生物医学光子学实验报告

1、生物医学光子学实验报告 实验一 单光子计数实验1 实验目的 1.掌握一种弱光检测技术 2.了解光子计数方法的基本原理、基本实验技术和弱光检测中的一些主要问题2 实验原理 光是由光子组成的光子流，光子是静止质量为零，有一定能量的粒子。一个光子的能量可用下式确定E=h v0=h c/式中c=3.0 × 108m/s是真空中的光速 h=6.6 × 10-34J.S是普朗克常数光流强度常用光功率表示，单位为W。单色光的光功率可用下式表示：P=R × E式中R为单位时间通过某一截面的光子数光子计数器的组成光子计数器的误差及信噪比泊松统计噪声 暗计数 累计信噪比 3 实验装置

2、计算机，单光子计数器，单色光产生装置4 实验步骤1.将冷却水管接在水龙头上并开始通水，打开光子计数器开关。两分钟后打开制冷器开关。2.约20分钟后，待PV显示值与SV显示相符合后，打开计算机开始采集数据。3.开机后，在桌面上打开“单光子计数”文件，将模式项为“阈值方式”，改变参数。然后点“开始”开始采集数据，得到一曲线，取阈值。4.将模式改为 “时间方式”，将阈值定为前面测出的，采集数据，得到一振荡的曲线，将之保存，所得数据求平均，即得到背景计数Nd。 5.然后将光源的电源打开，转动光强调节纽，将光强设定为某一强度。开始采集数据，得到一振荡的曲线，将之保存。将所需数据求平均，即得到总计数Nt。

3、6.根据 求信噪比。7. 改变光源强度，再重复5,6步，看信噪比有何变化。8. 实验结束后，关闭单光子计数器及制冷器开关，关闭计算机与光源电源。2分钟后再关闭水源。五实验结果与分析在“阈值方式”时，测得阈值为20。光强：1时间（ms）1.57.1230.0485.3731.7平均光子数(个)306730463039301022953031光强：2.2时间（ms）2600420095001410018000平均光子数(个)369636973762365136803686光强：3.3时间（ms）550075008600990012000平均光子数(个)40204005394340344004400

4、1光强：5.0时间（ms）400400083001310016500平均光子数(个)461045914605461346294610光强：8.1时间（ms）67001030020001360016800平均光子数(个)565057215644569957425691光强：9.6时间（ms）24005300700084009700平均光子数(个)624961726195621061396193所以：SNR1=7.99 SNR2=11.57 SNR3=18.06 SNR4=28.48 SNR5=32.92结果分析：从光强与信噪比的关系曲线图中可以看出，信噪比与光强基本成正比关系。六、思考与讨论1、

5、影响光子计数系统的测量动态范围的主要因素是什么？ 答：影响光子计数系统的测量动态范围的主要因素是光电倍增管的热电子（暗电流）及其发射的内部光子数，这直接影响到系统信噪比的大小，从而影响动态范围。2、接收光功率P0与推算的入射光功率Pi是否一致？若不一致，试分析其原因所在。 答：不一致。其原因可能是为了便于观测，本实验的光功率会偏大（不符合单光子计数条件），有明显的多电子条件，因而需对计算结果Po进行系数修正才可得到Pi。七实验小结 通过本次实验我了解光子计数方法的基本原理、基本实验技术和弱光检测中的一些主要问题。实验二 光镊一实验目的及意义 1.理解光镊基本原理； 2.熟悉光镊系统配置及测量方

6、法； 3.通过实验验证光的力学效应，加深对光有动量这一基本物理事实的认识；4. 光的力学效应及其应用是当今科学研究的前沿问题，是多学科交叉的基础；2 光镊原理光镊：一种特殊的光场形成的光势阱，它是用光形成的镊子!光镊具有机械镊子抓取物体的功能,是类比机械镊子形象的称呼。光镊的力为10-15-10-12N光镊特点：实现非接触的操作；实施无损无菌操控；实时动态跟踪；实现微小力的测量；利用光的折射产生指向焦点的力 利用光的散射产生推力 对光源的要求：1.波长的选择:避开操作粒子的波长吸收带。可见光漫反射滤色片照明光影响，避免。紫外光波长短，光子能量大，容易引起光化学过程。红外光理想。2.功率的范围：

