生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)實驗報告

1、生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)實驗報告 實驗一 單光子計數(shù)實驗1 實驗?zāi)康?1.掌握一種弱光檢測技術(shù) 2.了解光子計數(shù)方法的基本原理、基本實驗技術(shù)和弱光檢測中的一些主要問題2 實驗原理 光是由光子組成的光子流，光子是靜止質(zhì)量為零，有一定能量的粒子。一個光子的能量可用下式確定E=h v0=h c/式中c=3.0 × 108m/s是真空中的光速 h=6.6 × 10-34J.S是普朗克常數(shù)光流強度常用光功率表示，單位為W。單色光的光功率可用下式表示：P=R × E式中R為單位時間通過某一截面的光子數(shù)光子計數(shù)器的組成光子計數(shù)器的誤差及信噪比泊松統(tǒng)計噪聲 暗計數(shù) 累計信噪比 3 實驗裝置

2、計算機，單光子計數(shù)器，單色光產(chǎn)生裝置4 實驗步驟1.將冷卻水管接在水龍頭上并開始通水，打開光子計數(shù)器開關(guān)。兩分鐘后打開制冷器開關(guān)。2.約20分鐘后，待PV顯示值與SV顯示相符合后，打開計算機開始采集數(shù)據(jù)。3.開機后，在桌面上打開“單光子計數(shù)”文件，將模式項為“閾值方式”，改變參數(shù)。然后點“開始”開始采集數(shù)據(jù)，得到一曲線，取閾值。4.將模式改為 “時間方式”，將閾值定為前面測出的，采集數(shù)據(jù)，得到一振蕩的曲線，將之保存，所得數(shù)據(jù)求平均，即得到背景計數(shù)Nd。 5.然后將光源的電源打開，轉(zhuǎn)動光強調(diào)節(jié)紐，將光強設(shè)定為某一強度。開始采集數(shù)據(jù)，得到一振蕩的曲線，將之保存。將所需數(shù)據(jù)求平均，即得到總計數(shù)Nt。

3、6.根據(jù) 求信噪比。7. 改變光源強度，再重復(fù)5,6步，看信噪比有何變化。8. 實驗結(jié)束后，關(guān)閉單光子計數(shù)器及制冷器開關(guān)，關(guān)閉計算機與光源電源。2分鐘后再關(guān)閉水源。五實驗結(jié)果與分析在“閾值方式”時，測得閾值為20。光強：1時間（ms）1.57.1230.0485.3731.7平均光子數(shù)(個)306730463039301022953031光強：2.2時間（ms）2600420095001410018000平均光子數(shù)(個)369636973762365136803686光強：3.3時間（ms）550075008600990012000平均光子數(shù)(個)40204005394340344004400

4、1光強：5.0時間（ms）400400083001310016500平均光子數(shù)(個)461045914605461346294610光強：8.1時間（ms）67001030020001360016800平均光子數(shù)(個)565057215644569957425691光強：9.6時間（ms）24005300700084009700平均光子數(shù)(個)624961726195621061396193所以：SNR1=7.99 SNR2=11.57 SNR3=18.06 SNR4=28.48 SNR5=32.92結(jié)果分析：從光強與信噪比的關(guān)系曲線圖中可以看出，信噪比與光強基本成正比關(guān)系。六、思考與討論1、

5、影響光子計數(shù)系統(tǒng)的測量動態(tài)范圍的主要因素是什么？ 答：影響光子計數(shù)系統(tǒng)的測量動態(tài)范圍的主要因素是光電倍增管的熱電子（暗電流）及其發(fā)射的內(nèi)部光子數(shù)，這直接影響到系統(tǒng)信噪比的大小，從而影響動態(tài)范圍。2、接收光功率P0與推算的入射光功率Pi是否一致？若不一致，試分析其原因所在。 答：不一致。其原因可能是為了便于觀測，本實驗的光功率會偏大（不符合單光子計數(shù)條件），有明顯的多電子條件，因而需對計算結(jié)果Po進行系數(shù)修正才可得到Pi。七實驗小結(jié) 通過本次實驗我了解光子計數(shù)方法的基本原理、基本實驗技術(shù)和弱光檢測中的一些主要問題。實驗二 光鑷一實驗?zāi)康募耙饬x 1.理解光鑷基本原理； 2.熟悉光鑷系統(tǒng)配置及測量方

