生物光子学2-光子学与光谱学基础02

1、主讲人：刘立新 西安电子科技大学 第第 2 章章 光子学与光谱学基础光子学与光谱学基础 光在界面上的反射和折射：分别遵从光在界面上的反射和折射：分别遵从反射定律反射定律和和Snell 定律定律； 当光从光密（折射率大）介质入射到光疏（折射率小）介质当光从光密（折射率大）介质入射到光疏（折射率小）介质 的界面时，发生光的部分反射和折射现象；当入射角大于临的界面时，发生光的部分反射和折射现象；当入射角大于临 界角时，光线会停止进入光疏介质，而全部反射回光密介质界角时，光线会停止进入光疏介质，而全部反射回光密介质 ，即发生，即发生全反射全反射。光纤光纤 若光疏介质是溶液，由于波动效应，有一部分光的能

2、量会穿若光疏介质是溶液，由于波动效应，有一部分光的能量会穿 过界面渗透到溶液中，是一种非均匀波，叫做消逝波，也称过界面渗透到溶液中，是一种非均匀波，叫做消逝波，也称 隐失波或隐失波或倏逝波倏逝波。其在第二介质中的有效进入深度约为一个。其在第二介质中的有效进入深度约为一个 波长。波长。全内反射荧光显微术全内反射荧光显微术 内容回顾内容回顾 3 光的本质光的本质波粒二象性波粒二象性； 光是一种能在真空和介质中以波动形式传播的，由振动的电波光是一种能在真空和介质中以波动形式传播的，由振动的电波 和磁波组成的电磁波，同时也是一种叫做光子的能量包和磁波组成的电磁波，同时也是一种叫做光子的能量包； 凡是与

3、光的传播有关的各种现象，如衍射、干涉和偏振，必须凡是与光的传播有关的各种现象，如衍射、干涉和偏振，必须 用用波动说波动说来解释，凡是与光和物质相互作用有关的各种现象，来解释，凡是与光和物质相互作用有关的各种现象， 如物质的光吸收与发射、光电效应和光散射（康普顿效应），如物质的光吸收与发射、光电效应和光散射（康普顿效应）， 都必须用都必须用光子说光子说来解释来解释； 波动波动性性参量（波长、频率、相位、速度）参量（波长、频率、相位、速度） 粒子性参量（能量、动量）粒子性参量（能量、动量） 内容回顾内容回顾 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：时间相干性、空间相干性时

4、间相干性、空间相干性 l 产生干涉条件：产生干涉条件：只有两列光波的只有两列光波的频率频率相同，相同，位相差位相差恒定，恒定，振动方向振动方向 一致的一致的相干光源相干光源，才能产生光的干涉。，才能产生光的干涉。 l 当光遇到尖锐的障碍物、通过小孔和狭缝，或聚焦于尺寸与光波长当光遇到尖锐的障碍物、通过小孔和狭缝，或聚焦于尺寸与光波长 相近的斑点时，光弯折和扩散等衍射现象就会发生。相近的斑点时，光弯折和扩散等衍射现象就会发生。 l 相长干涉产生亮纹，相消干涉产生暗纹。相长干涉产生亮纹，相消干涉产生暗纹。 内容回顾内容回顾 5 光子的吸收、发射和散射光子的吸收、发射和散射； l光与分子的相互作用光

5、与分子的相互作用过程：吸收、自发辐射、受激辐射、拉曼散射过程：吸收、自发辐射、受激辐射、拉曼散射； l光子的吸收和发射过程用光子的吸收和发射过程用爱因斯坦（爱因斯坦（EinsteinEinstein）模型）模型描述描述。 物质的物质的“波粒二象性波粒二象性” 内容回顾内容回顾 6 波长波长 （de Broglie波）波） h = Planck常数常数 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 h mv 物质物质 粒子行为粒子行为似波行为似波行为 动能动能 动量动量 p = = mv 由经典牛顿力学描述的由经典牛顿力学描述的 平动能量平动能量 2 1 2 Emv

6、 分子的能级结构：分子的能级结构：电子和振动能级电子和振动能级（量子化）在生物光子学中有重要的作用（量子化）在生物光子学中有重要的作用 激发态的跃迁过程：激发态的跃迁过程：有机分子的各种辐射和非辐射过程常用有机分子的各种辐射和非辐射过程常用Jablonski能级图能级图 描述；描述； 内容回顾内容回顾 7 S2 S1T1S0 E Fluorescence Phosphorescence Vibrational Relaxation Vibrational Relaxation IC IC ISC ISC Absorption 单重态：单重态：S0，S1，S2 三重态：三重态：T1 IC：内转化

7、：内转化 ISC：系间窜跃：系间窜跃 荧光荧光 磷光磷光 光谱光谱 电子在两个能级间 的跃迁与振动耦合 分子振动 同时包含电子能级和振动 能级改变的电子振动跃迁 吸收，从低能态 向受激态的跃迁 发射，从高能态 到低能态的跃迁 磷光 自旋不守恒 荧光 自旋守恒 拉曼散射 散射一个可见光频 域的光子从而导致 振动能态的改变 红外吸收 吸收一个红外或远红 外光子从而从一个低 能态跃迁到高能态 n生物光子学中用到的各种光谱生物光子学中用到的各种光谱 8 内容回顾内容回顾 光谱仪：棱镜、光光谱仪：棱镜、光 栅、栅、FT-IR光谱仪光谱仪 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

8、本质波粒二象性光的本质波粒二象性 2.3 光子的吸收、发射和散射光子的吸收、发射和散射 2.4 光波的干涉和衍射光波的干涉和衍射 2.5 分子能级结构与光谱分子能级结构与光谱 2.6 激光与非线性光学激光与非线性光学 本本 章章 内内 容容 9 3、电子能级、电子能级吸收吸收光谱光谱 电子能级吸收用于对样品的定量分析，如电子能级吸收用于对样品的定量分析，如紫外紫外-可见光谱仪可见光谱仪测测 量电子能级的线性吸收；量电子能级的线性吸收； 线性吸收由线性吸收由Beer-Lambert定律定义定律定义，即一束初始强度为，即一束初始强度为I0频率为频率为 v的入射光按指数衰减，即输出强度的入射光按指数

