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)演示文稿當(dāng)前第1頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)優(yōu)選生物光子學(xué)光子學(xué)與光譜學(xué)基礎(chǔ)當(dāng)前第2頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)第2章光子學(xué)與光譜學(xué)基礎(chǔ)當(dāng)前第3頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)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(shí)，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(shí)，光線(xiàn)會(huì)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(dòng)效應(yīng)，有一部分光的能量會(huì)穿過(guò)界面滲透到溶液中，是一種非均勻波，叫做消逝波，也稱(chēng)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(gè)波長(zhǎng)。——全內(nèi)反射熒光顯微術(shù)內(nèi)容回顧4當(dāng)前第4頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)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(dòng)形式傳播的，由振動(dòng)的電波和磁波組成的電磁波，同時(shí)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(dòng)說(shuō)來(lái)解釋?zhuān)彩桥c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(shuō)來(lái)解釋?zhuān)徊▌?dòng)性參量（波長(zhǎng)、頻率、相位、速度）粒子性參量（能量、動(dòng)量）內(nèi)容回顧5當(dāng)前第5頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)光波的干涉和衍射光的相干性：時(shí)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(dòng)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(guò)小孔和狹縫，或聚焦于尺寸與光波長(zhǎng)相近的斑點(diǎn)時(shí)，光彎折和擴(kuò)散等衍射現(xiàn)象就會(huì)發(fā)生。相長(zhǎng)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(guò)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(guò)程用愛(ài)因斯坦（Einstein）模型描述。當(dāng)前第6頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)物質(zhì)的“波粒二象性”內(nèi)容回顧7波長(zhǎng)（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(dòng)能動(dòng)量p=mv由經(jīng)典牛頓力學(xué)描述的平動(dòng)能量當(dāng)前第7頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)分子的能級(jí)結(jié)構(gòu)：電子和振動(dòng)能級(jí)（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(guò)程：有機(jī)分子的各種輻射和非輻射過(guò)程常用Jablonski能級(jí)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：系間竄躍熒光磷光當(dāng)前第8頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)光譜電子在兩個(gè)能級(jí)間的躍遷與振動(dòng)耦合分子振動(dòng)同時(shí)包含電子能級(jí)和振動(dòng)能級(jí)改變的電子振動(dòng)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(gè)可見(jiàn)光頻域的光子從而導(dǎo)致振動(dòng)能態(tài)的改變紅外吸收吸收一個(gè)紅外或遠(yuǎn)紅外光子從而從一個(gè)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光譜儀當(dāng)前第9頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)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(jí)結(jié)構(gòu)與光譜2.6激光與非線(xiàn)性光學(xué)本章內(nèi)容10當(dāng)前第10頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)3、電子能級(jí)吸收光譜電子能級(jí)吸收用于對(duì)樣品的定量分析，如紫外-可見(jiàn)光譜儀——測(cè)量電子能級(jí)的線(xiàn)性吸收；線(xiàn)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L(zhǎng)mol-1cm-1；(v)比k(v)更常用，稱(chēng)為頻率v處的消光系數(shù)；b以cm為單位，是光學(xué)路徑長(zhǎng)度，定義為光通過(guò)吸收介質(zhì)的路徑的長(zhǎng)度；2.5分子能級(jí)結(jié)構(gòu)與光譜11當(dāng)前第11頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)線(xiàn)性吸收過(guò)程2.5分子能級(jí)結(jié)構(gòu)與光譜12線(xiàn)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：當(dāng)前第12頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)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(jí)結(jié)構(gòu)與光譜13T和OD考慮了光通過(guò)介質(zhì)時(shí)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。當(dāng)前第13頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)電子能級(jí)吸收光譜典型的吸收光譜表示為T(mén)相對(duì)于v或的曲線(xiàn)，或A相對(duì)于v的曲線(xiàn);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(jí)結(jié)構(gòu)與光譜14吸收光譜的兩種表示當(dāng)前第14頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)電子能級(jí)吸收光譜吸收光譜能夠識(shí)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(guò)測(cè)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(jí)結(jié)構(gòu)與光譜15當(dāng)前第15頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)乙醚中葉綠素a的吸收光譜2.5分子能級(jí)結(jié)構(gòu)與光譜16如圖，在650nm處的吸收與葉綠素的綠色對(duì)應(yīng)。