納米級(jí)的雙光子3D打印技術(shù)，背后竟有這么多故事(3)
時(shí)間：2019-02-18 11:58 來源：南極熊 作者：中國3D打印網(wǎng) 閱讀：次
雙光子吸收
正當(dāng)一籌莫展之時(shí)，一位德國女博士Maria Goeppert-Mayer也許是為了正常畢業(yè)，從純理論的角度推導(dǎo)出了她的博士論文：“在特定條件下，雙光子吸收是可能發(fā)生的！”
『發(fā)現(xiàn)雙光子吸收理論的Maria Goeppert-Mayer』
她的理論主要是講：正常情況下，電子一次只能吸收一個(gè)光子，要從基態(tài)(Ground state)跳到激發(fā)態(tài)(Excited state)。
就像是跳高一樣，他只能跳一次，力量大就跳出去了，力量小就跳不過去，因?yàn)槭澜缟蠜]有人會(huì)二段跳啊！
她繼續(xù)說，但是依據(jù)量子理論推導(dǎo)，如果光足夠強(qiáng)，強(qiáng)到閃瞎你的眼；時(shí)間足夠短，短到你根本看不見，就可以憑空產(chǎn)生一個(gè)虛擬態(tài)(Virtual state)，幫助他實(shí)現(xiàn)二段跳！
你要問，二段跳不合情理啊，反正眼都閃瞎了時(shí)間也短，看不見就裝不知道吧。
『二段跳的雙光子吸收』
所謂的“特定條件”需要多強(qiáng)的光呢？強(qiáng)到在當(dāng)時(shí)的理論框架下，人類根本實(shí)現(xiàn)不了！
如果我是在場(chǎng)的答辯博導(dǎo)，我肯定會(huì)問一個(gè)問題：“So，您的博士論文就是發(fā)現(xiàn)了一個(gè)無法驗(yàn)證的現(xiàn)象？”
好在我并不在場(chǎng)，當(dāng)時(shí)的真正博導(dǎo)們水平也不錯(cuò)，檢查了一下推導(dǎo)沒問題，也就授予她博士學(xué)位了。
直到1961年，在Maria Goeppert-Mayer從青春少女行將暮年的時(shí)候，在人類開始應(yīng)用激光的時(shí)候，她的理論才被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
『暮年Maria Goeppert-Mayer』
物理就是這么殘酷，人的生命在她面前微不足道。
但物理又是那么溫暖，她讓Maria Goeppert-Mayer從蕓蕓眾生中脫穎而出，給平凡的一生賦予了不平凡的意義！
用雙光子吸收來“掏洞”
雙光子吸收有什么意義呢？它的意義就在于，可以突破朗伯一比爾定律(Lambert-Beer law)的束縛，將吸收效應(yīng)從負(fù)指數(shù)規(guī)律削弱為倒數(shù)規(guī)律：
公式不直觀，定性地做個(gè)圖看看，可以發(fā)現(xiàn)：倒數(shù)規(guī)律的吸收效應(yīng)比負(fù)指數(shù)要小很多(紅色線)，根本不是聚焦效應(yīng)的對(duì)手(藍(lán)色線)。
所以二者疊加的最終結(jié)果是：光強(qiáng)先下降，然后迅速上升，很快聚焦效應(yīng)就主宰了吸收效應(yīng)。
『雙光子吸收 注意：與單光子吸收的橫坐標(biāo)軸標(biāo)度不同』
如此一來，就可以利用雙光子吸收效應(yīng)來“掏洞”了！直到2001年，文首提到的Kawata教授以及孫洪波教授的納米牛，才將夢(mèng)想變成了現(xiàn)實(shí)。此時(shí)，貢獻(xiàn)理論的赫茲、愛因斯坦、Maria Goeppert-Mayer早已過世了！
讓我們?cè)倏|一下時(shí)間線，這是一段工程、實(shí)驗(yàn)與理論交織推動(dòng)的歷史：
· 1729年，朗伯一比爾定律。
· 1887年，赫茲發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)。
· 1905年，愛因斯坦從量子的觀點(diǎn)，正確解釋光電效應(yīng)。
· 1921年，愛因斯坦獲諾貝爾獎(jiǎng)，他的貢獻(xiàn)推動(dòng)了量子理論的成熟。依據(jù)量子理論，單光子吸收必須遵循朗伯一比爾定律。
· 1931年，Maria Goeppert-Mayer純從量子理論推導(dǎo)出“雙光子吸收”的可能性。
· 1961年，在激光應(yīng)用之后，雙光子吸收理論得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。此后，非線性光學(xué)與量子光學(xué)蓬勃發(fā)展。
· 2001年，Kawata教授以及孫洪波教授利用雙光子吸收效應(yīng)，成功實(shí)現(xiàn)了“雙光子3D打印”，也是唯一一種“掏洞型”3D打印。
雙光子3D打印技術(shù)的現(xiàn)狀
例如，用雙光子3D打印技術(shù)制作的超微透鏡，直徑只有100微米左右。這也是Nature上的一篇論文(Nature上的東西都好有意思啊！)
『圖片來源：文獻(xiàn)[4]』
這種鏡片，是別的技術(shù)完全做不了的。我本人也做過SLA打印的鏡片，透鏡效果還不錯(cuò)，但直徑最小也得6毫米，也就是6000微米，比雙光子打印精度低了60倍！
『?jiǎn)喂庾游盏腟LA打印，直徑6000微米』
除了這種實(shí)用價(jià)值比較強(qiáng)的，也有比較好玩的，比如下面有人打印了一個(gè)最小的泰姬陵：
這個(gè)領(lǐng)域領(lǐng)先的都是發(fā)達(dá)國家。國內(nèi)也有一家新銳的3D打印公司，做得也不錯(cuò)。為了避免廣告嫌疑，就不說名字了。
總結(jié)
本人雖從事3D打印行業(yè)，但是學(xué)機(jī)電工程出身，所以對(duì)于非線性光學(xué)、量子光學(xué)、光聚合反應(yīng)等領(lǐng)域缺乏基礎(chǔ)知識(shí)。因此文中知識(shí)大部分是自學(xué)，可能有科學(xué)上的錯(cuò)誤，若您發(fā)現(xiàn)，不吝賜教，感激不盡！
最后，成文過程中受 @看風(fēng)景的蝸牛君 指教頗多，表示特別的感謝！
(責(zé)任編輯：admin)
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