早在 1931 年 Goeppert-Mayer[10]便从理论上预测了介质在强光激发下有发生 "双光子吸收" 的可能性.直到激光器发明后的 1961 年, Kaiser 和 Garrett利用红宝石激光器为激发光源, 首次观测到了 GaF2:Eu2+晶体的双光子吸收所引起的荧光发射现象. 但是由于缺少大的双光子吸收截面材料, 双光子应用受到很大限制. 20 世纪 90 年代初, 随着飞秒脉冲激光及较大的双光子吸收截面的有机分子的出现, 针对双光子过程的研究有了长足的发展, 实现了包括双光子上转换激光、双光子三维光存储、双光子光动力学疗法、双光子荧光显微镜、双光子光聚合微加工]等相关技术.

单光子吸收与双光子吸收过程的区别.单光子激发过程, 当激发光的光子能量 hv 等于物质基态与激发态之间的能量差时,基态电子吸收一个光子跃迁至激发态, 经过一定时间的生命周期后返回基态, 释放出荧光, 这个现象即为单光子激发荧光. 当使用光波长为激发光波长两倍的光对相同物质进行激发时, 由于所使用光波的光子能量仅为原来的一半, 无法通过单光子过程使基态电子激发到激发态. 只有在光子密度极高的情况下, 基态的电子可以同时吸收两个光子, 使处于基态的电子跃迁至激发态. 这种现象类似于在基态与激发态之间存在一个虚能态, 通过两个光子的能量进行叠加而使处于基态的电子达到激发态, 这种现象被称为双光子吸收过程.

由于飞秒脉冲可以在极短的时间范围内积聚高密度的光子, 为了获得大的双光子吸收几率, 人们通常使用具有高脉冲能量密度的飞秒脉冲激光作为激发光源. 例如, 当使用平均功率 1 W、重复频率 80 MHz、脉冲宽度 80 fs 的飞秒激光, 并将其通过显微物镜聚焦为直径为 1 µm的 光 斑 时 , 其 焦 点 处 的 峰 值 功 率 密 度 可 达 到 20TW/cm2, 在如此高的峰值功率密度下极易诱发双光子吸收过程.