生物光子學2-光子學與光譜學基礎02

1、主講人：劉立新西安電子科技大學第第 2 章章光子學與光譜學基礎光子學與光譜學基礎 光在界面上的反射和折射：分別遵從光在界面上的反射和折射：分別遵從反射定律反射定律和和Snell定律定律； 當光從光密（折射率大）介質入射到光疏（折射率小）介質當光從光密（折射率大）介質入射到光疏（折射率?。┙橘|的界面時，發(fā)生光的部分反射和折射現(xiàn)象；當入射角大于臨的界面時，發(fā)生光的部分反射和折射現(xiàn)象；當入射角大于臨界角時，光線會停止進入光疏介質，而全部反射回光密介質界角時，光線會停止進入光疏介質，而全部反射回光密介質，即發(fā)生，即發(fā)生全反射全反射。光纖光纖 若光疏介質是溶液，由于波動效應，有一部分光的能量會穿若光疏介

2、質是溶液，由于波動效應，有一部分光的能量會穿過界面滲透到溶液中，是一種非均勻波，叫做消逝波，也稱過界面滲透到溶液中，是一種非均勻波，叫做消逝波，也稱隱失波或隱失波或倏逝波倏逝波。其在第二介質中的有效進入深度約為一個。其在第二介質中的有效進入深度約為一個波長。波長。全內(nèi)反射熒光顯微術全內(nèi)反射熒光顯微術內(nèi)容回顧內(nèi)容回顧3 光的本質光的本質波粒二象性波粒二象性； 光是一種能在真空和介質中以波動形式傳播的，由振動的電波光是一種能在真空和介質中以波動形式傳播的，由振動的電波和磁波組成的電磁波，同時也是一種叫做光子的能量包和磁波組成的電磁波，同時也是一種叫做光子的能量包； 凡是與光的傳播有關的各種現(xiàn)象，如

3、衍射、干涉和偏振，必須凡是與光的傳播有關的各種現(xiàn)象，如衍射、干涉和偏振，必須用用波動說波動說來解釋，凡是與光和物質相互作用有關的各種現(xiàn)象，來解釋，凡是與光和物質相互作用有關的各種現(xiàn)象，如物質的光吸收與發(fā)射、光電效應和光散射（康普頓效應），如物質的光吸收與發(fā)射、光電效應和光散射（康普頓效應），都必須用都必須用光子說光子說來解釋來解釋； 波動波動性性參量（波長、頻率、相位、速度）參量（波長、頻率、相位、速度） 粒子性參量（能量、動量）粒子性參量（能量、動量）內(nèi)容回顧內(nèi)容回顧4光波的干涉和衍射光波的干涉和衍射 l 光的相干性：光的相干性：時間相干性、空間相干性時間相干性、空間相干性l 產(chǎn)生干涉條件：

4、產(chǎn)生干涉條件：只有兩列光波的只有兩列光波的頻率頻率相同，相同，位相差位相差恒定，恒定，振動方向振動方向一致的一致的相干光源相干光源，才能產(chǎn)生光的干涉。，才能產(chǎn)生光的干涉。l 當光遇到尖銳的障礙物、通過小孔和狹縫，或聚焦于尺寸與光波長當光遇到尖銳的障礙物、通過小孔和狹縫，或聚焦于尺寸與光波長相近的斑點時，光彎折和擴散等衍射現(xiàn)象就會發(fā)生。相近的斑點時，光彎折和擴散等衍射現(xiàn)象就會發(fā)生。l 相長干涉產(chǎn)生亮紋，相消干涉產(chǎn)生暗紋。相長干涉產(chǎn)生亮紋，相消干涉產(chǎn)生暗紋。內(nèi)容回顧內(nèi)容回顧5光子的吸收、發(fā)射和散射光子的吸收、發(fā)射和散射；l光與分子的相互作用光與分子的相互作用過程：吸收、自發(fā)輻射、受激輻射、拉曼散射

5、過程：吸收、自發(fā)輻射、受激輻射、拉曼散射；l光子的吸收和發(fā)射過程用光子的吸收和發(fā)射過程用愛因斯坦（愛因斯坦（EinsteinEinstein）模型）模型描述描述。 物質的物質的“波粒二象性波粒二象性”內(nèi)容回顧內(nèi)容回顧6波長波長 （de Broglie波）波）h = Planck常數(shù)常數(shù)由由Schrdinger方程的解得出的方程的解得出的量子化能量量子化能量hmv物質物質 粒子行為粒子行為似波行為似波行為 動能動能動量動量 p = = mv由經(jīng)典牛頓力學描述的由經(jīng)典牛頓力學描述的平動能量平動能量212Emv分子的能級結構：分子的能級結構：電子和振動能級電子和振動能級（量子化）在生物光子學中有重要

6、的作用（量子化）在生物光子學中有重要的作用激發(fā)態(tài)的躍遷過程：激發(fā)態(tài)的躍遷過程：有機分子的各種輻射和非輻射過程常用有機分子的各種輻射和非輻射過程常用Jablonski能級圖能級圖描述；描述；內(nèi)容回顧內(nèi)容回顧7S2S1T1S0EFluorescencePhosphorescenceVibrationalRelaxationVibrationalRelaxationICICISCISCAbsorption單重態(tài)：單重態(tài)：S0，S1，S2三重態(tài)：三重態(tài)：T1IC：內(nèi)轉化：內(nèi)轉化ISC：系間竄躍：系間竄躍熒光熒光磷光磷光光譜光譜電子在兩個能級間的躍遷與振動耦合分子振動同時包含電子能級和振動能級改變的電子

7、振動躍遷吸收，從低能態(tài)向受激態(tài)的躍遷發(fā)射，從高能態(tài)到低能態(tài)的躍遷磷光自旋不守恒熒光自旋守恒拉曼散射散射一個可見光頻域的光子從而導致振動能態(tài)的改變紅外吸收吸收一個紅外或遠紅外光子從而從一個低能態(tài)躍遷到高能態(tài)n生物光子學中用到的各種光譜生物光子學中用到的各種光譜8內(nèi)容回顧內(nèi)容回顧光譜儀：棱鏡、光光譜儀：棱鏡、光柵、柵、FT-IR光譜儀光譜儀2.1 光在界面上的反射和折射光在界面上的反射和折射2.2 光的本質波粒二象性光的本質波粒二象性2.3 光子的吸收、發(fā)射和散射光子的吸收、發(fā)射和散射2.4 光波的干涉和衍射光波的干涉和衍射 2.5 分子能級結構與光譜分子能級結構與光譜 2.6 激光與非線性光學激

