生物光子學(xué)光子學(xué)與光譜學(xué)基礎(chǔ)演示文稿

生物光子學(xué)光子學(xué)與光譜學(xué)基礎(chǔ)演示文稿現(xiàn)在是1頁\一共有72頁\編輯于星期三優(yōu)選生物光子學(xué)光子學(xué)與光譜學(xué)基礎(chǔ)現(xiàn)在是2頁\一共有72頁\編輯于星期三第2章光子學(xué)與光譜學(xué)基礎(chǔ)現(xiàn)在是3頁\一共有72頁\編輯于星期三光在界面上的反射和折射：分別遵從反射定律和Snell定律；當(dāng)光從光密（折射率大）介質(zhì)入射到光疏（折射率?。┙橘|(zhì)的界面時，發(fā)生光的部分反射和折射現(xiàn)象；當(dāng)入射角大于臨界角時，光線會停止進(jìn)入光疏介質(zhì)，而全部反射回光密介質(zhì)，即發(fā)生全反射?！饫w若光疏介質(zhì)是溶液，由于波動效應(yīng)，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，也稱隱失波或倏逝波。其在第二介質(zhì)中的有效進(jìn)入深度約為一個波長。——全內(nèi)反射熒光顯微術(shù)內(nèi)容回顧4現(xiàn)在是4頁\一共有72頁\編輯于星期三光的本質(zhì)——波粒二象性；光是一種能在真空和介質(zhì)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；凡是與光的傳播有關(guān)的各種現(xiàn)象，如衍射、干涉和偏振，必須用波動說來解釋，凡是與光和物質(zhì)相互作用有關(guān)的各種現(xiàn)象，如物質(zhì)的光吸收與發(fā)射、光電效應(yīng)和光散射（康普頓效應(yīng)），都必須用光子說來解釋；波動性參量（波長、頻率、相位、速度）粒子性參量（能量、動量）內(nèi)容回顧5現(xiàn)在是5頁\一共有72頁\編輯于星期三光波的干涉和衍射光的相干性：時間相干性、空間相干性產(chǎn)生干涉條件：只有兩列光波的頻率相同，位相差恒定，振動方向一致的相干光源，才能產(chǎn)生光的干涉。當(dāng)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(diǎn)時，光彎折和擴(kuò)散等衍射現(xiàn)象就會發(fā)生。相長干涉產(chǎn)生亮紋，相消干涉產(chǎn)生暗紋。內(nèi)容回顧6光子的吸收、發(fā)射和散射；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；光子的吸收和發(fā)射過程用愛因斯坦（Einstein）模型描述。現(xiàn)在是6頁\一共有72頁\編輯于星期三物質(zhì)的“波粒二象性”內(nèi)容回顧7波長（deBroglie波）h=Planck常數(shù)由Schr?dinger方程的解得出的量子化能量物質(zhì)

粒子行為似波行為動能動量p=mv由經(jīng)典牛頓力學(xué)描述的平動能量現(xiàn)在是7頁\一共有72頁\編輯于星期三分子的能級結(jié)構(gòu)：電子和振動能級（量子化）在生物光子學(xué)中有重要的作用激發(fā)態(tài)的躍遷過程：有機(jī)分子的各種輻射和非輻射過程常用Jablonski能級圖描述；內(nèi)容回顧8S2S1T1S0EFluorescencePhosphorescenceVibrationalRelaxationVibrationalRelaxationICICISCISCAbsorption單重態(tài)：S0，S1，S2三重態(tài)：T1IC：內(nèi)轉(zhuǎn)化ISC：系間竄躍熒光磷光現(xiàn)在是8頁\一共有72頁\編輯于星期三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(dǎo)致振動能態(tài)的改變紅外吸收吸收一個紅外或遠(yuǎn)紅外光子從而從一個低能態(tài)躍遷到高能態(tài)生物光子學(xué)中用到的各種光譜9內(nèi)容回顧光譜儀：棱鏡、光柵、FT-IR光譜儀現(xiàn)在是9頁\一共有72頁\編輯于星期三2.1光在界面上的反射和折射2.2光的本質(zhì)－波粒二象性2.3光子的吸收、發(fā)射和散射2.4光波的干涉和衍射2.5分子能級結(jié)構(gòu)與光譜2.6激光與非線