激光原理及应用初步学习教案.pptx

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1、会计学1激光原理及应用激光原理及应用(yngyng)初步初步第一页，共21页。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(shch)，这种输出(shch)光方向性好，相干性好，习惯上称之为激光。第1页/共21页第二页，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(fnz)能跃迁至高能级以实现连续不断的受激发射。三能级(nngj)模式四能级(nng

2、j)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页第三页，共21页。单纵膜和多纵膜单纵膜和多纵膜根据驻波条件(tiojin)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(yugun)。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页第四页，共21页。常见常见(chn jin)的激光器的激光器n n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）；n n气体

3、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n n染料激光器：罗丹明、香豆素等。波长(bchng)一定范围内可调，且功率可以很大（150W）。第4页/共21页第五页，共21页。高斯高斯(o s)光光n n通常(tngchng)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页第六页，共21页。厄米特厄米特-高斯高斯(o s)光（方形共光（方形共焦腔）焦腔）第6页/共21页第七页，共21页。拉盖尔拉盖尔-高斯

4、高斯(o s)光（球形共光（球形共焦腔）焦腔）第7页/共21页第八页，共21页。高斯光聚焦后的焦深和焦点高斯光聚焦后的焦深和焦点光斑光斑(gungbn)大小大小对于高阶模的高斯(o s)光而言，如TEMmn，其光斑尺寸：发散角为第8页/共21页第九页，共21页。STED显微镜显微镜n n利用不同高斯模和受激辐射模式，利用不同高斯模和受激辐射模式，HellHell采用高斯光和一阶拉盖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，突破了散函数受限使得显微镜的分辨率能达到纳米级别

5、，突破了18731873年年abbeabbe提出的衍射提出的衍射(y(y nsh)nsh)极限设定。约为极限设定。约为0.61/NA0.61/NA，对于可见光来说，这个数值大概是对于可见光来说，这个数值大概是200nm200nm左右。左右。第9页/共21页第十页，共21页。STED显微镜的原理显微镜的原理(yunl)先用圆形高斯光激发荧光物质，然后(rnhu)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页第十一页，共21页。能级能级(nngj)原理原理第11页/共21页第十二页，共21页。如何如何(rh)产生

6、面包圈产生面包圈STED光光n n通过(tnggu)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页第十三页，共21页。实现实现(shxin)STED的脉冲调制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(ync)激发光和STED光都应该是ps级脉冲激光。第13页/共21页第十四页，共21页。STED光的波长光的波长(bchng)选择选择n nSTED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

7、光器的限制无法自由调制波长。目前已经(y jing)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。n n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页第十五页，共21页。STED显微镜的应用显微镜的应用(yngyng)第15页/共21页第十六页，共21页。缺点缺点(qudin)n n1、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）

8、n n2、价格昂贵。（每台约1500万人民币）n n3、维护困难。（脉冲调制、功率调制、光束(gungsh)合并准直）第16页/共21页第十七页，共21页。Lattice light-sheet microscopy:Imaging molecules to embryos at high Lattice light-sheet microscopy:Imaging molecules to embryos at high spatiotemporal resolutionspatiotemporal resolutionScience Science 346,(2014);346,(2014

9、);第17页/共21页第十八页，共21页。第18页/共21页第十九页，共21页。A、格子光结构单元点阵(din zhn)电场分布B、格子光结构单元点阵分布（限定(xindng)函数 ）C、SLM（空间(kngjin)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页第二十页，共21页。SIM（结构光照明(zhomng)）模式下格子光片照明(zhomng)光传递函数（OTF）优化SIM模式(msh)下分辨率最高第20页/共21页第二十一页，共21页。