9、衰减，即输出强度I为：为： 系数系数 (v)和和k(v)的单位为的单位为L mol-1cm-1； (v)比比k(v)更常用，称为更常用，称为频率频率v 处的消光系数处的消光系数； b以以cm为单位，是光学路径长度为单位，是光学路径长度，定义为光通过吸收介质的路径，定义为光通过吸收介质的路径 的长度；的长度； 2.5 分子能级结构与光谱分子能级结构与光谱 10 n线性吸收过程线性吸收过程 2.5 分子能级结构与光谱分子能级结构与光谱 11 线性吸收由线性吸收由Beer-Lambert定律定义，即一束初始强度为定律定义，即一束初始强度为I0频频 率为率为v的入射光按指数衰减，即初始强度的入射光按指

10、数衰减，即初始强度I为：为： 吸收率：吸收率： 透射率：透射率： 光学密度：光学密度： n另外一些描述吸收衰减的另外一些描述吸收衰减的参量参量： 2.5 分子能级结构与光谱分子能级结构与光谱 12 T和和OD考虑了光通过介质时由于吸收和散射而造成的总的强度考虑了光通过介质时由于吸收和散射而造成的总的强度 损失；如果吸收占主导地位，则损失；如果吸收占主导地位，则OD=A。 电子能级吸收光谱电子能级吸收光谱 典型的吸收光谱表示为典型的吸收光谱表示为T相对于相对于v或或 的曲线，或的曲线，或A相对相对 于于v的曲线的曲线; v定义为吸收谱带最大吸收值一半处的宽带。定义为吸收谱带最大吸收值一半处的宽带

11、。 2.5 分子能级结构与光谱分子能级结构与光谱 13 吸收光谱的两种表示吸收光谱的两种表示 电子能级吸收光谱电子能级吸收光谱 吸收光谱能够识别发色团；吸收光谱能够识别发色团； 吸收频率可能与发色团的环境有关吸收频率可能与发色团的环境有关； 如果已知发色团在频率如果已知发色团在频率v处的摩尔消光系数处的摩尔消光系数 (v)，则可以得到此发，则可以得到此发 色团的浓度；色团的浓度； 生物介质中可能含有多种已知摩尔消光系数的吸收性发色团，通生物介质中可能含有多种已知摩尔消光系数的吸收性发色团，通 过测量在一系列频率上的吸收率过测量在一系列频率上的吸收率A，可以得到各种不同发色团的，可以得到各种不同

12、发色团的 浓度。浓度。 2.5 分子能级结构与光谱分子能级结构与光谱 14 n乙醚中叶绿素乙醚中叶绿素a的吸收光谱的吸收光谱 2.5 分子能级结构与光谱分子能级结构与光谱 15 如图，在如图，在650nm处处 的吸收与叶绿素的的吸收与叶绿素的 绿色对应。因为，绿色对应。因为， 红光的吸收产生绿红光的吸收产生绿 色的透射或散射光色的透射或散射光 （补色）。（补色）。 nHPPH（光动力疗法中的一种药物）的吸收光谱（光动力疗法中的一种药物）的吸收光谱 2.5 分子能级结构与光谱分子能级结构与光谱 16 4、电子能级、电子能级发射发射光谱光谱 研究从一个受激电子能态向一个较低电子能态（一般是基态）跃

13、研究从一个受激电子能态向一个较低电子能态（一般是基态）跃 迁而产生的光发射；迁而产生的光发射； 室温下生物分子即有荧光现象；从一个三重受激态到单重态的磷室温下生物分子即有荧光现象；从一个三重受激态到单重态的磷 光则在室温下很少观察到；光则在室温下很少观察到； 单光子吸收产生了红移的荧光谱带；这种在吸收谱带的峰值与发单光子吸收产生了红移的荧光谱带；这种在吸收谱带的峰值与发 射谱带的峰值之间的偏移称为射谱带的峰值之间的偏移称为Stokes红移红移，吸收和发射光子之间，吸收和发射光子之间 的能量差对应于非辐射过程的能量损失；的能量差对应于非辐射过程的能量损失； Stokes红移可能由环境效应造成，也

14、可能是由于发射光子的受激红移可能由环境效应造成，也可能是由于发射光子的受激 态的结合结构的改变造成的。态的结合结构的改变造成的。 2.5 分子能级结构与光谱分子能级结构与光谱 17 n荧光素的吸收和发射光谱荧光素的吸收和发射光谱 2.5 分子能级结构与光谱分子能级结构与光谱 18 荧光成像是生物光子学中主要的光学生物成像技荧光成像是生物光子学中主要的光学生物成像技 术术。 荧光光谱学包括如下特性的研究：荧光光谱学包括如下特性的研究： 荧光光谱技术荧光光谱技术 荧光激发光谱荧光激发光谱 荧光寿命荧光寿命 荧光量子产额荧光量子产额 荧光偏振荧光偏振 2.5 分子能级结构与光谱分子能级结构与光谱 1

15、9 荧光光谱技术荧光光谱技术（发射光谱）（发射光谱） 光源：在单光子激发荧光中常用方便而强大的光源是光源：在单光子激发荧光中常用方便而强大的光源是 激光器，并使用一个宽带滤波器只让高于发射光谱频激光器，并使用一个宽带滤波器只让高于发射光谱频 率的光通过；率的光通过； 这种情况下所得的荧光叫做这种情况下所得的荧光叫做激光诱导荧光激光诱导荧光（LIF）；）； 探测：作为频率函数的荧光强度所成的荧光光谱在一探测：作为频率函数的荧光强度所成的荧光光谱在一 个包含有一个分光器件的荧光光谱仪中得到；个包含有一个分光器件的荧光光谱仪中得到； 分光器件：光栅、棱镜。分光器件：光栅、棱镜。 2.5 分子能级结构

