双光子吸收截面

4.3 双光子吸收用红宝石激光照射掺铕的氟化钙晶体时，探测其荧光光谱时发现了红宝石激光的倍频光谱。

但是1、该材料不存在与单个红宝石激光光子对应的任何激发态，因此不能用连续吸收两个红宝石激光光子来解释；2、该材料为立方晶体，具有反演对称性，因此不存在(2)χ，不会出现二次谐波的频率。

唯一的解释是同时吸收了两个光子。

更一般地，当频率分别为1ω、2ω的两束光通过非线性媒质时，如果1ω+2ω接近媒质的某个跃迁频率0ω，媒质就会从每一束光波中同时各吸收一个光子，而引起两束波的同时衰减，这就是双光子吸收，如图4.3-1所示。

j g 宇称相同图4.3-1 双光子共振设媒质中只传输两束光，而且没有二阶非线性效应，或者不满足产生和频、差频和二次谐波相对应的相位匹配条件，同时不满足产生三次谐波的相位匹配条件，而1ω+2ω对应与媒质的某个跃迁频率0ω。

这时只需考虑辐射场之间的耦合作用所产生的结果，所以必须考虑频率为1ω和2ω的三阶非线性极化强度：(3)*101221221()6(;,,)()()()χ=−−P E E E M ωεωωωωωωω (4.3-1)(3)*202112112()6(;,,)()()()χ=−−P E E E M ωεωωωωωωω (4.3-2)耦合方程：2(3)1112212121(,)3(;,,)(,)(,)dE z i E z E z dz k c ωωχωωωωωω=−− (4.3-3) 2(3)2221121221(,)3(;,,)(,)(,)dE z i E z E z dz k c ωωχωωωωωω=−− (4.3-4) 由于12+ωω接近媒质共振频率，因此(3)1221(;,,)−−χωωωω，(3)2112(;,,)−−χωωωω.中的实部与虚部都应当是有限值，在方程中都必须考虑。

非线性极化率的实部具有完全对易对称性，即：Re{(3)2112(;,,)−−χωωωω}=Re[(3)1221(;,,)−−χωωωω]=χ (4.3-5) 非线性极化率的虚部，可以从式(1.3-23)得到：4(3)212211************Im (;,,)Im {[()()(0)]}23()()()()−=+−+++×−−+Ne B A F F F m F F F F χωωωωωωωωεωωωωωω 2201()=−−F i ωωωΓω由于1ω+2ω≈0ω，因此1ω，2ω，12−ωω都远离共振频率0ω，这样(0)F 、12()−F ωω、2()F ω、1()F ω等都是实数，这样：42(3)221221121230(3)2112Im (;,,)()()Im ()3Im (;,,)Ne A F F F m χωωωωωωωωεχωωωω−−=+=−− 因此，令：Im[(3)2112(;,,)−−χωωωω]=Im[(3)1221(;,,)−−χωωωω]=TA χ (4.3-6)由此可见，不仅极化率张量(3)2112(;,,)ωωωω−−χ和(3)1221(;,,)ωωωω−−χ的虚部相同，而且还与与跃迁频率接近0ω的上下两能级之间的集居数密度差有相同的符号。

