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Zwei Photonen Absorption Als bezeichnet man die simultane Absorption zweier Photonen durch ein Molekül oder ein Atom das

Zwei-Photonen-Absorption

Als Zwei-Photonen-Absorption bezeichnet man die simultane Absorption zweier Photonen durch ein Molekül oder ein Atom, das dabei in einen energetisch angeregten Zustand übergeht. Die Energie eines dieser Photonen allein reicht dabei nicht aus, um die Energiedifferenz zwischen Grundzustand (Zustand 0 in nebenstehender Abbildung) und angeregtem Zustand (Zustand 2 in nebenstehender Abb.) zu überbrücken.

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

Beschreibung Bearbeiten

Es gibt zwischen Zustand 0 und Zustand 2 kein erlaubtes Energieniveau, daher müssen die Photonen quasi gleichzeitig absorbiert werden, d. h. innerhalb eines Zeitintervalls der Größenordnung 0,1 Femtosekunden = 10−16 s, welches sich aus der Energie-Zeit-Unschärferelation ergibt. Zur Beschreibung dieses Prozesses bedient man sich eines virtuellen Zwischenniveaus, dessen Lebensdauer etwa der Dauer des Absorptionsprozesses entspricht. In nebenstehender Abbildung findet die Absorption vom Zustand 0 nach 2 über das virtuelle Zwischenniveau 1 statt. Eine solche Abbildung nennt man auch Jablonski-Diagramm. Die Sekundärprozesse aus dem angeregten Zustand 2, wie z. B. Fluoreszenz (dargestellt mit einem gestrichelten Pfeil nach unten), erfolgen unabhängig von der Art der Anregung.

Damit eine Zwei-Photonen-Absorption stattfinden kann, muss die Summe der Energien der absorbierten Photonen der Energiedifferenz zwischen den Molekülzuständen entsprechen:

Dabei sind die Schwingungsfrequenzen der beiden Photonen und ist das Plancksche Wirkungsquantum. Gegebenenfalls müssen weitere Auswahlregeln (z. B. zum Drehimpuls) erfüllt sein.

Ein Vorteil der Zwei-Photonen-Spektroskopie ist die Möglichkeit, die Verbreiterung der Spektrallinien durch den Dopplereffekt zu vermeiden. Werden die Atome oder Moleküle mit zwei gegenläufigen Laserstrahlen beleuchtet, so ist die Zweiphotonen-Resonanzbedingung unabhängig von der Geschwindigkeit der Teilchen, denn die Dopplerverschiebung der beiden Strahlen heben einander auf:

Daher ist Zwei-Photonen-Spektroskopie in erster Ordnung frei von Doppler-Verbreiterung und trotzdem nehmen alle Teilchen am Absorptionsprozess teil, im Gegensatz zur Sättigungsspektroskopie.

Der Prozess der Zwei-Photonen-Absorption wurde erstmals 1931 von Maria Goeppert-Mayer in ihrer Dissertation theoretisch beschrieben. Da ein solcher Prozess aber sehr unwahrscheinlich ist, und man daher eine sehr hohe zeitliche und räumliche Photonendichte für ein solches Ereignis braucht, konnte die Zwei-Photonen-Absorption erst kurz nach Erfindung des Lasers experimentell durch Wolfgang Kaiser und C. G. B. Garrett nachgewiesen werden (1961). Einen Eindruck von der Wahrscheinlichkeit so eines Ereignisses wird in gegeben: Bei strahlendem Sonnenschein absorbiert ein Molekül eines guten Ein- oder Zwei-Photonen-Absorbers etwa ein Photon pro Sekunde über ein Ein-Photonen-Ereignis. Eine Zwei-Photonen-Absorption findet bei gleichen Bedingungen nur alle 10 Millionen Jahre statt. Die Wahrscheinlichkeit einer Zwei-Photonen-Absorption wird durch den Zwei-Photonen-Wirkungsquerschnitt beschrieben. Er wird in der Einheit Goeppert-Mayer (GM) angegeben.

Anwendungen Bearbeiten

Anwendungen der Zwei-Photonen-Absorption (z. B. die Multiphotonenmikroskopie) beruhen vor allem auf ihrer quadratischen Abhängigkeit von der Intensität des Lichts (im Gegensatz zur linearen Abhängigkeit bei der Ein-Photonen-Absorption) sowie der Möglichkeit, langwelligeres (und damit energieärmeres) Licht zu verwenden. Zwei-Photonen-Absorber finden auch Anwendung in der 3D-Lithographie, bei 3D-optischen Datenspeichern sowie in Markern und Sonden in der Biologie. Dank der Nichtlinearität kann hier jeweils erreicht werden, dass nur in einer gewünschten Tiefe im Material eine nennenswerte Absorption eintritt. Eine weitere wichtige Anwendung liegt in der dopplerfreien Sättigungsspektroskopie atomarer Systeme. Das Design von sogenannten Zweiphotonen-Farbstoffen (Stoffen mit hoher Zwei-Photonen-Absorption) ist ein aktives Forschungsgebiet. Materialien von mehreren zehntausend GM (statt der üblichen <10 GM) wurden bereits hergestellt.

