1、主講人：劉立新 西安電子科技大學(xué),生物光子學(xué),第 2 章,光子學(xué)與光譜學(xué)基礎(chǔ),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（折射率小）介質(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。光纖 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(gè)波長(zhǎng)。全內(nèi)反射熒光顯微術(shù),內(nèi)容回顧,3,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

2、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(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,4,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

3、回顧,5,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。,物質(zhì)的“波粒二象性”,內(nèi)容回顧,6,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)的躍遷過程：有機(jī)分子的各種輻射和非輻射過程常用Jablonski能級(jí)圖描述；,內(nèi)容回顧,7,單重態(tài)：S0，S1，S2 三重態(tài)：T1 IC：內(nèi)轉(zhuǎn)化 ISC：系間竄躍 熒光 磷光,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

4、,磷光 自旋不守恒,熒光 自旋守恒,拉曼散射 散射一個(gè)可見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,8,內(nèi)容回顧,光譜儀：棱鏡、光柵、FT-IR光譜儀,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 激光與非線性光學(xué),本 章 內(nèi) 容,9,3、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-可見光譜儀測(cè)量電子能級(jí)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

5、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,10,線性吸收過程,2.5 分子能級(jí)結(jié)構(gòu)與光譜,11,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：,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,12,T和OD考慮了光通過介質(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。,電子能級(jí)吸收光譜 典型的吸收光譜表示為T

6、相對(duì)于v或的曲線，或A相對(duì)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(jí)結(jié)構(gòu)與光譜,13,吸收光譜的兩種表示,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,14,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,15,如圖，在650nm處的吸收與葉綠素的綠色對(duì)應(yīng)。因?yàn)?，紅光的吸收產(chǎn)生綠色的透射或散射光（補(bǔ)色）。,H

7、PPH（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,16,4、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(duì)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?cè)斐傻摹?2.5 分子能級(jí)結(jié)構(gòu)與光譜,17,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,18,熒光

8、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,19,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； 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,20,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

9、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,21,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,22,一個(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) ：熒光壽命,通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量并進(jìn)行單指數(shù)擬合，得到總的熒光壽命 。,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)

10、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(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,23,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(shí)，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(cè)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(jí)結(jié)構(gòu)與光譜,24,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

11、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,25,5、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 = nvibration,nI ns = nvibration,2.5 分子能級(jí)結(jié)構(gòu)與光譜,26,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

12、動(dòng)能級(jí)差； Stokes拉曼散射：散射光子的頻率低于入射光子（vv） ，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（vv），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,27,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：一般來說，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Raman譜

13、帶。,2.5 分子能級(jí)結(jié)構(gòu)與光譜,28,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,29,振動(dòng)能級(jí)光譜 拉曼光譜的發(fā)展： 紫外共振Raman光譜（230250nm的

14、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,30,一些化學(xué)鍵的典型振動(dòng)頻率,2.5 分子能級(jí)結(jié)構(gòu)與光譜,31,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。,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,32,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,33,6、熒光相關(guān)光譜 FCS = Fluorescence Correlation Spectro

15、scopy FCS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0.11.0mL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,34,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,35,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，

16、大分子擴(kuò)散慢，熒光強(qiáng)度起伏緩慢（圖B）。,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(jí)結(jié)構(gòu)與光譜,36,如圖給出了一個(gè)典型的自相關(guān)函數(shù)G()關(guān)于時(shí)間間隔的曲線。 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。,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 激光與非線性光學(xué),本 章 內(nèi) 容,37,1、激光（Laser） 激光= 受激輻射光放大 Light amplificatio

17、n by stimulated emission of radiation 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(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694.4 nm波長(zhǎng)處獲得了400mJ的相干脈沖光。,2.6 激光與非線性光學(xué),38,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： 單色性好（單波長(zhǎng)） 方向性好（空間發(fā)散?。?