16、与光谱分子能级结构与光谱 20 荧光激发光谱荧光激发光谱（吸收光谱）（吸收光谱） 激发光谱给出关于激发分子到一个产生最大荧光的能激发光谱给出关于激发分子到一个产生最大荧光的能 态的信息；态的信息； 激发光谱中的极大值对应于产生极大荧光的吸收的光激发光谱中的极大值对应于产生极大荧光的吸收的光 子频率。子频率。 2.5 分子能级结构与光谱分子能级结构与光谱 21 n荧光寿命荧光寿命表示荧光强度的衰减，表示荧光强度的衰减，是指分子受是指分子受 到光脉冲激发后返回基态之前在激发态平均到光脉冲激发后返回基态之前在激发态平均 停留的时间，通常小于停留的时间，通常小于100ns，它主要依赖于，它主要依赖于

17、被测荧光团所处的微环境变化被测荧光团所处的微环境变化。 / 111 ( ) rnr rnr t o kkk I tI e l荧光寿命荧光寿命 2.5 分子能级结构与光谱分子能级结构与光谱 22 一个简单的荧光衰减是单指数的，即一个简单的荧光衰减是单指数的，即( ) kt o I tI e I(t)是样品受到光脉冲激发后是样品受到光脉冲激发后t时刻测量得到的强度，时刻测量得到的强度， I0是是t=0时的时的 强度，强度， k为衰减速率常数为衰减速率常数 kr：辐射衰减常数：辐射衰减常数 knr：非辐射衰减常数：非辐射衰减常数 ：荧光寿命荧光寿命 通过实验测量并进行单指数拟合，得到总的通过实验测量

18、并进行单指数拟合，得到总的荧光寿命荧光寿命 。 n荧光寿命的两种测量方法：荧光寿命的两种测量方法： n时域测量：时域测量：也叫脉冲法，它是用高重复频率超短光脉冲激也叫脉冲法，它是用高重复频率超短光脉冲激 发样品，处于激发态的荧光分子在退激发到基态的过程中发发样品，处于激发态的荧光分子在退激发到基态的过程中发 射荧光释放能量，射荧光释放能量，然后测量荧光然后测量荧光强度强度衰减。衰减。 n频域测量：频域测量：也叫相位调制也叫相位调制法法，它，它是用强度按正弦规律调制是用强度按正弦规律调制 的激光激发样品，荧光强度也是按正弦调制的，且二者调制的激光激发样品，荧光强度也是按正弦调制的，且二者调制 频

19、率相同，通过测量荧光相对于激发光的相位差及解调系数频率相同，通过测量荧光相对于激发光的相位差及解调系数 来计算荧光寿命值来计算荧光寿命值。 l荧光寿命荧光寿命 2.5 分子能级结构与光谱分子能级结构与光谱 23 荧光的量子产额荧光的量子产额 荧光的量子产额是发射光子数与吸收光子数比率的一荧光的量子产额是发射光子数与吸收光子数比率的一 种量度。在没有非辐射衰减时，量子产额等于种量度。在没有非辐射衰减时，量子产额等于1，即激，即激 发态只以辐射（荧光）过程衰减；发态只以辐射（荧光）过程衰减； 定义式：定义式： 荧光的量子产额是测量分子聚合物中荧光团周围环境荧光的量子产额是测量分子聚合物中荧光团周围

20、环境 的最好手段。的最好手段。 2.5 分子能级结构与光谱分子能级结构与光谱 24 荧光的偏振荧光的偏振 荧光偏振定义为：荧光偏振定义为： 另一种定义荧光偏振的量叫荧光发射的另一种定义荧光偏振的量叫荧光发射的各向异性各向异性r，定，定 义为：义为： I/和和I 分别为极化方向与激发光的极化方向平行和垂直分别为极化方向与激发光的极化方向平行和垂直 的荧光强度。的荧光强度。 2.5 分子能级结构与光谱分子能级结构与光谱 25 5、振动能级光谱、振动能级光谱 振动能级光谱给出振动频率信息；振动频率可提供有关振动能级光谱给出振动频率信息；振动频率可提供有关 化学键、键角、化学集团的详细特征描述，可以用

21、来识化学键、键角、化学集团的详细特征描述，可以用来识 别分子。别分子。 振动能级光谱包括：振动能级光谱包括： 红外光谱（吸收）红外光谱（吸收）：吸收吸收一个红外或远红外光子会产生振动跃一个红外或远红外光子会产生振动跃 迁；迁； 拉曼光谱（散射）拉曼光谱（散射）：通过拉曼：通过拉曼散射散射产生振动跃迁。产生振动跃迁。 红外光谱和拉曼光谱是提供振动跃迁和振动能带信息的互补技红外光谱和拉曼光谱是提供振动跃迁和振动能带信息的互补技 术。术。 nphoton = nvibration nI ns = nvibration 2.5 分子能级结构与光谱分子能级结构与光谱 26 振动能级光谱振动能级光谱 拉曼

22、散射：拉曼散射：入射和散射光子的能量差为分子振动入射和散射光子的能量差为分子振动 能级差；能级差； Stokes拉曼散射：拉曼散射：散射光子的频率低于入射光散射光子的频率低于入射光 子子（vv ） ，分子从低振动能级跃迁到高振动，分子从低振动能级跃迁到高振动 能级；能级； 反反Stokes拉曼散射：拉曼散射：散射光子的频率高于入射散射光子的频率高于入射 光子光子（vv ），分子从较高振动能级跃迁到较，分子从较高振动能级跃迁到较 低振动能级；低振动能级； 2.5 分子能级结构与光谱分子能级结构与光谱 27 振动能级光谱振动能级光谱 拉曼光谱的拉曼光谱的缺点缺点： 拉曼散射的效率很低：一般来说，在