性光學(xué)本章內(nèi)容10現(xiàn)在是10頁\一共有72頁\編輯于星期三3、電子能級吸收光譜電子能級吸收用于對樣品的定量分析，如紫外-可見光譜儀——測量電子能級的線性吸收；線性吸收由Beer-Lambert定律定義，即一束初始強(qiáng)度為I0頻率為v的入射光按指數(shù)衰減，即輸出強(qiáng)度I為：系數(shù)(v)和k(v)的單位為Lmol-1cm-1；(v)比k(v)更常用，稱為頻率v處的消光系數(shù)；b以cm為單位，是光學(xué)路徑長度，定義為光通過吸收介質(zhì)的路徑的長度；2.5分子能級結(jié)構(gòu)與光譜11現(xiàn)在是11頁\一共有72頁\編輯于星期三線性吸收過程2.5分子能級結(jié)構(gòu)與光譜12線性吸收由Beer-Lambert定律定義，即一束初始強(qiáng)度為I0頻率為v的入射光按指數(shù)衰減，即初始強(qiáng)度I為：現(xiàn)在是12頁\一共有72頁\編輯于星期三吸收率：透射率：光學(xué)密度：另外一些描述吸收衰減的參量：2.5分子能級結(jié)構(gòu)與光譜13T和OD考慮了光通過介質(zhì)時由于吸收和散射而造成的總的強(qiáng)度損失；如果吸收占主導(dǎo)地位，則OD=A?，F(xiàn)在是13頁\一共有72頁\編輯于星期三電子能級吸收光譜典型的吸收光譜表示為T相對于v或的曲線，或A相對于v的曲線;v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(jié)構(gòu)與光譜14吸收光譜的兩種表示現(xiàn)在是14頁\一共有72頁\編輯于星期三電子能級吸收光譜吸收光譜能夠識別發(fā)色團(tuán)；吸收頻率可能與發(fā)色團(tuán)的環(huán)境有關(guān)；如果已知發(fā)色團(tuán)在頻率v處的摩爾消光系數(shù)(v)，則可以得到此發(fā)色團(tuán)的濃度；生物介質(zhì)中可能含有多種已知摩爾消光系數(shù)的吸收性發(fā)色團(tuán)，通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(tuán)的濃度。2.5分子能級結(jié)構(gòu)與光譜15現(xiàn)在是15頁\一共有72頁\編輯于星期三乙醚中葉綠素a的吸收光譜2.5分子能級結(jié)構(gòu)與光譜16如圖，在650nm處的吸收與葉綠素的綠色對應(yīng)。因為，紅光的吸收產(chǎn)生綠色的透射或散射光（補(bǔ)色）?，F(xiàn)在是16頁\一共有72頁\編輯于星期三HPPH（光動力療法中的一種藥物）的吸收光譜2.5分子能級結(jié)構(gòu)與光譜17現(xiàn)在是17頁\一共有72頁\編輯于星期三4、電子能級發(fā)射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)的磷光則在室溫下很少觀察到；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Stokes紅移，吸收和發(fā)射光子之間的能量差對應(yīng)于非輻射過程的能量損失；Stokes紅移可能由環(huán)境效應(yīng)造成，也可能是由于發(fā)射光子的受激態(tài)的結(jié)合結(jié)構(gòu)的改變造成的。2.5分子能級結(jié)構(gòu)與光譜18現(xiàn)在是18頁\一共有72頁\編輯于星期三熒光素的吸收和發(fā)射光譜2.5分子能級結(jié)構(gòu)與光譜19現(xiàn)在是19頁\一共有72頁\編輯于星期三熒光成像是生物光子學(xué)中主要的光學(xué)生物成像技術(shù)。熒光光譜學(xué)包括如下特性的研究：熒光光譜技術(shù)熒光激發(fā)光譜熒光壽命熒光量子產(chǎn)額熒光偏振2.5分子能級結(jié)構(gòu)與光譜20現(xiàn)在是20頁\一共有72頁\編輯于星期三熒光光譜技術(shù)（發(fā)射光譜）光源：在單光子激發(fā)熒光中常用方便而強(qiáng)大的光源是激光器，并使用一個寬帶濾波器只讓高于發(fā)射光譜頻率的光通過；這種情況下所得的熒光叫做激光誘導(dǎo)熒光（LIF）；探測：作為頻率函數(shù)的熒光強(qiáng)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；分光器件：光柵、棱鏡。