生物光子學光子學與光譜學基礎演示文稿

生物光子學光子學與光譜學基礎演示文稿當前第1頁\共有72頁\編于星期四\19點優(yōu)選生物光子學光子學與光譜學基礎當前第2頁\共有72頁\編于星期四\19點第2章光子學與光譜學基礎當前第3頁\共有72頁\編于星期四\19點光在界面上的反射和折射：分別遵從反射定律和Snell定律；當光從光密（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；當入射角大于臨界角時，光線會停止進入光疏介質(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，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)中的有效進入深度約為一個波長?！珒?nèi)反射熒光顯微術內(nèi)容回顧4當前第4頁\共有72頁\編于星期四\19點光的本質(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)相互作用有關的各種現(xiàn)象，如物質(zhì)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當前第5頁\共有72頁\編于星期四\19點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。當前第6頁\共有72頁\編于星期四\19點物質(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)典牛頓力學描述的平動能量當前第7頁\共有72頁\編于星期四\19點分子的能級結構：電子和振動能級（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：有機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)轉化ISC：系間竄躍熒光磷光當前第8頁\共有72頁\編于星期四\19點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)生物光子學中用到的各種光譜9內(nèi)容回顧光譜儀：棱鏡、光柵、FT-IR光譜儀當前第9頁\共有72頁\編于星期四\19點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分子能級結構與光譜2.6激光與非線性光學本章內(nèi)容10當前第10頁\共有72頁\編于星期四\19點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，即一束初始強度為I0頻率為v的入射光按指數(shù)衰減，即輸出強度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分子能級結構與光譜11當前第11頁\共有72頁\編于星期四\19點線性吸收過程2.5分子能級結構與光譜12線性吸收由Beer-Lambert定律定義，即一束初始強度為I0頻率為v的入射光按指數(shù)衰減，即初始強度I為：當前第12頁\共有72頁\編于星期四\19點吸收率：透射率：光學密度：另外一些描述吸收衰減的參量：2.5分子能級結構與光譜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度損失；如果吸收占主導地位，則OD=A。當前第13頁\共有72頁\編于星期四\19點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分子能級結構與光譜14吸收光譜的兩種表示當前第14頁\共有72頁\編于星期四\19點電子能級吸收光譜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；如果已知發(fā)色團在頻率v處的摩爾消光系數(shù)(v)，則可以得到此發(fā)色團的濃度；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，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)色團的濃度。2.5分子能級結構與光譜15當前第15頁\共有72頁\編于星期四\19點乙醚中葉綠素a的吸收光譜2.5分子能級結構與光譜16如圖，在650nm處的吸收與葉綠素的綠色對應。因為，紅光的吸收產(chǎn)生綠色的透射或散射光（補色）。當前第16頁\共有72頁\編于星期四\19點HPPH（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17當前第17頁\共有72頁\編于星期四\19點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)射光子的受激態(tài)的結合結構的改變造成的。2.5分子能級結構與光譜18當前第18頁\共有72頁\編于星期四\19點熒光素的吸收和發(fā)射光譜2.5分子能級結構與光譜19當前第19頁\共有72頁\編于星期四\19點熒光成像是生物光子學中主要的光學生物成像技術。熒光光譜學包括如下特性的研究：熒光光譜技術熒光激發(fā)光譜熒光壽命熒光量子產(chǎn)額熒光偏振2.5分子能級結構與光譜20當前第20頁\共有72頁\編于星期四\19點熒光光譜技術（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分子能級結構與光譜21當前第21頁\共有72頁\編于星期四\19點熒光激發(fā)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子頻率。2.5分子能級結構與光譜22當前第22頁\共有72頁\編于星期四\19點熒光壽命表示熒光強度的衰減，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所處的微環(huán)境變化。熒光壽命2.5分子能級結構與光譜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時刻測量得到的強度，I0是t=0時的強度，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行單指數(shù)擬合，得到總的熒光壽命τ。當前第23頁\共有72頁\編于星期四\19點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，然后測量熒光強度衰減。頻域測量：也叫相位調(diào)制法，它是用強度按正弦規(guī)律調(diào)制的激光激發(fā)樣品，熒光強度也是按正弦調(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分子能級結構與光譜24當前第24頁\共有72頁\編于星期四\19點熒光的量子產(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周圍環(huán)境的最好手段。2.5分子能級結構與光譜25當前第25頁\共有72頁\編于星期四\19點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度。2.5分子能級結構與光譜26當前第26頁\共有72頁\編于星期四\19點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化學鍵、鍵角、化學集團的詳細特征描述，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技術。nphoton