6、法； 3.通過實驗驗證光的力學(xué)效應(yīng)，加深對光有動量這一基本物理事實的認識；4. 光的力學(xué)效應(yīng)及其應(yīng)用是當今科學(xué)研究的前沿問題，是多學(xué)科交叉的基礎(chǔ)；2 光鑷原理光鑷：一種特殊的光場形成的光勢阱，它是用光形成的鑷子!光鑷具有機械鑷子抓取物體的功能,是類比機械鑷子形象的稱呼。光鑷的力為10-15-10-12N光鑷特點：實現(xiàn)非接觸的操作；實施無損無菌操控；實時動態(tài)跟蹤；實現(xiàn)微小力的測量；利用光的折射產(chǎn)生指向焦點的力 利用光的散射產(chǎn)生推力 對光源的要求：1.波長的選擇:避開操作粒子的波長吸收帶。可見光漫反射濾色片照明光影響，避免。紫外光波長短，光子能量大，容易引起光化學(xué)過程。紅外光理想。2.功率的范圍：

7、幾毫瓦-幾十毫瓦。功率穩(wěn)定，連續(xù)工作方式，實用的光鑷光源：YAG1064nm激光器0.1-100mw。固體半導(dǎo)體激光器：780nm。適用波長：680-950nm。實驗裝置和光路：1.光鑷光源2.光學(xué)耦合器 3.全反射鏡 4.雙向分束板 5.會聚透鏡/高倍物鏡 6.樣品臺 7.樣品池 8.樣品照明電源 9.激光濾波片 10.數(shù)碼攝影頭 11,12.圖象顯示與處理 三實驗儀器光鑷光路系統(tǒng)，光鑷機體，防震臺，顯示器，工作臺，計算機主機，光鑷光源電流控制盒，干酵母，專用樣品池四實驗步驟1.開啟儀器總電源開關(guān)，開啟照明鹵素?zé)?，開啟電腦，打開軟件；2.將空載波片放在載物臺上，先用低倍物鏡找到焦平面，關(guān)掉鹵

8、素?zé)?，可觀察到激光光斑；3.樣品池中注入適量樣品酵母細胞；4.開啟激光，設(shè)定某一光強/電流值（大概50）；5.換用高倍物鏡（必要時需使用油鏡），調(diào)好焦距，用光阱捕獲樣品中的一個微粒；（本實驗設(shè)置光鑷靜止，操控物體使之運動，使得光鑷捕獲一個微粒）6.光鑷操控細胞所在環(huán)境運動：顯微鏡平臺以速度V帶動樣品池運動，被光鑷捕獲的例子與環(huán)境產(chǎn)生相對運動。7.實驗完畢后，先將激光功率調(diào)到最小，關(guān)視場燈，最后關(guān)總電源。五實驗結(jié)果與分析實驗結(jié)果：本次實驗中，本小組成員成功捕獲酵母細胞，并利用光鑷使得三個酵母細胞并列吸引，成功實現(xiàn)三個酵母細胞與環(huán)境的相對移動。而后實驗細胞的“吞并”，光鑷對上下相對位置的兩個酵母細

9、胞實行吸引并成功移動。實驗分析：在本次實驗中，由于剛開始酵母細胞的配制太稀，導(dǎo)致在屏幕中顯示的數(shù)目非常少，而后沒有等待酵母細胞在樣品池靜置就進行試驗，導(dǎo)致我們開始實驗的失敗，而后改正錯誤，準確按照實驗步驟進行，最后實驗成功。六思考題1. 光捕獲微粒，基于什么原理，如何從實驗上實現(xiàn)？答：光捕獲微粒基于光的動量傳遞，折射產(chǎn)生的恢復(fù)力與散射產(chǎn)生的推力平衡，一定寬度呈梯度變化的光作用使微粒被不斷地推向焦點。在實驗中是移動樣品池使得酵母細胞靠近光鑷使得酵母細胞被捕獲。2. 說明影響光阱捕獲效果的因素？答：影響光阱捕獲效果的因素有：1.激光束的特性；2.溫度；3.捕獲過程是否穩(wěn)定；4.微粒的濃度。3. 試