2.5分子能級結(jié)構(gòu)與光譜21現(xiàn)在是21頁\一共有72頁\編輯于星期三熒光激發(fā)光譜（吸收光譜）激發(fā)光譜給出關(guān)于激發(fā)分子到一個產(chǎn)生最大熒光的能態(tài)的信息；激發(fā)光譜中的極大值對應(yīng)于產(chǎn)生極大熒光的吸收的光子頻率。2.5分子能級結(jié)構(gòu)與光譜22現(xiàn)在是22頁\一共有72頁\編輯于星期三熒光壽命表示熒光強(qiáng)度的衰減，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)平均停留的時間，通常小于100ns，它主要依賴于被測熒光團(tuán)所處的微環(huán)境變化。熒光壽命2.5分子能級結(jié)構(gòu)與光譜23一個簡單的熒光衰減是單指數(shù)的，即I(t)是樣品受到光脈沖激發(fā)后t時刻測量得到的強(qiáng)度，I0是t=0時的強(qiáng)度，k為衰減速率常數(shù)kr：輻射衰減常數(shù)knr：非輻射衰減常數(shù)τ：熒光壽命通過實驗測量并進(jìn)行單指數(shù)擬合，得到總的熒光壽命τ?，F(xiàn)在是23頁\一共有72頁\編輯于星期三熒光壽命的兩種測量方法：時域測量：也叫脈沖法，它是用高重復(fù)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)射熒光釋放能量，然后測量熒光強(qiáng)度衰減。頻域測量：也叫相位調(diào)制法，它是用強(qiáng)度按正弦規(guī)律調(diào)制的激光激發(fā)樣品，熒光強(qiáng)度也是按正弦調(diào)制的，且二者調(diào)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(diào)系數(shù)來計算熒光壽命值。熒光壽命2.5分子能級結(jié)構(gòu)與光譜24現(xiàn)在是24頁\一共有72頁\編輯于星期三熒光的量子產(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)比率的一種量度。在沒有非輻射衰減時，量子產(chǎn)額等于1，即激發(fā)態(tài)只以輻射（熒光）過程衰減；定義式：熒光的量子產(chǎn)額是測量分子聚合物中熒光團(tuán)周圍環(huán)境的最好手段。2.5分子能級結(jié)構(gòu)與光譜25現(xiàn)在是25頁\一共有72頁\編輯于星期三熒光的偏振熒光偏振定義為：另一種定義熒光偏振的量叫熒光發(fā)射的各向異性r，定義為：I//和I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(qiáng)度。2.5分子能級結(jié)構(gòu)與光譜26現(xiàn)在是26頁\一共有72頁\編輯于星期三5、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(guān)化學(xué)鍵、鍵角、化學(xué)集團(tuán)的詳細(xì)特征描述，可以用來識別分子。振動能級光譜包括：紅外光譜（吸收）：吸收一個紅外或遠(yuǎn)紅外光子會產(chǎn)生振動躍遷；拉曼光譜（散射）：通過拉曼散射產(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(bǔ)技術(shù)。nphoton

=

nvibrationnI–ns=nvibration2.5分子能級結(jié)構(gòu)與光譜27現(xiàn)在是27頁\一共有72頁\編輯于星期三振動能級光譜拉曼散射：入射和散射光子的能量差為分子振動能級差；Stokes拉曼散射：散射光子的頻率低于入射光子（v>v）

