Two-photon absorption: from optical power limiting to 3D microfabrication

Abstract

We report here recent results obtained in the field of molecular engineering for two-photon absorption (TPA); this paper deals with two specific applications: optical limiting in the visible range and microfabrication. The nonlinear absorption and optical power limiting properties of a conjugated system (fluorene) and polyfluorenes induced by TPA, were performed in the visible range for nanosecond time duration pulses. The TPA cross-section of small oligomers increases with the square of their lengths: this trend is rationalized in terms of excitonic coupling between monomers within the range of the effective length of the oligomer. We also report on the characterization of efficient photoinitiators for radicalar polymerization at 532 and 1064 nm by TPA. Symmetric molecules optimized for TPA and for optical limiting properties with a D–π–D structure (bearing tertiary amines as a donor group D and a biphenyl or a fluorene for the transmitting π electron group) were proposed for the visible. In the infrared, the selected photoinitiators present the general structure D–π−A−π−D, in which A is an acceptor group. The initiation efficiencies of these systems were evaluated by the determination of the threshold intensities for a given exposure duration. Compared to the commercial resins for UV photopolymerization and generally involved in TPA, these optimized initiators led to a significant increase of the sensitivity during fabrication. Weaker incident intensities and faster scanning speeds could be used. This approach allows the fabrication of three-dimensional micro-objects with a low cost nanosecond pulsed microlaser. To cite this article: G. Lemercier et al., C. R. Chimie 8 (2005). Nous présentons quelques résultats récents dans le domaine de l'ingénierie moléculaire pour l'absorption à deux photons (ADP) ; cet article concerne plus particulièrement deux applications : la limitation optique et la microfabrication d'objects 3D. L'absorption non linéaire et les propriétés de limitation optique induite par ADP du fluorène et de polyfluorènes ont été étudiées dans la gamme spectrale du visible et en régime nanoseconde. La section efficace d'absorption à deux photons de petits oligomères augmente avec le carré de leur longueur ; cette tendance est rationalisée en termes de couplages excitoniques entre monomères dans la limite d'une longueur effective des oligomères. La caractérisation de photoinitiateurs efficaces en polymérisation à 532 et 1064 nm par absorption à deux photons est également reportée. Des molécules symétriques de structure D–π–D (portant une amine tertiaire comme groupement donneur D et un biphényle ou un fluorène comme groupe transmetteur π) optimisées pour l'ADP et les propriétés de limitation optique sont proposées pour le visible. Pour l'infrarouge, les photoinitiateurs selectionnés sont de structure générale D–π–A–π–D, dans laquelle A est un groupe accepteur. L'efficacité d'initiation de ces systèmes a été évaluée par la détermination d'une intensité seuil pour une durée d'exposition donnée. Par comparaison avec les résines commerciales pour la photopolymérisation UV et généralement utilisées pour l'ADP, ces initiateurs optimisés conduisent à une augmentation significative de la sensibilité pendant la fabrication de micro-objets tri-dimensionnels avec un laser nanoseconde peu onéreux. Pour citer cet article : G. Lemercier et al., C. R. Chimie 8 (2005).