23、拉曼散射的效率很低：一般来说，在105个光子中，只有一个个光子中，只有一个 光子可以产生散射。（因此使用激光作为光源）光子可以产生散射。（因此使用激光作为光源） 拉曼光谱比拉曼光谱比IR光谱的灵敏度低，因而在固态、液态或者不含光谱的灵敏度低，因而在固态、液态或者不含 水的有机分子研究中，经常使用水的有机分子研究中，经常使用IR光谱来获得关于结构的详光谱来获得关于结构的详 细信息；细信息； 如果被测样品中具有自体荧光，则荧光信号强度要比如果被测样品中具有自体荧光，则荧光信号强度要比Raman 散射信号大许多数量级，因而背景荧光会淹没散射信号大许多数量级，因而背景荧光会淹没Raman谱带。谱带。

24、2.5 分子能级结构与光谱分子能级结构与光谱 28 振动能级光谱振动能级光谱 拉曼光谱的拉曼光谱的优点优点（相比于（相比于IR光谱）：光谱）： 生物样品经常存在于水中；水对生物样品经常存在于水中；水对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，因此拉曼光谱对于探测水溶液中的生物样品十分重要拉曼光谱对于探测水溶液中的生物样品十分重要 ； 做拉曼散射前，被测样品无需特殊处理做拉曼散射前，被测样品无需特殊处理，可直接利用被测样品，可直接利用被测样品 的自然形态（液态、固态、胶状）；的自然形态（液态、固态、胶状）； 由于可见光波段的激光可以聚焦到微米量级大小，因此可以获由于可

25、见光波段的激光可以聚焦到微米量级大小，因此可以获 得得微米颗粒（比如一个细胞大小）的拉曼光谱微米颗粒（比如一个细胞大小）的拉曼光谱； 利用与待测分子最大吸收峰相近的激光，通过利用与待测分子最大吸收峰相近的激光，通过共振增强拉曼散共振增强拉曼散 射射，可以选择性地探测特定的化学片段或亚细胞组分。，可以选择性地探测特定的化学片段或亚细胞组分。 2.5 分子能级结构与光谱分子能级结构与光谱 29 振动能级光谱振动能级光谱 拉曼光谱的拉曼光谱的发展发展： 紫外共振紫外共振Raman光谱光谱（230250nm的紫外激发）；的紫外激发）； 表面增强表面增强Raman光谱术（光谱术（SERS）：把分子沉淀在

26、精微粗糙的：把分子沉淀在精微粗糙的 金属、金属胶状物或金属纳米颗粒的表面，从而增强这种分子金属、金属胶状物或金属纳米颗粒的表面，从而增强这种分子 的的Raman跃迁的强度；这种增强可达几个数量级，金和银是跃迁的强度；这种增强可达几个数量级，金和银是 增强效果最大的金属。增强效果最大的金属。 2.5 分子能级结构与光谱分子能级结构与光谱 30 n一些化学键的典型振动频率一些化学键的典型振动频率 2.5 分子能级结构与光谱分子能级结构与光谱 31 振动光谱在生物材料的结构特征识别和相互作用机振动光谱在生物材料的结构特征识别和相互作用机 理的探索上有广泛的应用。理的探索上有广泛的应用。 n固态的天然

27、胰岛素和变性胰岛素的拉曼光谱固态的天然胰岛素和变性胰岛素的拉曼光谱 2.5 分子能级结构与光谱分子能级结构与光谱 32 n水化蛋白质膜的典型红外光谱水化蛋白质膜的典型红外光谱 2.5 分子能级结构与光谱分子能级结构与光谱 33 6、荧光相关光谱、荧光相关光谱 FCS = Fluorescence Correlation Spectroscopy FCS测量由一个只含少量分子的微体积在两个不同时刻发出的荧测量由一个只含少量分子的微体积在两个不同时刻发出的荧 光强度的相关函数；光强度的相关函数； 典型典型FCS的采样体积是的采样体积是10-15L，而传统荧光光谱的采样体积一般，而传统荧光光谱的采样

28、体积一般 是是0.11.0mL或者更大；或者更大； FCS测量的荧光强度起伏与发生在所探测的微体积内的动态过程测量的荧光强度起伏与发生在所探测的微体积内的动态过程 相关联；相关联； FCS提供由分子扩散和蛋白质提供由分子扩散和蛋白质-配位基结合等动态过程造成的荧光配位基结合等动态过程造成的荧光 强度变化信息。强度变化信息。 2.5 分子能级结构与光谱分子能级结构与光谱 34 A 由小分子扩散运动引起的 荧光强度起伏 B 由扩散性较差的生物多聚物的 扩散运动引起的荧光强度起伏 n荧光相关光谱荧光相关光谱 2.5 分子能级结构与光谱分子能级结构与光谱 35 由分子扩散引起的荧光强度起伏与分子的大小

29、有关。由分子扩散引起的荧光强度起伏与分子的大小有关。 小分子扩散快，荧光强度起伏也快（图小分子扩散快，荧光强度起伏也快（图A A）；相反，）；相反， 大分子大分子扩散慢，扩散慢，荧光强度起伏缓慢（图荧光强度起伏缓慢（图B B）。）。 模拟得到的自由配位基和相应的结合配 位基的FCS自相关函数。中间曲线代表 混合物的FCS自相关函数。 n自相关函数自相关函数（定量描述荧光强度起伏定量描述荧光强度起伏） 2.5 分子能级结构与光谱分子能级结构与光谱 36 如图给出了一个典型如图给出了一个典型 的自相关函数的自相关函数G()关于关于 时间间隔时间间隔的曲线。的曲线。 其中其中自由配位基扩散自由配位基

30、扩散 速度较快，结合配位基速度较快，结合配位基 扩散速度较慢。扩散速度较慢。 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 光的本质波粒二象性光的本质波粒二象性 2.3 光子的吸收、发射和散射光子的吸收、发射和散射 2.4 光波的干涉和衍射光波的干涉和衍射 2.5 分子能级结构与光谱分子能级结构与光谱 2.6 激光与非线性光学激光与非线性光学 本本 章章 内内 容容 37 1、激光（、激光（Laser） 激光激光= 受激辐射光放大受激辐射光放大 Light amplification by stimulated emission of radiation 激光的历史可以追溯到激