7、几毫瓦-几十毫瓦。功率稳定，连续工作方式，实用的光镊光源：YAG1064nm激光器0.1-100mw。固体半导体激光器：780nm。适用波长：680-950nm。实验装置和光路：1.光镊光源2.光学耦合器 3.全反射镜 4.双向分束板 5.会聚透镜/高倍物镜 6.样品台 7.样品池 8.样品照明电源 9.激光滤波片 10.数码摄影头 11,12.图象显示与处理 三实验仪器光镊光路系统，光镊机体，防震台，显示器，工作台，计算机主机，光镊光源电流控制盒，干酵母，专用样品池四实验步骤1.开启仪器总电源开关，开启照明卤素灯，开启电脑，打开软件；2.将空载波片放在载物台上，先用低倍物镜找到焦平面，关掉卤

8、素灯，可观察到激光光斑；3.样品池中注入适量样品酵母细胞；4.开启激光，设定某一光强/电流值（大概50）；5.换用高倍物镜（必要时需使用油镜），调好焦距，用光阱捕获样品中的一个微粒；（本实验设置光镊静止，操控物体使之运动，使得光镊捕获一个微粒）6.光镊操控细胞所在环境运动：显微镜平台以速度V带动样品池运动，被光镊捕获的例子与环境产生相对运动。7.实验完毕后，先将激光功率调到最小，关视场灯，最后关总电源。五实验结果与分析实验结果：本次实验中，本小组成员成功捕获酵母细胞，并利用光镊使得三个酵母细胞并列吸引，成功实现三个酵母细胞与环境的相对移动。而后实验细胞的“吞并”，光镊对上下相对位置的两个酵母细

9、胞实行吸引并成功移动。实验分析：在本次实验中，由于刚开始酵母细胞的配制太稀，导致在屏幕中显示的数目非常少，而后没有等待酵母细胞在样品池静置就进行试验，导致我们开始实验的失败，而后改正错误，准确按照实验步骤进行，最后实验成功。六思考题1. 光捕获微粒，基于什么原理，如何从实验上实现？答：光捕获微粒基于光的动量传递，折射产生的恢复力与散射产生的推力平衡，一定宽度呈梯度变化的光作用使微粒被不断地推向焦点。在实验中是移动样品池使得酵母细胞靠近光镊使得酵母细胞被捕获。2. 说明影响光阱捕获效果的因素？答：影响光阱捕获效果的因素有：1.激光束的特性；2.温度；3.捕获过程是否稳定；4.微粒的浓度。3. 试

10、定性说明强会聚的光束对于实现Z方向捕获的作用？答：对于Z轴，同样基于光的动量传递，对于观察平面下方的微粒，由于拉力被拉到观察平面，对于观察平面上方的微粒，由于推力被推倒观察平面上。4. 若光阱同时捕获了2个球形微粒，则这2个微粒最有可能以什么形式排列，为什么？答：最有可能以近似融合成一个更大的酵母菌，其中心在光焦点上。因为光场的梯度性，要求微粒集团必须中心处于光焦点，位型应满足一定的对称性。也有可能都出现在观察平面，紧密排列。5. 试说明光阱技术的特点，你将利用光阱技术在哪些领域开展工作？答：光阱技术特点：精确定位，亚接触，无损伤。应用领域：活体细胞与细胞器的研究；微量化学元素的研究。6.现在

11、我们使用的光源为高斯光束的激光，考虑用一种环形光束的光源，在距轴心距离r内光强为零，试定性说明环形光束光阱对比于高斯光束光阱的优劣。答：高斯光束的激光在沿光传播方向的捕获效果较差，这是由于在微粒边缘上光的折射强而中间折射弱，光的中心功率高而周边小，导致回复力很难与散射力平衡。如果使用环形光束光阱，就可以保证回复力的有效产生和散射力的减小，提高捕获效果。七，实验小结通过本次实验我理解光镊基本原理，熟悉光镊系统配置及测量方法，也通过实验验证光的力学效应，加深对光有动量这一基本物理事实的认识。 实验三 表面等离子共振原理与应用1 实验目的1.理解表面等离子共振原理；2.了解系统构成及主要技术实现；3