，分子從低振動能級躍遷到高振動能級；反Stokes拉曼散射：散射光子的頻率高于入射光子（v<v），分子從較高振動能級躍遷到較低振動能級；2.5分子能級結(jié)構(gòu)與光譜28現(xiàn)在是28頁\一共有72頁\編輯于星期三振動能級光譜拉曼光譜的缺點(diǎn)：拉曼散射的效率很低：一般來說，在105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）拉曼光譜比IR光譜的靈敏度低，因而在固態(tài)、液態(tài)或者不含水的有機(jī)分子研究中，經(jīng)常使用IR光譜來獲得關(guān)于結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息；如果被測樣品中具有自體熒光，則熒光信號強(qiáng)度要比Raman散射信號大許多數(shù)量級，因而背景熒光會淹沒Raman譜帶。2.5分子能級結(jié)構(gòu)與光譜29現(xiàn)在是29頁\一共有72頁\編輯于星期三振動能級光譜拉曼光譜的優(yōu)點(diǎn)（相比于IR光譜）：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；做拉曼散射前，被測樣品無需特殊處理，可直接利用被測樣品的自然形態(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，因此可以獲得微米顆粒（比如一個細(xì)胞大?。┑睦庾V；利用與待測分子最大吸收峰相近的激光，通過共振增強(qiáng)拉曼散射，可以選擇性地探測特定的化學(xué)片段或亞細(xì)胞組分。2.5分子能級結(jié)構(gòu)與光譜30現(xiàn)在是30頁\一共有72頁\編輯于星期三振動能級光譜拉曼光譜的發(fā)展：紫外共振Raman光譜（230~250nm的紫外激發(fā)）；表面增強(qiáng)Raman光譜術(shù)（SERS）：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(qiáng)這種分子的Raman躍遷的強(qiáng)度；這種增強(qiáng)可達(dá)幾個數(shù)量級，金和銀是增強(qiáng)效果最大的金屬。2.5分子能級結(jié)構(gòu)與光譜31現(xiàn)在是31頁\一共有72頁\編輯于星期三一些化學(xué)鍵的典型振動頻率2.5分子能級結(jié)構(gòu)與光譜32振動光譜在生物材料的結(jié)構(gòu)特征識別和相互作用機(jī)理的探索上有廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在是32頁\一共有72頁\編輯于星期三固態(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(jié)構(gòu)與光譜33現(xiàn)在是33頁\一共有72頁\編輯于星期三水化蛋白質(zhì)膜的典型紅外光譜2.5分子能級結(jié)構(gòu)與光譜34現(xiàn)在是34頁\一共有72頁\編輯于星期三6、熒光相關(guān)光譜FCS=FluorescenceCorrelationSpectroscopyFCS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(qiáng)度的相關(guān)函數(shù)；典型FCS的采樣體積是10-15L，而傳統(tǒng)熒光光譜的采樣體積一般是0.1~1.0mL或者更大；FCS測量的熒光強(qiáng)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(guān)聯(lián)；FCS提供由分子擴(kuò)散和蛋白質(zhì)-配位基結(jié)合等動態(tài)過程造成的熒光強(qiáng)度變化信息。2.5分子能級結(jié)構(gòu)與光譜35現(xiàn)在是35頁\一共有72頁\編輯于星期三A由小分子擴(kuò)散運(yùn)動引起的熒光強(qiáng)度起伏B由擴(kuò)散性較差的生物多聚物的擴(kuò)散運(yùn)動引起的熒光強(qiáng)度起伏熒光相關(guān)光譜2.5分子能級結(jié)構(gòu)與光譜36由分子擴(kuò)散引起的熒光強(qiáng)度起伏與分子的大小有關(guān)。小分子擴(kuò)散快，熒光強(qiáng)度起伏也快（圖A）；相反，大分子擴(kuò)散慢，熒光強(qiáng)度起伏緩慢（圖B）?，F(xiàn)在是36頁\一共有72頁\編輯于星期三模擬得到的自由配位基和相應(yīng)的結(jié)合配位基的FCS自相關(guān)函數(shù)。中間曲線代表混合物的FCS自相關(guān)函數(shù)。自相關(guān)函數(shù)（定量描述熒光強(qiáng)度起伏）2.5分子能級結(jié)構(gòu)與光譜37如圖給出了一個典型的自相關(guān)函數(shù)G(τ)關(guān)于時間間隔τ的曲線。其中自由配位基擴(kuò)散速度較快，結(jié)合配位基擴(kuò)散速度較慢?，F(xiàn)在是37頁\一共有72頁\編輯于星期三2.1光在界面上的反射和折射2.2光的本質(zhì)－波粒二象性2.3光子的吸收、發(fā)射和散射2.4光波的干涉和衍射2.5分子能級結(jié)構(gòu)與光譜2.6激光與非線性光學(xué)本章內(nèi)容38現(xiàn)在是38頁\一共有72頁\編輯于星期三1、激光（Laser）激光=受激輻射光放大

Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation激光的歷史可以追溯到1917年，愛因斯坦在其經(jīng)典著作《關(guān)于輻射的量子理論》中第一次提出受激輻射的概念，論證了受激輻射、自發(fā)輻射和光吸收之間的關(guān)系；1958年，Schallow和Townes提出在可見光以及紅外光波段實現(xiàn)激發(fā)諧振的可能；1960年，Maiman發(fā)明第一臺激光器，這是一臺紅寶石激光器，在694.4nm波長處獲得了400mJ的相干脈沖光。2.6激光與非線性光學(xué)39現(xiàn)在是39頁\一共有72頁\編輯于星期三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)學(xué)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值：單色性好（單波長）方向性好（空間發(fā)散?。┫喔尚院媚芰考屑す獾倪@些特性不是彼此獨(dú)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(zhì)決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。2.6激光與非線性光學(xué)40現(xiàn)在是40頁\一共有72頁\編輯于星期三激光的原理：受激輻射：處于高能級E2的粒子，受到能量等于E2-E1的光子的激發(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；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(dǎo)地位，取決于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粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。2.6激光與非線性光學(xué)41現(xiàn)在是41頁\一共有72頁\編輯于星期三激光的原理：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(zhuǎn)；工作物質(zhì)是用來實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生光的受激輻射放大作用的物質(zhì)體系（具備亞穩(wěn)態(tài)能級結(jié)構(gòu)）；光學(xué)諧振腔：選擇頻率一定、方向一致的光作最優(yōu)先的放大，而把其他頻率和方向的光加以抑制。光學(xué)諧振腔三個重要作用：1）為激光振蕩提供光學(xué)正反饋，2）限制激光只在n個模式或一個模式上振蕩，3）限制激光輸出的方向。2.6激光與非線性光學(xué)42現(xiàn)在是42頁\一共有72頁\編輯于星期三激光的原理：如果增益介質(zhì)只包含三個能級（稱作三能級結(jié)構(gòu)），只能產(chǎn)生脈沖激光作用；如果增益介質(zhì)包含四個能級（稱作四能級結(jié)構(gòu)），那它既能產(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(xué)43現(xiàn)在是43頁\一共有72頁\編輯于星期三包含了原子、離子或分子并以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)存在的增益介質(zhì)泵浦到激發(fā)能級施加電能或光能在激發(fā)粒子聚集的能級f和另一個較低能級i之間建立粒子數(shù)反轉(zhuǎn)多次往返放大，產(chǎn)生高方向性的受激輻射放大（激光振蕩）通過非輻射過程馳豫到低的發(fā)射能級f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