收和上转换荧光性质周广勇,王东,王筱梅,许心光,邵宗书,赵显,方奇,蒋民华(山东大学晶体材料国家重点实验室,山东济南 250100)摘 要:报道了一种有机染料T rans 4 [p carbazol 9 ylsty ryl]] N met hylpyr idinium io dide 的线性和非线性光学性质。

当用830nm 皮秒激光激发时,可以得到强烈的黄绿色上转换荧光,中心波长在538nm 附近。

该染料的双光子荧光寿命为95.6ps 。

测试了该染料在720~1050nm 的非线性透过率,并求出了该染料在上述波长时的双光子吸收截面。

双光子吸收最强在800nm,吸收截面为9.2 10-48cm 4 s/photon 。

关键词:双光子吸收截面;有机染料;上转换荧光中图分类号:T N 248.3 文献标识码:ATwo photon absorption and upconversion fluorescenceproperties of an organic dye CSPIZH OU Gu ang yong,WAN G Don g,WANG Xiao mei,XU Xin guang,SHAO Zon g shu ,ZHAO Xian ,FANG Qi,JIAN G Min hua(State Key L aboratory of Crystal Materials,Shandong U niversity,Jinan 250100,China)Abstract :T he linear and nonlinear optical propert ies of an new or ganic dye,T rans 4 [p carbazo l 9 y lstyr yl]] N methylpyridinium iodide(CSPI),are reported.Intense yello w green upconv ersion fluorescence w ith central w avelength located at 528nm can be obtained w hen pumped by using 830nm picosecond laser beam.T he lifetime of tw o photon fluorescence is mea sured to be 95.6ps.Nonlinear transmittance and two photon absor ption cross section at waveleng ths from 720to 1050nm are measured.T he strongest two photon absorption cross section is 9.2 10-48cm 4s/photon at 800nm.Key words:two photon absorpt ion cross section;org anic dye;upconv ersion fluorescence1 引 言具有大的双光子吸收截面的有机染料是目前材料合成和光电子领域的一个研究热点。

1930年,G !opper M ayer [1]首先从理论上预言了双光子吸收过程的存在,1963年K aise 和Garrett 首次在实验中观察到双光子吸收现象。

具有大的双光子吸收系数的材料可望被用于频率上转换激光器[2,3]、光限幅和光稳幅[4]、三维光信息存储[5]、三维微加工[6]和光动力学医疗[7]。

作者所在研究组最新合成了一种新的具有较大双光子吸收截面的有机染料,即T rans [p carbazol 9 ylst yryl] N methylpyr idinium iodide (CSP I)。

本文报道了该染料的线性和非线性光学性质,并对该染料在不同波长时的双光子吸收性质进行了研究。

2 实验方法该染料在N,N 二甲基甲酰胺(DM F)中有较好的溶解性,实验中以DM F 做溶剂。

将浓度为1 10-5mol/L 的溶液装入通光长度为1cm 的石英比色皿中,用Hitachi U 3500记录式光谱仪测量该染料的单光子吸收谱,用Hitachi 850荧光谱仪测量该染料的单光子荧光谱。

实验中已将溶剂DM F 和石英比色皿的影响扣除。

光学参量放大器(O PA)提供了实验所需光源,脉宽为40ps,输出能量为0.8mJ,重复频率为10Hz,波长可调范围为400~2000nm 。

当把合适波长的泵浦光用焦距为15cm 的透镜聚焦到样品上时,可以看到较强的黄绿色荧光双光子荧光谱,其荧光寿命可用单色仪(Hamamatsu C5094)和条纹相机(Hammatsu C5680-01)测得。

在测试不同波长的透过率时,用双探头能量计(EPM 2000,M olectr on)探测入射和透过的能量。

3 结果与讨论3.1 线性光学性质图1为该染料在DMF 中的单光子吸收谱,右上角为该染图1 有机染料CS PE 在DM F 中(浓度:1 10-5mol/L)的线性吸收谱,右上角为结构式料的结构式。

从图中可以看出,该染料分别在292nm,326nm 和396nm 上有三个强的吸收峰,在530~1200nm 波段无明显吸收。

但在700~1000nm 范围内的双光子能量恰好落在该染料的396nm 的强吸收带上,所以可以想象,双光子吸收过程可能在此波段发生。

图2为该染料在DMF 中的单光子荧光谱,所用激发波长为450nm 。

从图中可以看出,该染料分别在480nm 和520nm 上372收稿日期:2001 09 10基金项目:国家重点基础研究发展规划项目资助(G1998061402)作者简介:周广勇(1975 ),男,山东省人,山东大学晶体材料国家重点实验室博士研究生,主要从事材料非线性光学性质测试和机理研究。