12、.了解应用及测量要求；这表示沿X轴方向传播而振幅衰减的一个波，这就是消逝波。全反射的光波会透过光疏介质约为光波波长的一个深度，再沿界面流动约半个波长再返回光密介质。光的总能量没有发生改变。透入光疏介质的光波成为消逝波。 二实验原理 倏逝波：等离子体：等离子体通常是指由密度相当高的自由正、负电荷组成的气体，其中正、负带电粒子数目几乎相等。把金属的价电子看成是均匀正电荷背景下运动的电子气体，这实际上也是一种等离子体。由于电磁振荡形成了等离子波。金属表面等离子波：SPR光学原理：基于全内反射时界面处的倏逝波，引发金属中自由电子产生表面等离子体波（SPW），当SPW与倏逝波频率相等时，二者将发生共振，

13、入射光被金属表面电子吸收，使反射光能量急剧下降，反射光谱上出现共振峰，金属表面介质不同，共振峰位置不同。测量方式：1固定波长，扫描入射角，寻找共振峰； 2固定入射角，扫描波长，寻找共振峰；3 实验装置4 实验内容与步骤1. 开启电脑及应用软件，并打开卤素灯电源；2. 配制蒸馏水，酒精水溶液等样品；3. 记录无光时光谱曲线；4. 记录有光时光谱曲线；5. 记录蒸馏水光谱曲线；6. 记录酒精水溶液光谱曲线；7. 计算共振波长；5 实验数据 实验测量了光谱曲线的数据，用样品减去无光除以有光减去无光得到反射率，制作出反射率与波长的关系图，样品为自来水与70%酒精水溶液。曲线中蓝色为自来水的曲线，红色为

14、70%酒精水溶液的曲线。从曲线图可以看出，自来水的吸收峰大约在637nm；70%酒精水溶液的吸收峰大约在654nm。一定程度上反映了浓度与吸收峰的波长正相关。而实验中的大部分数据大于1，可能与实验设备有关，本次实验的设备存在不完善的地方，导致数据有误差，可能和当时的环境和光路调节有关系。但是，自来水的吸收峰数值较大，可能是由于用的烧杯是装过酒精溶液的，使得水的浓度变低，所以吸收峰较大。六实验总结通过本次实验了解了表面等离子共振的原理，也了解系统构成及主要技术实现；学习到了其应用及测量方法。实验四 双积分球测量组织光学参数1 实验目的1.掌握光学参数测量的原理；2.理解双积分球系统的组成；3.了

15、解获取光学组织参数的算法；二实验原理积分球：一种广泛应用于离体组织光学参数测量的技术，是积分球测量理论与辐射传输理论的精确结合起来，是组织光学测量的黄金标准；吸收系数：其倒数为光子在介质传输中被吸收前所走过的平均距离；散射系数：其倒数为光子在介质传输中被散射前所走过的平均距离；各向异性因子：光子在不同方向上的散射几率；测量时选取光在生物组织中的传输模型，将测量结果带入模型，模拟运算获取散射系数，吸收系数及各向异性因子。 其中：为测量时，光强与电压的转化系数； 为积分球自身的吸收系数； 为射入光光强；为背景光光强；为散射光光强；在黑暗环境和对直流温漂处理条件下，可大大降低背景光的干扰。选择低发散

16、角的激光器和调整好准直光路条件下，可大大降低散射光。即：和。 测量系统:3 实验步骤 1.调节光路，使得激光从每个积分球通孔中心穿过； 2.测量标准样品下的每个积分球探测器电压信号； 3.测量样品条件下对应积分球上探测器输出电压信号； 4.以上测量值至少要测量3次，取平均值计算漫反射率、漫透射率和准直透过率； 5.将上述计算结果输入IAD算法软件，得到组织光学参数；4 实验结果由计算软件可以得到：吸收系数为0.53(1/mm);散射系数为22.42(1/mm);结果分析：由实验结果可以看出透射光+反射光+准直透射光+样本厚度约等于1，说明我们这次试验非常成功。5 思考题1.采用一个积分球是否可

