![[蛍光]光子吸収とは何か？](https://i0.wp.com/entropy.jp/wp-content/uploads/2024/07/エントロピー-93-3.jpg?fit=640%2C400&ssl=1)
はじめに
2光子吸収は、量子物理学や光学において重要な現象であり、通常の単光子吸収とは異なる非線形光学効果の一つである。この現象は、強力なレーザー光源を用いることで観測され、物理学や化学、生物学におけるさまざまな応用が期待されている。
この記事では、2光子吸収の基本的な原理、関連するエネルギー遷移、そして応用の可能性について詳しく解説する。
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2光子吸収の基本原理
単光子吸収との違い
単光子吸収では、分子が1つの光子を吸収することで、基底状態（S0）から励起状態（S1）へ遷移する。これに対して、2光子吸収では、同じ分子が2つの光子を同時に吸収して仮想準位を経由し、励起状態に達する。この現象は、光子のエネルギーが個別には十分ではない場合にも発生するが、2つの光子が合わせて必要なエネルギーを提供する点が特徴的である。
仮想準位と非線形性
2光子吸収では、分子は実際には存在しない仮想準位を経由する。この仮想準位は、光子が同時に吸収される場合にのみ観測される特異な状態である。この過程は、光の強度に依存する非線形性を示し、通常の線形吸収に比べて非常に低い確率で発生する。
2光子吸収のエネルギー遷移
エネルギーの効率的利用
2光子吸収では、1光子あたりのエネルギーが低下するため、長波長の光を利用できる。図4.19では、基底状態（S0S_0S0）から仮想準位、さらに励起状態（S1S_1S1やSnS_nSn）へのエネルギー遷移が示されている。この際、遷移後に蛍光を放出する場合が多い。
遷移の詳細
2光子吸収により励起された状態からは、通常の単光子吸収では得られない情報を取得可能である。例えば、蛍光顕微鏡では、近赤外領域の光を用いることで、組織内部の深部まで励起が可能となる。
2光子吸収の応用
高密度光学メモリ
2光子吸収は、空間的に狭い領域の分子を励起できる特性がある。このため、高密度光学メモリの作成に役立つ可能性がある。例えば、三次元構造を持つ記録媒体では、光の焦点部分のみを選択的に励起できる。
三次元顕微鏡と蛍光顕微鏡
蛍光顕微鏡において2光子吸収を用いることで、組織内部の観察が容易になる。特に、近赤外光を利用することで光の散乱を抑え、細胞や組織を高解像度で観察できる。
微細加工技術
2光子吸収を利用したレーザー微細加工は、高精度な加工が可能であり、ナノスケールのデバイス作成に応用されている。
2光子吸収を効率的に起こす条件
吸収係数の増加
2光子吸収を効率的に起こすためには、分子の2光子吸収係数を大きくする必要がある。これには、適切な分子設計が重要であり、π共役系を持つ分子や特定の分子対称性を持つ化合物が注目されている。
レーザー光の特性
高強度のレーザー光が必要である。特に、パルスレーザーを用いることで、光子の吸収確率を高めることが可能である。
練習問題
問題1: 仮想準位について
2光子吸収における仮想準位の役割を説明せよ。
解答
仮想準位は、分子が同時に2光子を吸収する際に通過する状態である。実際には存在しないが、エネルギーが一致した場合に非線形吸収過程で発生する。
問題2: 応用例の選択
次の中から、2光子吸収の応用例として正しいものを選べ。
- 単光子吸収型蛍光顕微鏡
- 高密度光学メモリ
- 赤外線加熱
解答
正解: 2. 高密度光学メモリ
2光子吸収は空間的に狭い領域での選択的励起が可能であり、高密度光学メモリに利用される。
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