因?yàn)椋t光的吸收產(chǎn)生綠色的透射或散射光（補(bǔ)色）。當(dāng)前第16頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)HPPH（光動(dòng)力療法中的一種藥物）的吸收光譜2.5分子能級(jí)結(jié)構(gòu)與光譜17當(dāng)前第17頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)4、電子能級(jí)發(fā)射光譜研究從一個(gè)受激電子能態(tài)向一個(gè)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(gè)三重受激態(tài)到單重態(tài)的磷光則在室溫下很少觀(guān)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(chēng)為Stokes紅移，吸收和發(fā)射光子之間的能量差對(duì)應(yīng)于非輻射過(guò)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?cè)斐傻摹?.5分子能級(jí)結(jié)構(gòu)與光譜18當(dāng)前第18頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)熒光素的吸收和發(fā)射光譜2.5分子能級(jí)結(jié)構(gòu)與光譜19當(dāng)前第19頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)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(jí)結(jié)構(gòu)與光譜20當(dāng)前第20頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)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(gè)寬帶濾波器只讓高于發(fā)射光譜頻率的光通過(guò)；這種情況下所得的熒光叫做激光誘導(dǎo)熒光（LIF）；探測(cè)：作為頻率函數(shù)的熒光強(qiáng)度所成的熒光光譜在一個(gè)包含有一個(gè)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(jí)結(jié)構(gòu)與光譜21當(dāng)前第21頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)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(gè)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(duì)應(yīng)于產(chǎn)生極大熒光的吸收的光子頻率。2.5分子能級(jí)結(jié)構(gòu)與光譜22當(dāng)前第22頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)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(shí)間，通常小于100ns，它主要依賴(lài)于被測(cè)熒光團(tuán)所處的微環(huán)境變化。熒光壽命2.5分子能級(jí)結(jié)構(gòu)與光譜23一個(gè)簡(jiǎn)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(shí)刻測(cè)量得到的強(qiáng)度，I0是t=0時(shí)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(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量并進(jìn)行單指數(shù)擬合，得到總的熒光壽命τ。當(dāng)前第23頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)熒光壽命的兩種測(cè)量方法：時(shí)域測(cè)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(guò)程中發(fā)射熒光釋放能量，然后測(cè)量熒光強(qiáng)度衰減。頻域測(cè)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(guò)測(cè)量熒光相對(duì)于激發(fā)光的相位差及解調(diào)系數(shù)來(lái)計(jì)算熒光壽命值。熒光壽命2.5分子能級(jí)結(jié)構(gòu)與光譜24當(dāng)前第24頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)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(méi)有非輻射衰減時(shí)，量子產(chǎn)額等于1，即激發(fā)態(tài)只以輻射（熒光）過(guò)程衰減；定義式：熒光的量子產(chǎn)額是測(cè)量分子聚合物中熒光團(tuán)周?chē)h(huán)境的最好手段。2.5分子能級(jí)結(jié)構(gòu)與光譜25當(dāng)前第25頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)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(jí)結(jié)構(gòu)與光譜26當(dāng)前第26頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)5、振動(dòng)能級(jí)光譜振動(dòng)能級(jí)光譜給出振動(dòng)頻率信息；振動(dòng)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(lái)識(shí)別分子。振動(dòng)能級(jí)光譜包括：紅外光譜（吸收）：吸收一個(gè)紅外或遠(yuǎn)紅外光子會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)躍遷；拉曼光譜（散射）：通過(guò)拉曼散射產(chǎn)生振動(dòng)躍遷。紅外光譜和拉曼光譜是提供振動(dòng)躍遷和振動(dòng)能帶信息的互補(bǔ)技術(shù)。nphoton

=

