多光子吸收包括双光子和更多光子吸收,由于双光子吸收发现较早且研究广泛,本论文主要以双光子吸收为例研究多光子吸收的作用特性。双光子吸收(TPA)是最基本的物质与脉冲相互作用机理之一,是一个非参量的非线性吸收过程,在该过程中,两个光子几乎同时被吸收,所吸收的光子能量等于跃迁能,材料分子由基态经一个虚能级跃迁至激发态瞬时性是主要特征,因此TPA过程与入射脉冲强度有关,在短脉冲(≤Sps)或高能脉冲下容易发生。由于光强依赖性,双光子吸收材料广泛用于3D微加工,光存储双光子荧光成像和光限幅。

双光子吸收过程最初由Maria Goppert-Mayer于1931年在其博士论文中做了理论描述,当能量分别为E1、E2的两个光子能量之和与材料分子的某一电子能级共振时,两个光子同时被材料分子吸收。致使入射脉冲强度减弱,材料分子跃迁至激发态，S1'能级与基态S0之间的跃迁能为E1 + E2。而后材料分子通过内转换或驰豫振荡从电子振动能级S1’迅速驰豫至S1能级(虚线箭头),最终材料分子通过辐射或无福射跃迁回到基态(点线箭头)。双光子吸?收可以分解为两个过程:首先,能量为E|的光子入射,材料分子吸收光子能量后跃迁至短暂的虚能级。该虚能级并非材料分子的本征态仅在极短的时间尺度(Tv)内存在,根据不确定性原理可以估算在可见光和近红外波段rv约为10-10 s若在tv时间内,另一个能量为E2的光子入射,则材料分子将光子吸收后跃迁至能级S1'。双光子吸收跃迁过程受宇称选择定则约束,根据入射光子能量,双光子吸收可分为非简并和简并两种情况。