31、光的历史可以追溯到1917年，爱因斯坦在其经典著作年，爱因斯坦在其经典著作关于辐关于辐 射的量子理论射的量子理论中第一次提出受激辐射的概念，论证了受激辐射中第一次提出受激辐射的概念，论证了受激辐射 、自发辐射和光吸收之间的关系；、自发辐射和光吸收之间的关系； 1958年，年，Schallow和和Townes提出在可见光以及红外光波段实现提出在可见光以及红外光波段实现 激发谐振的可能；激发谐振的可能； 1960年，年，Maiman发明第一台激光器，发明第一台激光器，这是一台红宝石激光器，这是一台红宝石激光器， 在在694.4 nm波长处获得了波长处获得了400mJ的相干脉冲光。的相干脉冲光。 2

32、.6 激光与非线性光学激光与非线性光学 38 激光的特性激光的特性 激光具有与普通光源很不相同的特性，每一种特性都在生物医激光具有与普通光源很不相同的特性，每一种特性都在生物医 学领域具有重要的应用价值：学领域具有重要的应用价值： 单色性好（单波长）单色性好（单波长） 方向性好（空间发散小）方向性好（空间发散小） 相干性好相干性好 能量集中能量集中 激光的这些特性不是彼此独立的，它们相互之间有联系；激光的这些特性不是彼此独立的，它们相互之间有联系； 实际上，正是由于激光的受激辐射本质决定了它是一个相干光实际上，正是由于激光的受激辐射本质决定了它是一个相干光 源，因此其单色性和方向性好，能量集中

33、。源，因此其单色性和方向性好，能量集中。 2.6 激光与非线性光学激光与非线性光学 39 激光的原理：激光的原理： 受激辐射：处于高能级受激辐射：处于高能级E2的粒子，受到能量等于的粒子，受到能量等于E2-E1的的 光子的激发，发射出与原来光子频率、传播方向、相位光子的激发，发射出与原来光子频率、传播方向、相位 及偏振等完全一样的光子及偏振等完全一样的光子； 受激辐射及受激吸收同时存在于光辐射与粒子体系，它受激辐射及受激吸收同时存在于光辐射与粒子体系，它 们发生的可能性是同等的，哪一个占主导地位，取决于们发生的可能性是同等的，哪一个占主导地位，取决于 粒子在两个能级上的分布；粒子在两个能级上的

34、分布； 激光器发出的激光就是利用受激辐射而实现的，也就是激光器发出的激光就是利用受激辐射而实现的，也就是 在激发态的粒子数尽可能多些，使受激辐射占优势以实在激发态的粒子数尽可能多些，使受激辐射占优势以实 现光放大，故产生激光的必要条件是现光放大，故产生激光的必要条件是粒子数反转粒子数反转。 2.6 激光与非线性光学激光与非线性光学 40 n激光的原理：激光的原理： n泵浦源：泵浦源：将原子由低能级激发到高能级，实现粒子数反转；将原子由低能级激发到高能级，实现粒子数反转； n工作物质工作物质是用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物是用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物 质体

35、系（具备亚稳态能级结构）；质体系（具备亚稳态能级结构）； n光学谐振腔：光学谐振腔：选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大，而把选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大，而把 其他频率和方向的光加以抑制。其他频率和方向的光加以抑制。 n光学谐振腔三个重要作用：光学谐振腔三个重要作用：1）为激光振荡提供光学正反馈，）为激光振荡提供光学正反馈，2）限制激）限制激 光只在光只在n个模式或一个模式上振荡，个模式或一个模式上振荡，3）限制激光输出的方向。限制激光输出的方向。 2.6 激光与非线性光学激光与非线性光学 41 n激光的原理：激光的原理： n如果增益介质只包含三个能级（称作如果增益介质只包含

36、三个能级（称作三能级结构三能级结构），只能产生脉冲），只能产生脉冲 激光作用；如果增益介质包含四个能级（称作激光作用；如果增益介质包含四个能级（称作四能级结构四能级结构），那它），那它 既能产生脉冲激光，也能产生连续激光既能产生脉冲激光，也能产生连续激光。 2.6 激光与非线性光学激光与非线性光学 42 包含了原子、离子或分子并以气包含了原子、离子或分子并以气 态、液态或固态存在的增益介质态、液态或固态存在的增益介质 泵浦到激发能级泵浦到激发能级 施加电能或光能施加电能或光能 在激发粒子聚集的能级在激发粒子聚集的能级 f 和另一个和另一个 较低能级较低能级 i 之间建立粒子数反转之间建立粒子数

37、反转 多次往返放大，产生高方向性的受多次往返放大，产生高方向性的受 激辐射放大（激光振荡）激辐射放大（激光振荡） 通过非辐射过程驰豫到低的发射能级通过非辐射过程驰豫到低的发射能级f 由两个耦合镜或一个镜子和一个波长选择反射镜组由两个耦合镜或一个镜子和一个波长选择反射镜组 成的腔内进行增益反馈（通过来回反射来实现）成的腔内进行增益反馈（通过来回反射来实现） n激光运转的过程：激光运转的过程： 2.6 激光与非线性光学激光与非线性光学 43 激光在生物医学中的应用：激光在生物医学中的应用： 用激光新技术研究生命现象和规律，用激光新技术研究生命现象和规律，例如：例如： 借助借助激光微束仪激光微束仪把

38、激光束直径聚焦到把激光束直径聚焦到0.51 m， 用以切割或焊接细胞，研究生物遗传规律；用以切割或焊接细胞，研究生物遗传规律； 借助借助激光拉曼光谱分析技术激光拉曼光谱分析技术，研究生物大分子的结，研究生物大分子的结 构及其变化；构及其变化； 光镊、双光子荧光光镊、双光子荧光等。等。 2.6 激光与非线性光学激光与非线性光学 44 激光在生物医学中的应用：激光在生物医学中的应用： 激光诊断，激光诊断，常用的有：常用的有： 内窥镜在体诊断内窥镜在体诊断，荧光光谱，激光喇曼光谱，激光，荧光光谱，激光喇曼光谱，激光 全息，激光散斑分析，激光多普勒测速，激光流动全息，激光散斑分析，激光多普勒测速，激光

