雙光子吸收表征及相關(guān)光物理機制

張楠，臧建陽，王剛，劉太宏

陜西師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，應(yīng)用表面與膠體化學(xué)教育部重點實驗室，西安 710119

雙光子吸收(two-photon absorption，2PA)是在強激光作用下光與物質(zhì)相互作用引起的三階非線性光學(xué)現(xiàn)象，具體涉及物質(zhì)同時吸收相同或者不同頻率的兩個光子從低能態(tài)躍遷至高能態(tài)的過程。2PA現(xiàn)象由物理學(xué)家G?ppert-Mayer于1931年理論預(yù)測，直到高能量激光器出現(xiàn)后的1961年才由Kaiser等首次實驗證實，理論上雙光子吸收效率與激發(fā)光強的平方成正比，這也是2PA區(qū)別于線性光學(xué)性質(zhì)的典型特征(圖1a和1b)[1,2]。處于高能激發(fā)態(tài)物質(zhì)分子以輻射躍遷途徑返回基態(tài)，發(fā)射出熒光的光物理過程稱為雙光子激發(fā)熒光(two-photon excited fluorescence，2PEF)，其發(fā)光強度與雙光子吸收效率和熒光量子產(chǎn)率乘積成正比。1990年Denk和Webb發(fā)明了雙光子激光顯微鏡[3]，有效熒光激發(fā)僅發(fā)生在焦點附近空間體積約激發(fā)波長三次方的極小區(qū)域內(nèi)(圖1c)，該特點賦予2PEF技術(shù)極高的空間區(qū)域分辨率和增強的生物組織穿透能力，極大地促進了非線性光學(xué)材料的迅猛發(fā)展及其應(yīng)用探索[4–8]。

圖1 2PA技術(shù)發(fā)展歷程，2PEF技術(shù)特點及典型分子結(jié)構(gòu)

1 雙光子吸收(2PA)

創(chuàng)制新型2PA和2PEF材料并探索其功能應(yīng)用仍是一項具有戰(zhàn)略意義的前沿課題。已經(jīng)報道的非線性光學(xué)材料種類和性能各異，2PA化合物主要包括：1) 有機小分子體系，具有偶極(dipole)、四偶極(quadrupole)和八偶極(octupole)等分子結(jié)構(gòu)特征(圖1d)；2) 共軛高聚物和枝狀聚合物；3) 納米量子點；4) 類卟啉衍生物；5) 有機框架化合物等[9–11]。研究表明，分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(intramolecular charge transfer，ICT)和雙光子吸收效力之間關(guān)聯(lián)性強[4–8]。有機化合物結(jié)構(gòu)易于設(shè)計和功能調(diào)控，同時具有光學(xué)響應(yīng)快、介電常數(shù)低、加工性能良好等優(yōu)點，為新型2PA和2PEF材料創(chuàng)制和性能調(diào)控奠定了堅實基礎(chǔ)。有機2PA化合物通常由電子給體D和受體A通過π體系連接而形成大共軛體系，其基態(tài)時表現(xiàn)為極化結(jié)構(gòu)；光激發(fā)作用下，分子偶極矩增大強化了這種極化特征。通過引入強D/A功能基團、增加π共軛鏈長度、調(diào)控電子分布共面性和分子偶極空間維度等策略以增強雙光子吸收效率。新型2PA光學(xué)材料研究涉及非線性性質(zhì)表征、光物理躍遷機制解析以及構(gòu)效關(guān)系構(gòu)建，具有典型的跨專業(yè)、跨學(xué)科和跨領(lǐng)域特點。近年來，隨著相關(guān)研究工作的不斷增多(圖1b)，在2PA非線性性質(zhì)表征和光物理機制解析方面仍存在一些問題需要探討?；谖覀冋n題組在設(shè)計制備方酸菁(squaraines)、苝酰亞胺(perylene bisimides)、功能化寡聚噻吩(oligothiophenes)等衍生物、非線性性質(zhì)表征以及設(shè)備搭建等方面的研究基礎(chǔ)[12–15]，本文探討的問題如下。