双光子吸收法-概述说明以及解释1.引言1.1 概述双光子吸收法是一种用于研究和探索材料和分子结构的前沿技术。

随着科学技术的不断发展，双光子吸收法已成为物理化学领域中一个重要的研究手段。

通过该方法，我们可以更深入地了解物质内部的复杂结构和性质，从而为材料科学、化学生物学等领域的研究提供有力支持。

双光子吸收法的原理相对复杂，但简单来说，它是利用两个光子同时作用于分子或材料时的吸收现象。

与传统的单光子吸收法不同，双光子吸收法能够提供更高的分辨率和更准确的结果。

其基本原理是两个光子在同时作用于目标物质上时，能量的总和正好等于目标分子的激发能级的能量。

因此，通过测量吸收光的强度和频率，我们可以得到目标物质的结构和性质信息。

双光子吸收法在许多领域中具有广泛的应用。

例如，在材料科学中，它可以用来研究纳米材料的光学和电子性质，以及材料的非线性光学行为。

在化学生物学领域，双光子吸收法可以用于研究生物分子的结构和功能，以及分子与细胞相互作用的过程。

此外，它还被广泛应用于光子学、光催化、光电子学等领域。

然而，双光子吸收法也存在一些局限性。

首先，由于双光子吸收过程的低概率性，它通常需要较高的光强和长的激光脉冲宽度，这限制了其在实际应用中的灵活性和可行性。

其次，鉴于双光子吸收法的复杂性和技术要求，研究人员需要具备较高的实验技能和仪器设备，这也限制了其在广泛领域的推广和应用。

总之，双光子吸收法作为一种先进的研究手段，为我们研究材料和分子结构提供了新的途径和突破口。

通过深入了解其原理和应用领域，我们能够更好地发挥它在科学研究和技术创新中的作用，并为未来的研究方向提供更广阔的空间。

1.2 文章结构本文将按照如下结构来展开对双光子吸收法的介绍和分析：第一部分是引言部分，其中包括对双光子吸收法的概述，即双光子吸收法的基本原理、应用领域以及它在科学研究和工程实践中的重要性。

同时，引言部分也会明确文章的结构和目的。

第二部分是正文部分，将重点介绍双光子吸收法的原理。

双光子吸收法
一、原理
双光子吸收法是一种非线性光学技术，它利用双光子吸收过程来探测物质。

在双光子吸收过程中，物质同时吸收两个光子，这些光子能量等于或大于物质的电子跃迁能。

双光子吸收过程主要在物质的表面和界面处发生，因此双光子吸收法非常适合用于表面和界面研究的非线性光学技术。

二、技术优势
1. 高灵敏度：由于双光子吸收需要同时吸收两个光子，因此需要非常强的激光源，这就大大提高了检测的灵敏度。

2. 空间分辨率高：由于双光子吸收主要发生在物质表面和界面处，因此可以获得高空间分辨率的信息。

3. 可以用于厚样品：与单光子吸收不同，双光子吸收可以穿透深度有限的样品，因此可以用于研究厚样品。

三、技术挑战
1. 需要高功率激光源：双光子吸收需要同时吸收两个光子，因此需要高功率激光源才能获得足够的信号。

这可能会增加设备的成本和复杂性。

2. 需要精确的聚焦：为了获得高空间分辨率的信息，需要将激光束精确地聚焦在样品上。

这可能需要精确的显微镜系统和技术。

3. 对样品条件要求较高：双光子吸收通常需要样品是无色或浅色的，并且需要是透明的。

这可能会限制该技术的应用范围。

四、未来发展
随着技术的不断进步，双光子吸收法在未来的发展中可能会面临以下挑战和机遇：
1. 新型激光源的开发：随着激光技术的不断发展，未来可能会开发出更高功率、更短脉冲、更窄线宽的激光器，这将进一步推动双光子吸收法的应用和发展。

2. 新型探测技术的发展：未来可能会开发出更灵敏、更快速、更稳定的光电探测器，这将有助于提高双光子吸收法的检测灵敏度和速度。

面光电效应指的是当光照射到某些物质的表面时，会产生电学变化，即电电容或电阻的变化。

这种现象可以用来检测光强度、光频率和光谱等光学参数。

在面光电效应中，双光子吸收指的是由两个光子同时吸收所产生的电学变化。

这种现象一般只会出现在光照强度非常小的情况下，即当光照强度非常低时，光子数量也非常少。

双光子吸收是由两个光子同时吸收一个电子产生的，这个过程可以被描述为：
光子1 + 电子1 -> 电子2 + 光子2
光子2 + 电子2 -> 电子1 + 光子1
这个过程中，两个光子吸收了一个电子，并将其转化为另一个电子和光子。

