Abstract

The saturation of two-photon absorption and the subsequent photoluminescence of matter under ultrafast laser pulse excitation are studied. For this purpose the experimental results of using two organic conjugated polymers as model substances are discussed theoretically. One model is based on the commonly used hyperbolic approach, whereas the new theory introduced correctly describes the saturation in two-photon spectroscopy and fits the experiment closely. The new model permits microscopic analysis of the absorption saturation process and makes possible an estimate of the two-photon absorption coefficient from the saturation intensity.

© 2002 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. Y. Shen, D. Jakubcyk, F. Xu, J. Swiatkiewicz, P. N. Prasad, and B. A. Reinhardt, Appl. Phys. Lett. 76, 1 (2000).
    [CrossRef]
  2. A. J. Campbell, D. D. C. Bradley, H. Antoniadis, M. Inbasekaran, W. W. Wu, and E. P. Woo, Appl. Phys. Lett. 76, 1734 (2000).
    [CrossRef]
  3. R. B. Fletcher, D. G. Lidzey, D. D. C. Bradley, M. Bernius, and S. Walker, Appl. Phys. Lett. 77, 1262 (2000).
    [CrossRef]
  4. U. Scherf and K. Müllen, Makromol. Chem. Rapid Commun. 12, 489 (1991).
    [CrossRef]
  5. M. Wohlgenannt, W. Graupner, G. Leising, and Z. V. Vardeny, Phys. Rev. B 60, 5321 (1999).
    [CrossRef]
  6. F. Li, Y. Song, S. Liu, C. Li, Y. Wu, X. Zuo, C. Yu, and P. Zhu, J. Appl. Phys. 82, 2004 (1997).
    [CrossRef]
  7. N. Sanz, A. Ibanez, Y. Morel, and P. L. Baldeck, Appl. Phys. Lett. 78, 2569 (2001).
    [CrossRef]
  8. M. Gu, J. O. Amistoso, A. Toriumi, M. Irie, and S. Kawata, Appl. Phys. Lett. 79, 148 (2001).
    [CrossRef]
  9. S. H. Guang, J. D. Bhawalkar, C. F. Zhao, and P. N. Prasad, Appl. Phys. Lett. 67, 2433 (1995).
    [CrossRef]
  10. J.-F. Lami and C. Hirlimann, Phys. Rev. B 60, 4763 (1999).
    [CrossRef]
  11. H. M. Gibbs, Optical Bistability: Controlling Light with Light (Academic, Orlando, Fla., 1985), p. 25.
  12. D. Beljonne, H. F. Wittmann, A. Köhler, S. Graham, M. Younus, J. Lewis, P. R. Raithby, M. S. Khan, R. H. Friend, and J. L. Brédas, J. Chem. Phys. 105, 3868 (1996).
    [CrossRef]

2001 (2)

N. Sanz, A. Ibanez, Y. Morel, and P. L. Baldeck, Appl. Phys. Lett. 78, 2569 (2001).
[CrossRef]

M. Gu, J. O. Amistoso, A. Toriumi, M. Irie, and S. Kawata, Appl. Phys. Lett. 79, 148 (2001).
[CrossRef]

2000 (3)

Y. Shen, D. Jakubcyk, F. Xu, J. Swiatkiewicz, P. N. Prasad, and B. A. Reinhardt, Appl. Phys. Lett. 76, 1 (2000).
[CrossRef]

A. J. Campbell, D. D. C. Bradley, H. Antoniadis, M. Inbasekaran, W. W. Wu, and E. P. Woo, Appl. Phys. Lett. 76, 1734 (2000).
[CrossRef]

R. B. Fletcher, D. G. Lidzey, D. D. C. Bradley, M. Bernius, and S. Walker, Appl. Phys. Lett. 77, 1262 (2000).
[CrossRef]

1999 (2)

M. Wohlgenannt, W. Graupner, G. Leising, and Z. V. Vardeny, Phys. Rev. B 60, 5321 (1999).
[CrossRef]

J.-F. Lami and C. Hirlimann, Phys. Rev. B 60, 4763 (1999).
[CrossRef]

1997 (1)

F. Li, Y. Song, S. Liu, C. Li, Y. Wu, X. Zuo, C. Yu, and P. Zhu, J. Appl. Phys. 82, 2004 (1997).
[CrossRef]

1996 (1)