(jìn)行增益反饋（通過來回反射來實現(xiàn)）激光運(yùn)轉(zhuǎn)的過程：2.6激光與非線性光學(xué)44現(xiàn)在是44頁\一共有72頁\編輯于星期三激光在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用：用激光新技術(shù)研究生命現(xiàn)象和規(guī)律，例如：借助激光微束儀把激光束直徑聚焦到0.5～1m，用以切割或焊接細(xì)胞，研究生物遺傳規(guī)律；借助激光拉曼光譜分析技術(shù)，研究生物大分子的結(jié)構(gòu)及其變化；光鑷、雙光子熒光等。2.6激光與非線性光學(xué)45現(xiàn)在是45頁\一共有72頁\編輯于星期三激光在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用：激光診斷，常用的有：內(nèi)窺鏡在體診斷，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，激光流動式細(xì)胞分析，激光干涉，激光透照和激光偏振技術(shù)等；利用紅外吸收光譜儀，通過對唇部的測定，能測定人血液內(nèi)所存在的元素；利用激光多普勒測速技術(shù)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(dá)之處的組織的毛細(xì)血管的血流。2.6激光與非線性光學(xué)46現(xiàn)在是46頁\一共有72頁\編輯于星期三激光在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用：激光治療，已經(jīng)涉及到臨床所有各科，大體可分為激光手術(shù)治療、激光非手術(shù)治療和激光光敏治療三類，具有高精度以及感染和失血率小等優(yōu)點(diǎn)，可用計算機(jī)控制激光的強(qiáng)度和方向，從而減少人為過失；例如：皮膚手術(shù)：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；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??；其他部位病變的治療：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。2.6激光與非線性光學(xué)47現(xiàn)在是47頁\一共有72頁\編輯于星期三激光器的分類：基于泵浦方式電泵浦：電能到激光能的直接轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體激光器氬離子激光器氦-氖激光器準(zhǔn)分子激光器二氧化碳激光器用燈照明實現(xiàn)光泵浦染料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（Er:YAG）紫翠玉激光器2.6激光與非線性光學(xué)48現(xiàn)在是48頁\一共有72頁\編輯于星期三激光器的分類：基于泵浦方式用其他激光器實現(xiàn)光泵浦染料激光器鈦藍(lán)寶石激光器用半導(dǎo)體激光器泵浦固體激光器Nd:YAG激光器摻釹釩酸鹽激光器Er:YAG激光器2.6激光與非線性光學(xué)49現(xiàn)在是49頁\一共有72頁\編輯于星期三激光器的分類：基于激光介質(zhì)氣體激光器二氧化碳激光器氬離子激光器氪離子激光器銅蒸汽激光器準(zhǔn)分子激光器氮分子激光器氦-氖激光器液體激光器染料激光器2.6激光與非線性光學(xué)50固體激光器二極管激光器Nd:YAG激光器Er:YAG激光器鈦藍(lán)寶石激光器摻鈥釔鋁石榴石激光器紫翠玉激光器氦-氖激光器半導(dǎo)體激光器現(xiàn)在是50頁\一共有72頁\編輯于星期三激光器的分類：基于時間特征CW（連續(xù)光）調(diào)制，斬波，門控（ms-s)脈沖（10-6s，s）超脈沖（10-3s，ms；重復(fù)脈沖）調(diào)Q（10?9s，ns）鎖模(10?12s，ps；10?15s，fs)2.6激光與非線性光學(xué)51常規(guī)脈沖操作調(diào)Q操作鎖模操作常規(guī)脈沖操作（自由運(yùn)作）：在電泵浦系統(tǒng)中，通過提供合適的泵浦脈沖，電路驅(qū)動器產(chǎn)生調(diào)制，斬波和門控光束；同樣的技術(shù)也被應(yīng)用于超脈沖激光器中。