1.1 2PA光物理機制

單光子線性吸收(one-photon absorption，1PA)過程遵循光化學(xué)第二定律，即物質(zhì)吸收一個光子從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)。由于光子波動性，1PA需要符合波函數(shù)宇稱性(parity)原則，躍遷前后基態(tài)和激發(fā)態(tài)的軌道對稱性發(fā)生改變(偶態(tài)g ? 非偶態(tài)u)，與分子結(jié)構(gòu)和能級軌道對稱性直接相關(guān)。

對于中心對稱分子體系的2PA躍遷過程，可以理解為基態(tài)分子經(jīng)過中間虛態(tài)(virtual state)到達高能激發(fā)態(tài)的兩次光子吸收光物理過程(實際過程非?？?。兩次躍遷中軌道對稱性改變發(fā)生抵消，終態(tài)軌道對稱性不發(fā)生改變(g ? g或u ? u)，即其始態(tài)和終態(tài)具有相同的波函數(shù)宇稱性。也就意味著，中心對稱分子體系中線性吸收1PA允許的第一單重激發(fā)能級S1對于2PA是禁阻的，因此非線性2PA過程需躍遷至高能級激發(fā)態(tài)S2或Sn，2PA躍遷與1PA相比需要更高一些的躍遷總能量，這就解釋了該類化合物的最大2PA波長略短于其最大1PA波長的2倍，如圖2b所示)，具有最大吸收波長相對藍移的特征。對于非中心對稱分子體系，其躍遷過程更加復(fù)雜，高能級激發(fā)態(tài)在1PA和2PA躍遷中均可出現(xiàn)。需要說明的是，物質(zhì)對不同波長的光吸收能力不同，對應(yīng)躍遷至不同的激發(fā)態(tài)能級，1PA呈現(xiàn)寬光譜吸收特征。相應(yīng)地，2PA躍遷也可在寬光譜范圍完成，文獻中多對比分析其最大2PA波長

圖2 1PA和2PA躍遷機制以及激發(fā)態(tài)吸收和重整能因素影響

1.2 簡并和非簡并2PA

物質(zhì)同時吸收兩個光子從基態(tài)躍遷至高能激發(fā)態(tài)(10?17–10?15s)，其能級躍遷總能量Eg等于(hv1+hv2)。如果該躍遷能量由相同能量/頻率的兩個光子(hv1= hv2)來提供，稱為簡并雙光子吸收(degenerate 2PA)；也可由不同能量/頻率的兩個光子(hv1≠ hv2)來提供完成，稱為非簡并雙光子吸收(non-degenerate 2PA)。物質(zhì)吸收hv1后的中間虛態(tài)隨hv1變化而處于不同能級(圖2c)，基于測不準原理，當中間虛態(tài)接近1PA允許的單重激發(fā)態(tài)S1，二者之間可能發(fā)生共振耦合表現(xiàn)出較強的非線性吸收現(xiàn)象稱為近共振增強雙光子吸收(resonance-enhanced 2PA)[16,17]。此時2PA特征光譜范圍內(nèi)會表現(xiàn)出多個較強的2PA特征信號峰，分別與簡并2PA和近共振增強2PA波長相關(guān)。近共振增強雙光子吸收現(xiàn)象可由重整能(detuning energy，ΔE)機制來解釋。

雙光子吸收截面(two-photon absorption cross section，δ2PA)是2PA特性的一個重要衡量指標，標志著物質(zhì)雙光子吸收效力的強弱。其單位表示為GM (1 GM ≡ 10?50cm4?s?photon?1?molecule?1)。δ2PA與三階非線性系數(shù)的虛部Imγ〈-ω; ω, -ω, ω〉直接相關(guān)，二者關(guān)系式為[18]：

式中?為普朗克常數(shù)、v為激發(fā)光頻率、因子L = (n2+ 1)/3表示介質(zhì)相對于真空中光強的增強，n為介質(zhì)折射率，c為光速；虛部Imγ〈-ω; ω, -ω, ω〉的表達式為：