图2 有机染料CSPI 在DM F 中(浓度:1 10-5mol/L)的单光子荧光谱有两个强的荧光峰,并分别与326nm 和396nm 吸收峰对应,只是相对于它们有不同程度的红移,这是由于电子的弛豫造成的缘故。

3.2 非线性光学性质当用830nm 左右的光激发样品时,图3(a)有机染料CSPI 在DM F 溶剂中(浓度:0.05mol/L)的双光子荧光谱;(b)染料在高浓度时的吸收谱可以看到强烈的黄绿光从样品中发出。

图3为该染料的双光子荧光谱。

可以看到,荧光中心波长在528nm 附近,宽度约为80nm 。

从图中还可以看出,双光子荧光峰相对单光子荧光峰(520nm )有8nm 红移,在蓝光波段光强下降较迅速,而且只有这一个荧光峰。

图4 有机染料CSPI 在DM F 中(浓度:0.05mol/L)的荧光寿命这种现象是由于用溶液的再吸收引起的。

单光子荧光谱是在低浓度下测得的,由于在低浓度下溶液的再吸收现象可以忽略,所以480nm 的峰可以被探测到。

双光子荧光谱是在高浓度下测得的,强烈的再吸收使得480nm 的荧光峰显示不出来,且荧光峰位置红移。

图4为双光子荧光的时间谱。

图中各点为实验所测得的数据,实线为拟合曲线,荧光寿命为95 6ps 。

考虑到泵光的影响,实际的荧光寿命会更短。

3.3不同波长的透过率图5(a)有机染料CSPI 在不同波长时的总透过率;(b)线性透过率;(c)非线性透过率。

为全面评价该染料的非线性光学性质,测量了该染料在不同波长时的透过率。

实验所需的不同波长光源由O PA 提供。

图5中的曲线(a)为实验所测得的数据。

为了扣除比色皿和溶剂DM F 以及该染料线性吸收的影响,测试了该染料在0 05mol/L 浓度时的线性透过谱,如图5中的曲线(b)所示。

图中在900nm 和1000nm 附近的两个吸收峰是溶剂DM F 引起的。

当线性吸收较弱时,总透过率和非线性透过率之间有如下关系:T 总=T 线性 T 非线性(1) 由关系式(1)可以方便地求出该染料在不同波长时的非线性透过率,如图5中的曲线(c)所示。

从图中可以看出,在所测量的波段,该染料都有明显的非线性吸收,吸收最强处在800nm 附近,恰好为线性吸收最强处所对应波长的两倍,这正是双光子吸收。

这说明通过线性吸收和双光子吸收,该染料分子被激发到相同的激发态。

3.4 不同波长的双光子吸收截面双光子吸收的强弱通常用双光子吸收系数 (单位:cm/G W)来表示。

对于近似高斯分布光束来说,双光子吸收系数 可以由以下公式决定[8]:T =ln1+I 0L I 0L(2)式中,I 0为入射光强;L 为样品的通光长度。

实验中I 0=1.5GW/cm 2,L =1cm 。

由公式(2)可以计算出不同波长的 值,如图6(a)所示。

在800nm 处有最大值为1.11cm/GW 。

另外,双光子吸收还可以用分子吸收截面 ∀2来表示, ∀2与 有如下关系:h =N A ∀2d 0 103(3)图6 有机染料CS PI 在不同波长时的非线性吸收系数 (见图(a))和双光子吸收系数 ∀2(见图(b))式中,h 为入射光子的能量;N A 为阿佛加德罗常数;d 0为溶液浓度。