D. Beljonne, H. F. Wittmann, A. Köhler, S. Graham, M. Younus, J. Lewis, P. R. Raithby, M. S. Khan, R. H. Friend, and J. L. Brédas, J. Chem. Phys. 105, 3868 (1996).
[CrossRef]

1995 (1)

S. H. Guang, J. D. Bhawalkar, C. F. Zhao, and P. N. Prasad, Appl. Phys. Lett. 67, 2433 (1995).
[CrossRef]

1991 (1)

U. Scherf and K. Müllen, Makromol. Chem. Rapid Commun. 12, 489 (1991).
[CrossRef]

Amistoso, J. O.

M. Gu, J. O. Amistoso, A. Toriumi, M. Irie, and S. Kawata, Appl. Phys. Lett. 79, 148 (2001).
[CrossRef]

Antoniadis, H.

A. J. Campbell, D. D. C. Bradley, H. Antoniadis, M. Inbasekaran, W. W. Wu, and E. P. Woo, Appl. Phys. Lett. 76, 1734 (2000).
[CrossRef]

Baldeck, P. L.

N. Sanz, A. Ibanez, Y. Morel, and P. L. Baldeck, Appl. Phys. Lett. 78, 2569 (2001).
[CrossRef]

Beljonne, D.

D. Beljonne, H. F. Wittmann, A. Köhler, S. Graham, M. Younus, J. Lewis, P. R. Raithby, M. S. Khan, R. H. Friend, and J. L. Brédas, J. Chem. Phys. 105, 3868 (1996).
[CrossRef]

Bernius, M.

R. B. Fletcher, D. G. Lidzey, D. D. C. Bradley, M. Bernius, and S. Walker, Appl. Phys. Lett. 77, 1262 (2000).
[CrossRef]

Bhawalkar, J. D.

S. H. Guang, J. D. Bhawalkar, C. F. Zhao, and P. N. Prasad, Appl. Phys. Lett. 67, 2433 (1995).
[CrossRef]

Bradley, D. D. C.

R. B. Fletcher, D. G. Lidzey, D. D. C. Bradley, M. Bernius, and S. Walker, Appl. Phys. Lett. 77, 1262 (2000).
[CrossRef]

A. J. Campbell, D. D. C. Bradley, H. Antoniadis, M. Inbasekaran, W. W. Wu, and E. P. Woo, Appl. Phys. Lett. 76, 1734 (2000).
[CrossRef]

Brédas, J. L.

D. Beljonne, H. F. Wittmann, A. Köhler, S. Graham, M. Younus, J. Lewis, P. R. Raithby, M. S. Khan, R. H. Friend, and J. L. Brédas, J. Chem. Phys. 105, 3868 (1996).
[CrossRef]

Campbell, A. J.

A. J. Campbell, D. D. C. Bradley, H. Antoniadis, M. Inbasekaran, W. W. Wu, and E. P. Woo, Appl. Phys. Lett. 76, 1734 (2000).
[CrossRef]

Fletcher, R. B.

R. B. Fletcher, D. G. Lidzey, D. D. C. Bradley, M. Bernius, and S. Walker, Appl. Phys. Lett. 77, 1262 (2000).
[CrossRef]

Friend, R. H.

D. Beljonne, H. F. Wittmann, A. Köhler, S. Graham, M. Younus, J. Lewis, P. R. Raithby, M. S. Khan, R. H. Friend, and J. L. Brédas, J. Chem. Phys. 105, 3868 (1996).
[CrossRef]

Gibbs, H. M.

H. M. Gibbs, Optical Bistability: Controlling Light with Light (Academic, Orlando, Fla., 1985), p. 25.

Graham, S.

D. Beljonne, H. F. Wittmann, A. Köhler, S. Graham, M. Younus, J. Lewis, P. R. Raithby, M. S. Khan, R. H. Friend, and J. L. Brédas, J. Chem. Phys. 105, 3868 (1996).
[CrossRef]

Graupner, W.

M. Wohlgenannt, W. Graupner, G. Leising, and Z. V. Vardeny, Phys. Rev. B 60, 5321 (1999).
[CrossRef]

Gu, M.