39、流动 式细胞分析，激光干涉，激光透照和激光偏振技术式细胞分析，激光干涉，激光透照和激光偏振技术 等；等； 利用利用红外吸收光谱仪红外吸收光谱仪，通过对唇部的测定，能测定，通过对唇部的测定，能测定 人血液内所存在的元素；人血液内所存在的元素； 利用利用激光多普勒测速激光多普勒测速技术测量皮肤、肠粘膜、胃粘技术测量皮肤、肠粘膜、胃粘 膜的血流特征，可瞬时或连续地直接测量光束到达膜的血流特征，可瞬时或连续地直接测量光束到达 之处的组织的毛细血管的血流。之处的组织的毛细血管的血流。 2.6 激光与非线性光学激光与非线性光学 45 激光在生物医学中的应用：激光在生物医学中的应用： 激光治疗，激光治疗，已

40、经涉及到临床所有各科，大体可分为已经涉及到临床所有各科，大体可分为激激 光手术治疗、激光非手术治疗和激光光敏治疗光手术治疗、激光非手术治疗和激光光敏治疗三类，三类， 具有高精度以及感染和失血率小等优点，可用计算机具有高精度以及感染和失血率小等优点，可用计算机 控制激光的强度和方向，从而减少人为过失；例如：控制激光的强度和方向，从而减少人为过失；例如： 皮肤手术：除皱、消除纹身、胎记、切除肿瘤和疣以及其他皮肤手术：除皱、消除纹身、胎记、切除肿瘤和疣以及其他 类型的赘生物等；类型的赘生物等； 治疗人眼：矫正视力、治疗青光眼以及由糖尿病引起的眼部治疗人眼：矫正视力、治疗青光眼以及由糖尿病引起的眼部

41、疾病；疾病； 其他部位病变的治疗：心脏、前列腺、咽喉等，还可以打通其他部位病变的治疗：心脏、前列腺、咽喉等，还可以打通 堵塞动脉，去除由肿瘤引起的阻塞。堵塞动脉，去除由肿瘤引起的阻塞。 2.6 激光与非线性光学激光与非线性光学 46 激光器的分类：激光器的分类：基于基于泵浦方式泵浦方式 电泵浦：电能到激光能的直接转换电泵浦：电能到激光能的直接转换 半导体激光器半导体激光器 氩离子激光器氩离子激光器 氦氦-氖激光器氖激光器 准分子激光器准分子激光器 二氧化碳激光器二氧化碳激光器 用灯照明实现光泵浦用灯照明实现光泵浦 染料激光器染料激光器 掺钕钇铝石榴石激光器掺钕钇铝石榴石激光器（Nd：YAG）

42、掺铒钇铝石榴石激光器（掺铒钇铝石榴石激光器（Er:YAG） 紫翠玉激光器紫翠玉激光器 2.6 激光与非线性光学激光与非线性光学 47 激光器的分类：激光器的分类：基于基于泵浦方式泵浦方式 用其他激光器实现光泵浦用其他激光器实现光泵浦 染料激光器染料激光器 钛蓝宝石激光器钛蓝宝石激光器 用半导体激光器泵浦固体激光器用半导体激光器泵浦固体激光器 Nd:YAG激光器激光器 掺钕钒酸盐激光器掺钕钒酸盐激光器 Er:YAG 激光器激光器 2.6 激光与非线性光学激光与非线性光学 48 n激光器的分类：激光器的分类：基于基于激光介质激光介质 n气体激光器气体激光器 n二氧化碳激光器二氧化碳激光器 n氩离子

43、激光器氩离子激光器 n氪离子激光器氪离子激光器 n铜蒸汽激光器铜蒸汽激光器 n准分子激光器准分子激光器 n氮分子激光器氮分子激光器 n氦氦- -氖激光器氖激光器 n液体激光器液体激光器 n染料激光器染料激光器 2.6 激光与非线性光学激光与非线性光学 49 n固体激光器固体激光器 n二极管激光器二极管激光器 nNd:YAG激光器激光器 nEr:YAG激光器激光器 n钛蓝宝石激光器钛蓝宝石激光器 n掺钬钇铝石榴石激光器掺钬钇铝石榴石激光器 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半导体激光器半导体激光器 n激光器的分类：激光器的分类：基于基于时间特征时间特征 nCW（连续光）（连

44、续光） n调制，斩波，门控（调制，斩波，门控（ms- s) n脉冲（脉冲（10-6s， s ） n超脉冲（超脉冲（10-3s，ms；重复脉冲）；重复脉冲） n调调Q（10 9 s，ns） n锁模锁模(10 12 s，ps；10 15 s，fs) 2.6 激光与非线性光学激光与非线性光学 50 常规脉冲操作常规脉冲操作 调调Q操作操作 锁模操作锁模操作 常规脉冲操作（自由运作）：常规脉冲操作（自由运作）：在电泵浦系统中，通过提供合适的泵浦脉冲，电在电泵浦系统中，通过提供合适的泵浦脉冲，电 路驱动器产生调制，斩波和门控光束；同样的技术也被应用于超脉冲激光器中。路驱动器产生调制，斩波和门控光束；同样

45、的技术也被应用于超脉冲激光器中。 调调Q操作：操作：在调在调Q操作中，通过在腔中使用特定的光学元件（称为调操作中，通过在腔中使用特定的光学元件（称为调Q器件，器件， 它能够实现低透过率光到高透过率光的切换），控制系统的品质因子它能够实现低透过率光到高透过率光的切换），控制系统的品质因子Q。 锁模操作：锁模操作：这一操作中，由于在某个时间段内激光腔内会随机形成不同的纵模，这一操作中，由于在某个时间段内激光腔内会随机形成不同的纵模， 可对这些腔内的纵模进行相位锁定来产生一系列超短脉冲（皮秒到飞秒量级）。可对这些腔内的纵模进行相位锁定来产生一系列超短脉冲（皮秒到飞秒量级）。 CW激光激光 vs. 脉