Weiterhin wurden sogenannte 3D-Drucker mit Zwei-Photonen-Polymerisationstechnik entwickelt. Diese zeichnen sich durch eine sehr hohe Auflösung von weniger als 1 Mikrometer aus.

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. Doppler-freie Zwei-Photonen-Spektroskopie. In: Lexikon der Physik. Spektrum, Heidelberg 1998 (spektrum.de).
  2. Maria Goeppert-Mayer: Über Elementarakte mit zwei Quantensprüngen. In: Annalen der Physik. 9. Jahrgang, 1931, S. 273–294.
  3. Kaiser, W. und Garrett, C.G.B.: Two-photon excitation in CaF2:Eu2+. In: Physical Review Letters Bd. 7(6). S. 229, doi:10.1103/PhysRevLett.7.229.
  4. Denk, W. und Svoboda, K.: Photon upmanship: why multiphoton imaging is more than a gimmick. Neuron, Bd. 18, S. 351–357
  5. ↑ M. Pawlicki et al.: Zweiphotonenabsorption und das Design von Zweiphotonenfarbstoffen. In: Angewandte Chemie. 121. Jahrgang, Nr. 18, 2009, S. 3292–3316, doi:10.1002/ange.200805257.
  6. 2-Photonen-Polymerisation. Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik. Abgerufen am 21. November 2017.
  7. Karin Zühlke: 3D-Drucker für die Mikrofabrikation. Mikro-Objektivlinsen auf CMOS-Chips. elektroniknet.de. 24. März 2017, abgerufen am 21. November 2017.

Literatur Bearbeiten

  • Meschede, Dieter: Optik, Licht und Laser. Wiesbaden: 2., überarb. und erw. Aufl. Teubner, 2005. ISBN 3519132486
  • Demtröder, Wolfgang: Laserspektroskopie 2. Berlin/Heidelberg: 6., neu bearb. und aktualis. Aufl. Springer, 2013. ISBN 978-3-642-21446-2
  • Riehle, Fritz: Frequency standards: basics and applications, Wiley, 2006, ISBN 978-3-527-60595-8