图6(b)给出了计算结果。

在800nm 处有最大的 ∀2值,为9.2 10-48cm 4s/photon,与普通双光子吸收染料相比,如诺丹明6G ,双光子吸收截面大了一个数量级以上。

4 结 论本文报道了一种有机染料的双光子吸收和双转换荧光性质。

该染料在830nm 皮秒激光泵浦下可以发出强烈的黄色上转换荧光,荧光最强在528nm 处。

该染料有较短的荧光寿命,为95.6ps 。

笔者认为,由于较短的荧光寿命即上能级寿命不利于实现粒子数反转,故不能产生超辐射。

导致荧光寿命短的原因是溶剂分子和染料分子间的强烈的相互作用,将染料固化到某种固体介质中有利于减小这种相互作用,提高上能级寿命。

测试了该染料在不同波长时的透过率,并计算出了不同波长时的双光子吸收截面,在最大双光子吸收系数的800nm 处为9.2 10-48cm 4 s/photon 。

参考文献:[1]G !oppert M ayer M.[J].Ann Phys Lpz,1931,9:273.[2]G S H e,L Yuan,Y Cui,et al.[J].J Appl Phys,1997,81:2529.[3]G S H e,G C Xu,P N Prasad,et al.[J].Opt Lett,1995,20:435.[4]C W Spangler,J M ater.[J].Chem,1999,9:2013.[5]D A Parthenopoulos,P M Rentzepis.[J ].J Appl Phys,1990,68:5814[6]B H Cumpston,S P Ananthaveo,S Barlow ,et al.[J].Nature,1999,398:51.[7]A M R Fi s her,A L M urphree,C J Gomer.[J ].Laser surg M ed,1995,17:2.[8]L W T utt,T F Boggess.[J].Prog Quant Electron ,1993,17:299.373第4期周广勇,等: 有机染料CSP I 的双光子吸收和上转换荧光性质。

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双色荧光互补 原理

双色荧光互补 原理

双色荧光互补原理1. 基本概念双色荧光互补是一种利用两种荧光染料的互补性质来实现荧光成像的技术。

通过将两种互补的荧光染料标记在不同的分子或细胞结构上，可以同时观察到两种荧光信号，从而实现对不同生物分子或细胞结构的高分辨率成像。

2. 荧光染料的选择双色荧光互补的关键是选择具有互补荧光光谱的荧光染料。

通常选择在不同波长范围内发射荧光的染料，例如绿色荧光染料和红色荧光染料。

常用的绿色荧光染料有荧光素（fluorescein）和吖啶橙（Acridine Orange），常用的红色荧光染料有罗丹明（Rhodamine）和荧光素同工体（Fluorescein isothiocyanate）。

