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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

2、料或者引 發(fā)劑或光敏劑捕獲一個(gè)光子，就會(huì)產(chǎn)生 自由基或陽離子等活性基團(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

3、強(qiáng)度與入射光強(qiáng)成正比 （線形吸收），雙光子吸收的強(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 -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； 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)生在入射光波長立方（ 3） 范圍的微小體積內(nèi)。

4、雙光子吸收截面： TP=43ao5 2 TP 15c f 即雙光子可進(jìn)行立體微加工。 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 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，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)密度依賴于波長倒 數(shù)的冪，該冪的次數(shù)等于存儲(chǔ)

5、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 1.2 1014bits/cm3,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波長下， 2.5 109bits/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)

6、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解決該問題。 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 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(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； 開展大量的理論計(jì)算研究； 謝 謝！