8、光與非線性光學本本 章章 內(nèi)內(nèi) 容容93、電子能級、電子能級吸收吸收光譜光譜 電子能級吸收用于對樣品的定量分析，如電子能級吸收用于對樣品的定量分析，如紫外紫外-可見光譜儀可見光譜儀測測量電子能級的線性吸收；量電子能級的線性吸收； 線性吸收由線性吸收由Beer-Lambert定律定義定律定義，即一束初始強度為，即一束初始強度為I0頻率為頻率為v的入射光按指數(shù)衰減，即輸出強度的入射光按指數(shù)衰減，即輸出強度I為：為： 系數(shù)系數(shù) (v)和和k(v)的單位為的單位為L mol-1cm-1； (v)比比k(v)更常用，稱為更常用，稱為頻率頻率v處的消光系數(shù)處的消光系數(shù)； b以以cm為單位，是光學路徑長度為

9、單位，是光學路徑長度，定義為光通過吸收介質的路徑，定義為光通過吸收介質的路徑的長度；的長度；2.5 分子能級結構與光譜分子能級結構與光譜 10n線性吸收過程線性吸收過程2.5 分子能級結構與光譜分子能級結構與光譜 11線性吸收由線性吸收由Beer-Lambert定律定義，即一束初始強度為定律定義，即一束初始強度為I0頻頻率為率為v的入射光按指數(shù)衰減，即初始強度的入射光按指數(shù)衰減，即初始強度I為：為：吸收率：吸收率：透射率：透射率：光學密度：光學密度：n另外一些描述吸收衰減的另外一些描述吸收衰減的參量參量：2.5 分子能級結構與光譜分子能級結構與光譜 12T和和OD考慮了光通過介質時由于吸收和散

10、射而造成的總的強度考慮了光通過介質時由于吸收和散射而造成的總的強度損失；如果吸收占主導地位，則損失；如果吸收占主導地位，則OD=A。 電子能級吸收光譜電子能級吸收光譜 典型的吸收光譜表示為典型的吸收光譜表示為T相對于相對于v或或 的曲線，或的曲線，或A相對相對于于v的曲線的曲線; v定義為吸收譜帶最大吸收值一半處的寬帶。定義為吸收譜帶最大吸收值一半處的寬帶。2.5 分子能級結構與光譜分子能級結構與光譜 13吸收光譜的兩種表示吸收光譜的兩種表示 電子能級吸收光譜電子能級吸收光譜 吸收光譜能夠識別發(fā)色團；吸收光譜能夠識別發(fā)色團； 吸收頻率可能與發(fā)色團的環(huán)境有關吸收頻率可能與發(fā)色團的環(huán)境有關； 如果

11、已知發(fā)色團在頻率如果已知發(fā)色團在頻率v處的摩爾消光系數(shù)處的摩爾消光系數(shù) (v)，則可以得到此發(fā)，則可以得到此發(fā)色團的濃度；色團的濃度； 生物介質中可能含有多種已知摩爾消光系數(shù)的吸收性發(fā)色團，通生物介質中可能含有多種已知摩爾消光系數(shù)的吸收性發(fā)色團，通過測量在一系列頻率上的吸收率過測量在一系列頻率上的吸收率A，可以得到各種不同發(fā)色團的，可以得到各種不同發(fā)色團的濃度。濃度。2.5 分子能級結構與光譜分子能級結構與光譜 14n乙醚中葉綠素乙醚中葉綠素a的吸收光譜的吸收光譜2.5 分子能級結構與光譜分子能級結構與光譜 15如圖，在如圖，在650nm處處的吸收與葉綠素的的吸收與葉綠素的綠色對應。因為，綠色

12、對應。因為，紅光的吸收產(chǎn)生綠紅光的吸收產(chǎn)生綠色的透射或散射光色的透射或散射光（補色）。（補色）。nHPPH（光動力療法中的一種藥物）的吸收光譜（光動力療法中的一種藥物）的吸收光譜2.5 分子能級結構與光譜分子能級結構與光譜 164、電子能級、電子能級發(fā)射發(fā)射光譜光譜 研究從一個受激電子能態(tài)向一個較低電子能態(tài)（一般是基態(tài)）躍研究從一個受激電子能態(tài)向一個較低電子能態(tài)（一般是基態(tài)）躍遷而產(chǎn)生的光發(fā)射；遷而產(chǎn)生的光發(fā)射； 室溫下生物分子即有熒光現(xiàn)象；從一個三重受激態(tài)到單重態(tài)的磷室溫下生物分子即有熒光現(xiàn)象；從一個三重受激態(tài)到單重態(tài)的磷光則在室溫下很少觀察到；光則在室溫下很少觀察到； 單光子吸收產(chǎn)生了紅移

13、的熒光譜帶；這種在吸收譜帶的峰值與發(fā)單光子吸收產(chǎn)生了紅移的熒光譜帶；這種在吸收譜帶的峰值與發(fā)射譜帶的峰值之間的偏移稱為射譜帶的峰值之間的偏移稱為Stokes紅移紅移，吸收和發(fā)射光子之間，吸收和發(fā)射光子之間的能量差對應于非輻射過程的能量損失；的能量差對應于非輻射過程的能量損失； Stokes紅移可能由環(huán)境效應造成，也可能是由于發(fā)射光子的受激紅移可能由環(huán)境效應造成，也可能是由于發(fā)射光子的受激態(tài)的結合結構的改變造成的。態(tài)的結合結構的改變造成的。2.5 分子能級結構與光譜分子能級結構與光譜 17n熒光素的吸收和發(fā)射光譜熒光素的吸收和發(fā)射光譜2.5 分子能級結構與光譜分子能級結構與光譜 18 熒光成像是

14、生物光子學中主要的光學生物成像技熒光成像是生物光子學中主要的光學生物成像技術術。 熒光光譜學包括如下特性的研究：熒光光譜學包括如下特性的研究： 熒光光譜技術熒光光譜技術 熒光激發(fā)光譜熒光激發(fā)光譜 熒光壽命熒光壽命 熒光量子產(chǎn)額熒光量子產(chǎn)額 熒光偏振熒光偏振2.5 分子能級結構與光譜分子能級結構與光譜 19 熒光光譜技術熒光光譜技術（發(fā)射光譜）（發(fā)射光譜） 光源：在單光子激發(fā)熒光中常用方便而強大的光源是光源：在單光子激發(fā)熒光中常用方便而強大的光源是激光器，并使用一個寬帶濾波器只讓高于發(fā)射光譜頻激光器，并使用一個寬帶濾波器只讓高于發(fā)射光譜頻率的光通過；率的光通過； 這種情況下所得的熒光叫做這種情況

15、下所得的熒光叫做激光誘導熒光激光誘導熒光（LIF）；）； 探測：作為頻率函數(shù)的熒光強度所成的熒光光譜在一探測：作為頻率函數(shù)的熒光強度所成的熒光光譜在一個包含有一個分光器件的熒光光譜儀中得到；個包含有一個分光器件的熒光光譜儀中得到； 分光器件：光柵、棱鏡。分光器件：光柵、棱鏡。2.5 分子能級結構與光譜分子能級結構與光譜 20 熒光激發(fā)光譜熒光激發(fā)光譜（吸收光譜）（吸收光譜） 激發(fā)光譜給出關于激發(fā)分子到一個產(chǎn)生最大熒光的能激發(fā)光譜給出關于激發(fā)分子到一個產(chǎn)生最大熒光的能態(tài)的信息；態(tài)的信息； 激發(fā)光譜中的極大值對應于產(chǎn)生極大熒光的吸收的光激發(fā)光譜中的極大值對應于產(chǎn)生極大熒光的吸收的光子頻率。子頻率。

