多光子泵浦频率上转换激光是非线性光学的重要研究内容，近年来受到了广泛关注。多光子吸收因其吸收长波发射短波，强度与入射光强的平方（双光子吸收）或三次方（三光子吸收）成正比，在以光子泵浦生物显微成像、多光子三维存储等应用为代表的生物光子学、光电子学、光流学、能量采集等领域展示出良好的应用前景^[1-4]。溶液体系是多光子泵浦激光研究中最为常见的体系，为实现有效的增益放大，通常会把具有较大多光子吸收截面的激光染料分子高浓度地溶解在其良溶剂中^[5]，例如，早在2002年，P. N. Prasad等就利用吡啶盐染料分子的二甲基亚砜溶液首次实现三光子泵浦激射^[6]，随之，大量的多光子泵浦激射研究被广泛地开展开来^[7-10]。

提高激光染料的浓度通常可以降低激光的泵浦阈值，但当激光染料的浓度高于猝灭浓度时，染料分子的聚集等引起的荧光猝灭将会降低染料分子的发光效率，这个问题普遍存在于高浓度的荧光材料当中^[11-12]。此外，大部分的有机染料易溶于有机溶剂中，而难溶于水，这很不利于其在生物光子学方面的实际应用。在本文中，将超分子策略^[13]与多光子泵浦激射相结合，利用HP-β-CD的疏水性空腔与亲水性外腔^[14-15]，在水溶液中将具有较大的多光子吸收截面的有机非线性光学材料^[13]DAST分子（客体）包覆于HP-β-CD（主体）的空腔中^{[13, 16]}，进一步隔开染料分子，形成DAST@HP-β-CD超分子水溶液。探究了该溶液体系的吸收光谱与荧光光谱，搭建了多光子泵浦激射光谱测试系统，验证了多光子泵浦激射信号强度与激光泵浦功率的关系。

本实验所用的化学试剂为DAST粉末（Daiichi Pure Chemicals Limited Company）、HP-β-CD（伊诺凯，98%）与蒸馏水（屈臣氏）。所有化学试剂均没有进一步提纯而是直接使用的。超分子复合物溶液的制备如下：首先，称量0.041g DAST(0.1 mmol)溶于10 mL蒸馏水，在加热台上90 ℃加热搅拌2小时至澄清，DAST水溶液的浓度为1×10⁻⁵mol/mL；其次，向7个分别含有9 mL水的试剂瓶中，分别滴加1 mL DAST水溶液，按照DAST与HP-β-CD摩尔比分别为1∶0、1∶2、1∶4、1∶6、1∶8、1∶10、1∶12称量HP-β-CD，加入至对应的试剂瓶，90 ℃加热搅拌过夜，由此形成超分子复合物溶液，该超分子复合物溶液用于荧光光谱测量，将其稀释10倍用于紫外可见吸收光谱测量；称量0.1231 g DAST（0.3 mmol）与2.7747 g HP-β-CD (1.8 mmol)，加入10 mL蒸馏水，90 ℃加热搅拌过夜，该溶液用于多光子泵浦激射测试。DAST与HP-β-CD的分子结构式如图1所示。

图 1

Figure 1

图 1 DAST与HP-β-CD的分子结构示意图 Figure 1 Schematic diagram of the molecular structures of DAST and HP-β-CD

在双光子泵浦激射实验中，我们选用的泵浦源是五倍频YAG纳秒激光器（Vigour-B-100）,其波长为1064 nm，脉冲宽度为7.89 ns，重复频率为100 Hz。在三光子泵浦激射实验中，我们泵浦源来自于钛蓝宝石飞秒脉冲激光器（Spectra-physics Maitai，HE-TOPAS, Light Conversion, Inc.）。激光器产生的种子激光经过光学参量放大器（OPA），产生中心波长为1570 nm的激光，重复频率为1 kHz，脉冲宽度为40-60 fs。在泵浦过程中，激光经过长波通滤波片，滤除种子激光在OPA中，经过差频与混频延伸到可见光波段的杂光。激光透过滤波片后，经过焦距为5 cm的透镜，聚焦在充满DAST@HP-β-CD超分子水溶液的石英比色皿中心, 石英比色皿的光程为1 cm。激光透过样品后由物镜收集信号，短波通滤波片滤除泵浦源信号，经透镜聚焦，最后由光栅光谱仪收集光谱，成像CCD显示光斑。测试光路示意图如图2所示。