調(diào)Q操作：在調(diào)Q操作中，通過在腔中使用特定的光學(xué)元件（稱為調(diào)Q器件，它能夠?qū)崿F(xiàn)低透過率光到高透過率光的切換），控制系統(tǒng)的品質(zhì)因子Q。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(jī)形成不同的縱模，可對這些腔內(nèi)的縱模進(jìn)行相位鎖定來產(chǎn)生一系列超短脈沖（皮秒到飛秒量級）?，F(xiàn)在是51頁\一共有72頁\編輯于星期三CW激光vs.脈沖激光CW激光：激光輸出連續(xù)，不間斷；激光波長取決于激光介質(zhì)、腔反射鏡光譜特性、諧振腔縱模；脈沖激光：基于某些激光介質(zhì)，如紅寶石、惰性氣體和鹵素的化合物如ArF和XeCl等維持激光發(fā)射的時間很短；使用各種光柵或者開關(guān)技術(shù)，可以實現(xiàn)不同的激光脈沖寬度和激光脈沖重復(fù)頻率，例如用調(diào)Q技術(shù)產(chǎn)生納秒級的脈沖，用鎖模技術(shù)產(chǎn)生皮秒級和飛秒級的脈沖。鎖模技術(shù)得到的脈沖很窄，峰值功率也很高，因此在許多研究領(lǐng)域中能發(fā)揮其獨(dú)特的作用，如受控核聚變、等離子體物理學(xué)、遙控技術(shù)、化學(xué)及物理動力學(xué)、生物學(xué)、光通訊、光雷達(dá)、光譜學(xué)及非線性光學(xué)等領(lǐng)域。2.6激光與非線性光學(xué)52現(xiàn)在是52頁\一共有72頁\編輯于星期三生物光子學(xué)常用的激光器：CO2激光器波長：10.6m（大多數(shù)情況下使用的，中紅外）激光介質(zhì)：CO2氣體（與氮?dú)夂秃饣旌希┘罘绞剑弘姂?yīng)用：非常廣泛20WCW：用于組織的汽化及美容脈沖方式：500W的峰值功率，20-40W平均功率，調(diào)整到合適的功率水平可以用來進(jìn)行無碳化的組織汽化和切割；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(xué)53現(xiàn)在是53頁\一共有72頁\編輯于星期三生物光子學(xué)常用的激光器：二極管/半導(dǎo)體激光器波長：400-1,900nm（取決于激光介質(zhì)）激光介質(zhì)：GaN：~400nm;5mw,20mWAlGaAs：~800nm(nearIR);5mw,50mW,4WInGaAs：~670nm(red);5mW,40mW,400mW；

~635nm(brightred);5mW激勵方式：電應(yīng)用：校準(zhǔn)光路；低功率激光治療，解除疼痛，愈合創(chuàng)傷；組織切割；對Nd:YAG激光器進(jìn)行光泵浦（更加緊湊和有效）；組織的熱處理等。2.6激光與非線性光學(xué)54現(xiàn)在是54頁\一共有72頁\編輯于星期三生物光子學(xué)常用的激光器：Nd:YAG激光器波長：1,064nmor1.064m(最常見)激光介質(zhì)：將釹離子擴(kuò)散在釔鋁石榴石晶體中（YAG）激勵方式：照明燈泵浦——傳統(tǒng)方式；二極管激光器泵浦——新方式（耐久緊湊，高效，但昂貴）應(yīng)用比較廣泛，包括：100WCW用于外科（例如前列腺）；膀胱腫瘤的凝固和蒸發(fā)。2.6激光與非線性光學(xué)55現(xiàn)在是55頁\一共有72頁\編輯于星期三生物光子學(xué)常用的激光器：KTP激光器利用非線性晶體KTP對Nd:YAG激光器進(jìn)行二倍頻波長：1064/2=532nm應(yīng)用：CW的KTP：眼動脈治療調(diào)Q的KTP（ns級脈沖）：去除紋身2.6激光與非線性光學(xué)56現(xiàn)在是56頁\一共有72頁\編輯于星期三生物光子學(xué)常用的激光器：染料激光器波長：根據(jù)染料的不同在400-800nm連續(xù)可調(diào)激光介質(zhì)：熒光染料激勵方式：脈沖染料激光器，閃光燈，KTP激光器，準(zhǔn)分子激光器，CW染料激光器，氬粒子激光器應(yīng)用：光動力療法皮膚醫(yī)學(xué)眼科學(xué)血管紊亂，對血管或色素進(jìn)行選擇性破壞2.6激光與非線性光學(xué)57現(xiàn)在是57頁\一共有72頁\編輯于星期三生物光子學(xué)常用的激光器：氬離子激光器波長：