生物光子学2-光子学与光谱学基础02概要课件.ppt

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1、主讲人：刘立新西安电子科技大学第 2 章光子学与光谱学基础 光在界面上的反射和折射：分别遵从反射定律和Snell定律；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，即发生全反射。光纤 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，也称隐失波或倏逝波。其在第二介质中的有效进入深度约为一个波长。全内反射荧光显微术内容回顾3 光的本质波粒二象性；光是一种能在真空和介质中以波动形式传播的，由振动的电波和磁波组成的电磁波，同时也是一种叫做光

2、子的能量包；凡是与光的传播有关的各种现象，如衍射、干涉和偏振，必须用波动说来解释，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），都必须用光子说来解释；波动性参量（波长、频率、相位、速度）粒子性参量（能量、动量）内容回顾4光波的干涉和衍射 l 光的相干性：时间相干性、空间相干性l 产生干涉条件：只有两列光波的频率相同，位相差恒定，振动方向一致的相干光源，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。内容回顾5光子的吸收、发射和散射；

3、l 光与分子的相互作用过程：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爱因斯坦（Einstein）模型描述。物质的“波粒二象性”内容回顾6波长（de Broglie 波）h=Planck 常数由Schrdinger 方程的解得出的量子化能量物质粒子行为 似波行为动能动量p=mv由经典牛顿力学描述的平动能量 分子的能级结构：电子和振动能级（量子化）在生物光子学中有重要的作用 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Jablonski 能级图描述；内容回顾7S2S1T1S0EFluorescencePhosphorescenceVibrationalRelaxati

4、onVibrationalRelaxationICICISCISCAbsorption单重态：S0，S1，S2三重态：T1IC：内转化ISC：系间窜跃荧光磷光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8内容回顾光谱仪：棱镜、光栅、FT-IR 光谱仪2.1 光在界面上的反射和折射2.2 光的本质波粒二象性2.3 光子的吸收、发射

5、和散射2.4 光波的干涉和衍射 2.5 分子能级结构与光谱 2.6 激光与非线性光学本 章 内 容93、电子能级吸收光谱 电子能级吸收用于对样品的定量分析，如紫外-可见光谱仪测量电子能级的线性吸收；线性吸收由Beer-Lambert 定律定义，即一束初始强度为I0频率为v的入射光按指数衰减，即输出强度I 为：系数(v)和k(v)的单位为L mol-1cm-1；(v)比k(v)更常用，称为频率v 处的消光系数；b以cm 为单位，是光学路径长度，定义为光通过吸收介质的路径的长度；2.5 分子能级结构与光谱 10n 线性吸收过程2.5 分子能级结构与光谱 1 1线性吸收由Beer-Lambert 定

6、律定义，即一束初始强度为I0频率为v 的入射光按指数衰减，即初始强度I 为：吸收率：透射率：光学密度：n 另外一些描述吸收衰减的参量：2.5 分子能级结构与光谱 12T 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损失；如果吸收占主导地位，则OD=A。电子能级吸收光谱 典型的吸收光谱表示为T 相对于v 或 的曲线，或A 相对于v 的曲线;v 定义为吸收谱带最大吸收值一半处的宽带。2.5 分子能级结构与光谱 13吸收光谱的两种表示 电子能级吸收光谱 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；如果已知发色团在频率v 处的摩尔消光系数(v)，则可以得到此发色团的浓度；生物介质

7、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A，可以得到各种不同发色团的浓度。2.5 分子能级结构与光谱 14n 乙醚中叶绿素a的吸收光谱2.5 分子能级结构与光谱 15如图，在650nm 处的吸收与叶绿素的绿色对应。因为，红光的吸收产生绿色的透射或散射光（补色）。n HPPH（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 164、电子能级发射光谱 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

8、的峰值与发射谱带的峰值之间的偏移称为Stokes 红移，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；Stokes 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。2.5 分子能级结构与光谱 17n 荧光素的吸收和发射光谱2.5 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术。荧光光谱学包括如下特性的研究：荧光光谱技术 荧光激发光谱 荧光寿命 荧光量子产额 荧光偏振2.5 分子能级结构与光谱 19 荧光光谱技术（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；这种情况下

9、所得的荧光叫做激光诱导荧光（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。2.5 分子能级结构与光谱 20 荧光激发光谱（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子频率。2.5 分子能级结构与光谱 21n 荧 光 寿 命 表 示 荧 光 强 度 的 衰 减，是 指 分 子 受到 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100ns，它 主 要 依 赖 于被测荧光团所处的微环境变化。l 荧光寿

