Zweiphotonenabsorption

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Schematische Darstellung einer Zwei-Photonen-Absorption vom Zustand 0 in den Zustand 2 über das virtuelle Zwischenniveau 1

Als Zwei-Photonen-Absorption bezeichnet man die simultane Absorption zweier Photonen über einen virtuellen Zwischenzustand, dessen Lebensdauer etwa so lang ist wie die Dauer der Absorption eines Photons (d.h. in der Größenordnung 10 ^{− 15}s) liegt. In nebenstehender Abbildung findet die Absorption vom Zustand 0 nach 2 über das virtuelle Zwischenniveau 1 statt. Die Sekundärprozesse erfolgen unabhängig von der Art der Anregung.

Für die Resonanzbedingung gilt dann:

ΔE = hν_OPE = hν₁ + hν₂

OPE steht dabei für one photon excitation, wörtlich übersetzt "Einphotonenabsorption". Wichtige Anwendung finden sich z.B. in der dopplerfreien Sättigungsspektroskopie atomarer Systeme und in der Multiphotonenmikroskopie.

Hintergrund

Die Wechselwirkung zwischen elektromagnetischer Strahlung und Materie wird mithilfe des Dipolmomentes und damit der Polarisation beschrieben. Das elektromagnetische Feld der Welle wirkt sich auf elektrische Dipole im Material aus und erzeugt eine Polarisation. In den meisten Fällen hängt die Polarisation linear von der elektrischen Feldstärke ab.

P(r,t) = ε₀χ⁽¹⁾E(r,t)

In bestimmten Materialien gibt es jedoch nichtlineare Beiträge zur Polarisation, so dass die Polarisation als Reihe entwickelt werden kann.

P(r,t) = ε₀χ⁽¹⁾E(r,t) + ε₀χ⁽²⁾E(r,t)E(r,t) + ε₀χ⁽³⁾E(r,t)E(r,t)E(r,t) + ...

Die nichtlineare Polarisation kann in einen konstanten oszillierenden Anteil (Ladungsverschiebung durch asymmetrisches Potential) und in einen mit 2ν oszillierenden Anteil (erste Oberschwingung der Ladung bei 2ν) zerlegt werden:

$\chi^{(2)}=\chi_{DC}^{(2)}+\chi_{2\nu}^{(2)}$.

Der letztere Term beschreibt dabei die Möglichkeit, dass zwei Photonen simultan absorbiert werden können, um einen Zustandswechsel im Material zu verursachen. Die Zwei-Photonen-Absorption ist also als ein Mischprozess von zwei Feldern aufzufassen, man spricht auch von einem passiven χ⁽²⁾-Prozess.

Literatur

• MESCHEDE, Dieter: Optik, Licht und Laser. Wiesbaden: 2., überarb. und erw. Aufl. Aufl. Teubner, 2005. - 3519132486

Weblinks

Web-based calculator for the rate of 2-photon absorption