双光子吸收在物理、化学和材料科学中都有着广泛的应用。

例如，在化学感应光谱法中，双光子吸收可以用来检测物质的吸收光谱，从而确定物质的结构和性质。

在材料科学中，双光子吸收也可以用来研究材料的光电性能。

不同DFT方法的比较与选择仅做参考非双杂化泛函的最佳选择：计算碳团簇用B3LYP计算硼团簇用TPSSh计算双核金属用PBE、BP86，勿用杂化(see JCTC,8,908)计算NMR用KT2，M06-L, VSXC, OPBE, PBE0计算普通价层垂直激发用PBE0（误差约在0.25eV），M06-2X也凑合计算电荷转移、里德堡垂直激发，以及各种绝热激发能用wB97XD、CAM-B3LYP、M06-2X计算极化率、超极化率追求稳妥用PBE0，追求精度用CAM-B3LYP、HCTC(AC)计算双光子吸收截面用CAM-B3LYP计算ECD用B3LYP、PBE0计算HOMO/LUMO gap用HSE、B3PW91（整体来说这个好，HSE的杂化参数有点依赖于体系）计算热力学数据（含势垒）用M06-2X（加上DFT-D3(BJ)校正更好）计算多参考态特征强的体系用M11-L计算卤键：M06-2X （及SCS(MI)MP2。

最好用ECP。

基组最好3 zeta+弥散，若不加弥散则CP必须考虑）计算弱相互作用用wB97XD、M06-2X（加上DFT-D3(BJ)校正更好）。

很大体系弱相互作用用PBE-D2/TZVP+Counterpoise且包含DFT-D三体色散校正项其它情况或模棱两可的时候用B3LYP（加上DFT-D3(BJ)校正更好）。

允许更大计算量追求更可靠结果用M11、wB97XD。

---------动能泛函：Thomas-Fermi：由均匀电子气模型推出。

精度太低，一般低估10%动能，是精确动能泛函向rho的Taylor展开的一阶项。

LDA系列。

明显低估了gap。

Xα：Slater 1951年提出的LDA交换泛函。

X代表eXchange，可调参数α原先为1，为3/4时对原子和分子体系更好。

为2/3时与Dirac推出来的一样VWN3：LDA相关泛函。

高斯中默认用的VWN，比VWN5略好。

有拟合参数。

吸收截面的物理意义摘要：一、吸收截面的定义二、吸收截面的物理意义三、吸收截面的应用四、吸收截面的测量与计算五、吸收截面的发展趋势正文：吸收截面是一个重要的物理概念，它在核物理、辐射防护、材料科学等领域具有广泛的应用。

本文将从吸收截面的定义、物理意义、应用、测量与计算以及发展趋势等方面进行详细阐述。

一、吸收截面的定义吸收截面（Absorption Cross Section）是指在单位时间内，沿着某一方向通过单位体积的粒子数量与单位时间内通过同一单位体积的粒子数量之比。

它是一个反映粒子在物质中传播过程中被吸收概率的物理量，通常用符号σ表示。

二、吸收截面的物理意义吸收截面具有明确的物理意义。

首先，它表示了粒子在物质中的吸收程度，吸收截面越大，说明粒子在该物质中的吸收概率越高。

其次，吸收截面还反映了物质对粒子的散射能力，吸收截面越小，物质对粒子的散射能力越强。

此外，吸收截面还与物质的密度、厚度等参数有关，可以用于评估辐射防护设施的性能。

三、吸收截面的应用吸收截面在许多领域具有广泛的应用。

在核物理中，吸收截面用于描述中子、光子等粒子在核物质中的吸收过程，有助于研究核反应、核衰变等现象。

在辐射防护领域，吸收截面可用于评估辐射源的安全性，为辐射防护设计提供依据。

在材料科学中，吸收截面可用于研究材料的辐射损伤、辐射硬化等现象。

四、吸收截面的测量与计算吸收截面的测量与计算方法有多种。

实验上，通常采用放射性束技术、薄靶法、粉末法等方法测量吸收截面。

理论计算方面，可以根据量子力学、分子动力学等理论模型计算吸收截面。

此外，还可以通过模拟方法，如蒙特卡罗模拟，预测粒子在物质中的吸收行为。

五、吸收截面的发展趋势随着科学技术的不断发展，吸收截面的研究也在不断深入。

未来发展趋势包括：高精度吸收截面测量技术的发展，为实验提供更为精确的数据；理论计算方法的完善，提高计算效率和精度；吸收截面在多领域的应用拓展，如核废料处理、辐射防护、材料辐射损伤等领域。