M. Gu, J. O. Amistoso, A. Toriumi, M. Irie, and S. Kawata, Appl. Phys. Lett. 79, 148 (2001).
[CrossRef]

Guang, S. H.

S. H. Guang, J. D. Bhawalkar, C. F. Zhao, and P. N. Prasad, Appl. Phys. Lett. 67, 2433 (1995).
[CrossRef]

Hirlimann, C.

J.-F. Lami and C. Hirlimann, Phys. Rev. B 60, 4763 (1999).
[CrossRef]

Ibanez, A.

N. Sanz, A. Ibanez, Y. Morel, and P. L. Baldeck, Appl. Phys. Lett. 78, 2569 (2001).
[CrossRef]

Inbasekaran, M.

A. J. Campbell, D. D. C. Bradley, H. Antoniadis, M. Inbasekaran, W. W. Wu, and E. P. Woo, Appl. Phys. Lett. 76, 1734 (2000).
[CrossRef]

Irie, M.

M. Gu, J. O. Amistoso, A. Toriumi, M. Irie, and S. Kawata, Appl. Phys. Lett. 79, 148 (2001).
[CrossRef]

Jakubcyk, D.

Y. Shen, D. Jakubcyk, F. Xu, J. Swiatkiewicz, P. N. Prasad, and B. A. Reinhardt, Appl. Phys. Lett. 76, 1 (2000).
[CrossRef]

Kawata, S.

M. Gu, J. O. Amistoso, A. Toriumi, M. Irie, and S. Kawata, Appl. Phys. Lett. 79, 148 (2001).
[CrossRef]

Khan, M. S.

D. Beljonne, H. F. Wittmann, A. Köhler, S. Graham, M. Younus, J. Lewis, P. R. Raithby, M. S. Khan, R. H. Friend, and J. L. Brédas, J. Chem. Phys. 105, 3868 (1996).
[CrossRef]

Köhler, A.

D. Beljonne, H. F. Wittmann, A. Köhler, S. Graham, M. Younus, J. Lewis, P. R. Raithby, M. S. Khan, R. H. Friend, and J. L. Brédas, J. Chem. Phys. 105, 3868 (1996).
[CrossRef]

Lami, J.-F.

J.-F. Lami and C. Hirlimann, Phys. Rev. B 60, 4763 (1999).
[CrossRef]

Leising, G.

M. Wohlgenannt, W. Graupner, G. Leising, and Z. V. Vardeny, Phys. Rev. B 60, 5321 (1999).
[CrossRef]

Lewis, J.

D. Beljonne, H. F. Wittmann, A. Köhler, S. Graham, M. Younus, J. Lewis, P. R. Raithby, M. S. Khan, R. H. Friend, and J. L. Brédas, J. Chem. Phys. 105, 3868 (1996).
[CrossRef]

Li, C.

F. Li, Y. Song, S. Liu, C. Li, Y. Wu, X. Zuo, C. Yu, and P. Zhu, J. Appl. Phys. 82, 2004 (1997).
[CrossRef]

Li, F.

F. Li, Y. Song, S. Liu, C. Li, Y. Wu, X. Zuo, C. Yu, and P. Zhu, J. Appl. Phys. 82, 2004 (1997).
[CrossRef]

Lidzey, D. G.

R. B. Fletcher, D. G. Lidzey, D. D. C. Bradley, M. Bernius, and S. Walker, Appl. Phys. Lett. 77, 1262 (2000).
[CrossRef]

Liu, S.

F. Li, Y. Song, S. Liu, C. Li, Y. Wu, X. Zuo, C. Yu, and P. Zhu, J. Appl. Phys. 82, 2004 (1997).
[CrossRef]

Morel, Y.

N. Sanz, A. Ibanez, Y. Morel, and P. L. Baldeck, Appl. Phys. Lett. 78, 2569 (2001).
[CrossRef]

Müllen, K.

U. Scherf and K. Müllen, Makromol. Chem. Rapid Commun. 12, 489 (1991).
[CrossRef]

Prasad, P. N.