46、冲激光脉冲激光 CW激光：激光：激光输出连续，不间断；激光波长取决于激光介质、腔激光输出连续，不间断；激光波长取决于激光介质、腔 反射镜光谱特性、谐振腔纵模；反射镜光谱特性、谐振腔纵模； 脉冲激光：脉冲激光：基于某些激光介质，如红宝石、惰性气体和卤素的化合基于某些激光介质，如红宝石、惰性气体和卤素的化合 物如物如ArF和和XeCl等维持激光发射的时间很短；使用各种光栅或者开等维持激光发射的时间很短；使用各种光栅或者开 关技术，可以实现不同的激光脉冲宽度和激光脉冲重复频率，例如关技术，可以实现不同的激光脉冲宽度和激光脉冲重复频率，例如 用用调调Q技术技术产生纳秒级的脉冲，用产生纳秒级的脉冲，用锁

47、模技术锁模技术产生皮秒级和飞秒级的产生皮秒级和飞秒级的 脉冲。脉冲。 锁模技术得到的脉冲很窄，峰值功率也很高，因此在许多研究领域锁模技术得到的脉冲很窄，峰值功率也很高，因此在许多研究领域 中能发挥其独特的作用，如受控核聚变、等离子体物理学、遥控技中能发挥其独特的作用，如受控核聚变、等离子体物理学、遥控技 术、化学及物理动力学、生物学、光通讯、光雷达、光谱学及非线术、化学及物理动力学、生物学、光通讯、光雷达、光谱学及非线 性光学等领域。性光学等领域。 2.6 激光与非线性光学激光与非线性光学 51 生物光子学常用的激光器：生物光子学常用的激光器：CO2激光器激光器 波长：波长：10.6 m（大多

48、数情况下使用的，中红外）（大多数情况下使用的，中红外） 激光介质：激光介质：CO2气体（与氮气和氦气混合）气体（与氮气和氦气混合） 激励方式：电激励方式：电 应用：非常广泛应用：非常广泛 20 W CW：用于组织的汽化及美容：用于组织的汽化及美容 脉冲方式：脉冲方式：500 W的峰值功率，的峰值功率， 20-40 W平均功率，平均功率， 调整到合适的功率水平可以用来进行无碳化的组织调整到合适的功率水平可以用来进行无碳化的组织 汽化和切割；汽化和切割； 皮肤表面修饰（用脉冲光或超脉冲光）。皮肤表面修饰（用脉冲光或超脉冲光）。 2.6 激光与非线性光学激光与非线性光学 52 生物光子学常用的激光器

49、：生物光子学常用的激光器：二极管二极管/半导体激光器半导体激光器 波长：波长：400-1,900 nm（ 取决于激光介质）取决于激光介质） 激光介质：激光介质： 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 激励方式：电激励方式：电 应用：校准光路；低功率激光治疗，解除疼痛，愈合创应用：校准光路；低功率激光治疗，解除疼痛，愈合创 伤；组织切割；对伤；组织切割；对Nd:YAG激光器进行

50、光泵浦（更加紧凑激光器进行光泵浦（更加紧凑 和有效）；组织的热处理等。和有效）；组织的热处理等。 2.6 激光与非线性光学激光与非线性光学 53 生物光子学常用的激光器：生物光子学常用的激光器：Nd:YAG激光器激光器 波长：波长：1,064 nm or 1.064 m (最常见最常见) 激光介质：将钕离子扩散在钇铝石榴石晶体中（激光介质：将钕离子扩散在钇铝石榴石晶体中（YAG ） 激励方式：照明灯泵浦激励方式：照明灯泵浦传统方式；传统方式； 二极管激光器泵浦二极管激光器泵浦新方式新方式 （耐久紧凑，高效，但昂贵）（耐久紧凑，高效，但昂贵） 应用比较广泛，包括：应用比较广泛，包括： 100W

51、CW用于外科（例如前列腺）；用于外科（例如前列腺）； 膀胱肿瘤的凝固和蒸发。膀胱肿瘤的凝固和蒸发。 2.6 激光与非线性光学激光与非线性光学 54 生物光子学常用的激光器：生物光子学常用的激光器：KTP激光器激光器 利用非线性晶体利用非线性晶体KTP对对Nd:YAG激光器进行二倍频激光器进行二倍频 波长：波长：1064/2=532 nm 应用：应用： CW的的KTP：眼动脉治疗：眼动脉治疗 调调Q的的KTP（ns级脉冲）：去除纹身级脉冲）：去除纹身 2.6 激光与非线性光学激光与非线性光学 55 生物光子学常用的激光器：生物光子学常用的激光器：染料激光器染料激光器 波长：根据染料的不同在波长：

52、根据染料的不同在400-800 nm连续可调连续可调 激光介质：荧光染料激光介质：荧光染料 激励方式：脉冲染料激光器，闪光灯，激励方式：脉冲染料激光器，闪光灯，KTP激光器，准激光器，准 分子激光器，分子激光器，CW染料激光器，氩粒子激光器染料激光器，氩粒子激光器 应用：应用： 光动力疗法光动力疗法 皮肤医学皮肤医学 眼科学眼科学 血管紊乱，对血管或色素进行选择性破坏血管紊乱，对血管或色素进行选择性破坏 2.6 激光与非线性光学激光与非线性光学 56 生物光子学常用的激光器：生物光子学常用的激光器：氩离子激光器氩离子激光器 波长：波长：488/514.5 nm 激光介质：激光介质：1T大气压下

53、的氩气大气压下的氩气 激励方式：电激励方式：电 应用：应用： 眼科学（视网膜脱落）眼科学（视网膜脱落） 生物成像光源生物成像光源 拉曼光谱成像拉曼光谱成像 2.6 激光与非线性光学激光与非线性光学 57 生物光子学常用的激光器：生物光子学常用的激光器：钛蓝宝石激光器钛蓝宝石激光器 波长：波长：690-1000 nm可调可调 激光介质：掺激光介质：掺Ti3+离子的蓝宝石固体（离子的蓝宝石固体（Al2O3） 激励方式：光泵浦（使用氩离子激光器或者倍频的掺钕激励方式：光泵浦（使用氩离子激光器或者倍频的掺钕 钇铝石榴石激光器）钇铝石榴石激光器） 输出：输出：CW，纳秒或者飞秒脉冲，典型功率值几百毫瓦，

