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有机分子多光子吸收性质的理论研究

朱凌云  
【摘要】:近年来,有机多光子吸收材料由于在激光防护、荧光显微、三维光数据存储、光动力疗法等高技术领域极有应用价值,因而得到了普遍关注。双光子吸收现象是在当一个分子同时吸收两个光子,产生一个具有该光子两倍能量的激发态时出现的,由于双光子吸收与强度的平方关系,吸收过程能产生空间限定激发,可用于三维数据存储和三维成像。高效双光子灵敏材料的发展,带来很多技术应用,并且激起了开发三光子激发为基础的应用兴趣。三光子吸收(Three photon absorption 3PA)是指介质同时吸收三个光子向高能级跃迁。由于三光子过程可使用较长的激发波长,而且,三光子过程和输入光强的立方关系提供了更强的空间限定,因而在光纤通信、生物成像和深层组织中的光激发治疗等方面具有广阔的应用前景。但由于三光子吸收对应于五阶非线性过程,是一个比较难以观测到的实验现象,因此,关于它的报道一直很少。近年来,实验上合成了几个三光子吸收截面比较大的有机化合物,然而,在理论上很少有人模拟其非线性过程或设计具有大三光子吸收截面的有机分子。 本文首次从理论上提出了计算三光子吸收截面的方法,并且指明了通过电荷转移来提高三光子吸收截面的途径。由于实验上测量三光子吸收截面技术的不同,已报道的有机化合物的三光子吸收截面相差7个数量级。这就进一步需要理论计算来验证。在本文计算中,我们选择了两个实验上已合成的三光子吸收截面相差比较大的化合物,即6-propionyl-2-dimethylaminonaphthalene(PRODAN)和4,4’-bis(diphenylamino)stilbene(BDPAS),Bhawalkar和Drobizhev等人的实验结果进行了比较。结果表明,理论计算的PRODAN分子的三光子吸收截面比实验值低两个数量级,而BDPAS分子的理论计算值比实验值高两个数量级。总的来看,理论计算结果处于实验测量值的中间。 Anderson等人最近合成了一个卟啉衍生物—在卟啉环的两侧通过三键搭桥连接上两个蒽环,即卟啉-蒽衍生物(简称为AtPtA),瞬态非线性吸收研究表明AtPtA由于具有很高的双光子吸收截面。我们在模拟其双光子吸收性质的同时,发现它也具有很大的三光子吸收截面,因而此化合物在多光子吸收方面具有广阔的应用前景。 本文在实验所得的晶体构型基础上,运用CCSD一EOM(CouPled一Cl以ster Equati。n。f Motion with single and double exeitations)方法结合INDO参 数化哈密顿,计算了叶琳一葱大体系单光子、双光子和三光子吸收光谱。该方法 很好地考虑了基态和激发态的电子关联效应,具有大小一致性,并且活性空间 可以高达32个分子轨道。从计算得到的叶琳一葱大体系的三光子吸收谱,我们 发现在827nm处有一个非常大的吸收峰,比叶琳或葱分子的三光子吸收截面大 两个数量级。结果分析表明:三光子过程导致了在叶琳和葱环之间发生了快速 电荷转移。这种直接电荷转移激发态对于线性吸收和双光子过程没有贡献,但 是在三光子过程中,它与双光子激发态间存在很大的电偶极跃迁,与此同时, 该化合物的双光子吸收峰与直接电荷转移态的三光子吸收峰几乎重合,因此导 致两个数量级的增益。理论计算结果指明了通过电荷转移来实现大的三光子吸 收截面的途径。


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