Y. Shen, D. Jakubcyk, F. Xu, J. Swiatkiewicz, P. N. Prasad, and B. A. Reinhardt, Appl. Phys. Lett. 76, 1 (2000).
[CrossRef]

S. H. Guang, J. D. Bhawalkar, C. F. Zhao, and P. N. Prasad, Appl. Phys. Lett. 67, 2433 (1995).
[CrossRef]

Raithby, P. R.

D. Beljonne, H. F. Wittmann, A. Köhler, S. Graham, M. Younus, J. Lewis, P. R. Raithby, M. S. Khan, R. H. Friend, and J. L. Brédas, J. Chem. Phys. 105, 3868 (1996).
[CrossRef]

Reinhardt, B. A.

Y. Shen, D. Jakubcyk, F. Xu, J. Swiatkiewicz, P. N. Prasad, and B. A. Reinhardt, Appl. Phys. Lett. 76, 1 (2000).
[CrossRef]

Sanz, N.

N. Sanz, A. Ibanez, Y. Morel, and P. L. Baldeck, Appl. Phys. Lett. 78, 2569 (2001).
[CrossRef]

Scherf, U.

U. Scherf and K. Müllen, Makromol. Chem. Rapid Commun. 12, 489 (1991).
[CrossRef]

Shen, Y.

Y. Shen, D. Jakubcyk, F. Xu, J. Swiatkiewicz, P. N. Prasad, and B. A. Reinhardt, Appl. Phys. Lett. 76, 1 (2000).
[CrossRef]

Song, Y.

F. Li, Y. Song, S. Liu, C. Li, Y. Wu, X. Zuo, C. Yu, and P. Zhu, J. Appl. Phys. 82, 2004 (1997).
[CrossRef]

Swiatkiewicz, J.

Y. Shen, D. Jakubcyk, F. Xu, J. Swiatkiewicz, P. N. Prasad, and B. A. Reinhardt, Appl. Phys. Lett. 76, 1 (2000).
[CrossRef]

Toriumi, A.

M. Gu, J. O. Amistoso, A. Toriumi, M. Irie, and S. Kawata, Appl. Phys. Lett. 79, 148 (2001).
[CrossRef]

Vardeny, Z. V.

M. Wohlgenannt, W. Graupner, G. Leising, and Z. V. Vardeny, Phys. Rev. B 60, 5321 (1999).
[CrossRef]

Walker, S.

R. B. Fletcher, D. G. Lidzey, D. D. C. Bradley, M. Bernius, and S. Walker, Appl. Phys. Lett. 77, 1262 (2000).
[CrossRef]

Wittmann, H. F.

D. Beljonne, H. F. Wittmann, A. Köhler, S. Graham, M. Younus, J. Lewis, P. R. Raithby, M. S. Khan, R. H. Friend, and J. L. Brédas, J. Chem. Phys. 105, 3868 (1996).
[CrossRef]

Wohlgenannt, M.

M. Wohlgenannt, W. Graupner, G. Leising, and Z. V. Vardeny, Phys. Rev. B 60, 5321 (1999).
[CrossRef]

Woo, E. P.

A. J. Campbell, D. D. C. Bradley, H. Antoniadis, M. Inbasekaran, W. W. Wu, and E. P. Woo, Appl. Phys. Lett. 76, 1734 (2000).
[CrossRef]

Wu, W. W.

A. J. Campbell, D. D. C. Bradley, H. Antoniadis, M. Inbasekaran, W. W. Wu, and E. P. Woo, Appl. Phys. Lett. 76, 1734 (2000).
[CrossRef]

Wu, Y.

F. Li, Y. Song, S. Liu, C. Li, Y. Wu, X. Zuo, C. Yu, and P. Zhu, J. Appl. Phys. 82, 2004 (1997).
[CrossRef]

Xu, F.

Y. Shen, D. Jakubcyk, F. Xu, J. Swiatkiewicz, P. N. Prasad, and B. A. Reinhardt, Appl. Phys. Lett. 76, 1 (2000).
[CrossRef]

Younus, M.

D. Beljonne, H. F. Wittmann, A. Köhler, S. Graham, M. Younus, J. Lewis, P. R. Raithby, M. S. Khan, R. H. Friend, and J. L. Brédas, J. Chem. Phys. 105, 3868 (1996).
[CrossRef]

Yu, C.

