雙光子光聚合反應(yīng)

1、2021/3/91雙光子光聚合反應(yīng)雙光子光聚合反應(yīng)房德仁導(dǎo)師 劉中民 研究員2021/3/921 概述n1931年Goppert-Mayer提出雙光子吸收理（Ann.Physik,1931,9:273295）；n20世紀(jì)60年代由實驗觀測所證實(Phys.Rev.Lett,1961,39:13471348)n但由于缺少大的雙光子吸收截面材料（均小于10-48cm4s/photon），限制了其應(yīng)用研究。n20世紀(jì)90年代后，大雙光子吸收截面有機分子被逐漸發(fā)現(xiàn)（10-46cm4s/photon）。如雙光子上轉(zhuǎn)換激光、雙光子光限幅、雙光子三維光存儲、雙光子光動力學(xué)療法、雙光子光聚合等2021/3/9

2、3光聚合機理n普通的光敏聚合機理為只要染料或者引發(fā)劑或光敏劑捕獲一個光子，就會產(chǎn)生自由基或陽離子等活性基團，引發(fā)單體聚合；或光敏劑本身不能直接形成自由基，而是將光吸收后把能量傳遞給單體或引發(fā)劑引發(fā)聚合，雙光子聚合機理與單光子基本相同，惟有光子的吸收機理不同。2021/3/94光聚合機理示意圖2021/3/95雙光子吸收n雙光子吸收過程一般是兩個光子同時被一個分子吸收，或者在極短的時間內(nèi)兩個光子被一個分子相繼吸收，一般兩個光子吸收的時間差小于0.1飛秒（1飛秒=10-15秒）。一般認(rèn)為吸收是經(jīng)過一個假想態(tài)（virtual state），然后到達(dá)一個分子的激發(fā)態(tài)。2021/3/96雙光子吸收示意圖

3、2021/3/97雙光子吸收示意圖2021/3/98雙光子吸收與單光子吸收n單光子吸收的強度與入射光強成正比（線形吸收），雙光子吸收的強度與入射光強的平方成正比（非線形吸收）；n單光子吸收的輻照光源一般在紫外區(qū)（400nm），雙光子在可見-近紅外區(qū)（800nm），長波長使得入射光的損耗較小，在介質(zhì)中的穿透性好；2021/3/99n單光子吸收的吸收截面為 10-1710-18 cm4s/photon，對光密度要求小，即使弱光也可發(fā)生吸收，在光線經(jīng)過的地方都會發(fā)生聚合，是整體或面上的聚合;雙光子吸收截面一般為10-5010-46cm4s/photon，一般在兩束光聚焦的焦點處才能同時吸收兩個光子，

4、引發(fā)聚合反應(yīng)，聚合反應(yīng)只發(fā)生在入射光波長立方（3）范圍的微小體積內(nèi)。雙光子吸收截面：TP=43ao5 2 TP 15c f即雙光子可進行立體微加工。2021/3/910雙光子吸收的光源n雙光子吸收一般采用較大功率的紅寶石或藍(lán)寶石脈沖激光器，波長800nm1000nm左右，要求激光器的功率大于一個最低值，一般在30J100J。利用雙光路聚焦的方法。2021/3/9112021/3/9122021/3/913雙光子光聚合光敏引發(fā)劑一般要求：具有共軛大鍵，吸電子基團，給電子基團，如D-D,D-A- D,A- -A,nA- D -A, A- D結(jié)構(gòu)等，共軛大鍵越長，吸收截面越大；分子的偶極矩及極化率都

5、對分子的吸收截面有重大影響。2021/3/9142021/3/9152021/3/9162021/3/917雙光子海量信息存儲n在光學(xué)存儲技術(shù)中信息存儲密度依賴于波長倒數(shù)的冪，該冪的次數(shù)等于存儲信息的空間維數(shù)。利用該技術(shù)，可以存儲的容量理論上可以達(dá)到1.21014bits/cm3,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出現(xiàn)有的二維光存儲材料的容量（理論值為在200nm波長下， 2.5109bits/cm2）（Science,1989,245:843845;Applied Physics Letters,1999,74:13381340）2021/3/9182021/3/9192021/3/920光子晶體的加工n光子晶體是用于

6、控制光的一種器件，工作原理與半導(dǎo)體類似。由于光子速度比電子快的多，如果能象控制電子一樣控制光子，就有可能制造出比電子計算機速度更快、功能更強大的光子計算機。光子在傳播中幾乎不消耗能量。由于雙光子聚合可以提供規(guī)律性很好的周期性結(jié)構(gòu)，成為光子晶體制造的有效方法 （Nature,1999,398:5154）2021/3/9212021/3/9222021/3/923三維操控和微加工n一個立體的復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)，材料在不同的部位的尺寸和形狀都不同時，利用現(xiàn)有的精密機械尚無有效的方法實現(xiàn)。如非球面透鏡的加工，特別是微型非球面透鏡是目前的技術(shù)難題之一，雙光子聚合可以用來解決該問題。Kawata將計算機輔助設(shè)計和雙光子聚合技術(shù)相結(jié)合，成功的制造出了紅細(xì)胞大小的立體公牛（長10m，高7m）（Nature,2001,412:697698）。另外還制作出了一個微小的彈簧，彈簧的直徑為300nm，用激光作動力拉動彈簧，測出了彈簧的彈性常數(shù)為8.2nNm-1.2021/3/9242021/3/925nNature,2001,412:6976982021/3/926展望n國際上美國和日本的研究處于前沿水平；國內(nèi)北京大學(xué)、清華大學(xué)、中科院理化所及山東大學(xué)在進行這方面的研究，處于起步階段。目前的研究重點：n尋找和合成