任意偏振光束激发下的各向异性双光子吸收效应研究文献综述

 2022-10-27 10:33:21
  1. 文献综述（或调研报告）：

双光子吸收是一种非线性光学现象，是在强光激发下，介质通过一个虚拟分子同时吸收两个光子，从基态跃迁到两倍光子能量的激发态的过程。双光子吸收过程以其特有的三维处理能力和极高的空间分辨本领，在生物、物理、化学、医学和微电子技术等领域显示出了变革性的应用潜力。近几年来高效率的双光子吸收材料[1]得到很大的发展。高效双光子吸收材料在双光子荧光成像[2]和显微技术等方面的应用，引起了科学家们的极大兴趣。基于双光子吸收过程的分子设计、组装及性能研究成了光电子领域的热门课题。光子的吸收能力由吸收截面值表示。近20年来，伴随着分子工程和有机合成技术的发展，具有大的双光子吸收截面的有机分子逐渐被发现。由于双光子吸收材料在双光子荧光显微镜[3]、激光上转换、光限幅[4]、三维微加工[5]等高科技领域中具有诱人的应用前景，已引起了国内外学者的高度重视。

双光子吸收过程具有两个特点，一 、双光子吸收过程是长波吸收短波发射的过程，因而具有较强的穿透性;二 、双光子吸收过程只能在入射波长的立方的空间 体积范围内发生，因而，具有较强的空间选择性。基于这两方面的特点双光子吸收 材料在光电、医学、生物等方面有广泛的应用，如双光子光动力学治疗[6]、双光子高密度存储[7]等。

目前,GaN晶体的非线性光学性质已经得到了充分的研究和认识[8]。大量的理论和实验研究表明,GaN薄膜及纳米线均表现出优异的二阶非线性光学特性,预示着 GaN材料在二次谐波产生光电子应用领域有着光明的应用前景。研究表明,GaN晶体在三阶非线性光学效应,如双光子吸收效应、三光子吸收效应、光学克尔折射等领域同样有着优异的表现,被广泛应用于光限幅器件、高速信息处理和全光开关[9]等方面。

陈智慧等[10]研究了GaAs[3]在光通讯波段的超快非线性光学效应。这篇文献采用Z-扫描和泵浦-探测技术,在光通讯波段对砷化镓(GaAs)单晶进行了非线性动力学以及非线性光学的实验研究。飞秒泵浦-探测实验结果表明,三阶非线性光学效应源于砷化镓单晶对飞秒激光的瞬态双光子吸收,而五阶非线性光学效应源于砷化镓单晶双光子吸收诱导的自由载流子吸收效应。通过Z扫描实验[11],得到了关于GaAs单晶所有的非线性光学参数,包括双光子吸收系数、三阶非线性折射系数、双光子吸收诱导的自由载流子吸收截面以及双光子吸收诱导的自由载流子折射截面。结果表明,砷化镓单晶在制造光限幅器件和光电探测器方面具有良好的发展前景。

王凯[12]等研究了单个ZnO微米/纳米线的各向异性三阶光学非线性效应。这篇文献利用飞秒激光的Z扫描方法，对单个ZnO微/纳米线的各向异性三阶光学非线性进行了系统的研究。作为偏振角和样本取向角的函数的双光子吸收系数和非线性折射率，均表现出周期为pi;/ 2的振荡曲线，表明氧化锌微/纳米线具有高度偏振光学非线性响应。最终得出结论：（1）氧化锌微/纳米线具有高度偏振光学非线性；（2）ZnO微/纳米线的偏振光学非线性具有高度的尺寸依赖性。结果表明，ZnO纳米线在纳米材料、全光开关和偏振敏感型光电探测器的应用方面具有很大的潜力。

Kagawa[13]报道了波长为1.55um处硅和砷化镓二极管中偏振依赖的双光子吸收效应。这篇文献比较了在GaAs和Si 光二极管中偏振依赖的双光子吸收效应。TPA系数的偏振依赖可以从光二极管光电流的偏振依赖程度来估计。如果光二极管的光电流与TPA系数成正比，则通过控制入射光偏振方向可以很容易地测量各向异性系数和二向色性参数[14]。分别测出用线性偏振光和椭圆偏振光发生在GaAs PD和Si PD时得到的光电流，线偏振光和椭圆偏振光分别用半波片和四分之一波片产生。根据测量的各向异性和二向色性参数估计出和的比值。对椭圆偏振光的响应与采用推导出的比值的分析是一致的。由于各向异性参数和比值已经由光电流的比值决定，因此可以检验光电流的偏振依赖是否与基于三阶非线性极化张量的分析相一致。最终得出结论：（1）在GaAs[15] PD中，双光子吸收的光电流为各向异性；（2）线性偏振光的Si PD的光电流几乎是各向同性的，这表明波长为1.55 um处Si的双光子吸收是各向同性的，与波长为1.3um形成对比。波长为1.55 um处的各向异性的跃迁相对较小。

参考文献：

  1. 王晓庆,陈宁,杨文君.高聚物双光子吸收材料研究进展[J].现代塑料加工应用.2007,19(3)：57-60
  2. 魏言春 洪志毅 权莉 王益民 深层组织双光子荧光成像激发特征的仿真分析 激光生物学报 2017,26（6）500-507
  3. 秦一凡，李茜，夏元钦，刘斌，张盛 飞秒激光双光子荧光显微系统的构建与应用 哈尔滨工业大学学报 2015，47（11）：1-5
  4. 彭蕊, 辛晶, 康开斌, 赵敏, 王强, 许主国 光限幅材料研究进展 兰州大学学报.2013，49（6）:854-860
  5. 赵旭 陈迪 张大成 基于等光强面的飞秒激光三维微加工分辨力研究 2000,5:107-109
  6. 戴维德 双光子激发竹红菌素光动力学治疗研究 中国激光医学杂志 2003，12（4）
  7. 蔡建文 CD/DVD光学读取头的常规PID控制器设计 计算机应用，2013，33(S1)：301—302
  8. 张玮,王迎威,肖思,顾兵,何军 铝镓氮薄膜双光子吸收效应[A].发光学报.2017,38(12)：1605-1610
  9. 赵华君 程正富 偏振调控全光开关的设计分析 激光杂志 2011,32（3）:24-25
  10. 陈智慧,肖思,何军,顾兵 GaAs在光通讯波段的超快非线性光学研究[A].发光学报.2015，36(8)：969-975
  11. Anisotropic nonlinear response of silicon in the near-infrared region.J. Zhang, Q. Lin, G. Piredda, R. W. Boyd, G. P. Agrawal, and P. M.Fauchet: Appl. Phys. Lett. 91 (2007) 071113.
  12. Kai Wang, Jun Zhou,Longyan Yuan, Yuting Tao, Jian Chen, Peixiang Lu,and Zhong Lin Wang Anisotropic Third-Order Optical Nonlinearity of a single ZnO Micro/Nanowire[J].Nano Letters. 2012, 12：833minus;838
  13. Toshiaki Kagawa, Polarization dependences of two-photon absorption in Si and GaAs photodiodes at a wavelength of 1.55 um[J]. Japanese Journal of Applied Physics 2011, 50, 122203：1-4
  14. Theory of anisotropy of two-photon absorption in zinc-blende semiconductors.D. C. Hutchings and B. S. Wherett: Phys. Rev. B 49 (1994) 2418.
  15. R. W. Boyd: Nonlinear Optics (Academic Press, San Diego, CA, 2003)2nd ed., Chap. 1, p. 51.

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