图 2

Figure 2

图 2 多光子泵浦激射测试系统 Figure 2 Optical setup for multiphoton excited lasing experiment

通过荧光光谱仪与紫外分光光度计测得了DAST@β-CD水溶液的荧光光谱与吸收光谱。首先从吸收光谱分析，如图3（a）所示，随着HP-β-CD浓度的升高，吸收光谱呈轻微红移^[16-18]（2~4 nm）。在未加入HP-β-CD时，DAST水溶液的吸收光谱峰值为448.5 nm。在加入HP-β-CD之后，随着浓度的增加，吸收光谱峰值逐渐红移至451.5 nm。吸收光谱红移是由DAST分子被HP-β-CD分子包覆所引起的。在溶液体系中存在DAST分子的两种异构体，少部分的顺式异构体（Cis-式）与大部分的反式异构体（Trans-式），如图3（c）所示。DAST分子的反式异构体，其苯乙烯基与吡啶环通过碳碳双键连接，位于碳碳双键的异侧，它们几乎位于同一平面，构成具有共轭大 $\mathrm{\pi }$ 键的超共轭离子，其共轭度很大，由此，其电子离域范围较大，键的张力较小， $\mathrm{\pi }$ -> ${\mathrm{\pi }}^{*}$ 跃迁位于长波端。而DAST分子的顺式异构体，其苯乙烯基与吡啶环通过碳碳双键连接，位于碳碳双键的同侧，由于较大的空间位阻，苯环与吡啶环不位于同一平面，其跃迁所需能量相对于反式异构体要大，从而吸收峰相对于反式异构体蓝移。在我们的溶液体系中，在加热搅拌的过程中，反式异构体不断地被包覆于HP-β-CD的空腔中，同时顺式异构体转化的反式异构体也不断地被包覆于HP-β-CD的空腔中。由此，在溶液中，HP-β-CD浓度的不断升高，顺式异构体不断减少^[9]，从而导致吸收光谱发生轻微的红移。再者，从荧光光谱分析，随着HP-β-CD浓度的升高，荧光强度的相对强度自207逐渐增强至1238，增强近6倍，峰值从616 nm蓝移至592 nm，如图3（b）所示。其原因在于DAST分子被包覆于HP-β-CD的空腔中，一方面，减少了分子移动自由度，避免了去活碰撞，且当DAST这种具有分子内电荷传递的分子处于HP-β-CD的空腔时，可能减少主要非发射过程，从而导致荧光强度增强^[13]；另一方面，被包覆的DAST分子被均匀地分散于溶液中，且由于HP-β-CD的包覆，极大减少了分子聚集导致的猝灭，避免了聚集诱导红移，致使DAST@β-CD超分子水溶液的荧光光谱相对于DAST水溶液的产生蓝移。由此推断，环糊精的存在可能会提高溶液的荧光量子效率，为多光子泵浦激射奠定了一定基础。

图 3

Figure 3

图 3 DAST@HP-β-CD超分子水溶液光谱图及DAST的顺反异构体 Figure 3 Absorption and fluorescence spectra the DAST@HP-β-CD supramolecule aqueous solution and the cis and trans isomers of the DAST molecule

超分子水溶液的吸收范围在370~540 nm, 主要吸收范围在400~500 nm。所以，在进行双光子泵浦测试时，选用的泵浦源是五倍频YAG纳秒激光器所产生的1064 nm的激光。设想在超分子水溶液中，位于基态能级的离子首先吸收一个 1064 nm光子，跃迁至中间亚稳态。中间亚稳态的离子再次吸收一个1064 nm光子，则离子连续吸收两个1 064 nm光子而达到的光子能量相当于532 nm左右的光子能量。据材料的能量带隙，532 nm左右的光子能量能够使基态离子跃迁至激发态，激发态离子再自发辐射发出荧光，且荧光信号的强度与激发功率的平方成正比例关系，此为双光子泵浦荧光过程。在双光子泵浦荧光过程之上，若产生放大的自发辐射，则称为双光子泵浦激射过程。在测试过程中，该激光经过焦距为5 cm的聚焦透镜，聚焦在比色皿中，实验装置如图4（a）所示。超分子水溶液在此激光的泵浦下，激发出橙黄色的光，比色皿中有一条橙黄色的光路，如图4（b）所示。经成像CCD的拍摄，我们得到了溶液在焦点附近的发光情况，如图4（c）所示。最后经光谱仪收集光谱数据，得到了一系列双光子荧光与激射光谱，如图5（a)~(d）所示。在图5（a）中，超分子水溶液的双光子荧光峰相对于单光子的荧光峰发生了红移，这是因为染料分子在高浓度的情况下发生重吸收^[19]。随着泵浦功率的加大，加大至激发阈值620 mW时，2PP激射信号出现。该激射光谱的峰值在608 nm,位于荧光峰的中心位置，因为在增益最大处最容易建立粒子数反转，半高全宽（FWHM）为12 nm，远小于荧光峰的FWHM（88 nm），如图5（b）所示，可见2PP的放大自发辐射谱较荧光谱有明显的锐化。在超过激发阈值之后，激射信号强度随着功率的增大继续增加，且激射信号强度与泵浦功率的平方成近似正比例关系^[10]，如图5（c）和（d）所示，表明确实发生了双光子激发过程。由于泵浦光源的关系，双光子吸收的对应单光子波长在532 nm，这与DAST超分子水溶液的吸收峰值区域还有一定的距离，如果使用更为合适的泵浦光源如900 nm，双光子激光的激发阈值将进一步降低。在相同测试条件下，对DAST浓度相同的DMSO溶液，进行双光子泵浦测试，并未出现激射现象。由此可以推断，在DAST@HP-β-CD水溶液体系中，超分子策略降低了多光子泵浦激发阈值。