10、命2.5 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I(t)是样品受到光脉冲激发后t 时刻测量得到的强度，I0是t=0 时的强度，k为衰减速率常数kr：辐射衰减常数knr：非辐射衰减常数：荧光寿命通过实验测量并进行单指数拟合，得到总的荧光寿命。n 荧光寿命的两种测量方法：n 时 域 测 量：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 射 荧光释放能量，然后测量荧光强度衰减。n 频 域 测 量：也 叫 相 位 调 制 法，它 是 用 强 度 按 正 弦

11、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 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。l 荧光寿命2.5 分子能级结构与光谱 23 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种量度。在没有非辐射衰减时，量子产额等于1，即激发态只以辐射（荧光）过程衰减；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的最好手段。2.5 分子能级结构与光谱 24 荧光的偏振 荧光偏振定义为：另一种定义荧光偏振的量叫荧光发射的各向异性r，定义为：I

12、/和I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。2.5 分子能级结构与光谱 255、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化学键、键角、化学集团的详细特征描述，可以用来识别分子。振动能级光谱包括：红外光谱（吸收）：吸收一个红外或远红外光子会产生振动跃迁；拉曼光谱（散射）：通过拉曼散射产生振动跃迁。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术。nphoton=nvibrationnI ns=nvibration2.5 分子能级结构与光谱 26 振动能级光谱 拉曼散射：入射和散射光子的能量差为分子振动能级差；Stokes 拉曼散射：散射光子的频率低于

13、入射光子（vv），分子从低振动能级跃迁到高振动能级；反Stokes 拉曼散射：散射光子的频率高于入射光子（vv），分子从较高振动能级跃迁到较低振动能级；2.5 分子能级结构与光谱 27 振动能级光谱 拉曼光谱的缺点：拉曼散射的效率很低：一般来说，在105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）拉曼光谱比IR 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IR 光谱来获得关于结构的详细信息；如果被测样品中具有自体荧光，则荧光信号强度要比Raman 散射信号大许多数量级，因而背景荧光会淹没Raman 谱带。2.5 分子能级结构与光谱 28 振动能级光谱 拉

14、曼光谱的优点（相比于IR 光谱）：生物样品经常存在于水中；水对IR 的吸收率很大，而拉曼散射很小，因此拉曼光谱对于探测水溶液中的生物样品十分重要；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，因此可以获得微米颗粒（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，通过共振增强拉曼散射，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 29 振动能级光谱 拉曼光谱的发展：紫外共振Raman 光谱（230250nm 的紫外激发）；表面增强Raman 光谱术（SERS）：把分子沉

15、淀在精微粗糙的金属、金属胶状物或金属纳米颗粒的表面，从而增强这种分子的Raman 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。2.5 分子能级结构与光谱 30n 一些化学键的典型振动频率2.5 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理的探索上有广泛的应用。n 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 32n 水化蛋白质膜的典型红外光谱2.5 分子能级结构与光谱 336、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

16、的荧光强度的相关函数；典型FCS 的采样体积是10-15L，而传统荧光光谱的采样体积一般是0.11.0mL 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相关联；FCS 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强度变化信息。2.5 分子能级结构与光谱 34A 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2.5 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有关。小分子扩散快，荧光强度起伏也快（图A）；相反，大分子扩散慢，荧光强度起伏缓慢（图B）。模拟得到的自由配位基和相应的结合

17、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（定量描述荧光强度起伏）2.5 分子能级结构与光谱 36 如图给出了一个典型的自相关函数G()关于时间间隔 的曲线。其中自由配位基扩散速度较快，结合配位基扩散速度较慢。2.1 光在界面上的反射和折射2.2 光的本质波粒二象性2.3 光子的吸收、发射和散射2.4 光波的干涉和衍射 2.5 分子能级结构与光谱 2.6 激光与非线性光学本 章 内 容371、激光（Laser）激光=受激辐射光放大 Light amplification by stimulated emission of radiation 激光的历史可

18、以追溯到1917 年，爱因斯坦在其经典著作关于辐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、自发辐射和光吸收之间的关系；1958 年，Schallow 和Townes 提出在可见光以及红外光波段实现激发谐振的可能；1960 年，Maiman 发明第一台激光器，这是一台红宝石激光器，在694.4 nm 波长处获得了400mJ 的相干脉冲光。2.6 激光与非线性光学38 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学领域具有重要的应用价值：单色性好（单波长）方向性好（空间发散小）相干性好 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；实际上，正是由于

19、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。2.6 激光与非线性光学39 激光的原理：受激辐射：处于高能级E2的粒子，受到能量等于E2-E1的光子的激发，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；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，取决于粒子在两个能级上的分布；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粒子数反转。2.6 激光与非线性光学40n 激光的原理：n 泵浦源：将原子由低能级激发到高能级，实现粒子数