17、以测量组织光学参数？答：可以，先用该积分球测漫反射率，在反过来测漫透射率和准直透过率。但这样测量可能会引起较大的误差。2.如何减少本实验测量误差？答：激光光路尽量准直，积分球散射光均匀。6 实验小结通过这次实验，我掌握光学参数测量的原理，也理解双积分球系统的组成和获取光学组织参数的算法。实验五 散斑显微镜成像实验1 实验目的1. 了解散斑的定义与分类；2. 了解散斑成像的原理；3. 了解散斑显微成像的应用；2 实验原理散斑：激光在散射体表面的漫反射或通过一个透明散射体（如毛玻璃） 时，在散射表面或附近的光场中可以观察到一种无规分布的亮 暗斑点，这种斑点称为激光散斑。散斑分类：按照光场的传播方式

18、分为自由空间传播形成的近场散斑和远场散斑。按照散斑衬比值分为完全发展的散斑和完全发展的散斑。散斑衬比s: 光强波动的标准方差；<I>光强的平均值；对于某点的衬比，需对其周围小区域的光强进行统计。散斑衬比与速度关系：衬比从0.2到0.8变化，运动速度2个数量级变化，说明散斑衬比对物体运动速度的变化是非常敏感的；积分时间影响测量的准确性和灵敏性，通常选择相关时间的0.1倍到10倍之间。3 实验装置 光源：He-Ne激光器，0.5mW，633nm；成像：CoolSnap EZ相机，1392*1048显微镜：SZ16体视显微镜；蠕动泵：BT-100；软件：自编软件，Matlab文件go.m

19、； 4 实验步骤1.拉制微管，并固定在载物台上；2.制备样品，并把微管与蠕动泵橡胶管连接好；3.开启显微镜照明光源，调焦直到看到微管清晰像；4.关闭照明光源，打开激光器电源；5.开启相机开关及相应软件，设置曝光时间；6.改变蠕动泵不同的控制时间，采集相应的图像；7.开启Matlab软件，打开go.m软件，将其中的图像文件名改为所保持的文件名，运行go.m软件，即可得到相应的衬比图与流速图；五实验结果1.实验原图静止状态下运动状态下2.使用MATLAB处理拍摄的图片后，得到的图片六思考题1. 散斑的变化为什么可以提供散射体的速度信息？当被激光照亮的区域经过CCD成像系统时，产生颗粒状或斑纹状像面

20、散斑。如果散射介质在运动，图象中的每一个象素将产生随时间变化的散斑图样。该图样在时间和空间上的强度变化包含着散射介质的运动信息。通过分析散斑强度在时间上的变化（如激光多普勒测速仪），或强度变化的空间统计特性，都可获得定量的流速信息。2. 实验中CCD曝光时间应如何选择？CCD曝光时间应该与测量的流速相匹配。因为测量的牛奶液体的流速通常是um/s到mm/s，所以选取的曝光时间是15ms或20ms。3. 散斑衬比如何计算的？由流速引起的空间模糊程度，这种模糊程度用散斑衬比，即光强的平均标准偏差与平均强度的比值来表示。计算公式如下：式中：C 代表散斑的衬比，I 表示光强的平均值，s 表示光强的平均标准偏差；T 为CCD的曝光时间，c 为相关时间，即解除强度涨落的相干性时间。散斑的衬比在01之间，速度越大，衬比值越小；速度越小，衬比值越大。1表示该区域不存在散斑图样的模糊，即没有运动，衬比值越接近0，表示散射介质运动越快。4. 实验中当某处发生镜面反射时，往往会在流速图上的到错误的高流速，请解释其原因。 发生镜面反射的区域会影响激光照亮区域经过CCD成像系统时产生激光散斑的质量，散斑的平均光强增强，会引起散斑衬比值减小，所以得到了错误的高流速七，实验小结通过本次实验我了解