图 4

Figure 4

图 4 多光子泵浦测试装置及发光情况 Figure 4 The optical setup of multi-photon pumping experiences and the the luminescence under 1064 nm laser pumping

图 5

Figure 5

图 5 DAST溶液光谱及参数关系 Figure 5 Spectra of DAST solution and the dependence profile of the parameters

三光子泵浦激射的测试与双光子的类似，只是泵浦源换为了波长为1 570 nm的飞秒激光。在本实验中，三光子泵浦荧光过程是位于发光中心的基态离子连续吸收三个波长为1 570 nm的光子，而跃迁至激发态，激发态的离子再自发辐射发出荧光，且荧光信号的强度与激发功率的立方成正比例关系。在三光子泵浦荧光过程之上，若产生放大的自发辐射，则称为三光子泵浦激射过程。实验结果如图6（a-d）所示。三光子荧光光谱与双光子荧光光谱类似，同样相对于单光子荧光光谱发生了红移，如图6（a）。当泵浦峰值功率达到激发阈值（0.3 GW）时，出现激射信号，发光情况与2PP激射类似。3PP的激射信号的光谱较荧光谱有明显的锐化，其FWHM为15 nm，峰值位于596 nm，位于荧光峰的中心位置，如图6（b）所示。在泵浦功率未达到激发阈值之前是三光子泵浦荧光过程，荧光信号随泵浦功率的增强而缓慢增强。在达到激发阈值之后，继续增加泵浦功率，激射信号剧烈增强，如图6（c）所示，且激射信号强度与泵浦功率的立方成近似正比例关系，如图6（d）所示，表明确实发生了三光子激发过程^[6]。需注意的是，在泵浦峰值功率达到0.388 GW后，由于位于发光中心的所有染料分子接近被饱和激发，所以激射信号的增强相对于在达到激发阈值后的增强开始减缓，但是激射信号强度与泵浦功率的立方仍然成近似正比例关系。

图 6

Figure 6

图 6 DAST@HP-β-CD水溶液的单、双、三光子光谱及参数关系 Figure 6 Single-, two-, three-photon fluorescence spectra of DAST@HP-β-CD aqueous solution and the dependence profile of parameters

本文通过超分子策略，将有机非线性光学材料DAST分子包覆于HP-β-CD分子的空腔中，并制备了DAST@HP-β-CD超分子水溶液。这种超分子包覆，能有效地抑制分子间的去活碰撞、分子内的Trans-Cis异构化与由于染料分子聚集引起的荧光猝灭，致使DAST@HP-β-CD超分子水溶液相对于DAST水溶液的荧光增强了约6倍，提高了溶液的发光效率。在非线性光学方面，DAST@HP-β-CD超分子水溶液了实现了二、三光子泵浦激射，但在相同的实验测试条件下，DAST的DMSO溶液却没有出现相应的激射现象，表明该超分子策略能够降低多光子泵浦激射的激发阈值。此外，水是细胞质的主要成分，它与生物细胞的兼容性极好。在水溶液中，我们采用超分子策略，实现的多光子泵浦激射相对于在带有毒性的，与生物细胞兼容性不好的有机溶剂，将进一步促进多光子泵浦频率上转换激光在生物光子学方面的应用。