μge為基態(tài)S0至激發(fā)態(tài)S1的躍遷偶極矩、Ege為相應(yīng)能級差；μge′為S0至高能激發(fā)態(tài)S2或Sn的躍遷偶極矩，因子Γge′為2PA躍遷線寬；(Ege? hν)即為重整能ΔE。式(2)中N項為線性1PA相關(guān)項，與躍遷偶極矩μge和躍遷能量Ege變化，在非線性性質(zhì)解析中可簡化忽略；D項與躍遷偶極矩μge和偶極矩Δμge變化有關(guān)，適用于中心對稱的雙偶極dipole化合物；T項為2PA性質(zhì)決定項，與躍遷偶極矩μge、高能級躍遷偶極矩μee′和激發(fā)態(tài)能量變化相關(guān)。

因此對于多偶極光學(xué)材料，關(guān)系式可簡化為式(3)，δ2PA數(shù)值與躍遷偶極矩變化的平方成正比、和重整能ΔE的平方成反比關(guān)系。因此當激發(fā)波長能量hν1接近對應(yīng)的躍遷能隙Ege，重整能ΔE變小導(dǎo)致2PA特性越明顯，從而表現(xiàn)出近共振增強雙光子吸收現(xiàn)象。文獻報道的近共振增強2PA吸收多發(fā)生于具有尖銳紫外-可見吸收峰特征的2PA化合物(線寬Γge′較小)，如方酸菁、苝酰亞胺、類卟啉和苯炔類共軛衍生物等。

2 非線性光學(xué)表征

2.1 開孔Z-掃描和2PEF方法對比

常見測定δ2PA數(shù)值方法有開孔Z-掃描、2PEF、非線性透過率、四波混頻及雙光子瞬態(tài)吸收光譜法等，前三種方法較為常用。開孔Z-掃描技術(shù)建立在激光光束空間畸變原理基礎(chǔ)上，具有裝置簡單、普適性強、靈敏度高等優(yōu)點。測試時待測樣品在光傳播z軸方向的焦點附近移動，測定并記錄透過率變化ΔΤ與樣品位置z的關(guān)系，擬合求得待測樣品的非線性吸收系數(shù)β和δ2PA數(shù)值(圖3)。相關(guān)參數(shù)和二者的換算公式為：

圖3 開孔Z-掃描技術(shù)用于2PA性質(zhì)表征

式中，ΔΤ為透過率變化，Leff為有效樣品厚度，n為樣品折射率，λ為激發(fā)波長，ω0為激發(fā)光在焦點處的光斑束腰半徑，hv為激發(fā)波長能量(J)，N為分子密度，C為待測樣品濃度(mol?L?1)，NA為阿伏伽德羅常數(shù)。

2PEF方法適用于δ2PA數(shù)值大、熒光量子產(chǎn)率ΦF較高的光學(xué)材料。理論上，分子躍遷到激發(fā)態(tài)后產(chǎn)生的熒光強度F與處于激發(fā)態(tài)的粒子數(shù)N成正比，與入射光強I的平方成正比，關(guān)系表達式可描述為：

其中熒光量子產(chǎn)率ΦF亦由單線態(tài)能級S1輻射躍遷返回基態(tài)S0，可認為與1PA熒光量子產(chǎn)率保持一致；式中1/2的引入因為物質(zhì)同時吸收兩個光子，N為樣品的熒光單元密度，L為樣品厚度。K為無量綱常數(shù)，與熒光收集效率、光束幾何形狀和自吸收修正系數(shù)有關(guān)；若實驗中使用了相同的光學(xué)裝置，可認為K值相同。實際操作中，參比樣品與待測樣品的雙光子吸收光譜和熒光發(fā)射光譜重合度越好，測試結(jié)果越可靠[19]。2PA化合物如羅丹明6G、羅丹明B、熒光素、卟啉衍生物等的δ2PA參考值已被廣泛報道[20–22]。Xu和Webb等基于2PEF方法對羅丹明6G、熒光素等在690–960 nm波長范圍內(nèi)的δ2PA數(shù)值進行了系統(tǒng)測定，其中羅丹明6G的甲醇溶液體系在700 nm處δ2PA參考值約為150 GM[20]。同時對羅丹明B、熒光素等在690–1050 nm波長范圍內(nèi)的δ2PA數(shù)值進行了詳細考查，羅丹明B的δ2PA數(shù)值在691 nm處為194 ± 50 GM，在840 nm處約為210 GM，測試使用溶劑為甲醇，激光脈寬為100飛秒[23]。因此分別測試未知化合物和參比化合物的熒光積分強度，代入已知的參比雙光子吸收截面δr、二者的量子產(chǎn)率Φ、儀器熒光收集效率φ等參數(shù)來間接計算待測化合物的δs，計算求得待測樣品的δs：