=

nvibrationnI–ns=nvibration2.5分子能級結構與光譜27當前第27頁\共有72頁\編于星期四\19點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分子能級結構與光譜28當前第28頁\共有72頁\編于星期四\19點振動能級光譜拉曼光譜的缺點：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)或者不含水的有機分子研究中，經(jīng)常使用IR光譜來獲得關于結構的詳細信息；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Raman譜帶。2.5分子能級結構與光譜29當前第29頁\共有72頁\編于星期四\19點振動能級光譜拉曼光譜的優(yōu)點（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，通過共振增強拉曼散射，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30當前第30頁\共有72頁\編于星期四\19點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Raman光譜術（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，從而增強這種分子的Raman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。2.5分子能級結構與光譜31當前第31頁\共有72頁\編于星期四\19點一些化學鍵的典型振動頻率2.5分子能級結構與光譜32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。當前第32頁\共有72頁\編于星期四\19點固態(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33當前第33頁\共有72頁\編于星期四\19點水化蛋白質(zhì)膜的典型紅外光譜2.5分子能級結構與光譜34當前第34頁\共有72頁\編于星期四\19點6、熒光相關光譜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)出的熒光強度的相關函數(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)；FCS提供由分子擴散和蛋白質(zhì)-配位基結合等動態(tài)過程造成的熒光強度變化信息。2.5分子能級結構與光譜35當前第35頁\共有72頁\編于星期四\19點A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熒光相關光譜2.5分子能級結構與光譜36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A）；相反，大分子擴散慢，熒光強度起伏緩慢（圖B）。當前第36頁\共有72頁\編于星期四\19點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)。自相關函數(shù)（定量描述熒光強度起伏）2.5分子能級結構與光譜37如圖給出了一個典型的自相關函數(shù)G(τ)關于時間間隔τ的曲線。其中自由配位基擴散速度較快，結合配位基擴散速度較慢。當前第37頁\共有72頁\編于星期四\19點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分子能級結構與光譜2.6激光與非線性光學本章內(nèi)容38當前第38頁\共有72頁\編于星期四\19點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39當前第39頁\共有72頁\編于星期四\19點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)學領域具有重要的應用價值：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40當前第40頁\共有72頁\編于星期四\19點激光的原理：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。2.6激光與非線性光學41當前第41頁\共有72頁\編于星期四\19點激光的原理：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；工作物質(zhì)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質(zhì)體系（具備亞穩(wěn)態(tài)能級結構）；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，而把其他頻率和方向的光加以抑制。光學諧振腔三個重要作用：1）為激光振蕩提供光學正反饋，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42當前第42頁\共有72頁\編于星期四\19點激光的原理：如果增益介質(zhì)只包含三個能級（稱作三能級結構），只能產(chǎn)生脈沖激光作用；如果增益介質(zhì)包含四個能級（稱作四能級結構），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43當前第43頁\共有72頁\編于星期四\19點包含了原子、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)進行增益反饋（通過來回反射來實現(xiàn)）激光運轉的過程：2.6激光與非線性光學44當前第44頁\共有72頁\編于星期四\19點激光在生物醫(yī)學中的應用：用激光新技術研究生命現(xiàn)象和規(guī)律，例如：借助激光微束儀把激光束直徑聚焦到0.5～1m，用以切割或焊接細胞，研究生物遺傳規(guī)律；借助激光拉曼光譜分析技術，研究生物大分子的結構及其變化；光鑷、雙光子熒光等。2.6激光與非線性光學45當前第45頁\共有72頁\編于星期四\19點激光在生物醫(yī)學中的應用：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，激光流動式細胞分析，激光干涉，激光透照和激光偏振技術等；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之處的組織的毛細血管的血流。