Absorption à deux photons

Schéma d'énergie du processus d'absorption à 2 photons

L'absorption à deux photons (ADP) est l'absorption simultanée de deux photons de fréquences identiques ou différentes dans le but d'exciter une molécule dans un état donné (habituellement, l'état fondamental) à un état électronique de plus haute énergie. La différence d'énergie entre ces deux états est égale à la somme des énergies des deux photons. L'absorption à deux photons est un processus de second ordre, de plusieurs degrés de magnitude plus faible que l'absorption linéaire. Elle diffère de l'absorption linéaire parce qu'elle est proportionnelle au carré de l'intensité de la lumière, ce qui en fait un processus d'optique non linéaire^[1].

L'absorption à deux photons peut produire de la fluorescence excitée à deux photons.

Histoire

Ce phénomène est prévu par les travaux de Maria Goeppert-Mayer en 1931, dans sa thèse doctorale^[2]. Trente ans plus tard, l'invention des lasers permet la première vérification expérimentale de l'ADP lorsque la fluorescence excitée à deux photons est détectée dans un cristal dopé à l'europium^[3] et subséquemment observée dans une vapeur de césium^[4].

Schéma des niveaux d'énergie de la fluorescence excitée à 2 photons

Description

Applications

De nombreuses applications ont été développées à partir du principe de l'ADP, telles que la limitation optique, le stockage optique 3-D de l'information, l'imagerie médicale, la microfabrication et la photochimiothérapie.

Image des vaisseaux d'un cerveau de souris obtenue à l'aide du colorant Lem-PHEA, une application de l'ADP en imagerie médicale

Mesures

Taux d'absorption

La loi de Beer-Lambert pour l'absorption à un photon :

${\displaystyle I(x)=I_{0}e^{-\alpha \,c\,x}\,}$

devient :

${\displaystyle I(x)={\frac {I_{0}}{1+\beta cxI_{0}}}\,}$

pour l'ADP avec l'intensité de la lumière comme fonction de la longueur du chemin x, de la concentration c et de l'intensité lumineuse initiale I₀. Le coefficient d'absorption α devient le coefficient ADP β.

Émission à deux photons

Voir aussi

• Particule virtuelle dans un état où l'amplitude de probabilité n'est pas conservée
• Microscopie par excitation à deux photons

Références

1. (en) Nikolai V. Tkachenko, Optical Spectroscopy: Methods and Instrumentations, Elsevier, 2006 (ISBN 978-0-08-046172-4, DOI 10.1016/B978-044452126-2/50043-5), « Appendix C. Two photon absorption », p. 293
2. Goeppert-Mayer M, « Über Elementarakte mit zwei Quantensprüngen », Ann Phys, vol. 9, n^o 3,‎ 1931, p. 273–95 (DOI 10.1002/andp.19314010303, Bibcode 1931AnP...401..273G)
3. W. Kaiser and C.G.B. Garrett, "Two-photon excitation in CaF₂:Eu²⁺," Physical Review Letters 7, 229–232 (1961)
4. I.D. Abella, "Optical double-quantum absorption in cesium vapor," Physical Review Letters, 9, 453 (1962)

Lien externe

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

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