開孔Z-掃描操作中樣品濃度通常在10?2–10?3mol?L?1，因此樣品須具有較好溶解度，同時分子間簇集效應(yīng)對2PA性能測試影響較小。而2PEF所需要的樣品濃度較小，在10?4–10?5mol?L?1量級即可。因物質(zhì)吸收光子能量并非全部用于輻射躍遷，Z-掃描所得δ2PA數(shù)值通常偏大于2PEF測試結(jié)果[24]。Rebane等對多種熒光化合物(羅丹明6G、羅丹明B、熒光素、四苯基卟啉等)在550–1600 nm波長范圍內(nèi)的δ2PA數(shù)值進行了總結(jié)對比，并指出不同測試方法及激光光源特性對測試結(jié)果的影響和合理誤差范圍[21]。

2.2 激光光源特性對2PA測試結(jié)果的影響

δ2PA數(shù)值要比1PA截面小十幾個數(shù)量級，因此2PA激發(fā)能量須具有很高的峰值功率(MW?cm?2或GW?cm?2)滿足2PA測試對激發(fā)能量的要求，同時具有較低的平均功率引起的輻照熱效應(yīng)小。近年來隨著調(diào)Q和鎖模等超快激光技術(shù)的發(fā)展，激光器峰值和脈沖功率綜合性能不斷提高，激光光束的時間及空間外形輪廓不斷改善，δ2PA測試技術(shù)的精確度及普適性不斷提高。而激光光源包含納秒、皮秒和飛秒等不同的脈沖寬度，KHz和MHz等不同的重復(fù)頻率。長脈寬的激光抽運、高激光重復(fù)頻率以及高激發(fā)能量激發(fā)下，處于高能態(tài)光子能夠繼續(xù)吸收能量發(fā)生激發(fā)態(tài)吸收現(xiàn)象(excited-state absorption，ESA)躍遷至更高能級(圖2)，導(dǎo)致非線性吸收系數(shù)β估值過高和δ2PA數(shù)值偏大[24]。

考慮到大多數(shù)激發(fā)態(tài)吸收過程發(fā)生在皮秒或納秒時間尺度，激光光源優(yōu)選波長可調(diào)諧飛秒脈沖激光器(optical tunable fs-pulsed laser)，對測量結(jié)果影響較小。另外，除了關(guān)注飛秒脈沖重復(fù)頻率和激光能量，光束的準直性和聚焦光斑的對稱性也會對測試結(jié)果產(chǎn)生影響，操作者需要仔細調(diào)試光路以降低系統(tǒng)誤差，保證測試結(jié)果的可靠性。我們實驗室測試平臺使用的激發(fā)光源為鎖模Yb：KGW飛秒激光器(PHAROS，1030 nm)、泵浦光學(xué)參量放大器(ORPHEUS)和諧波(Lyra)產(chǎn)生的波長可調(diào)脈沖激光，脈寬～200 fs，激光頻率1–200 kHz范圍內(nèi)可調(diào)。

2.3 激發(fā)態(tài)吸收ESA和2PA關(guān)系

理論上，一束強光通過非線性吸收物質(zhì)時，光束強度I沿傳播方向z軸的變化表示為：

式中α是1PA吸收系數(shù)，β是2PA吸收系數(shù)；γ與非線性三光子吸收相關(guān)。當線性吸收(aL ＜＜ 1)可忽略時，其透過光強和透過率關(guān)系式為：