10、定性說明強會聚的光束對于實現(xiàn)Z方向捕獲的作用？答：對于Z軸，同樣基于光的動量傳遞，對于觀察平面下方的微粒，由于拉力被拉到觀察平面，對于觀察平面上方的微粒，由于推力被推倒觀察平面上。4. 若光阱同時捕獲了2個球形微粒，則這2個微粒最有可能以什么形式排列，為什么？答：最有可能以近似融合成一個更大的酵母菌，其中心在光焦點上。因為光場的梯度性，要求微粒集團必須中心處于光焦點，位型應(yīng)滿足一定的對稱性。也有可能都出現(xiàn)在觀察平面，緊密排列。5. 試說明光阱技術(shù)的特點，你將利用光阱技術(shù)在哪些領(lǐng)域開展工作？答：光阱技術(shù)特點：精確定位，亞接觸，無損傷。應(yīng)用領(lǐng)域：活體細胞與細胞器的研究；微量化學(xué)元素的研究。6.現(xiàn)在

11、我們使用的光源為高斯光束的激光，考慮用一種環(huán)形光束的光源，在距軸心距離r內(nèi)光強為零，試定性說明環(huán)形光束光阱對比于高斯光束光阱的優(yōu)劣。答：高斯光束的激光在沿光傳播方向的捕獲效果較差，這是由于在微粒邊緣上光的折射強而中間折射弱，光的中心功率高而周邊小，導(dǎo)致回復(fù)力很難與散射力平衡。如果使用環(huán)形光束光阱，就可以保證回復(fù)力的有效產(chǎn)生和散射力的減小，提高捕獲效果。七，實驗小結(jié)通過本次實驗我理解光鑷基本原理，熟悉光鑷系統(tǒng)配置及測量方法，也通過實驗驗證光的力學(xué)效應(yīng)，加深對光有動量這一基本物理事實的認識。 實驗三 表面等離子共振原理與應(yīng)用1 實驗?zāi)康?.理解表面等離子共振原理；2.了解系統(tǒng)構(gòu)成及主要技術(shù)實現(xiàn)；3

12、.了解應(yīng)用及測量要求；這表示沿X軸方向傳播而振幅衰減的一個波，這就是消逝波。全反射的光波會透過光疏介質(zhì)約為光波波長的一個深度，再沿界面流動約半個波長再返回光密介質(zhì)。光的總能量沒有發(fā)生改變。透入光疏介質(zhì)的光波成為消逝波。 二實驗原理 倏逝波：等離子體：等離子體通常是指由密度相當高的自由正、負電荷組成的氣體，其中正、負帶電粒子數(shù)目幾乎相等。把金屬的價電子看成是均勻正電荷背景下運動的電子氣體，這實際上也是一種等離子體。由于電磁振蕩形成了等離子波。金屬表面等離子波：SPR光學(xué)原理：基于全內(nèi)反射時界面處的倏逝波，引發(fā)金屬中自由電子產(chǎn)生表面等離子體波（SPW），當SPW與倏逝波頻率相等時，二者將發(fā)生共振，

13、入射光被金屬表面電子吸收，使反射光能量急劇下降，反射光譜上出現(xiàn)共振峰，金屬表面介質(zhì)不同，共振峰位置不同。測量方式：1固定波長，掃描入射角，尋找共振峰； 2固定入射角，掃描波長，尋找共振峰；3 實驗裝置4 實驗內(nèi)容與步驟1. 開啟電腦及應(yīng)用軟件，并打開鹵素?zé)綦娫矗?. 配制蒸餾水，酒精水溶液等樣品；3. 記錄無光時光譜曲線；4. 記錄有光時光譜曲線；5. 記錄蒸餾水光譜曲線；6. 記錄酒精水溶液光譜曲線；7. 計算共振波長；5 實驗數(shù)據(jù) 實驗測量了光譜曲線的數(shù)據(jù)，用樣品減去無光除以有光減去無光得到反射率，制作出反射率與波長的關(guān)系圖，樣品為自來水與70%酒精水溶液。曲線中藍色為自來水的曲線，紅色為