nvibrationnI–ns=nvibration2.5分子能級(jí)結(jié)構(gòu)與光譜27當(dāng)前第27頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)振動(dòng)能級(jí)光譜拉曼散射：入射和散射光子的能量差為分子振動(dòng)能級(jí)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(dòng)能級(jí)躍遷到高振動(dòng)能級(jí)；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(dòng)能級(jí)躍遷到較低振動(dòng)能級(jí)；2.5分子能級(jí)結(jié)構(gòu)與光譜28當(dāng)前第28頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)振動(dòng)能級(jí)光譜拉曼光譜的缺點(diǎn)：拉曼散射的效率很低：一般來(lái)說(shuō)，在105個(gè)光子中，只有一個(gè)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(lái)獲得關(guān)于結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息；如果被測(cè)樣品中具有自體熒光，則熒光信號(hào)強(qiáng)度要比Raman散射信號(hào)大許多數(shù)量級(jí)，因而背景熒光會(huì)淹沒(méi)Raman譜帶。2.5分子能級(jí)結(jié)構(gòu)與光譜29當(dāng)前第29頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)振動(dòng)能級(jí)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(duì)IR的吸收率很大，而拉曼散射很小，因此拉曼光譜對(duì)于探測(cè)水溶液中的生物樣品十分重要；做拉曼散射前，被測(cè)樣品無(wú)需特殊處理，可直接利用被測(cè)樣品的自然形態(tài)（液態(tài)、固態(tài)、膠狀）；由于可見(jiàn)光波段的激光可以聚焦到微米量級(jí)大小，因此可以獲得微米顆粒（比如一個(gè)細(xì)胞大?。┑睦庾V；利用與待測(cè)分子最大吸收峰相近的激光，通過(guò)共振增強(qiáng)拉曼散射，可以選擇性地探測(cè)特定的化學(xué)片段或亞細(xì)胞組分。2.5分子能級(jí)結(jié)構(gòu)與光譜30當(dāng)前第30頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)振動(dòng)能級(jí)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(gè)數(shù)量級(jí)，金和銀是增強(qiáng)效果最大的金屬。2.5分子能級(jí)結(jié)構(gòu)與光譜31當(dāng)前第31頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)一些化學(xué)鍵的典型振動(dòng)頻率2.5分子能級(jí)結(jié)構(gòu)與光譜32振動(dòng)光譜在生物材料的結(jié)構(gòu)特征識(shí)別和相互作用機(jī)理的探索上有廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前第32頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)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(jí)結(jié)構(gòu)與光譜33當(dāng)前第33頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)水化蛋白質(zhì)膜的典型紅外光譜2.5分子能級(jí)結(jié)構(gòu)與光譜34當(dāng)前第34頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)6、熒光相關(guān)光譜FCS=FluorescenceCorrelationSpectroscopyFCS測(cè)量由一個(gè)只含少量分子的微體積在兩個(gè)不同時(shí)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(cè)量的熒光強(qiáng)度起伏與發(fā)生在所探測(cè)的微體積內(nèi)的動(dòng)態(tài)過(guò)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(dòng)態(tài)過(guò)程造成的熒光強(qiáng)度變化信息。2.5分子能級(jí)結(jié)構(gòu)與光譜35當(dāng)前第35頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)A由小分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)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(dòng)引起的熒光強(qiáng)度起伏熒光相關(guān)光譜2.5分子能級(jí)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）。當(dāng)前第36頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)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(xiàn)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(jí)結(jié)構(gòu)與光譜37如圖給出了一個(gè)典型的自相關(guān)函數(shù)G(τ)關(guān)于時(shí)間間隔τ的曲線(xiàn)。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。當(dāng)前第37頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)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(jí)結(jié)構(gòu)與光譜2.6激光與非線(xiàn)性光學(xué)本章內(nèi)容38當(dāng)前第38頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)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(ài)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(jiàn)光以及紅外光波段實(shí)現(xiàn)激發(fā)諧振的可能；1960年，Maiman發(fā)明第一臺(tái)激光器，這是一臺(tái)紅寶石激光器，在694.4nm波長(zhǎng)處獲得了400mJ的相干脈沖光。2.6激光與非線(xiàn)性光學(xué)39當(dāng)前第39頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)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(jià)值：?jiǎn)紊院茫▎尾ㄩL(zhǎng)）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(shí)際上，正是由于激光的受激輻射本質(zhì)決定了它是一個(gè)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(xiàn)性光學(xué)40當(dāng)前第40頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)激光的原理：受激輻射：處于高能級(jí)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(lái)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(shí)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(gè)占主導(dǎo)地位，取決于粒子在兩個(gè)能級(jí)上的分布；激光器發(fā)出的激光就是利用受激輻射而實(shí)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(shì)以實(shí)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(xiàn)性光學(xué)41當(dāng)前第41頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)激光的原理：泵浦源：將原子由低能級(jí)激發(fā)到高能級(jí)，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；工作物質(zhì)是用來(lái)實(shí)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(jí)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(gè)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(gè)模式或一個(gè)模式上振蕩，3）限制激光輸出的方向。