16、2.5 分子能級結構與光譜分子能級結構與光譜 21n熒光壽命熒光壽命表示熒光強度的衰減，表示熒光強度的衰減，是指分子受是指分子受到光脈沖激發(fā)后返回基態(tài)之前在激發(fā)態(tài)平均到光脈沖激發(fā)后返回基態(tài)之前在激發(fā)態(tài)平均停留的時間，通常小于停留的時間，通常小于100ns，它主要依賴于，它主要依賴于被測熒光團所處的微環(huán)境變化被測熒光團所處的微環(huán)境變化。/111( )rnrrnrtokkkI tI el熒光壽命熒光壽命2.5 分子能級結構與光譜分子能級結構與光譜 22一個簡單的熒光衰減是單指數(shù)的，即一個簡單的熒光衰減是單指數(shù)的，即( )ktoI tI eI(t)是樣品受到光脈沖激發(fā)后是樣品受到光脈沖激發(fā)后t時刻測

17、量得到的強度，時刻測量得到的強度， I0是是t=0時的時的強度，強度， k為衰減速率常數(shù)為衰減速率常數(shù)kr：輻射衰減常數(shù)：輻射衰減常數(shù)knr：非輻射衰減常數(shù)：非輻射衰減常數(shù)：熒光壽命熒光壽命通過實驗測量并進行單指數(shù)擬合，得到總的通過實驗測量并進行單指數(shù)擬合，得到總的熒光壽命熒光壽命 。n熒光壽命的兩種測量方法：熒光壽命的兩種測量方法：n時域測量：時域測量：也叫脈沖法，它是用高重復頻率超短光脈沖激也叫脈沖法，它是用高重復頻率超短光脈沖激發(fā)樣品，處于激發(fā)態(tài)的熒光分子在退激發(fā)到基態(tài)的過程中發(fā)發(fā)樣品，處于激發(fā)態(tài)的熒光分子在退激發(fā)到基態(tài)的過程中發(fā)射熒光釋放能量，射熒光釋放能量，然后測量熒光然后測量熒光強

18、度強度衰減。衰減。n頻域測量：頻域測量：也叫相位調制也叫相位調制法法，它，它是用強度按正弦規(guī)律調制是用強度按正弦規(guī)律調制的激光激發(fā)樣品，熒光強度也是按正弦調制的，且二者調制的激光激發(fā)樣品，熒光強度也是按正弦調制的，且二者調制頻率相同，通過測量熒光相對于激發(fā)光的相位差及解調系數(shù)頻率相同，通過測量熒光相對于激發(fā)光的相位差及解調系數(shù)來計算熒光壽命值來計算熒光壽命值。l熒光壽命熒光壽命2.5 分子能級結構與光譜分子能級結構與光譜 23 熒光的量子產(chǎn)額熒光的量子產(chǎn)額 熒光的量子產(chǎn)額是發(fā)射光子數(shù)與吸收光子數(shù)比率的一熒光的量子產(chǎn)額是發(fā)射光子數(shù)與吸收光子數(shù)比率的一種量度。在沒有非輻射衰減時，量子產(chǎn)額等于種量度

19、。在沒有非輻射衰減時，量子產(chǎn)額等于1，即激，即激發(fā)態(tài)只以輻射（熒光）過程衰減；發(fā)態(tài)只以輻射（熒光）過程衰減； 定義式：定義式： 熒光的量子產(chǎn)額是測量分子聚合物中熒光團周圍環(huán)境熒光的量子產(chǎn)額是測量分子聚合物中熒光團周圍環(huán)境的最好手段。的最好手段。2.5 分子能級結構與光譜分子能級結構與光譜 24 熒光的偏振熒光的偏振 熒光偏振定義為：熒光偏振定義為： 另一種定義熒光偏振的量叫熒光發(fā)射的另一種定義熒光偏振的量叫熒光發(fā)射的各向異性各向異性r，定，定義為：義為： I/和和I 分別為極化方向與激發(fā)光的極化方向平行和垂直分別為極化方向與激發(fā)光的極化方向平行和垂直的熒光強度。的熒光強度。2.5 分子能級結構

20、與光譜分子能級結構與光譜 255、振動能級光譜、振動能級光譜 振動能級光譜給出振動頻率信息；振動頻率可提供有關振動能級光譜給出振動頻率信息；振動頻率可提供有關化學鍵、鍵角、化學集團的詳細特征描述，可以用來識化學鍵、鍵角、化學集團的詳細特征描述，可以用來識別分子。別分子。 振動能級光譜包括：振動能級光譜包括： 紅外光譜（吸收）紅外光譜（吸收）：吸收吸收一個紅外或遠紅外光子會產(chǎn)生振動躍一個紅外或遠紅外光子會產(chǎn)生振動躍遷；遷； 拉曼光譜（散射）拉曼光譜（散射）：通過拉曼：通過拉曼散射散射產(chǎn)生振動躍遷。產(chǎn)生振動躍遷。 紅外光譜和拉曼光譜是提供振動躍遷和振動能帶信息的互補技紅外光譜和拉曼光譜是提供振動躍

21、遷和振動能帶信息的互補技術。術。nphoton = nvibrationnI ns = nvibration2.5 分子能級結構與光譜分子能級結構與光譜 26 振動能級光譜振動能級光譜 拉曼散射：拉曼散射：入射和散射光子的能量差為分子振動入射和散射光子的能量差為分子振動能級差；能級差； Stokes拉曼散射：拉曼散射：散射光子的頻率低于入射光散射光子的頻率低于入射光子子（vv ） ，分子從低振動能級躍遷到高振動，分子從低振動能級躍遷到高振動能級；能級； 反反Stokes拉曼散射：拉曼散射：散射光子的頻率高于入射散射光子的頻率高于入射光子光子（vv ），分子從較高振動能級躍遷到較，分子從較高振動

22、能級躍遷到較低振動能級；低振動能級；2.5 分子能級結構與光譜分子能級結構與光譜 27 振動能級光譜振動能級光譜 拉曼光譜的拉曼光譜的缺點缺點： 拉曼散射的效率很低：一般來說，在拉曼散射的效率很低：一般來說，在105個光子中，只有一個個光子中，只有一個光子可以產(chǎn)生散射。（因此使用激光作為光源）光子可以產(chǎn)生散射。（因此使用激光作為光源） 拉曼光譜比拉曼光譜比IR光譜的靈敏度低，因而在固態(tài)、液態(tài)或者不含光譜的靈敏度低，因而在固態(tài)、液態(tài)或者不含水的有機分子研究中，經(jīng)常使用水的有機分子研究中，經(jīng)常使用IR光譜來獲得關于結構的詳光譜來獲得關于結構的詳細信息；細信息； 如果被測樣品中具有自體熒光，則熒光信