皮秒激光透射率法表征高分子薄膜双光子吸收截面苏少昌;王希军【摘要】为了有效地测量有机薄膜的双光子吸收截面,针对较薄有机薄膜(约60μm)和有限激发光源功率,提出了基于非线性透过率测量法的皮秒激光脉冲激发等效多层膜非线性透过率法来实现双光子吸收截面的测量.首先在PC材料基板上旋涂偶氮染料薄膜,将带有偶氮薄膜的PC基板剪切成小块(20mm×20mm),并将5块叠加起来作为测量样品,然后采用LD泵浦的Nd:YV04皮秒锁模激光器(脉冲宽度为20ps、重复频率为56.8MHz、输出波长为1064nm)激发样品.在实验中,通过测量样品的非线性透过率,拟合偶氮样品的透过率曲线,最终得到了双光子吸收截面(634.2 GM).与其他测量方法相比,此方法简单、有效.【期刊名称】《中国光学》【年(卷),期】2011(004)001【总页数】4页(P82-85)【关键词】高分子薄膜;双光子吸收截面;非线性透射率法;皮秒激光【作者】苏少昌;王希军【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春,130031;中国科学院研究生院,北京,100049;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春,130031【正文语种】中文【中图分类】O484.51 引言有机双光子材料在三维光存储［1，2］、三维微加工［3，4］、双光子荧光显微术［5～7］、双光子上转换激射［8～10］、光限幅［11～13］以及光动力学治疗术［14，15］等高科技领域中具有诱人的应用前景，受到国内外研究者的高度重视。

双光子吸收截面是衡量材料双光子吸收能力的物理参数，为了准确地测量材料的双光子吸收截面，在过去的几十年中，多种测量双光子吸收截面的方法陆续得到了发展，其中包括非线性透过率法，Z扫描技术，双光子诱导荧光法等［16～18］。

非线性透过率法是直接测量透射光强随入射光强的变化情况而得出双光子吸收截面的一种方法。

本文基于非线性透过率法，用皮秒激光器对双光子材料薄膜进行了实验研究，该项研究以往未见有公开的报道。

硅的双光子吸收
一、引言
双光子吸收是一种非线性光学现象，它描述的是一个物质同时吸收两个光子的过程。

这种现象在各种材料中都有所体现，包括半导体如硅。

硅作为一种重要的半导体材料，其双光子吸收性质的研究对于推动激光技术、光学通信和量子计算等领域的发展具有重要意义。

二、硅的双光子吸收原理
双光子吸收通常发生在高能密度的光场下，此时物质可以同时吸收两个低能量的光子来达到激发态。

在这个过程中，物质的能量状态跃迁并不是由单个光子引起的，而是由两个光子同时作用的结果。

在硅中，双光子吸收过程主要是通过电子从价带跃迁到导带实现的。

三、硅的双光子吸收特性
硅的双光子吸收系数与其禁带宽度、折射率以及光子能量有关。

一般来说，硅的双光子吸收系数较小，这主要归因于硅的宽禁带特性。

然而，随着入射光强度的增加，硅的双光子吸收效应会变得显著。

四、硅的双光子吸收应用
硅的双光子吸收性质在许多领域都有重要应用。

例如，在激光技术中，双光子吸收可用于产生高效的激光二极管；在光学通信中，双光子吸收可用于提高信号的传输效率和距离；在量子计算中，双光子吸收则可被用于实现量子比特的制备和操作。

五、结论
总的来说，硅的双光子吸收是一个复杂的物理过程，它涉及到许多因素，包括材料的能带结构、光子的能量和入射光的强度等。

尽管硅的双光子吸收系数较小，但其在高光强下的双光子吸收效应仍然为许多应用提供了可能。

未来，通过对硅的双光子吸收性质的深入研究，我们有望开发出更多的新型器件和技术。