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荧光染料的非简并双光子吸收特性研究

徐欢天  
【摘要】:双光子吸收效应是强光光场作用下的光与物质相互作用现象,是一种三阶非线性光学效应。由于其是长波吸收短波发射的过程,并且可以突破光学衍射极限,目前已被广泛的应用于物理学,生物学以及化学领域中。近年来,随着超短脉冲激光器的发展,双光子荧光显微成像技术在生物医药领域中发挥着越来越重要的作用。目前,人们对于简并双光子荧光显微成像领域的研究已经非常成熟,其研究对象可以分为生物组织内源性发光和外源性发光,其中外源性发光的材料主要有荧光蛋白和荧光染料。而对于双色双光子荧光显微成像领域的研究,目前主要集中在荧光蛋白上,对于在荧光显微成像技术中同样占举足轻重地位的荧光染料的非简并双光子吸收的研究少之又少。本论文首先阐述了双光子吸收的过程、特性以及其在物理、生物、化学方面的应用,尤其对双色双光子荧光显微成像方面的应用进行了详细介绍;然后在实验上搭建非简并双光子泵浦-探测测试系统,对三种商用荧光染料分子香豆素120、香豆素4以及罗丹明6G的非简并双光子吸收截面进行了测试,并对香豆素120和香豆素4的非简并双光子荧光特性进行了研究;通过非简并双光子吸收截面与相应的简并双光子吸收截面进行了对比,从实验上证明了双光子吸收的中间态共振增强效应的存在;最后在理论上基于一维谐振子模型对双光子吸收过程中的中间态共振增强效应进行了定性分析,并改进有效态模型,结合实验对三个荧光染料分子的双光子吸收进行了定量分析,实验和理论非常吻合,证明了我们改进有效态模型的正确性,进一步理论上证明了双光子吸收过程中的中间态共振增强效应。具体内容如下:1.双光子吸收效应的阐述及其应用。首先对双光子吸收过程进行了描述;然后对双光子吸收在光存储、光限幅、微纳加工、荧光显微成像等方面的应用进行了简单介绍;之后对非简并双光子吸收在红外探测,量子计数,光学取样,尤其是双色双光子荧光显微成像等方面的应用进行了详细介绍;最后确立课题研究的目的和意义。2.荧光染料的双光子吸收测试实验。搭建非简并双光子泵浦-探测测试系统,对三种商用荧光染料分子,香豆素120、香豆素4以及罗丹明6G的非简并双光子吸收进行了测试,并对香豆素120和香豆素4的荧光特性进行了研究;为了与简并双光子吸收进行对比,通过查阅文献得到罗丹明6G的简并双光子吸收截面,并搭建Z-扫描系统,对香豆素120、香豆素4对应的简并双光子吸收进行了测试;最后通过拟合实验数据进一步得到三种商用荧光染料分子的简并和非简并双光子吸收截面,为荧光染料分子应用于双色双光子荧光显微成像领域提供了基础研究;最后通过简并双光子吸收截面和非简并双光子吸收截面的对比,在实验上证明了双光子吸收的中间态共振增强效应的存在。3.有机分子双光子吸收理论研究。基于一维谐振子模型对双光子吸收过程中的中间态共振增强效应进行了定性分析;基于量子力学微扰理论(Quantum-Mechanical Perturbation Theory),从态求和模型(Sum-Over-States)导出有效态模型(Essential-State)的双光子吸收截面理论表达式;改进有效态模型计算方法,基于实验所发生的双光子吸收,仅保留偶极项(D-term)和对双光子吸收截面有贡献的双光子项(T-term),而忽略其他微小项;通过量子化学分析,并通过共享参数拟合实验数据,得到三个荧光染料分子的双光子吸收截面理论曲线,与实验吻合很好,之后对改进有效态模型中的偶极项和双光子项进行单独分析,进一步证明我们改进有效态模型的正确性和可行性。最后通过理论非简并与简并双光子吸收截面的对比,在理论上证明了双光子吸收的中间态共振增强效应;


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