23、號強度要比如果被測樣品中具有自體熒光，則熒光信號強度要比Raman散射信號大許多數(shù)量級，因而背景熒光會淹沒散射信號大許多數(shù)量級，因而背景熒光會淹沒Raman譜帶。譜帶。2.5 分子能級結構與光譜分子能級結構與光譜 28 振動能級光譜振動能級光譜 拉曼光譜的拉曼光譜的優(yōu)點優(yōu)點（相比于（相比于IR光譜）：光譜）： 生物樣品經(jīng)常存在于水中；水對生物樣品經(jīng)常存在于水中；水對IR的吸收率很大，而拉曼散的吸收率很大，而拉曼散射很小，因此射很小，因此拉曼光譜對于探測水溶液中的生物樣品十分重要拉曼光譜對于探測水溶液中的生物樣品十分重要； 做拉曼散射前，被測樣品無需特殊處理做拉曼散射前，被測樣品無需特殊處理，可

24、直接利用被測樣品，可直接利用被測樣品的自然形態(tài)（液態(tài)、固態(tài)、膠狀）；的自然形態(tài)（液態(tài)、固態(tài)、膠狀）； 由于可見光波段的激光可以聚焦到微米量級大小，因此可以獲由于可見光波段的激光可以聚焦到微米量級大小，因此可以獲得得微米顆粒（比如一個細胞大?。┑睦庾V微米顆粒（比如一個細胞大小）的拉曼光譜； 利用與待測分子最大吸收峰相近的激光，通過利用與待測分子最大吸收峰相近的激光，通過共振增強拉曼散共振增強拉曼散射射，可以選擇性地探測特定的化學片段或亞細胞組分。，可以選擇性地探測特定的化學片段或亞細胞組分。2.5 分子能級結構與光譜分子能級結構與光譜 29 振動能級光譜振動能級光譜 拉曼光譜的拉曼光譜的發(fā)展

25、發(fā)展： 紫外共振紫外共振Raman光譜光譜（230250nm的紫外激發(fā)）；的紫外激發(fā)）； 表面增強表面增強Raman光譜術（光譜術（SERS）：把分子沉淀在精微粗糙的：把分子沉淀在精微粗糙的金屬、金屬膠狀物或金屬納米顆粒的表面，從而增強這種分子金屬、金屬膠狀物或金屬納米顆粒的表面，從而增強這種分子的的Raman躍遷的強度；這種增強可達幾個數(shù)量級，金和銀是躍遷的強度；這種增強可達幾個數(shù)量級，金和銀是增強效果最大的金屬。增強效果最大的金屬。2.5 分子能級結構與光譜分子能級結構與光譜 30n一些化學鍵的典型振動頻率一些化學鍵的典型振動頻率2.5 分子能級結構與光譜分子能級結構與光譜 31振動光譜在

26、生物材料的結構特征識別和相互作用機振動光譜在生物材料的結構特征識別和相互作用機理的探索上有廣泛的應用。理的探索上有廣泛的應用。n固態(tài)的天然胰島素和變性胰島素的拉曼光譜固態(tài)的天然胰島素和變性胰島素的拉曼光譜2.5 分子能級結構與光譜分子能級結構與光譜 32n水化蛋白質膜的典型紅外光譜水化蛋白質膜的典型紅外光譜2.5 分子能級結構與光譜分子能級結構與光譜 336、熒光相關光譜、熒光相關光譜 FCS = Fluorescence Correlation Spectroscopy FCS測量由一個只含少量分子的微體積在兩個不同時刻發(fā)出的熒測量由一個只含少量分子的微體積在兩個不同時刻發(fā)出的熒光強度的相關

27、函數(shù)；光強度的相關函數(shù)； 典型典型FCS的采樣體積是的采樣體積是10-15L，而傳統(tǒng)熒光光譜的采樣體積一般，而傳統(tǒng)熒光光譜的采樣體積一般是是0.11.0mL或者更大；或者更大； FCS測量的熒光強度起伏與發(fā)生在所探測的微體積內(nèi)的動態(tài)過程測量的熒光強度起伏與發(fā)生在所探測的微體積內(nèi)的動態(tài)過程相關聯(lián)；相關聯(lián)； FCS提供由分子擴散和蛋白質提供由分子擴散和蛋白質-配位基結合等動態(tài)過程造成的熒光配位基結合等動態(tài)過程造成的熒光強度變化信息。強度變化信息。2.5 分子能級結構與光譜分子能級結構與光譜 34A 由小分子擴散運動引起的熒光強度起伏B 由擴散性較差的生物多聚物的擴散運動引起的熒光強度起伏n熒光相關

28、光譜熒光相關光譜2.5 分子能級結構與光譜分子能級結構與光譜 35由分子擴散引起的熒光強度起伏與分子的大小有關。由分子擴散引起的熒光強度起伏與分子的大小有關。小分子擴散快，熒光強度起伏也快（圖小分子擴散快，熒光強度起伏也快（圖A A）；相反，）；相反，大分子大分子擴散慢，擴散慢，熒光強度起伏緩慢（圖熒光強度起伏緩慢（圖B B）。）。模擬得到的自由配位基和相應的結合配位基的FCS自相關函數(shù)。中間曲線代表混合物的FCS自相關函數(shù)。n自相關函數(shù)自相關函數(shù)（定量描述熒光強度起伏定量描述熒光強度起伏）2.5 分子能級結構與光譜分子能級結構與光譜 36 如圖給出了一個典型如圖給出了一個典型的自相關函數(shù)的自

29、相關函數(shù)G()關于關于時間間隔時間間隔的曲線。的曲線。 其中其中自由配位基擴散自由配位基擴散速度較快，結合配位基速度較快，結合配位基擴散速度較慢。擴散速度較慢。2.1 光在界面上的反射和折射光在界面上的反射和折射2.2 光的本質波粒二象性光的本質波粒二象性2.3 光子的吸收、發(fā)射和散射光子的吸收、發(fā)射和散射2.4 光波的干涉和衍射光波的干涉和衍射 2.5 分子能級結構與光譜分子能級結構與光譜 2.6 激光與非線性光學激光與非線性光學本本 章章 內(nèi)內(nèi) 容容371、激光（、激光（Laser） 激光激光= 受激輻射光放大受激輻射光放大 Light amplification by stimulate