Weblinks Bearbeiten

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Als Zwei Photonen Absorption bezeichnet man die simultane Absorption zweier Photonen durch ein Molekul oder ein Atom das dabei in einen energetisch angeregten Zustand ubergeht Die Energie eines dieser Photonen allein reicht dabei nicht aus um die Energiedifferenz zwischen Grundzustand Zustand 0 in nebenstehender Abbildung und angeregtem Zustand Zustand 2 in nebenstehender Abb zu uberbrucken Schematische Darstellung einer Zwei Photonen Absorption vom Zustand 0 in den Zustand 2 uber das virtuelle Zwischenniveau 1 Inhaltsverzeichnis 1 Beschreibung 2 Anwendungen 3 Einzelnachweise 4 Literatur 5 WeblinksBeschreibung BearbeitenEs gibt zwischen Zustand 0 und Zustand 2 kein erlaubtes Energieniveau daher mussen die Photonen quasi gleichzeitig absorbiert werden d h innerhalb eines Zeitintervalls der Grossenordnung 0 1 Femtosekunden 10 16 s welches sich aus der Energie Zeit Unscharferelation ergibt Zur Beschreibung dieses Prozesses bedient man sich eines virtuellen Zwischenniveaus dessen Lebensdauer etwa der Dauer des Absorptionsprozesses entspricht In nebenstehender Abbildung findet die Absorption vom Zustand 0 nach 2 uber das virtuelle Zwischenniveau 1 statt Eine solche Abbildung nennt man auch Jablonski Diagramm Die Sekundarprozesse aus dem angeregten Zustand 2 wie z B Fluoreszenz dargestellt mit einem gestrichelten Pfeil nach unten erfolgen unabhangig von der Art der Anregung Damit eine Zwei Photonen Absorption stattfinden kann muss die Summe der Energien der absorbierten Photonen der Energiedifferenz D E displaystyle Delta E nbsp zwischen den Molekulzustanden entsprechen D E E 1 E 2 h n 1 h n 2 displaystyle Delta E E 1 E 2 h nu 1 h nu 2 nbsp Dabei sind n i displaystyle nu i nbsp die Schwingungsfrequenzen der beiden Photonen und h displaystyle h nbsp ist das Plancksche Wirkungsquantum Gegebenenfalls mussen weitere Auswahlregeln z B zum Drehimpuls erfullt sein Ein Vorteil der Zwei Photonen Spektroskopie ist die Moglichkeit die Verbreiterung der Spektrallinien durch 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Lasers experimentell durch Wolfgang Kaiser und C G B Garrett nachgewiesen werden 1961 3 Einen Eindruck von der Wahrscheinlichkeit so eines Ereignisses wird in 4 gegeben Bei strahlendem Sonnenschein absorbiert ein Molekul eines guten Ein oder Zwei Photonen Absorbers etwa ein Photon pro Sekunde uber ein Ein Photonen Ereignis Eine Zwei Photonen Absorption findet bei gleichen Bedingungen nur alle 10 Millionen Jahre statt Die Wahrscheinlichkeit einer Zwei Photonen Absorption wird durch den Zwei Photonen Wirkungsquerschnitt s 2 P displaystyle sigma 2P nbsp beschrieben Er wird in der Einheit Goeppert Mayer GM angegeben 1 G M 10 50 c m 4 s Photon Molekul displaystyle 1 mathrm GM 10 50 mathrm cm 4 s text Photon Molekul nbsp Anwendungen BearbeitenAnwendungen der Zwei Photonen Absorption z B die Multiphotonenmikroskopie beruhen vor allem auf ihrer quadratischen Abhangigkeit von der Intensitat des Lichts im Gegensatz zur linearen Abhangigkeit bei der Ein Photonen Absorption sowie der Moglichkeit langwelligeres und damit energiearmeres Licht zu verwenden Zwei Photonen Absorber finden auch Anwendung in der 3D Lithographie bei 3D optischen Datenspeichern sowie in Markern und Sonden in der Biologie 5 Dank der Nichtlinearitat kann hier jeweils erreicht werden dass nur in einer gewunschten Tiefe im Material eine nennenswerte Absorption eintritt Eine weitere wichtige Anwendung liegt in der dopplerfreien Sattigungsspektroskopie atomarer Systeme Das Design von sogenannten Zweiphotonen Farbstoffen Stoffen mit hoher Zwei Photonen Absorption ist ein aktives Forschungsgebiet Materialien von mehreren zehntausend GM statt der ublichen lt 10 GM wurden bereits hergestellt 5 Weiterhin wurden sogenannte 3D Drucker mit Zwei Photonen Polymerisationstechnik entwickelt Diese zeichnen sich durch eine sehr hohe Auflosung von weniger als 1 Mikrometer aus 6 7 Einzelnachweise Bearbeiten Doppler freie Zwei Photonen Spektroskopie In Lexikon der Physik Spektrum Heidelberg 1998 spektrum de Maria Goeppert Mayer Uber Elementarakte mit zwei Quantensprungen In Annalen der Physik 9 Jahrgang 1931 S 273 294 Kaiser W und Garrett C G B Two photon excitation in CaF2 Eu2 In Physical Review Letters Bd 7 6 S 229 doi 10 1103 PhysRevLett 7 229 Denk W und Svoboda K Photon upmanship why multiphoton imaging is more than a gimmick Neuron Bd 18 S 351 357 a b M Pawlicki et al Zweiphotonenabsorption und das Design von Zweiphotonenfarbstoffen In Angewandte Chemie 121 Jahrgang Nr 18 2009 S 3292 3316 doi 10 1002 ange 200805257 2 Photonen Polymerisation Institut fur Bioprozess und Analysenmesstechnik Abgerufen am 21 November 2017 Karin Zuhlke 3D Drucker fur die Mikrofabrikation Mikro Objektivlinsen auf CMOS Chips elektroniknet de 24 Marz 2017 abgerufen am 21 November 2017 Literatur BearbeitenMeschede Dieter Optik Licht und Laser Wiesbaden 2 uberarb und erw Aufl Teubner 2005 ISBN 3519132486 Demtroder Wolfgang Laserspektroskopie 2 Berlin Heidelberg 6 neu bearb und aktualis Aufl Springer 2013 ISBN 978 3 642 21446 2 Riehle Fritz Frequency standards basics and applications Wiley 2006 ISBN 978 3 527 60595 8Weblinks BearbeitenWeb based calculator for the rate of 2 photon absorption Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Zwei Photonen Absorption amp oldid 224100440