3. 光源和激发波长为了激发荧光染料的发射，需要选择适当的光源和激发波长。

常用的光源包括氙灯和激光器。

根据荧光染料的吸收光谱，选择适当的激发波长，使荧光染料能够吸收到光子能量并发射荧光。

4. 荧光显微镜成像双色荧光互补的成像通常使用荧光显微镜进行。

荧光显微镜包括激发光源、物镜、滤光片和荧光探测器等部分。

激发光源用于产生适当波长的激发光，物镜用于聚焦光线和放大样品图像，滤光片用于选择特定的激发和发射波长，荧光探测器用于接收和记录荧光信号。

5. 双色荧光互补的原理双色荧光互补的原理基于两种荧光染料的互补性质。

互补性质是指两种荧光染料的发射光谱之间存在较大的重叠区域，但吸收光谱之间几乎没有重叠。

这样，在选择适当的激发波长和使用适当的滤光片时，可以使两种荧光染料的发射信号分离并同时观察到。

6. 实验步骤双色荧光互补的实验步骤如下：1.准备样品：将需要观察的生物分子或细胞结构标记上两种互补的荧光染料。

2.设置荧光显微镜：选择适当的激发波长和滤光片，调整显微镜的对焦和放大倍数。

3.激发荧光：打开激发光源，照射样品，使荧光染料吸收光子能量。

4.观察荧光信号：通过荧光探测器接收和记录荧光信号，并观察样品的荧光成像。

5.分析数据：根据荧光信号的强度和分布，对样品中的生物分子或细胞结构进行分析和定量。

光敏染料的合成和光化学性质

光敏染料的合成和光化学性质

光敏染料的合成和光化学性质光敏染料是一种能够吸收光能并将其转化为化学能的物质。

它们在许多领域，如光催化、光电子学和光化学传感器等方面发挥着重要作用。

本文将探讨光敏染料的合成方法以及其光化学性质。

一、光敏染料的合成方法1. 化学合成法：化学合成法是合成光敏染料最常用的方法之一。

它通常通过有机合成的方法来合成染料分子的骨架结构，并在适当的位置引入吸光基团。

这些吸光基团可以是芳香族化合物、杂环化合物或金属配合物等。

化学合成法具有反应条件温和、反应选择性高等优点，可以合成出具有不同吸光性质的光敏染料。

2. 生物合成法：生物合成法是一种利用生物体内的代谢途径来合成光敏染料的方法。

通过对生物体内的代谢途径进行调控，可以使其产生特定的代谢产物，从而得到具有光敏性质的染料。

生物合成法具有环境友好、反应条件温和等优点，但其合成效率较低，需要经过多步反应才能得到目标产物。

3. 光化学合成法：光化学合成法是利用光能来促进染料合成的方法。

它通常通过光敏染料的光化学反应来实现。

在这种方法中，光敏染料吸收光能后，会发生光化学反应，生成具有目标结构的染料分子。

光化学合成法具有反应速度快、反应条件温和等优点，但需要选择合适的光源和反应条件才能实现高效的合成。

二、光敏染料的光化学性质1. 光敏性质：光敏染料具有吸光性质，能够吸收特定波长范围内的光能。

吸收光能后，光敏染料会发生能级跃迁，从基态跃迁到激发态。

这种能级跃迁会引起染料分子的结构改变，从而导致光敏染料的光化学反应发生。

2. 光化学反应：光敏染料在吸收光能后，会发生光化学反应，从而产生化学变化。

光化学反应可以是光解反应、光氧化反应、光还原反应等。

光敏染料的光化学反应可以用于光催化、光电子学等领域。

3. 光敏染料的稳定性：光敏染料的稳定性是衡量其光化学性质的重要指标之一。

稳定性好的光敏染料能够长时间保持其光敏性质，不易发生分解或失活。

稳定性差的光敏染料则容易受到光照、氧化等因素的影响，导致其光敏性质的丧失。

双光子荧光

双光子荧光

图2a 双光子吸收 图2b 单光子吸收 S 单重态能级 T 三重态能级 V 虚拟中间态 hv 吸收光能量 Fl 荧光 Ph 磷光 Ⅺ 系间窜越
一个虚能态 , 通过两个光子的
能量进行叠加而使处于基态的 电子达到激发态。
Has not been difficult, then does not have attains
3.2 优点
• (2)双光子荧光使用红外激光作为激发光源，能大 大地降低生物组织对激发光的吸收，可获得较强 的样品荧光；
Has not been difficult, then does not have attains
3.2 优点
• (3)长波长光源作为双光子荧光的激发光源，可以 避免样品中激发波长较低的自发荧光物质的干扰；
一成功用于双光子显微镜的双光子探针。
Has not been difficult, then does not have attains
双光子荧光探针的研究领域
双光子葡萄糖示踪器
具有良好的光稳定性，能够持 续监控正常细胞与结肠癌细胞摄入葡萄糖的过程，能够成 像观察癌细胞与结肠癌深处抗癌剂的能力，为癌症的早期 诊断提供帮助 双光子巯基探针 根据探针与巯基反应后荧光增强， 可用双光子显微镜探测活体细胞与组织90-180μ m深处的 巯基成像情况 双光子半胱氨酸探针 根据醛基（sp2）与半胱氨酸 反应后转变为叔甲基(sp3)而丧失吸电子效应这一原理实现
世界上最小的动物模型：纳米牛
Has not been difficult, then does not have attains
双光子吸收在微纳米加工中的应用
世界上最小的微纳机械
Appl Phys Lett, 2001, 78(2): 249—251
一种有机化合物双光子荧光现象的实验研究

一种有机化合物双光子荧光现象的实验研究

一种有机化合物双光子荧光现象的实验研究有机化合物双光子荧光现象是新型的紫外线或可见光激发的发射特性，在生命科学研究和技术应用领域有着重要的意义。

本文以一种有机化合物双光子荧光现象的实验研究为标题，综述了其机理、实验原理、实验方法及获得研究结果。

一、机理介绍双光子荧光(DPEF)是指一种有机化合物在激发源辐照下，由初始发射光子对以及分子能级转换引起的荧光光子发射现象。

与一般的荧光现象不同，它是一种本质上的双光子效应，它的机制是：一个能量足够的激发光子先与分子的激发态相互作用，从而形成一个激发态；这个激发态随后被第二个激发光子反应，并以荧光形式释放出去。

二、实验原理双光子荧光是一个基于量子力学的现象，在实验中，乙烯在吸收一个可见光子时，形成一个电子激发态，随后紫外线反应，第二个激发光子与电子激发态进行精确的能量匹配，从而形成双光子荧光效应，使发射光子的辐射频率与激发源的频率完全对应。

三、实验方法1.室温下，用光积平台搭建实验装置；2.在装置上加入乙烯样品，使其溶解于溶剂；3.在装置上加入吸收光源，可用可见光或紫外线；4.将激发源焦点照射到溶液中，观察溶液荧光及其发射光谱；5.通过读出发射光谱，计算出发射的光子的能量和频率。

四、实验结果本实验的结果表明，乙烯在可见光和紫外线的激发源下，都能产生荧光发射。

而且，在激发源和发射光子能量之间，存在一个微妙的能量差，这说明，双光子荧光现象是一种精确匹配的现象，而不是简单的光子放出现象。

此外，本实验所获得的结果与现有研究结果一致。

五、结论本实验以一种有机化合物双光子荧光现象的实验研究为标题，综述了双光子荧光的机理、实验原理、实验方法及获得的结果。

实验表明，双光子荧光是一种本质上的双光子效应，具有准确的能量匹配特征，而不是单纯的光子发射现象。

本实验的结果与现有的文献结果相符，为双光子荧光的研究奠定了坚实的基础。