30、d emission of radiation 激光的歷史可以追溯到激光的歷史可以追溯到1917年，愛因斯坦在其經(jīng)典著作年，愛因斯坦在其經(jīng)典著作關于輻關于輻射的量子理論射的量子理論中第一次提出受激輻射的概念，論證了受激輻射中第一次提出受激輻射的概念，論證了受激輻射、自發(fā)輻射和光吸收之間的關系；、自發(fā)輻射和光吸收之間的關系； 1958年，年，Schallow和和Townes提出在可見光以及紅外光波段實現(xiàn)提出在可見光以及紅外光波段實現(xiàn)激發(fā)諧振的可能；激發(fā)諧振的可能； 1960年，年，Maiman發(fā)明第一臺激光器，發(fā)明第一臺激光器，這是一臺紅寶石激光器，這是一臺紅寶石激光器，在在694.4 nm波長

31、處獲得了波長處獲得了400mJ的相干脈沖光。的相干脈沖光。2.6 激光與非線性光學激光與非線性光學38 激光的特性激光的特性 激光具有與普通光源很不相同的特性，每一種特性都在生物醫(yī)激光具有與普通光源很不相同的特性，每一種特性都在生物醫(yī)學領域具有重要的應用價值：學領域具有重要的應用價值： 單色性好（單波長）單色性好（單波長） 方向性好（空間發(fā)散小）方向性好（空間發(fā)散?。?相干性好相干性好 能量集中能量集中 激光的這些特性不是彼此獨立的，它們相互之間有聯(lián)系；激光的這些特性不是彼此獨立的，它們相互之間有聯(lián)系； 實際上，正是由于激光的受激輻射本質決定了它是一個相干光實際上，正是由于激光的受激輻射本質決

32、定了它是一個相干光源，因此其單色性和方向性好，能量集中。源，因此其單色性和方向性好，能量集中。2.6 激光與非線性光學激光與非線性光學39 激光的原理：激光的原理：受激輻射：處于高能級受激輻射：處于高能級E2的粒子，受到能量等于的粒子，受到能量等于E2-E1的的光子的激發(fā)，發(fā)射出與原來光子頻率、傳播方向、相位光子的激發(fā)，發(fā)射出與原來光子頻率、傳播方向、相位及偏振等完全一樣的光子及偏振等完全一樣的光子；受激輻射及受激吸收同時存在于光輻射與粒子體系，它受激輻射及受激吸收同時存在于光輻射與粒子體系，它們發(fā)生的可能性是同等的，哪一個占主導地位，取決于們發(fā)生的可能性是同等的，哪一個占主導地位，取決于粒子

33、在兩個能級上的分布；粒子在兩個能級上的分布；激光器發(fā)出的激光就是利用受激輻射而實現(xiàn)的，也就是激光器發(fā)出的激光就是利用受激輻射而實現(xiàn)的，也就是在激發(fā)態(tài)的粒子數(shù)盡可能多些，使受激輻射占優(yōu)勢以實在激發(fā)態(tài)的粒子數(shù)盡可能多些，使受激輻射占優(yōu)勢以實現(xiàn)光放大，故產(chǎn)生激光的必要條件是現(xiàn)光放大，故產(chǎn)生激光的必要條件是粒子數(shù)反轉粒子數(shù)反轉。2.6 激光與非線性光學激光與非線性光學40n激光的原理：激光的原理：n泵浦源：泵浦源：將原子由低能級激發(fā)到高能級，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉；將原子由低能級激發(fā)到高能級，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉；n工作物質工作物質是用來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉并產(chǎn)生光的受激輻射放大作用的物是用來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉并產(chǎn)生光的受激

34、輻射放大作用的物質體系（具備亞穩(wěn)態(tài)能級結構）；質體系（具備亞穩(wěn)態(tài)能級結構）；n光學諧振腔：光學諧振腔：選擇頻率一定、方向一致的光作最優(yōu)先的放大，而把選擇頻率一定、方向一致的光作最優(yōu)先的放大，而把其他頻率和方向的光加以抑制。其他頻率和方向的光加以抑制。n光學諧振腔三個重要作用：光學諧振腔三個重要作用：1）為激光振蕩提供光學正反饋，）為激光振蕩提供光學正反饋，2）限制激）限制激光只在光只在n個模式或一個模式上振蕩，個模式或一個模式上振蕩，3）限制激光輸出的方向。限制激光輸出的方向。2.6 激光與非線性光學激光與非線性光學41n激光的原理：激光的原理：n如果增益介質只包含三個能級（稱作如果增益介質只

35、包含三個能級（稱作三能級結構三能級結構），只能產(chǎn)生脈沖），只能產(chǎn)生脈沖激光作用；如果增益介質包含四個能級（稱作激光作用；如果增益介質包含四個能級（稱作四能級結構四能級結構），那它），那它既能產(chǎn)生脈沖激光，也能產(chǎn)生連續(xù)激光既能產(chǎn)生脈沖激光，也能產(chǎn)生連續(xù)激光。2.6 激光與非線性光學激光與非線性光學42包含了原子、離子或分子并以氣包含了原子、離子或分子并以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)存在的增益介質態(tài)、液態(tài)或固態(tài)存在的增益介質泵浦到激發(fā)能級泵浦到激發(fā)能級施加電能或光能施加電能或光能在激發(fā)粒子聚集的能級在激發(fā)粒子聚集的能級 f 和另一個和另一個較低能級較低能級 i 之間建立粒子數(shù)反轉之間建立粒子數(shù)反轉多次往返放大

36、，產(chǎn)生高方向性的受多次往返放大，產(chǎn)生高方向性的受激輻射放大（激光振蕩）激輻射放大（激光振蕩）通過非輻射過程馳豫到低的發(fā)射能級通過非輻射過程馳豫到低的發(fā)射能級f由兩個耦合鏡或一個鏡子和一個波長選擇反射鏡組由兩個耦合鏡或一個鏡子和一個波長選擇反射鏡組成的腔內(nèi)進行增益反饋（通過來回反射來實現(xiàn)）成的腔內(nèi)進行增益反饋（通過來回反射來實現(xiàn)）n激光運轉的過程：激光運轉的過程：2.6 激光與非線性光學激光與非線性光學43 激光在生物醫(yī)學中的應用：激光在生物醫(yī)學中的應用： 用激光新技術研究生命現(xiàn)象和規(guī)律，用激光新技術研究生命現(xiàn)象和規(guī)律，例如：例如： 借助借助激光微束儀激光微束儀把激光束直徑聚焦到把激光束直徑聚焦

37、到0.51 m，用以切割或焊接細胞，研究生物遺傳規(guī)律；用以切割或焊接細胞，研究生物遺傳規(guī)律； 借助借助激光拉曼光譜分析技術激光拉曼光譜分析技術，研究生物大分子的結，研究生物大分子的結構及其變化；構及其變化； 光鑷、雙光子熒光光鑷、雙光子熒光等。等。2.6 激光與非線性光學激光與非線性光學44 激光在生物醫(yī)學中的應用：激光在生物醫(yī)學中的應用： 激光診斷，激光診斷，常用的有：常用的有： 內(nèi)窺鏡在體診斷內(nèi)窺鏡在體診斷，熒光光譜，激光喇曼光譜，激光，熒光光譜，激光喇曼光譜，激光全息，激光散斑分析，激光多普勒測速，激光流動全息，激光散斑分析，激光多普勒測速，激光流動式細胞分析，激光干涉，激光透照和激光偏

