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1、雙光子光聚合反應(yīng),房德仁 導(dǎo)師 劉中民 研究員,1 概述,1931年Goppert-Mayer提出雙光子吸收理（Ann.Physik,1931,9:273295）； 20世紀(jì)60年代由實(shí)驗(yàn)觀測(cè)所證實(shí)(Phys.Rev.Lett,1961,39:13471348) 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。 20世紀(jì)90年代后，大雙光子吸收截面有機(jī)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(chǔ)、雙光子光動(dòng)力學(xué)療法、雙光子光聚合等,光聚合機(jī)理,普通的光敏聚合機(jī)理為只要染料或者引發(fā)劑或
2、光敏劑捕獲一個(gè)光子，就會(huì)產(chǎn)生自由基或陽(yáng)離子等活性基團(tuán)，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(jī)理與單光子基本相同，惟有光子的吸收機(jī)理不同。,光聚合機(jī)理示意圖,雙光子吸收,雙光子吸收過(guò)程一般是兩個(gè)光子同時(shí)被一個(gè)分子吸收，或者在極短的時(shí)間內(nèi)兩個(gè)光子被一個(gè)分子相繼吸收，一般兩個(gè)光子吸收的時(shí)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(guò)一個(gè)假想態(tài)（virtual state），然后到達(dá)一個(gè)分子的激發(fā)態(tài)。,雙光子吸收示意圖,雙光子吸收示意圖,雙光子吸收與單光子吸收,單光子吸收的強(qiáng)度與入射光強(qiáng)成正比（線形吸收），雙光子吸收的
3、強(qiáng)度與入射光強(qiáng)的平方成正比（非線形吸收）； 單光子吸收的輻照光源一般在紫外區(qū)（400nm），雙光子在可見(jiàn)-近紅外區(qū)（800nm），長(zhǎng)波長(zhǎng)使得入射光的損耗較小，在介質(zhì)中的穿透性好；,單光子吸收的吸收截面為 10-1710-18 cm4s/photon，對(duì)光密度要求小，即使弱光也可發(fā)生吸收，在光線經(jīng)過(guò)的地方都會(huì)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(diǎn)處才能同時(shí)吸收兩個(gè)光子，引發(fā)聚合反應(yīng)，聚合反應(yīng)只發(fā)生在入射光波長(zhǎng)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(jìn)行立體
4、微加工。,,,雙光子吸收的光源,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(zhǎng)800nm1000nm左右，要求激光器的功率大于一個(gè)最低值，一般在30J100J。利用雙光路聚焦的方法。,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(tuán)，給電子基團(tuán)，如D--D,D--A- D,A- -A, A- D --A, A- D結(jié)構(gòu)等，共軛大鍵越長(zhǎng)，吸收截面越大；分子的偶極矩及極化率都對(duì)分子的吸收截面有重大影響。,雙光子海量信息存儲(chǔ),在光學(xué)存儲(chǔ)技術(shù)中信息存儲(chǔ)密度依賴(lài)于波長(zhǎng)倒數(shù)的冪，該冪的次數(shù)等于存儲(chǔ)信息的空間維數(shù)。利用該技術(shù)，可以存儲(chǔ)的容量理論上可以達(dá)到1.21014bits/cm3,
5、遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出現(xiàn)有的二維光存儲(chǔ)材料的容量（理論值為在200nm波長(zhǎng)下， 2.5109bits/cm2）（Science,1989,245:843845;Applied Physics Letters,1999,74:13381340）,光子晶體的加工,光子晶體是用于控制光的一種器件，工作原理與半導(dǎo)體類(lèi)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(jì)算機(jī)速度更快、功能更強(qiáng)大的光子計(jì)算機(jī)。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）,三維操控和微加工,一個(gè)立體的復(fù)雜整體
6、結(jié)構(gòu)，材料在不同的部位的尺寸和形狀都不同時(shí)，利用現(xiàn)有的精密機(jī)械尚無(wú)有效的方法實(shí)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(lái)解決該問(wèn)題。Kawata將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(zhǎng)10m，高7m）（Nature,2001,412:697698）。另外還制作出了一個(gè)微小的彈簧，彈簧的直徑為300nm，用激光作動(dòng)力拉動(dòng)彈簧，測(cè)出了彈簧的彈性常數(shù)為8.2nNm-1.,Nature,2001,412:697698,展望,國(guó)際上美國(guó)和日本的研究處于前沿水平；國(guó)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(jìn)行這方面的研究，處于起步階段。目前的研究重點(diǎn)： 尋找和合成更大吸收截面的雙光子吸收劑； 繼續(xù)研究雙光子吸收劑在光聚合等方面的應(yīng)用； 開(kāi)展大量的理論計(jì)算研究；,謝 謝！,
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