488/514.5nm激光介質(zhì)：1T大氣壓下的氬氣激勵方式：電應(yīng)用：眼科學(xué)（視網(wǎng)膜脫落）生物成像光源拉曼光譜成像2.6激光與非線性光學(xué)58現(xiàn)在是58頁\一共有72頁\編輯于星期三生物光子學(xué)常用的激光器：鈦藍(lán)寶石激光器波長：690-1000nm可調(diào)激光介質(zhì)：摻Ti3+離子的藍(lán)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釔鋁石榴石激光器）輸出：CW，納秒或者飛秒脈沖，典型功率值幾百毫瓦應(yīng)用：多光子顯微多光子光動力療法組織外形修復(fù)，組織消融2.6激光與非線性光學(xué)59現(xiàn)在是59頁\一共有72頁\編輯于星期三激光小結(jié)激光器三個主要的組成部分：激活物質(zhì)：被激勵后能發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)，也稱做激光工作物質(zhì)；激勵裝置：能使激活介質(zhì)發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的能源；光學(xué)諧振腔：使光子在其中重復(fù)振蕩并多次被放大。產(chǎn)生激光的過程可歸納為：激勵→激活介質(zhì)（即工作物質(zhì)）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)→被激勵后的工作物質(zhì)中偶然發(fā)出的自發(fā)輻射→其它粒子的受激輻射→光子放大→光子振蕩及光子放大→激光產(chǎn)生。2.6激光與非線性光學(xué)60現(xiàn)在是60頁\一共有72頁\編輯于星期三2、強(qiáng)激光束中的非線性光學(xué)過程線性光學(xué)：光束在空間或介質(zhì)中的傳播是彼此獨(dú)立的；干涉、折射和衍射等效應(yīng)會改變傳播方向和空間分布，但不改變頻率；介質(zhì)的主要光學(xué)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(guān)，而與光強(qiáng)無關(guān)。非線性光學(xué)：光束經(jīng)過交叉區(qū)域，強(qiáng)度與相位會發(fā)生傳遞；入射到介質(zhì)中的光束有新頻率產(chǎn)生，強(qiáng)度發(fā)生變化；介質(zhì)的主要光學(xué)參數(shù)與光強(qiáng)有關(guān)。2.6激光與非線性光學(xué)61現(xiàn)在是61頁\一共有72頁\編輯于星期三強(qiáng)激光束中的非線性光學(xué)過程非線性光學(xué)效應(yīng)的定義：凡物質(zhì)對于外加電磁場的響應(yīng)不是外加電磁場振幅的線性函數(shù)的光學(xué)現(xiàn)象。當(dāng)光強(qiáng)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(xué)效應(yīng)，極化率與電場不再成線性關(guān)系，而是取決于電場高次方的大小。2.6激光與非線性光學(xué)62現(xiàn)在是62頁\一共有72頁\編輯于星期三非線性光學(xué)的物理原理在入射光的作用下，光電場所感應(yīng)的電極化強(qiáng)度與入射光場的關(guān)系式為：上式中，為極化率張量，由于與相比要小的多。因此，當(dāng)光電場很小時，由二階和三階張量引起的非線性效應(yīng)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效應(yīng)（吸收、折射與色散特性）；由于激光可以產(chǎn)生很強(qiáng)的光電場，因而可以觀察到光的各階非線性現(xiàn)象。2.6激光與非線性光學(xué)63現(xiàn)在是63頁\一共有72頁\編輯于星期三光的各階非線性效應(yīng)二階非線性效應(yīng)（與有關(guān)）：倍頻/二次諧波(SHG)，和頻(SFG)，差頻(DFG)，光學(xué)參量放大(OPA)，光學(xué)參量振蕩(OPO)等；三階非線性效應(yīng)（與有關(guān)）：三倍頻/三次諧波(THG)，飽和吸收(SA)，雙光子吸收(TPA)，自聚焦(SF)，米克爾效應(yīng)(OK)，受激拉曼散射(SRS)，受激布里淵散射