38、振技術式細胞分析，激光干涉，激光透照和激光偏振技術等；等； 利用利用紅外吸收光譜儀紅外吸收光譜儀，通過對唇部的測定，能測定，通過對唇部的測定，能測定人血液內(nèi)所存在的元素；人血液內(nèi)所存在的元素； 利用利用激光多普勒測速激光多普勒測速技術測量皮膚、腸粘膜、胃粘技術測量皮膚、腸粘膜、胃粘膜的血流特征，可瞬時或連續(xù)地直接測量光束到達膜的血流特征，可瞬時或連續(xù)地直接測量光束到達之處的組織的毛細血管的血流。之處的組織的毛細血管的血流。2.6 激光與非線性光學激光與非線性光學45 激光在生物醫(yī)學中的應用：激光在生物醫(yī)學中的應用：激光治療，激光治療，已經(jīng)涉及到臨床所有各科，大體可分為已經(jīng)涉及到臨床所有各科，大

39、體可分為激激光手術治療、激光非手術治療和激光光敏治療光手術治療、激光非手術治療和激光光敏治療三類，三類，具有高精度以及感染和失血率小等優(yōu)點，可用計算機具有高精度以及感染和失血率小等優(yōu)點，可用計算機控制激光的強度和方向，從而減少人為過失；例如：控制激光的強度和方向，從而減少人為過失；例如：皮膚手術：除皺、消除紋身、胎記、切除腫瘤和疣以及其他皮膚手術：除皺、消除紋身、胎記、切除腫瘤和疣以及其他類型的贅生物等；類型的贅生物等；治療人眼：矯正視力、治療青光眼以及由糖尿病引起的眼部治療人眼：矯正視力、治療青光眼以及由糖尿病引起的眼部疾??；疾??；其他部位病變的治療：心臟、前列腺、咽喉等，還可以打通其他部位

40、病變的治療：心臟、前列腺、咽喉等，還可以打通堵塞動脈，去除由腫瘤引起的阻塞。堵塞動脈，去除由腫瘤引起的阻塞。2.6 激光與非線性光學激光與非線性光學46 激光器的分類：激光器的分類：基于基于泵浦方式泵浦方式 電泵浦：電能到激光能的直接轉換電泵浦：電能到激光能的直接轉換半導體激光器半導體激光器氬離子激光器氬離子激光器氦氦-氖激光器氖激光器準分子激光器準分子激光器二氧化碳激光器二氧化碳激光器 用燈照明實現(xiàn)光泵浦用燈照明實現(xiàn)光泵浦染料激光器染料激光器摻釹釔鋁石榴石激光器摻釹釔鋁石榴石激光器（Nd：YAG）摻鉺釔鋁石榴石激光器（摻鉺釔鋁石榴石激光器（Er:YAG）紫翠玉激光器紫翠玉激光器2.6 激光與

41、非線性光學激光與非線性光學47 激光器的分類：激光器的分類：基于基于泵浦方式泵浦方式 用其他激光器實現(xiàn)光泵浦用其他激光器實現(xiàn)光泵浦染料激光器染料激光器鈦藍寶石激光器鈦藍寶石激光器 用半導體激光器泵浦固體激光器用半導體激光器泵浦固體激光器Nd:YAG激光器激光器摻釹釩酸鹽激光器摻釹釩酸鹽激光器Er:YAG 激光器激光器 2.6 激光與非線性光學激光與非線性光學48n激光器的分類：激光器的分類：基于基于激光介質激光介質n氣體激光器氣體激光器n二氧化碳激光器二氧化碳激光器n氬離子激光器氬離子激光器n氪離子激光器氪離子激光器n銅蒸汽激光器銅蒸汽激光器n準分子激光器準分子激光器n氮分子激光器氮分子激光器

42、n氦氦- -氖激光器氖激光器n液體激光器液體激光器n染料激光器染料激光器2.6 激光與非線性光學激光與非線性光學49n固體激光器固體激光器n二極管激光器二極管激光器nNd:YAG激光器激光器nEr:YAG激光器激光器n鈦藍寶石激光器鈦藍寶石激光器n摻鈥釔鋁石榴石激光器摻鈥釔鋁石榴石激光器n紫翠玉激光器紫翠玉激光器n氦氦-氖激光器氖激光器n半導體激光器半導體激光器n激光器的分類：激光器的分類：基于基于時間特征時間特征nCW（連續(xù)光）（連續(xù)光）n調制，斬波，門控（調制，斬波，門控（ms- s)n脈沖（脈沖（10-6s， s ）n超脈沖（超脈沖（10-3s，ms；重復脈沖）；重復脈沖）n調調Q（10

43、 9 s，ns）n鎖模鎖模(10 12 s，ps；10 15 s，fs) 2.6 激光與非線性光學激光與非線性光學50常規(guī)脈沖操作常規(guī)脈沖操作調調Q操作操作鎖模操作鎖模操作常規(guī)脈沖操作（自由運作）：常規(guī)脈沖操作（自由運作）：在電泵浦系統(tǒng)中，通過提供合適的泵浦脈沖，電在電泵浦系統(tǒng)中，通過提供合適的泵浦脈沖，電路驅動器產(chǎn)生調制，斬波和門控光束；同樣的技術也被應用于超脈沖激光器中。路驅動器產(chǎn)生調制，斬波和門控光束；同樣的技術也被應用于超脈沖激光器中。調調Q操作：操作：在調在調Q操作中，通過在腔中使用特定的光學元件（稱為調操作中，通過在腔中使用特定的光學元件（稱為調Q器件，器件，它能夠實現(xiàn)低透過率光到

44、高透過率光的切換），控制系統(tǒng)的品質因子它能夠實現(xiàn)低透過率光到高透過率光的切換），控制系統(tǒng)的品質因子Q。鎖模操作：鎖模操作：這一操作中，由于在某個時間段內(nèi)激光腔內(nèi)會隨機形成不同的縱模，這一操作中，由于在某個時間段內(nèi)激光腔內(nèi)會隨機形成不同的縱模，可對這些腔內(nèi)的縱模進行相位鎖定來產(chǎn)生一系列超短脈沖（皮秒到飛秒量級）?？蓪@些腔內(nèi)的縱模進行相位鎖定來產(chǎn)生一系列超短脈沖（皮秒到飛秒量級）。 CW激光激光 vs. 脈沖激光脈沖激光 CW激光：激光：激光輸出連續(xù)，不間斷；激光波長取決于激光介質、腔激光輸出連續(xù)，不間斷；激光波長取決于激光介質、腔反射鏡光譜特性、諧振腔縱模；反射鏡光譜特性、諧振腔縱模； 脈沖激