2.6激光與非線性光學46當前第46頁\共有72頁\編于星期四\19點激光在生物醫(yī)學中的應用：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治療、激光非手術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，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：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；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47當前第47頁\共有72頁\編于星期四\19點激光器的分類：基于泵浦方式電泵浦：電能到激光能的直接轉換半導體激光器氬離子激光器氦-氖激光器準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48當前第48頁\共有72頁\編于星期四\19點激光器的分類：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寶石激光器用半導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49當前第49頁\共有72頁\編于星期四\19點激光器的分類：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50固體激光器二極管激光器Nd:YAG激光器Er:YAG激光器鈦藍寶石激光器摻鈥釔鋁石榴石激光器紫翠玉激光器氦-氖激光器半導體激光器當前第50頁\共有72頁\編于星期四\19點激光器的分類：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（自由運作）：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(diào)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(diào)Q操作：在調(diào)Q操作中，通過在腔中使用特定的光學元件（稱為調(diào)Q器件，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(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）。當前第51頁\共有72頁\編于星期四\19點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，例如用調(diào)Q技術產(chǎn)生納秒級的脈沖，用鎖模技術產(chǎn)生皮秒級和飛秒級的脈沖。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、光譜學及非線性光學等領域。2.6激光與非線性光學52當前第52頁\共有72頁\編于星期四\19點生物光子學常用的激光器：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（與氮氣和氦氣混合）激勵方式：電應用：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53當前第53頁\共有72頁\編于星期四\19點生物光子學常用的激光器：二極管/半導體激光器波長：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Nd:YAG激光器進行光泵浦（更加緊湊和有效）；組織的熱處理等。2.6激光與非線性光學54當前第54頁\共有72頁\編于星期四\19點生物光子學常用的激光器：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55當前第55頁\共有72頁\編于星期四\19點生物光子學常用的激光器：KTP激光器利用非線性晶體KTP對Nd:YAG激光器進行二倍頻波長：1064/2=532nm應用：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56當前第56頁\共有72頁\編于星期四\19點生物光子學常用的激光器：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，準分子激光器，CW染料激光器，氬粒子激光器應用：光動力療法皮膚醫(yī)學眼科學血管紊亂，對血管或色素進行選擇性破壞2.6激光與非線性光學57當前第57頁\共有72頁\編于星期四\19點生物光子學常用的激光器：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：電應用：眼科學（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58當前第58頁\共有72頁\編于星期四\19點生物光子學常用的激光器：鈦藍寶石激光器波長：690-1000nm可調(diào)激光介質(zhì)：摻Ti3+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用：多光子顯微多光子光動力療法組織外形修復，組織消融2.6激光與非線性光學59當前第59頁\共有72頁\編于星期四\19點激光小結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)反轉分布的能源；光學諧振腔：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：激勵→激活介質(zhì)（即工作物質(zhì)）粒子數(shù)反轉→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60當前第60頁\共有72頁\編于星期四\19點2、強激光束中的非線性光學過程線性光學：光束在空間或介質(zhì)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，但不改變頻率；介質(zhì)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。非線性光學：光束經(jīng)過交叉區(qū)域，強度與相位會發(fā)生傳遞；入射到介質(zhì)中的光束有新頻率產(chǎn)生，強度發(fā)生變化；介質(zhì)的主要光學參數(shù)與光強有關。2.6激光與非線性光學61當前第61頁\共有72頁\編于星期四\19點強激光束中的非線性光學過程非線性光學效應的定義：凡物質(zhì)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。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，極化率與電場不再成線性關系，而是取決于電場高次方的大小。2.6激光與非線性光學62當前第62頁\共有72頁\編于星期四\19點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式為：上式中，為極化率張量，由于與相比要小的多。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現(xiàn)象。2.6激光與非線性光學63當前第63頁\共有72頁\編于星期四\19點光的各階非線性效應二階非線性效應（與有關）：倍頻/二次諧波(SHG)，和頻(SFG)，差頻(DFG)，光學參量放大(OPA)，光學參量振蕩(OPO)等；三階非線性效應（與有關）：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(OK)，受激拉曼散射(SRS)，受激布里淵散射(SBS