18、相干性好 能量集中 激光的這些特性不是彼此獨(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 激光與非線性光學(xué),39,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

19、轉(zhuǎn)。,2.6 激光與非線性光學(xué),40,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 激光與非線性光學(xué),41,激光的原理： 如果增益介質(zhì)只包含三個(gè)能級(jí)（稱作三能級(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

20、光。,2.6 激光與非線性光學(xué),42,激光運(yùn)轉(zhuǎn)的過程：,2.6 激光與非線性光學(xué),43,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0.51 m，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),44,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，通過對(duì)唇部的測(cè)定，能測(cè)定人血液內(nèi)所存在的元

21、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 激光與非線性光學(xué),45,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(jì)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病； 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

22、線性光學(xué),46,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(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 激光與非線性光學(xué),47,激光器的分類：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 激光與非線性光學(xué),48,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

23、 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),49,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,激光器的分類：基于時(shí)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（109 s，ns） 鎖模(1012 s，ps；1015 s，fs),2.6 激光與非線性光學(xué),50,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(dòng)器

24、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(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)行相位鎖定來產(chǎn)生一系列超短脈沖（皮秒到飛秒量級(jí)）。,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關(guān)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)不同的

25、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)及非線性光學(xué)等領(lǐng)域。,2.6 激光與非線性光學(xué),51,生物光子學(xué)常用的激光器：CO2激光器 波長(zhǎng)：10.6 m（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?激勵(lì)方式：電 應(yīng)用：非常廣泛 20 W CW：用于組織的汽化及美容 脈沖方式：500 W的峰值功率， 20-40 W平均功率，調(diào)整到合適的功率水平

26、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),52,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)：400-1,900 nm（ 取決于激光介質(zhì)） 激光介質(zhì)： GaN：400 nm; 5mw, 20mW AlGaAs：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(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

27、）；組織的熱處理等。,2.6 激光與非線性光學(xué),53,生物光子學(xué)常用的激光器：Nd:YAG激光器 波長(zhǎng)：1,064 nm or 1.064 m (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(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： 100W CW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),54,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(duì)Nd:YAG激光器進(jìn)行二倍頻 波長(zhǎng)：1064/2=532 nm 應(yīng)用： CW的KTP：眼動(dòng)脈治療 調(diào)Q的KTP（ns級(jí)脈沖）：去除

28、紋身,2.6 激光與非線性光學(xué),55,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400-800 nm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 激光與非線性光學(xué),56,生物光子學(xué)常用的激光器：氬離子激光器 波長(zhǎng)：488/514.5 nm 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 激光與非線性光學(xué),57,生物光子學(xué)常用的激光器：鈦藍(lán)寶石激光器 波長(zhǎng)：69

29、0-1000 nm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 激光與非線性光學(xué),58,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

30、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),59,2、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(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(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 激光與非線性光學(xué),60,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(duì)于外加電磁場(chǎng)的響應(yīng)不是外加電磁場(chǎng)振幅的線性函數(shù)的光學(xué)現(xiàn)象。 當(dāng)

31、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)生非線性光學(xué)效應(yīng)，極化率與電場(chǎng)不再成線性關(guān)系，而是取決于電場(chǎng)高次方的大小。,2.6 激光與非線性光學(xué),61,非線性光學(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)，因而可以觀察到光的各階非線性現(xiàn)象。,2.6 激光與非線性光學(xué),62,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(

32、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(SBS)，相干反斯托克斯散射(CARS)，四波混頻(DFWM)等； 高階非線性效應(yīng),2.6 激光與非線性光學(xué),63,二階非線性效應(yīng)與光強(qiáng)度平方成正比，二次諧波產(chǎn)生（SHG）是其中一個(gè)重要的例子，即頻率為v的輸入光束會(huì)產(chǎn)生頻率為2v的新光束，但是在此過程中介質(zhì)既不吸收能量，也不發(fā)射能量（非共振的）； 如果介質(zhì)具有二階效應(yīng)，那它一定是非中心對(duì)稱的（不是非晶態(tài)的固體或者液體）。,二次諧波產(chǎn)生或倍頻,2.6 激光與非線性光學(xué),64,二次諧波生成（SHG）；SHG過程（左），能級(jí)描述（右）,合頻產(chǎn)生,差頻產(chǎn)生,2.6 激光與非線性光學(xué),65,光學(xué)參量產(chǎn)生：一束頻率為v的光經(jīng)過非線性介質(zhì)后，變成具有兩個(gè)不同頻率v1和v-v1的光。,光學(xué)參量產(chǎn)生,2.6 激光