45、光：脈沖激光：基于某些激光介質，如紅寶石、惰性氣體和鹵素的化合基于某些激光介質，如紅寶石、惰性氣體和鹵素的化合物如物如ArF和和XeCl等維持激光發(fā)射的時間很短；使用各種光柵或者開等維持激光發(fā)射的時間很短；使用各種光柵或者開關技術，可以實現(xiàn)不同的激光脈沖寬度和激光脈沖重復頻率，例如關技術，可以實現(xiàn)不同的激光脈沖寬度和激光脈沖重復頻率，例如用用調調Q技術技術產(chǎn)生納秒級的脈沖，用產(chǎn)生納秒級的脈沖，用鎖模技術鎖模技術產(chǎn)生皮秒級和飛秒級的產(chǎn)生皮秒級和飛秒級的脈沖。脈沖。 鎖模技術得到的脈沖很窄，峰值功率也很高，因此在許多研究領域鎖模技術得到的脈沖很窄，峰值功率也很高，因此在許多研究領域中能發(fā)揮其獨特的

46、作用，如受控核聚變、等離子體物理學、遙控技中能發(fā)揮其獨特的作用，如受控核聚變、等離子體物理學、遙控技術、化學及物理動力學、生物學、光通訊、光雷達、光譜學及非線術、化學及物理動力學、生物學、光通訊、光雷達、光譜學及非線性光學等領域。性光學等領域。2.6 激光與非線性光學激光與非線性光學51 生物光子學常用的激光器：生物光子學常用的激光器：CO2激光器激光器 波長：波長：10.6 m（大多數(shù)情況下使用的，中紅外）（大多數(shù)情況下使用的，中紅外） 激光介質：激光介質：CO2氣體（與氮氣和氦氣混合）氣體（與氮氣和氦氣混合） 激勵方式：電激勵方式：電 應用：非常廣泛應用：非常廣泛 20 W CW：用于組織

47、的汽化及美容：用于組織的汽化及美容 脈沖方式：脈沖方式：500 W的峰值功率，的峰值功率， 20-40 W平均功率，平均功率，調整到合適的功率水平可以用來進行無碳化的組織調整到合適的功率水平可以用來進行無碳化的組織汽化和切割；汽化和切割； 皮膚表面修飾（用脈沖光或超脈沖光）。皮膚表面修飾（用脈沖光或超脈沖光）。2.6 激光與非線性光學激光與非線性光學52 生物光子學常用的激光器：生物光子學常用的激光器：二極管二極管/半導體激光器半導體激光器 波長：波長：400-1,900 nm（ 取決于激光介質）取決于激光介質） 激光介質：激光介質： GaN：400 nm; 5mw, 20mW AlGaAs：

48、800 nm (near IR); 5mw, 50 mW, 4W InGaAs：670 nm (red); 5 mW, 40 mW, 400 mW； 635 nm (bright red); 5 mW 激勵方式：電激勵方式：電 應用：校準光路；低功率激光治療，解除疼痛，愈合創(chuàng)應用：校準光路；低功率激光治療，解除疼痛，愈合創(chuàng)傷；組織切割；對傷；組織切割；對Nd:YAG激光器進行光泵浦（更加緊湊激光器進行光泵浦（更加緊湊和有效）；組織的熱處理等。和有效）；組織的熱處理等。2.6 激光與非線性光學激光與非線性光學53 生物光子學常用的激光器：生物光子學常用的激光器：Nd:YAG激光器激光器 波長：波

49、長：1,064 nm or 1.064 m (最常見最常見) 激光介質：將釹離子擴散在釔鋁石榴石晶體中（激光介質：將釹離子擴散在釔鋁石榴石晶體中（YAG） 激勵方式：照明燈泵浦激勵方式：照明燈泵浦傳統(tǒng)方式；傳統(tǒng)方式； 二極管激光器泵浦二極管激光器泵浦新方式新方式 （耐久緊湊，高效，但昂貴）（耐久緊湊，高效，但昂貴） 應用比較廣泛，包括：應用比較廣泛，包括： 100W CW用于外科（例如前列腺）；用于外科（例如前列腺）； 膀胱腫瘤的凝固和蒸發(fā)。膀胱腫瘤的凝固和蒸發(fā)。2.6 激光與非線性光學激光與非線性光學54 生物光子學常用的激光器：生物光子學常用的激光器：KTP激光器激光器 利用非線性晶體利用

50、非線性晶體KTP對對Nd:YAG激光器進行二倍頻激光器進行二倍頻 波長：波長：1064/2=532 nm 應用：應用： CW的的KTP：眼動脈治療：眼動脈治療 調調Q的的KTP（ns級脈沖）：去除紋身級脈沖）：去除紋身2.6 激光與非線性光學激光與非線性光學55 生物光子學常用的激光器：生物光子學常用的激光器：染料激光器染料激光器 波長：根據(jù)染料的不同在波長：根據(jù)染料的不同在400-800 nm連續(xù)可調連續(xù)可調 激光介質：熒光染料激光介質：熒光染料 激勵方式：脈沖染料激光器，閃光燈，激勵方式：脈沖染料激光器，閃光燈，KTP激光器，準激光器，準分子激光器，分子激光器，CW染料激光器，氬粒子激光器

51、染料激光器，氬粒子激光器 應用：應用： 光動力療法光動力療法 皮膚醫(yī)學皮膚醫(yī)學 眼科學眼科學 血管紊亂，對血管或色素進行選擇性破壞血管紊亂，對血管或色素進行選擇性破壞2.6 激光與非線性光學激光與非線性光學56 生物光子學常用的激光器：生物光子學常用的激光器：氬離子激光器氬離子激光器 波長：波長：488/514.5 nm 激光介質：激光介質：1T大氣壓下的氬氣大氣壓下的氬氣 激勵方式：電激勵方式：電 應用：應用： 眼科學（視網(wǎng)膜脫落）眼科學（視網(wǎng)膜脫落） 生物成像光源生物成像光源 拉曼光譜成像拉曼光譜成像2.6 激光與非線性光學激光與非線性光學57 生物光子學常用的激光器：生物光子學常用的激光

52、器：鈦藍寶石激光器鈦藍寶石激光器 波長：波長：690-1000 nm可調可調 激光介質：摻激光介質：摻Ti3+離子的藍寶石固體（離子的藍寶石固體（Al2O3） 激勵方式：光泵浦（使用氬離子激光器或者倍頻的摻釹激勵方式：光泵浦（使用氬離子激光器或者倍頻的摻釹釔鋁石榴石激光器）釔鋁石榴石激光器） 輸出：輸出：CW，納秒或者飛秒脈沖，典型功率值幾百毫瓦，納秒或者飛秒脈沖，典型功率值幾百毫瓦 應用：應用： 多光子顯微多光子顯微 多光子光動力療法多光子光動力療法 組織外形修復，組織消融組織外形修復，組織消融2.6 激光與非線性光學激光與非線性光學58 激光小結激光小結 激光器三個主要的組成部分：激光器三