14、70%酒精水溶液的曲線。從曲線圖可以看出，自來水的吸收峰大約在637nm；70%酒精水溶液的吸收峰大約在654nm。一定程度上反映了濃度與吸收峰的波長正相關(guān)。而實驗中的大部分數(shù)據(jù)大于1，可能與實驗設(shè)備有關(guān)，本次實驗的設(shè)備存在不完善的地方，導(dǎo)致數(shù)據(jù)有誤差，可能和當時的環(huán)境和光路調(diào)節(jié)有關(guān)系。但是，自來水的吸收峰數(shù)值較大，可能是由于用的燒杯是裝過酒精溶液的，使得水的濃度變低，所以吸收峰較大。六實驗總結(jié)通過本次實驗了解了表面等離子共振的原理，也了解系統(tǒng)構(gòu)成及主要技術(shù)實現(xiàn)；學(xué)習(xí)到了其應(yīng)用及測量方法。實驗四 雙積分球測量組織光學(xué)參數(shù)1 實驗?zāi)康?.掌握光學(xué)參數(shù)測量的原理；2.理解雙積分球系統(tǒng)的組成；3.了

15、解獲取光學(xué)組織參數(shù)的算法；二實驗原理積分球：一種廣泛應(yīng)用于離體組織光學(xué)參數(shù)測量的技術(shù)，是積分球測量理論與輻射傳輸理論的精確結(jié)合起來，是組織光學(xué)測量的黃金標準；吸收系數(shù)：其倒數(shù)為光子在介質(zhì)傳輸中被吸收前所走過的平均距離；散射系數(shù)：其倒數(shù)為光子在介質(zhì)傳輸中被散射前所走過的平均距離；各向異性因子：光子在不同方向上的散射幾率；測量時選取光在生物組織中的傳輸模型，將測量結(jié)果帶入模型，模擬運算獲取散射系數(shù)，吸收系數(shù)及各向異性因子。 其中：為測量時，光強與電壓的轉(zhuǎn)化系數(shù)； 為積分球自身的吸收系數(shù)； 為射入光光強；為背景光光強；為散射光光強；在黑暗環(huán)境和對直流溫漂處理條件下，可大大降低背景光的干擾。選擇低發(fā)散

16、角的激光器和調(diào)整好準直光路條件下，可大大降低散射光。即：和。 測量系統(tǒng):3 實驗步驟 1.調(diào)節(jié)光路，使得激光從每個積分球通孔中心穿過； 2.測量標準樣品下的每個積分球探測器電壓信號； 3.測量樣品條件下對應(yīng)積分球上探測器輸出電壓信號； 4.以上測量值至少要測量3次，取平均值計算漫反射率、漫透射率和準直透過率； 5.將上述計算結(jié)果輸入IAD算法軟件，得到組織光學(xué)參數(shù)；4 實驗結(jié)果由計算軟件可以得到：吸收系數(shù)為0.53(1/mm);散射系數(shù)為22.42(1/mm);結(jié)果分析：由實驗結(jié)果可以看出透射光+反射光+準直透射光+樣本厚度約等于1，說明我們這次試驗非常成功。5 思考題1.采用一個積分球是否可

17、以測量組織光學(xué)參數(shù)？答：可以，先用該積分球測漫反射率，在反過來測漫透射率和準直透過率。但這樣測量可能會引起較大的誤差。2.如何減少本實驗測量誤差？答：激光光路盡量準直，積分球散射光均勻。6 實驗小結(jié)通過這次實驗，我掌握光學(xué)參數(shù)測量的原理，也理解雙積分球系統(tǒng)的組成和獲取光學(xué)組織參數(shù)的算法。實驗五 散斑顯微鏡成像實驗1 實驗?zāi)康?. 了解散斑的定義與分類；2. 了解散斑成像的原理；3. 了解散斑顯微成像的應(yīng)用；2 實驗原理散斑：激光在散射體表面的漫反射或通過一個透明散射體（如毛玻璃） 時，在散射表面或附近的光場中可以觀察到一種無規(guī)分布的亮 暗斑點，這種斑點稱為激光散斑。散斑分類：按照光場的傳播方式