式中L為樣品厚度，I0為激發(fā)光強度。上述計算式是在忽略1PA線性吸收和ESA影響下得到的，而在實際操作中聚焦光斑大小變化和光源不穩(wěn)定性是上述測量方法誤差的一個主要來源。若材料在考查波長處有線性1PA吸收，激光激發(fā)能量過高引起的熱效應(yīng)、ESA、多光子吸收和拉曼散射，均可導(dǎo)致非線性吸收系數(shù)β測試不準確。通常把非線性介質(zhì)中傳播的光束近似看成高斯光束，若光束在較厚樣品中傳播時光束波面產(chǎn)生畸變引起的衍射和其他非線性光學(xué)效應(yīng)可能導(dǎo)致測試結(jié)果產(chǎn)生較大偏差。

3 研究實例

創(chuàng)制新型2PA和2PEF材料并探索其功能應(yīng)用扮演著越來越重要的角色。目前人們對2PA和2PEF材料的設(shè)計合成及構(gòu)效關(guān)系研究相對較少，相關(guān)雙光子熒光發(fā)光效率的關(guān)鍵基礎(chǔ)問題研究遠不如單光子熒光技術(shù)那么深入。因此基于文獻調(diào)研和研究基礎(chǔ)，研究示例討論如下。

3.1 方酸菁(Squaraines)衍生物

方酸菁衍生物具有獨特的分子內(nèi)共振式和D-A-D共軛結(jié)構(gòu)，在第一生物學(xué)窗口范圍內(nèi)(650–900 nm)有強烈而尖銳的吸收帶和極高的摩爾吸光系數(shù)(～105L?mol?1?cm?1)，并且具有很高的非線性2PA特性。以一類星狀方酸菁衍生物為例，其最大UV-Vis吸收波長出現(xiàn)在650 nm。開孔Z-掃描技術(shù)測試結(jié)果表明其在650–1100 nm波長范圍內(nèi)具有寬波長2PA吸收特性；同時該化合物在820 nm和1200 nm處均具有較強的雙光子吸收，對應(yīng)的δ2PA數(shù)值高達8000 GM和1000 GM，分別與近共振增強2PA和簡并2PA機制相關(guān)。較高的雙光子吸收效率歸因于方酸菁體系較強的ICT作用。還可以看出，最大2PA波長820 nm相較于1PA波長的2倍(650 nm × 2)，具有明顯的吸收波長相對藍移特征，歸因于較小的重整能ΔE引起的近共振增強雙光子吸收現(xiàn)象(圖4)[25,26]。另外我們對四酚羥基苯胺方酸菁化合物進行甲基功能化修飾制備得到了一系列新型方酸菁衍生物(SD-2a和SD-2b，圖5)，利用熒光技術(shù)、瞬態(tài)吸收光譜、DFT量化計算以及基本態(tài)模型計算系統(tǒng)考查了該系列方酸菁衍生物結(jié)構(gòu)與光物理性質(zhì)之間的關(guān)系，并基于單晶衍射技術(shù)確認了該類化合物分子的空間結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)雙甲基修飾的對稱型衍生物SD-2a在二氯甲烷中的最大UV-Vis波長為651 nm，最大2PA波長為820 nm，對應(yīng)δ2PA數(shù)值高達～4000 GM，進一步證實了方酸菁衍生物具有的較強ICT和近共振增強雙光子吸收現(xiàn)象的共同作用。同時空間位阻效應(yīng)限制了該系列方酸菁衍生物在極性溶劑中的簇集，使之表現(xiàn)為一類性能優(yōu)異的新型2PEF材料[27]。

圖4 星狀方酸菁衍生物的線性和非線性光物理性質(zhì)對比(a)和分子結(jié)構(gòu)(b)