53、個主要的組成部分： 激活物質：被激勵后能發(fā)生粒子數(shù)反轉的工作物質，也稱做激激活物質：被激勵后能發(fā)生粒子數(shù)反轉的工作物質，也稱做激光光工作物質工作物質； 激勵裝置激勵裝置：能使激活介質發(fā)生粒子數(shù)反轉分布的能源；：能使激活介質發(fā)生粒子數(shù)反轉分布的能源； 光學諧振腔光學諧振腔：使光子在其中重復振蕩并多次被放大。：使光子在其中重復振蕩并多次被放大。 產(chǎn)生激光的過程可歸納為：產(chǎn)生激光的過程可歸納為： 激勵激勵激活介質（即工作物質）粒子數(shù)反轉激活介質（即工作物質）粒子數(shù)反轉被激勵后的工作被激勵后的工作物質中偶然發(fā)出的自發(fā)輻射物質中偶然發(fā)出的自發(fā)輻射其它粒子的受激輻射其它粒子的受激輻射光子放大光子放大光子振

54、蕩及光子放大光子振蕩及光子放大激光產(chǎn)生。激光產(chǎn)生。2.6 激光與非線性光學激光與非線性光學592、強激光束中的非線性光學過程、強激光束中的非線性光學過程線性光學：線性光學：光束在空間或介質中的傳播是彼此獨立的；光束在空間或介質中的傳播是彼此獨立的；干涉、折射和衍射等效應會改變傳播方向和空間分布，但不改變干涉、折射和衍射等效應會改變傳播方向和空間分布，但不改變頻率；頻率；介質的主要光學參數(shù)如折射率、吸收系數(shù)等只與入射光頻率和偏介質的主要光學參數(shù)如折射率、吸收系數(shù)等只與入射光頻率和偏振方向有關，而與光強無關。振方向有關，而與光強無關。非線性光學：非線性光學：光束經(jīng)過交叉區(qū)域，強度與相位會發(fā)生光束經(jīng)

55、過交叉區(qū)域，強度與相位會發(fā)生傳遞傳遞；入射到介質中的光束有入射到介質中的光束有新頻率新頻率產(chǎn)生，強度發(fā)生變化；產(chǎn)生，強度發(fā)生變化；介質的主要光學參數(shù)與介質的主要光學參數(shù)與光強光強有關。有關。2.6 激光與非線性光學激光與非線性光學60 強激光束中的非線性光學過程強激光束中的非線性光學過程 非線性光學效應非線性光學效應的定義：凡物質對于外加電磁場的響的定義：凡物質對于外加電磁場的響應不是外加電磁場振幅的線性函數(shù)的光學現(xiàn)象。應不是外加電磁場振幅的線性函數(shù)的光學現(xiàn)象。 當光強度很高時，比如激光，尤其是超短脈沖激光，當光強度很高時，比如激光，尤其是超短脈沖激光，就會發(fā)生非線性光學效應，極化率就會發(fā)生非

56、線性光學效應，極化率 與電場不再成線與電場不再成線性關系，而是取決于電場性關系，而是取決于電場高次方高次方的大小。的大小。2.6 激光與非線性光學激光與非線性光學61 非線性光學的物理原理非線性光學的物理原理 在入射光的作用下，光電場所感應的電極化強度與入射光場的關系在入射光的作用下，光電場所感應的電極化強度與入射光場的關系式為：式為： 上式中，上式中， 為極化率張量，由于為極化率張量，由于 與與 相比要小相比要小的多。因此，當光電場很小時，由二階和三階張量引起的非線性效的多。因此，當光電場很小時，由二階和三階張量引起的非線性效應處于測量靈敏度之下而未被發(fā)現(xiàn)，此時只需考慮一階極化即線性應處于測

57、量靈敏度之下而未被發(fā)現(xiàn)，此時只需考慮一階極化即線性效應（吸收、折射與色散特性）；效應（吸收、折射與色散特性）； 由于激光可以產(chǎn)生很強的光電場，因而可以觀察到光的各階非線性由于激光可以產(chǎn)生很強的光電場，因而可以觀察到光的各階非線性現(xiàn)象?，F(xiàn)象。(1)(2)(3),) 1 (2.6 激光與非線性光學激光與非線性光學62(2)(3), 光的各階非線性效應光的各階非線性效應 二階非線性效應二階非線性效應（與（與 有關）：有關）： 倍頻倍頻/二次諧波二次諧波(SHG)，和頻，和頻(SFG)，差頻，差頻(DFG)，光學參量放大，光學參量放大(OPA)，光學參量振蕩，光學參量振蕩(OPO)等；等； 三階非線性

58、效應三階非線性效應（與（與 有關）：有關）： 三倍頻三倍頻/三次諧波三次諧波(THG)，飽和吸收，飽和吸收(SA)，雙光子吸收，雙光子吸收(TPA)，自聚，自聚焦焦(SF)，米克爾效應，米克爾效應(OK)，受激拉曼散射，受激拉曼散射(SRS)，受激布里淵散射，受激布里淵散射(SBS)，相干反斯托克斯散射，相干反斯托克斯散射(CARS)，四波混頻，四波混頻(DFWM)等；等； 高階非線性效應高階非線性效應)2()3(2.6 激光與非線性光學激光與非線性光學63二次諧波生成（SHG）；SHG 過程（左），能級描述（右） n二階非線性效應與光強度平方成正比二階非線性效應與光強度平方成正比，二次諧波產(chǎn)

59、生（二次諧波產(chǎn)生（SHG）是其中）是其中一個重要的例子，即頻率為一個重要的例子，即頻率為v的輸入光束會產(chǎn)生頻率為的輸入光束會產(chǎn)生頻率為2v的新光束，的新光束，但是在此過程中介質既不吸收能量，也不發(fā)射能量（非共振的）；但是在此過程中介質既不吸收能量，也不發(fā)射能量（非共振的）；n如果介質具有二階效應，那它一定是非中心對稱的（不是非晶態(tài)的固如果介質具有二階效應，那它一定是非中心對稱的（不是非晶態(tài)的固體或者液體）。體或者液體）。n二次諧波產(chǎn)生或倍頻二次諧波產(chǎn)生或倍頻2.6 激光與非線性光學激光與非線性光學64二次諧波生成（二次諧波生成（SHG）；）；SHG過程（左），能級描述（右）過程（左），能級描述

60、（右）Sum Frequency Generationh nigimediumE(nE(nnh nh (nn)E(nNew output beamSum frequency generationin a medium Energy level descriptionInput beamsn合頻產(chǎn)生合頻產(chǎn)生D ifference Frequency G enerationm ediumE (nE (n nE (nN ew output beamD ifference frequency generationin a m edium E nergy level descriptionInput b