2.6激光與非線(xiàn)性光學(xué)42當(dāng)前第42頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)激光的原理：如果增益介質(zhì)只包含三個(gè)能級(jí)（稱(chēng)作三能級(jí)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(gè)能級(jí)（稱(chēng)作四能級(jí)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(xiàn)性光學(xué)43當(dāng)前第43頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)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(jí)施加電能或光能在激發(fā)粒子聚集的能級(jí)f和另一個(gè)較低能級(jí)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(guò)非輻射過(guò)程馳豫到低的發(fā)射能級(jí)f由兩個(gè)耦合鏡或一個(gè)鏡子和一個(gè)波長(zhǎng)選擇反射鏡組成的腔內(nèi)進(jìn)行增益反饋（通過(guò)來(lái)回反射來(lái)實(shí)現(xiàn)）激光運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程：2.6激光與非線(xiàn)性光學(xué)44當(dāng)前第44頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)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(xiàn)性光學(xué)45當(dāng)前第45頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)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(cè)速，激光流動(dòng)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(guò)對(duì)唇部的測(cè)定，能測(cè)定人血液內(nèi)所存在的元素；利用激光多普勒測(cè)速技術(shù)測(cè)量皮膚、腸粘膜、胃粘膜的血流特征，可瞬時(shí)或連續(xù)地直接測(cè)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(xiàn)性光學(xué)46當(dāng)前第46頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)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(lèi)，具有高精度以及感染和失血率小等優(yōu)點(diǎn)，可用計(jì)算機(jī)控制激光的強(qiáng)度和方向，從而減少人為過(guò)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(lèi)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(dòng)脈，去除由腫瘤引起的阻塞。2.6激光與非線(xiàn)性光學(xué)47當(dāng)前第47頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)激光器的分類(lèi)：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(shí)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(xiàn)性光學(xué)48當(dāng)前第48頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)激光器的分類(lèi)：基于泵浦方式用其他激光器實(shí)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(xiàn)性光學(xué)49當(dāng)前第49頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)激光器的分類(lèi)：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(xiàn)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)體激光器當(dāng)前第50頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)激光器的分類(lèi)：基于時(shí)間特征CW（連續(xù)光）調(diào)制，斬波，門(mén)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(xiàn)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(guò)提供合適的泵浦脈沖，電路驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生調(diào)制，斬波和門(mén)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(guò)在腔中使用特定的光學(xué)元件（稱(chēng)為調(diào)Q器件，它能夠?qū)崿F(xiàn)低透過(guò)率光到高透過(guò)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(gè)時(shí)間段內(nèi)激光腔內(nèi)會(huì)隨機(jī)形成不同的縱模，可對(duì)這些腔內(nèi)的縱模進(jìn)行相位鎖定來(lái)產(chǎn)生一系列超短脈沖（皮秒到飛秒量級(jí)）。當(dāng)前第51頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)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(zhǎng)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(shí)間很短；使用各種光柵或者開(kāi)關(guān)技術(shù)，可以實(shí)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(jí)的脈沖，用鎖模技術(shù)產(chǎn)生皮秒級(jí)和飛秒級(jí)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(dòng)力學(xué)、生物學(xué)、光通訊、光雷達(dá)、光譜學(xué)及非線(xiàn)性光學(xué)等領(lǐng)域。