纳米级的双光子3D打印技术，背后竟有这么多故事(3)
时间：2019-02-18 11:58 来源：南极熊 作者：中国3D打印网 阅读：次
双光子吸收
正当一筹莫展之时，一位德国女博士Maria Goeppert-Mayer也许是为了正常毕业，从纯理论的角度推导出了她的博士论文：“在特定条件下，双光子吸收是可能发生的！”
『发现双光子吸收理论的Maria Goeppert-Mayer』
她的理论主要是讲：正常情况下，电子一次只能吸收一个光子，要从基态(Ground state)跳到激发态(Excited state)。
就像是跳高一样，他只能跳一次，力量大就跳出去了，力量小就跳不过去，因为世界上没有人会二段跳啊！
她继续说，但是依据量子理论推导，如果光足够强，强到闪瞎你的眼；时间足够短，短到你根本看不见，就可以凭空产生一个虚拟态(Virtual state)，帮助他实现二段跳！
你要问，二段跳不合情理啊，反正眼都闪瞎了时间也短，看不见就装不知道吧。
『二段跳的双光子吸收』
所谓的“特定条件”需要多强的光呢？强到在当时的理论框架下，人类根本实现不了！
如果我是在场的答辩博导，我肯定会问一个问题：“So，您的博士论文就是发现了一个无法验证的现象？”
好在我并不在场，当时的真正博导们水平也不错，检查了一下推导没问题，也就授予她博士学位了。
直到1961年，在Maria Goeppert-Mayer从青春少女行将暮年的时候，在人类开始应用激光的时候，她的理论才被实验验证。
『暮年Maria Goeppert-Mayer』
物理就是这么残酷，人的生命在她面前微不足道。
但物理又是那么温暖，她让Maria Goeppert-Mayer从芸芸众生中脱颖而出，给平凡的一生赋予了不平凡的意义！
用双光子吸收来“掏洞”
双光子吸收有什么意义呢？它的意义就在于，可以突破朗伯一比尔定律(Lambert-Beer law)的束缚，将吸收效应从负指数规律削弱为倒数规律：
公式不直观，定性地做个图看看，可以发现：倒数规律的吸收效应比负指数要小很多(红色线)，根本不是聚焦效应的对手(蓝色线)。
所以二者叠加的最终结果是：光强先下降，然后迅速上升，很快聚焦效应就主宰了吸收效应。
『双光子吸收 注意：与单光子吸收的横坐标轴标度不同』
如此一来，就可以利用双光子吸收效应来“掏洞”了！直到2001年，文首提到的Kawata教授以及孙洪波教授的纳米牛，才将梦想变成了现实。此时，贡献理论的赫兹、爱因斯坦、Maria Goeppert-Mayer早已过世了！
让我们再缕一下时间线，这是一段工程、实验与理论交织推动的历史：
· 1729年，朗伯一比尔定律。
· 1887年，赫兹发现光电效应。
· 1905年，爱因斯坦从量子的观点，正确解释光电效应。
· 1921年，爱因斯坦获诺贝尔奖，他的贡献推动了量子理论的成熟。依据量子理论，单光子吸收必须遵循朗伯一比尔定律。
· 1931年，Maria Goeppert-Mayer纯从量子理论推导出“双光子吸收”的可能性。
· 1961年，在激光应用之后，双光子吸收理论得到实验验证。此后，非线性光学与量子光学蓬勃发展。
· 2001年，Kawata教授以及孙洪波教授利用双光子吸收效应，成功实现了“双光子3D打印”，也是唯一一种“掏洞型”3D打印。
双光子3D打印技术的现状
例如，用双光子3D打印技术制作的超微透镜，直径只有100微米左右。这也是Nature上的一篇论文(Nature上的东西都好有意思啊！)
『图片来源：文献[4]』
这种镜片，是别的技术完全做不了的。我本人也做过SLA打印的镜片，透镜效果还不错，但直径最小也得6毫米，也就是6000微米，比双光子打印精度低了60倍！
『单光子吸收的SLA打印，直径6000微米』
除了这种实用价值比较强的，也有比较好玩的，比如下面有人打印了一个最小的泰姬陵：
这个领域领先的都是发达国家。国内也有一家新锐的3D打印公司，做得也不错。为了避免广告嫌疑，就不说名字了。
总结
本人虽从事3D打印行业，但是学机电工程出身，所以对于非线性光学、量子光学、光聚合反应等领域缺乏基础知识。因此文中知识大部分是自学，可能有科学上的错误，若您发现，不吝赐教，感激不尽！
最后，成文过程中受 @看风景的蜗牛君 指教颇多，表示特别的感谢！
(责任编辑：admin)
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