F. Li, Y. Song, S. Liu, C. Li, Y. Wu, X. Zuo, C. Yu, and P. Zhu, J. Appl. Phys. 82, 2004 (1997).
[CrossRef]

Zhao, C. F.

S. H. Guang, J. D. Bhawalkar, C. F. Zhao, and P. N. Prasad, Appl. Phys. Lett. 67, 2433 (1995).
[CrossRef]

Zhu, P.

F. Li, Y. Song, S. Liu, C. Li, Y. Wu, X. Zuo, C. Yu, and P. Zhu, J. Appl. Phys. 82, 2004 (1997).
[CrossRef]

Zuo, X.

F. Li, Y. Song, S. Liu, C. Li, Y. Wu, X. Zuo, C. Yu, and P. Zhu, J. Appl. Phys. 82, 2004 (1997).
[CrossRef]

Appl. Phys. Lett. (6)

Y. Shen, D. Jakubcyk, F. Xu, J. Swiatkiewicz, P. N. Prasad, and B. A. Reinhardt, Appl. Phys. Lett. 76, 1 (2000).
[CrossRef]

A. J. Campbell, D. D. C. Bradley, H. Antoniadis, M. Inbasekaran, W. W. Wu, and E. P. Woo, Appl. Phys. Lett. 76, 1734 (2000).
[CrossRef]

R. B. Fletcher, D. G. Lidzey, D. D. C. Bradley, M. Bernius, and S. Walker, Appl. Phys. Lett. 77, 1262 (2000).
[CrossRef]

N. Sanz, A. Ibanez, Y. Morel, and P. L. Baldeck, Appl. Phys. Lett. 78, 2569 (2001).
[CrossRef]

M. Gu, J. O. Amistoso, A. Toriumi, M. Irie, and S. Kawata, Appl. Phys. Lett. 79, 148 (2001).
[CrossRef]

S. H. Guang, J. D. Bhawalkar, C. F. Zhao, and P. N. Prasad, Appl. Phys. Lett. 67, 2433 (1995).
[CrossRef]

J. Appl. Phys. (1)

F. Li, Y. Song, S. Liu, C. Li, Y. Wu, X. Zuo, C. Yu, and P. Zhu, J. Appl. Phys. 82, 2004 (1997).
[CrossRef]

J. Chem. Phys. (1)

D. Beljonne, H. F. Wittmann, A. Köhler, S. Graham, M. Younus, J. Lewis, P. R. Raithby, M. S. Khan, R. H. Friend, and J. L. Brédas, J. Chem. Phys. 105, 3868 (1996).
[CrossRef]

Makromol. Chem. Rapid Commun. (1)

U. Scherf and K. Müllen, Makromol. Chem. Rapid Commun. 12, 489 (1991).
[CrossRef]

Phys. Rev. B (2)

M. Wohlgenannt, W. Graupner, G. Leising, and Z. V. Vardeny, Phys. Rev. B 60, 5321 (1999).
[CrossRef]

J.-F. Lami and C. Hirlimann, Phys. Rev. B 60, 4763 (1999).
[CrossRef]

Other (1)

H. M. Gibbs, Optical Bistability: Controlling Light with Light (Academic, Orlando, Fla., 1985), p. 25.

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (2)

Fig. 1
Fig. 1

TPA. Comparison of theory and experiment: squares, experimental data for TPA measurements of (a) PF2/6 and (b) mLPPP. Dashed curves, phenomenological hyperbolic fit with relation (3); dotted curves, physically correct fit with relation (8).

Fig. 2
Fig. 2

TEPL. Comparison of theory and experiment: filled squares, experimental data for the TEPL measurements of (a) PF2/6 and (b) mLPPP. Dashed curves, fit with Eq. (4); dotted curves, fit with Eq. (9).

Equations (9)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

dI/dx=-α2I2,
T=IsatlnTI0+α20tIsatI0+Isat,
ITEPLα2Iexc2=α201+I0/IsatIexc2.
dNadt=-NaT1+α2I0t2ω,
Na=α1I02τωπ8 ln21/2,
α2=Ng-NaNα20,
α2=α201+I02/Isat2,
T=12-Isat2I02-Isat2I0α20t+1+Isat22I02+Isat22I0α20t-122+Isat2I021/2,
ITEPLα201+I02/Isat2I02.

Metrics