2.6激光與非線(xiàn)性光學(xué)52當(dāng)前第52頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)生物光子學(xué)常用的激光器：CO2激光器波長(zhǎng)：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┘?lì)方式：電應(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(lái)進(jìn)行無(wú)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(xiàn)性光學(xué)53當(dāng)前第53頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)生物光子學(xué)常用的激光器：二極管/半導(dǎo)體激光器波長(zhǎng)：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(lì)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(duì)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(xiàn)性光學(xué)54當(dāng)前第54頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)生物光子學(xué)常用的激光器：Nd:YAG激光器波長(zhǎng)：1,064nmor1.064m(最常見(jiàn))激光介質(zhì)：將釹離子擴(kuò)散在釔鋁石榴石晶體中（YAG）激勵(lì)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(xiàn)性光學(xué)55當(dāng)前第55頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)生物光子學(xué)常用的激光器：KTP激光器利用非線(xiàn)性晶體KTP對(duì)Nd:YAG激光器進(jìn)行二倍頻波長(zhǎng)：1064/2=532nm應(yīng)用：CW的KTP：眼動(dòng)脈治療調(diào)Q的KTP（ns級(jí)脈沖）：去除紋身2.6激光與非線(xiàn)性光學(xué)56當(dāng)前第56頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)生物光子學(xué)常用的激光器：染料激光器波長(zhǎng)：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(lì)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(dòng)力療法皮膚醫(yī)學(xué)眼科學(xué)血管紊亂，對(duì)血管或色素進(jìn)行選擇性破壞2.6激光與非線(xiàn)性光學(xué)57當(dāng)前第57頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)生物光子學(xué)常用的激光器：氬離子激光器波長(zhǎng)：488/514.5nm激光介質(zhì)：1T大氣壓下的氬氣激勵(lì)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(xiàn)性光學(xué)58當(dāng)前第58頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)生物光子學(xué)常用的激光器：鈦藍(lán)寶石激光器波長(zhǎng)：690-1000nm可調(diào)激光介質(zhì)：摻Ti3+離子的藍(lán)寶石固體（Al2O3）激勵(lì)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(dòng)力療法組織外形修復(fù)，組織消融2.6激光與非線(xiàn)性光學(xué)59當(dāng)前第59頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)激光小結(jié)激光器三個(gè)主要的組成部分：激活物質(zhì)：被激勵(lì)后能發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)，也稱(chēng)做激光工作物質(zhì)；激勵(lì)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(guò)程可歸納為：激勵(lì)→激活介質(zhì)（即工作物質(zhì)）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)→被激勵(lì)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(xiàn)性光學(xué)60當(dāng)前第60頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)2、強(qiáng)激光束中的非線(xiàn)性光學(xué)過(guò)程線(xiàn)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(huì)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(wú)關(guān)。非線(xiàn)性光學(xué)：光束經(jīng)過(guò)交叉區(qū)域，強(qiáng)度與相位會(huì)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(xiàn)性光學(xué)61當(dāng)前第61頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)強(qiáng)激光束中的非線(xiàn)性光學(xué)過(guò)程非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)的定義：凡物質(zhì)對(duì)于外加電磁場(chǎng)的響應(yīng)不是外加電磁場(chǎng)振幅的線(xiàn)性函數(shù)的光學(xué)現(xiàn)象。當(dāng)光強(qiáng)度很高時(shí)，比如激光，尤其是超短脈沖激光，就會(huì)發(fā)生非線(xiàn)性光學(xué)效應(yīng)，極化率與電場(chǎng)不再成線(xiàn)性關(guān)系，而是取決于電場(chǎng)高次方的大小。2.6激光與非線(xiàn)性光學(xué)62當(dāng)前第62頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)非線(xiàn)性光學(xué)的物理原理在入射光的作用下，光電場(chǎng)所感應(yīng)的電極化強(qiáng)度與入射光場(chǎng)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(chǎng)很小時(shí)，由二階和三階張量引起的非線(xiàn)性效應(yīng)處于測(cè)量靈敏度之下而未被發(fā)現(xiàn)，此時(shí)只需考慮一階極化即線(xiàn)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(chǎng)，因而可以觀(guān)察到光的各階非線(xiàn)性現(xiàn)象。2.6激光與非線(xiàn)性光學(xué)63當(dāng)前第63頁(yè)\共有72頁(yè)\編于星期四\19點(diǎn)光的各階非線(xiàn)性效應(yīng)二階非線(xiàn)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(xiàn)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(SBS