20、反转；n 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 质体系（具备亚稳态能级结构）；n 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 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：1）为 激 光 振 荡 提 供 光 学 正 反 馈，2）限 制 激光只在n 个模式或一个模式上振荡，3）限制激光输出的方向。2.6 激光与非线性光学41n 激光的原理：n 如 果 增 益 介 质 只 包 含 三 个 能 级（称 作 三 能 级 结 构），只 能

21、 产 生 脉 冲 激光 作 用；如 果 增 益 介 质 包 含 四 个 能 级（称 作 四 能 级 结 构），那 它 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42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泵浦到激发能级施加电能或光能在激发粒子聚集的能级 f 和另一个较低能级 i 之间建立粒子数反转多次往返放大，产生高方向性的受激辐射放大（激光振荡）通过非辐射过程驰豫到低的发射能级f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）n 激光运转的过程：2.6 激光与非线性光学43 激光在生物医学中的应用：用激光新技术研究生命

22、现象和规律，例如：借助激光微束仪把激光束直径聚焦到0.5 1 m，用以切割或焊接细胞，研究生物遗传规律；借助激光拉曼光谱分析技术，研究生物大分子的结构及其变化；光镊、双光子荧光等。2.6 激光与非线性光学44 激光在生物医学中的应用：激光诊断，常用的有：内窥镜在体诊断，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，激光流动式细胞分析，激光干涉，激光透照和激光偏振技术等；利用红外吸收光谱仪，通过对唇部的测定，能测定人血液内所存在的元素；利用激光多普勒测速技术测量皮肤、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之处的组织的毛细血管的血流。2.6 激光与非线性光学45

23、 激光在生物医学中的应用：激光治疗，已经涉及到临床所有各科，大体可分为激光手术治疗、激光非手术治疗和激光光敏治疗三类，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：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；治疗人眼：矫正视力、治疗青光眼以及由糖尿病引起的眼部疾病；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。2.6 激光与非线性光学46 激光器的分类：基于泵浦方式 电泵浦：电能到激光能的直接转换 半导体激光器 氩离子激光器 氦-氖激光器 准分子激光器 二氧化碳激光器 用灯照明实现光泵浦

24、 染料激光器 掺钕钇铝石榴石激光器（Nd：YAG）掺铒钇铝石榴石激光器（Er:YAG）紫翠玉激光器2.6 激光与非线性光学47 激光器的分类：基于泵浦方式 用其他激光器实现光泵浦 染料激光器 钛蓝宝石激光器 用半导体激光器泵浦固体激光器 Nd:YAG 激光器 掺钕钒酸盐激光器 Er:YAG 激光器 2.6 激光与非线性光学48n 激光器的分类：基于激光介质n 气体激光器n 二氧化碳激光器n 氩离子激光器n 氪离子激光器n 铜蒸汽激光器n 准分子激光器n 氮分子激光器n 氦-氖激光器n 液体激光器n 染料激光器2.6 激光与非线性光学49n 固体激光器n 二极管激光器n Nd:YAG 激光器n

25、Er:YAG 激光器n 钛蓝宝石激光器n 掺钬钇铝石榴石激光器n 紫翠玉激光器n 氦-氖激光器n 半导体激光器n 激光器的分类：基于时间特征n CW（连续光）n 调制，斩波，门控（ms-s)n 脉冲（10-6s，s）n 超脉冲（10-3s，ms；重复脉冲）n 调Q（109 s，ns）n 锁模(1012 s，ps；1015 s，fs)2.6 激光与非线性光学50常规脉冲操作调Q 操作锁模操作常规脉冲操作（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。调Q 操作：在调Q 操作中，通过在腔中使用特定的光学元件（称为调Q 器

26、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Q。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，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 vs.脉冲激光 CW 激光：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；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物如ArF 和XeCl 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，例如用调Q 技术产生纳秒级的脉冲，用锁模技术产生皮秒级和飞秒级的脉冲。锁模技术得到的脉冲很窄，峰

27、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。2.6 激光与非线性光学51 生物光子学常用的激光器：CO2激光器 波长：10.6 m（大多数情况下使用的，中红外）激光介质：CO2气体（与氮气和氦气混合）激励方式：电 应用：非常广泛 20 W CW：用于组织的汽化及美容 脉冲方式：500 W 的峰值功率，20-40 W 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汽化和切割；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52 生物光子学常用的激光器：二极管/

28、半导体激光器 波长：400-1,900 nm（取决于激光介质）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 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Nd:YAG 激光器进行光泵浦（更加紧凑和有效）；组织的热处理等。2.6 激光与非线性光学53 生物光子学常用的激光器：Nd:YAG 激光器 波长：1,064 nm or 1.064 m(最常见)激光介质：将钕离子扩