圖5 方酸菁衍生物SD-2a (a)和SD-2b (b)的結(jié)構(gòu)差異及1PA和2PA光譜對比圖

3.2 苝二酰亞胺(Perylene bisimides)衍生物

基于芘、芴、苝酰亞胺PBI等為核心結(jié)構(gòu)的功能化稠環(huán)化合物均具有較強2PA特性，一系列非平面o-碳硼烷基苝二酰亞胺衍生物的開孔Z-掃描非線性測試結(jié)果表明，其分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移和非平面立體構(gòu)型對其非線性光學(xué)響應(yīng)產(chǎn)生了較大影響，衍生物最大δ2PA值隨PBI取代基個數(shù)的增加而增大。其中衍生物CB-PBI在四氫呋喃中的最大UV-Vis吸收波長為521 nm，在大于550 nm波長范圍內(nèi)無明顯線性吸收。2PA吸收光譜具有寬波長2PA特征，最大雙光子吸收波長為650 nm，對應(yīng)最大δ2PA值高達2400 GM。其中，1PA波長(521 nm)和最大2PA波長(650 nm)的較大差異歸因于重整能ΔE因素引起的近共振增強雙光子吸收機制(圖6)。同時該系列衍生物在強光激發(fā)能量作用下產(chǎn)生較強反飽和吸收和ESA現(xiàn)象，凸顯出優(yōu)異的光限幅特性[28]。

圖6 (a) 苝二酰亞胺類衍生物的近共振增強雙光子吸收光物理機制和衍生物結(jié)構(gòu)；(b) 寬波長范圍內(nèi)的雙光子吸收截面數(shù)值；(c) 衍生物PCP-PBI在四氫呋喃中的1PA和2PA光譜對比圖

4 結(jié)語

非線性2PA材料在高分辨生物成像、光動力學(xué)治和光限幅等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛[29]。借助2PEF成像技術(shù)近紅外光源穿透能力強、熒光技術(shù)靈敏度高和三維高分辨成像等優(yōu)點，其應(yīng)用已經(jīng)從簡單的細胞單元及生物組織發(fā)展到神經(jīng)生物學(xué)，更為直觀地分析復(fù)雜的生命活動，進而探索和揭示機體的功能奧秘。我國繼美國、歐盟和日本之后開展了中國腦計劃——“腦科學(xué)與類腦科學(xué)研究”，其中部分重要研究內(nèi)容是對結(jié)構(gòu)和功能極其復(fù)雜的大腦進行高分辨功能成像[30,31]。目前多數(shù)2PEF材料發(fā)光效率值(δmax× ΦF)低，光激發(fā)作用下分子偶極矩增大和ICT發(fā)生導(dǎo)致化合物對外部環(huán)境非常敏感，存在明顯的溶劑化效應(yīng)以及熒光發(fā)光效率降低，材料水溶性和極性介質(zhì)中的簇集誘導(dǎo)熒光猝滅現(xiàn)象大大限制了其生物成像應(yīng)用。不斷涌現(xiàn)的多尺度、多層次動態(tài)成像等新應(yīng)用和新功能，勢必需要發(fā)展不同種類的、特殊功能標記的2PEF探針。

另外，雙光子誘導(dǎo)光限幅效應(yīng)、飽和吸收效應(yīng)及其器件研究越來越多地吸引了非線性光學(xué)、光電子學(xué)等領(lǐng)域科學(xué)家們的興趣。簡單來說，光限幅效應(yīng)描述器件在低光強或低能流密度條件下具有高非線性透過率，而在高光強或高能流密度條件下具有低非線性透過率，從而器件輸出光被限制在一定的功率或能量上。飽和吸收體對激光的吸收系數(shù)隨入射光強增大而減小，達到飽和值時對激光呈現(xiàn)透明，可以利用其飽和吸收特性對激光腔內(nèi)的損耗(Q值)進行調(diào)制并發(fā)射脈沖激光。伴隨著有機合成技術(shù)進步和材料科學(xué)快速發(fā)展，2PA和2PEF非線性光學(xué)材料應(yīng)用將更加普遍。因此立足化合物結(jié)構(gòu)，清晰地掌握特征結(jié)構(gòu)組成與特定光物理性質(zhì)的構(gòu)效關(guān)系，對于開發(fā)新型雙光子非線性光學(xué)材料及拓寬其應(yīng)用具有非常重要的理論和現(xiàn)實意義。