54、纳秒或者飞秒脉冲，典型功率值几百毫瓦 应用：应用： 多光子显微多光子显微 多光子光动力疗法多光子光动力疗法 组织外形修复，组织消融组织外形修复，组织消融 2.6 激光与非线性光学激光与非线性光学 58 激光小结激光小结 激光器三个主要的组成部分：激光器三个主要的组成部分： 激活物质：被激励后能发生粒子数反转的工作物质，也称做激激活物质：被激励后能发生粒子数反转的工作物质，也称做激 光光工作物质工作物质； 激励装置激励装置：能使激活介质发生粒子数反转分布的能源；：能使激活介质发生粒子数反转分布的能源； 光学谐振腔光学谐振腔：使光子在其中重复振荡并多次被放大。：使光子在其中重复振荡并多次被放大。

55、产生激光的过程可归纳为：产生激光的过程可归纳为： 激励激励激活介质（即工作物质）粒子数反转激活介质（即工作物质）粒子数反转被激励后的工作被激励后的工作 物质中偶然发出的自发辐射物质中偶然发出的自发辐射其它粒子的受激辐射其它粒子的受激辐射光子放大光子放大 光子振荡及光子放大光子振荡及光子放大激光产生。激光产生。 2.6 激光与非线性光学激光与非线性光学 59 2、强激光束中的非线性光学过程、强激光束中的非线性光学过程 线性光学：线性光学： 光束在空间或介质中的传播是彼此独立的；光束在空间或介质中的传播是彼此独立的； 干涉、折射和衍射等效应会改变传播方向和空间分布，但不改变干涉、折射和衍射等效应会

56、改变传播方向和空间分布，但不改变 频率；频率； 介质的主要光学参数如折射率、吸收系数等只与入射光频率和偏介质的主要光学参数如折射率、吸收系数等只与入射光频率和偏 振方向有关，而与光强无关。振方向有关，而与光强无关。 非线性光学：非线性光学： 光束经过交叉区域，强度与相位会发生光束经过交叉区域，强度与相位会发生传递传递； 入射到介质中的光束有入射到介质中的光束有新频率新频率产生，强度发生变化；产生，强度发生变化； 介质的主要光学参数与介质的主要光学参数与光强光强有关。有关。 2.6 激光与非线性光学激光与非线性光学 60 强激光束中的非线性光学过程强激光束中的非线性光学过程 非线性光学效应非线性

57、光学效应的定义：凡物质对于外加电磁场的响的定义：凡物质对于外加电磁场的响 应不是外加电磁场振幅的线性函数的光学现象。应不是外加电磁场振幅的线性函数的光学现象。 当光强度很高时，比如激光，尤其是超短脉冲激光，当光强度很高时，比如激光，尤其是超短脉冲激光， 就会发生非线性光学效应，极化率就会发生非线性光学效应，极化率 与电场不再成线与电场不再成线 性关系，而是取决于电场性关系，而是取决于电场高次方高次方的大小。的大小。 2.6 激光与非线性光学激光与非线性光学 61 非线性光学的物理原理非线性光学的物理原理 在入射光的作用下，光电场所感应的电极化强度与入射光场的关系在入射光的作用下，光电场所感应的

58、电极化强度与入射光场的关系 式为：式为： 上式中，上式中， 为极化率张量，由于为极化率张量，由于 与与 相比要小相比要小 的多。因此，当光电场很小时，由二阶和三阶张量引起的非线性效的多。因此，当光电场很小时，由二阶和三阶张量引起的非线性效 应处于测量灵敏度之下而未被发现，此时只需考虑一阶极化即线性应处于测量灵敏度之下而未被发现，此时只需考虑一阶极化即线性 效应（吸收、折射与色散特性）；效应（吸收、折射与色散特性）； 由于激光可以产生很强的光电场，因而可以观察到光的各阶非线性由于激光可以产生很强的光电场，因而可以观察到光的各阶非线性 现象。现象。 (1)(2)(3) , ) 1 ( 2.6 激光

59、与非线性光学激光与非线性光学 62 (2)(3) , 光的各阶非线性效应光的各阶非线性效应 二阶非线性效应二阶非线性效应（与（与 有关）：有关）： 倍频倍频/二次谐波二次谐波(SHG)，和频，和频(SFG)，差频，差频(DFG)，光学参量放大，光学参量放大 (OPA)，光学参量振荡，光学参量振荡(OPO)等；等； 三阶非线性效应三阶非线性效应（与（与 有关）：有关）： 三倍频三倍频/三次谐波三次谐波(THG)，饱和吸收，饱和吸收(SA)，双光子吸收，双光子吸收(TPA)，自聚，自聚 焦焦(SF)，米克尔效应，米克尔效应(OK)，受激拉曼散射，受激拉曼散射(SRS)，受激布里渊散射，受激布里渊散

60、射 (SBS)，相干反斯托克斯散射，相干反斯托克斯散射(CARS)，四波混频，四波混频(DFWM)等；等； 高阶非线性效应高阶非线性效应 )2( )3( 2.6 激光与非线性光学激光与非线性光学 63 二次谐波生成（SHG）；SHG 过程（左），能级描述（右） n二阶非线性效应与光强度平方成正比二阶非线性效应与光强度平方成正比，二次谐波产生（二次谐波产生（SHG）是其中）是其中 一个重要的例子，即频率为一个重要的例子，即频率为v的输入光束会产生频率为的输入光束会产生频率为2v的新光束，的新光束， 但是在此过程中介质既不吸收能量，也不发射能量（非共振的）；但是在此过程中介质既不吸收能量，也不发射