Two-photon absorption studies in organic compounds and polymers

Abstract

High two-photon absorption (2PA) cross-section materials have been frequently studied during the latest years due to the wide variety of technological applications, such as two-photon absorption microscopy (2PM) and microfabrication. The characterization of new materials with high nonlinearities is, therefore, indispensable to develop new applications and improve previously existing ones. Here, three different groups of novel organic compounds had their nonlinearities characterized through two-photon absorption measurements: fluorenone based compounds, which are usually used in two-photon absorption microscopy; BF2-naphthyridine (BODIPY) complexes, which have a wide range of applications, from solar cells to photodynamic therapy; and binaphthalene-based polymers, with structures built to generate large nonlinearities through inherent chirality. All compounds had their twophoton absorption spectra studied through absorptive Z-Scan, with density functional theory (DFT) calculations made to interpret the results for the first two groups of compounds, and polarization controlled measurements made for the polymers. The highest 2PA cross-section presented by the fluorenone-based compounds was of 224 GM at 710 nm, large and within the wavelength range for 2PM applications; for the BODIPYs, the largest observed cross-section was of 268 GM at 990 nm, of the same order of magnitude of more complex compounds; and 680 GM at 1100 nm for the polymer, showing a high cross-section as expected from its structure. The desired applications for the studied molecules were shown valid, and their characterization gave a better understanding of how to increase their nonlinearities depending on the compound manufacture.

Caracterização das propriedades ópticas em derivados de Imidazo[4,5-b]piridina de estrutura dipolar

“…De maneira geral, lembre-se que o coeficiente de absorção pode ser expandido em termos da ordem n que representa os diversos fenômenos de absorção não-linear (𝛼 = 𝛼 0 + 𝛽𝐼 + 𝛼 3 𝐼 2 + ⋯ + 𝛼 𝑛 𝐼 𝑛−1 ). 20,54 Porém, tendo em vista que nosso interesse se encontra unicamente na descrição do fenômeno de absorção de dois fótons, a expressão (3.5.9) só faz referência a esse fenômeno em particular.…”

“…Nessa ordem de ideias, a solução de (3.5.9) pode ser obtida por meio da integral: , é um parâmetro não linear introduzido para facilitar a manipulação de (3.5.14). 51,54 Na sequência, a transmitância pode ser calculada como a integral temporal da potência em função da posição, que como foi mencionado tem que ser normalizada em função dos valores de campo distante para eliminar fenômenos lineares. Com isso, é possível obter a expressão: um comprimento de onda central de 775 nm, que gera pulsos com uma duração de 150 fs em uma taxa de repetição de 1 kHz.…”

“…31,54 Uma das principais vantagens deste tipo de compostos se encontra na facilidade de síntese, o que torna possível manipular e alterar a sua estrutura eletrônica, sendo possível agregar grupos funcionais de distintas naturezas, que deformam a nuvem eletrônica do material aumentando a polarizabilidade (momento dipolar induzido) e, consequentemente, a não linearidade do mesmo. Na primeira parte deste capítulo, são introduzidos os principais processos e fenômenos que aumentam a não linearidade dos compostos orgânicos, como uma justificativa para a escolha dos materiais estudados neste trabalho.…”