18、分為自由空間傳播形成的近場散斑和遠場散斑。按照散斑襯比值分為完全發(fā)展的散斑和完全發(fā)展的散斑。散斑襯比s: 光強波動的標準方差；<I>光強的平均值；對于某點的襯比，需對其周圍小區(qū)域的光強進行統(tǒng)計。散斑襯比與速度關(guān)系：襯比從0.2到0.8變化，運動速度2個數(shù)量級變化，說明散斑襯比對物體運動速度的變化是非常敏感的；積分時間影響測量的準確性和靈敏性，通常選擇相關(guān)時間的0.1倍到10倍之間。3 實驗裝置 光源：He-Ne激光器，0.5mW，633nm；成像：CoolSnap EZ相機，1392*1048顯微鏡：SZ16體視顯微鏡；蠕動泵：BT-100；軟件：自編軟件，Matlab文件go.m

19、； 4 實驗步驟1.拉制微管，并固定在載物臺上；2.制備樣品，并把微管與蠕動泵橡膠管連接好；3.開啟顯微鏡照明光源，調(diào)焦直到看到微管清晰像；4.關(guān)閉照明光源，打開激光器電源；5.開啟相機開關(guān)及相應(yīng)軟件，設(shè)置曝光時間；6.改變?nèi)鋭颖貌煌目刂茣r間，采集相應(yīng)的圖像；7.開啟Matlab軟件，打開go.m軟件，將其中的圖像文件名改為所保持的文件名，運行g(shù)o.m軟件，即可得到相應(yīng)的襯比圖與流速圖；五實驗結(jié)果1.實驗原圖靜止狀態(tài)下運動狀態(tài)下2.使用MATLAB處理拍攝的圖片后，得到的圖片六思考題1. 散斑的變化為什么可以提供散射體的速度信息？當被激光照亮的區(qū)域經(jīng)過CCD成像系統(tǒng)時，產(chǎn)生顆粒狀或斑紋狀像面

20、散斑。如果散射介質(zhì)在運動，圖象中的每一個象素將產(chǎn)生隨時間變化的散斑圖樣。該圖樣在時間和空間上的強度變化包含著散射介質(zhì)的運動信息。通過分析散斑強度在時間上的變化（如激光多普勒測速儀），或強度變化的空間統(tǒng)計特性，都可獲得定量的流速信息。2. 實驗中CCD曝光時間應(yīng)如何選擇？CCD曝光時間應(yīng)該與測量的流速相匹配。因為測量的牛奶液體的流速通常是um/s到mm/s，所以選取的曝光時間是15ms或20ms。3. 散斑襯比如何計算的？由流速引起的空間模糊程度，這種模糊程度用散斑襯比，即光強的平均標準偏差與平均強度的比值來表示。計算公式如下：式中：C 代表散斑的襯比，I 表示光強的平均值，s 表示光強的平均標準偏差；T 為CCD的曝光時間，c 為相關(guān)時間，即解除強度漲落的相干性時間。散斑的襯比在01之間，速度越大，襯比值越??；速度越小，襯比值越大。1表示該區(qū)域不存在散斑圖樣的模糊，即沒有運動，襯比值越接近0，表示散射介質(zhì)運動越快。4. 實驗中當某處發(fā)生鏡面反射時，往往會在流速圖上的到錯誤的高流速，請解釋其原因。 發(fā)生鏡面反射的區(qū)域會影響激光照亮區(qū)域經(jīng)過CCD成像系統(tǒng)時產(chǎn)生激光散斑的質(zhì)量，散斑的平均光強增強，會引起散斑襯比值減小，所以得到了錯誤的高流速七，實驗小結(jié)通過本次實驗我了解