激光原理及应用初步.pptx

当谐振腔中的工作物质通过光、电、或者化学物质的作用后，其原子或分子由基态跃迁至激发态，通过一定波长的光源照射后可以发生受激辐射而呈雪崩式光子发射模式，通过谐振腔震荡而形成驻波输出，这种输出光方向性好，相干性好，习惯上称之为激光。第1页/共21页要持续产生激光，必要条件是亚稳态E2和基态E1上能形成粒子发转，其实就是说，E2能级上有足够多的粒子跃迁回E1能级，然后在极短的时间内基态的原子或分子能跃迁至高能级以实现连续不断的受激发射。三能级模式四能级模式比较而言，四能级模式对泵浦源的泵浦效率要求最低，因此目前几乎所有的高性能激光器都是采用四能级模式。第2页/共21页单纵膜和多纵膜根据驻波条件可知，相邻两纵膜之间的距离只与谐振腔长度L和折射率n有关。折射率一定的时候，纵膜数量只与谐振腔长度有关。比如对氦氖激光器，1米的谐振腔最多有10个纵膜，而15厘米的谐振腔则只有1个纵膜，即单纵膜。第3页/共21页常见的激光器固体激光器：红宝石激光器；钇铝石榴石激光器（1064nm、532nm）；钕玻璃激光器（1064nm）；气体激光器：He-Ne激光器（632nm）；二氧化碳激光器（10600nm）；氮分子脉冲激光器（337nm）；氩离子激光器（488nm）；金属蒸汽激光器；准分子激光器染料激光器：罗丹明、香豆素等。波长一定范围内可调，且功率可以很大（150W）。第4页/共21页高斯光通常由稳定谐振腔震荡输出的激光为高斯光。高阶高斯光根据谐振腔的结构不同可以分为拉盖尔-高斯光、厄米特-高斯光。第5页/共21页厄米特-高斯光（方形共焦腔）第6页/共21页拉盖尔-高斯光（球形共焦腔）第7页/共21页高斯光聚焦后的焦深和焦点光斑大小对于高阶模的高斯光而言，如TEMmn，其光斑尺寸：发散角为第8页/共21页STED显微镜利用不同高斯模和受激辐射模式，Hell采用高斯光和一阶拉盖尔高斯光组合使得一阶拉盖尔高斯光的暗区的荧光分子点扩散函数受限使得显微镜的分辨率能达到纳米级别，突破了1873年abbe提出的衍射极限设定。约为0.61/NA，对于可见光来说，这个数值大概是200nm左右。第9页/共21页STED显微镜的原理先用圆形高斯光激发荧光物质，然后用STED光将已经激发的荧光物质强行辐射回落到荧光分子高能级基态，最后只有中央暗区的荧光分子能发出荧光而被检测到。第10页/共21页能级原理第11页/共21页如何产生面包圈STED光通过螺旋相位片将高斯光转化为一阶拉盖尔高斯光。第12页/共21页实现STED的脉冲调制一般来说，先用激发光照射样本25-50ps，然后用STED光照射250ps以上。具体来说就是在极短时间内将荧光分子激发，然后在荧光分子的弛豫周期时间内打入STED光将激发的电子受激回落至基态，因此激发光和STED光都应该是ps级脉冲激光。第13页/共21页STED光的波长选择STED光波长理论上应该在发射光谱的红边激发较好。但是实际操作中比较困难，因为激光器的限制无法自由调制波长。目前已经有白激光耦合STED光调制波长，但是目前的白激光极少能做到20ps的脉冲时间，本实验室购买的白激光脉冲时间为150ps，只能对特定的荧光分子进行STED。如果STED光波长与激发光相同，那么必须激发时实现饱和激发，这样的缺点是更加容易发生光漂白，好处是可以实现激发淬灭使用同一波长的光。第14页/共21页STED显微镜的应用第15页/共21页缺点1、采用点扫描方式，速度慢，很难实时观测到生物体的动态过程。（已有阵列STED显微镜，可实现阵列式扫描）2、价格昂贵。（每台约1500万人民币）3、维护困难。（脉冲调制、功率调制、光束合并准直）第16页/共21页Lattice light-sheet microscopy:Imaging molecules to embryos at high spatiotemporal resolutionScience 346,(2014);第17页/共21页第18页/共21页A、格子光结构单元点阵电场分布B、格子光结构单元点阵分布（限定函数 ）C、SLM（空间光调制器）后光场分布D、SLM后衍射图样E、环形相位板（与激发目标的后瞳面耦合）F、后瞳面照明图样G、激发光的xz截面光场PSF分布H、扫频模式下激发光的xz截面光场PSF分布I、扫频模式下激发光的点扩散函数第19页/共21页SIM（结构光照明）模式下格子光片照明光传递函数（OTF）优化SIM模式下分辨率最高第20页/共21页感谢您的观看！第21页/共21页