29、散在钇铝石榴石晶体中（YAG）激励方式：照明灯泵浦传统方式；二极管激光器泵浦新方式（耐久紧凑，高效，但昂贵）应用比较广泛，包括：100W CW 用于外科（例如前列腺）；膀胱肿瘤的凝固和蒸发。2.6 激光与非线性光学54 生物光子学常用的激光器：KTP 激光器 利用非线性晶体KTP 对Nd:YAG 激光器进行二倍频 波长：1064/2=532 nm 应用：CW 的KTP：眼动脉治疗 调Q 的KTP（ns 级脉冲）：去除纹身2.6 激光与非线性光学55 生物光子学常用的激光器：染料激光器 波长：根据染料的不同在400-800 nm 连续可调 激光介质：荧光染料 激励方式：脉冲染料激光器，闪光灯，K

30、TP 激光器，准分子激光器，CW 染料激光器，氩粒子激光器 应用：光动力疗法 皮肤医学 眼科学 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56 生物光子学常用的激光器：氩离子激光器 波长：488/514.5 nm 激光介质：1T 大气压下的氩气 激励方式：电 应用：眼科学（视网膜脱落）生物成像光源 拉曼光谱成像2.6 激光与非线性光学57 生物光子学常用的激光器：钛蓝宝石激光器 波长：690-1000 nm 可调 激光介质：掺Ti3+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钇铝石榴石激光器）输出：CW，纳秒或者飞秒脉冲，典型功率值几百毫瓦

31、 应用：多光子显微 多光子光动力疗法 组织外形修复，组织消融2.6 激光与非线性光学58 激光小结 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，也称做激光工作物质；激励装置：能使激活介质发生粒子数反转分布的能源；光学谐振腔：使光子在其中重复振荡并多次被放大。产生激光的过程可归纳为：激励激活介质（即工作物质）粒子数反转被激励后的工作物质中偶然发出的自发辐射其它粒子的受激辐射光子放大光子振荡及光子放大激光产生。2.6 激光与非线性光学592、强激光束中的非线性光学过程 线性光学：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

32、变频率；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振方向有关，而与光强无关。非线性光学：光束经过交叉区域，强度与相位会发生传递；入射到介质中的光束有新频率产生，强度发生变化；介质的主要光学参数与光强有关。2.6 激光与非线性光学60 强激光束中的非线性光学过程 非线性光学效应的定义：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。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 与电场不再成线性关系，而是取决于电场高次方的大小。2.6 激光与非线性光学61 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

33、系式为：上式中，为极化率张量，由于 与 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）；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。2.6 激光与非线性光学62 光的各阶非线性效应 二阶非线性效应（与 有关）：倍频/二次谐波(SHG)，和频(SFG)，差频(DFG)，光学参量放大(OPA)，光学参量振荡(OPO)等；三阶非线性效应（与 有关）：三倍频/三次谐波(THG)，饱和吸收(SA)，双光子吸收(TPA)，自聚焦(SF)，米克尔效应(OK)，受激拉曼散射(SRS)，

34、受激布里渊散射(SBS)，相干反斯托克斯散射(CARS)，四波混频(DFWM)等；高阶非线性效应2.6 激光与非线性光学63n 二 阶 非 线 性 效 应 与 光 强 度 平 方 成 正 比，二 次 谐 波 产 生（SHG）是 其 中一 个 重 要 的 例 子，即 频 率 为v 的 输 入 光 束 会 产 生 频 率 为2v 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）；n 如 果 介 质 具 有 二 阶 效 应，那 它 一 定 是 非 中 心 对 称 的（不 是 非 晶 态 的 固体或者液体）。n 二次谐波产生或倍频2.6 激光与非线性光学64二次谐波生成（SHG

35、）；SHG 过程（左），能级描述（右）n 合频产生n 差频产生2.6 激光与非线性光学65n 光 学 参 量 产 生：一 束 频 率 为v 的 光 经 过 非 线 性 介 质 后，变成具有两个不同频率v1和v-v1的光。n 光学参量产生2.6 激光与非线性光学66n 三 阶 非 线 性 效 应 与 光 强 立 方 成 正 比，三 次 谐 波 产 生THG是 其 中 一 个 重 要 例 子，即 频 率 为v 的 输 入 光 束 会 产 生 频 率为3v 的 新 的 光 束，同 样 也 是 非 共 振 的 过 程（在 此 过 程 中介质既不吸收能量，也不发射能量）；n 三阶效应对物质没有对称要求的

36、限制。n 三次谐波产生2.6 激光与非线性光学67n 相 干 反 斯 托 克 斯（CARS）是 一 种 光 学 非 线 性 频 率 转 换 的过 程。当 两 束 输 入 光 的 频 率 差v1-v2和 分 子 的 拉 曼 动 态 振 动频 率 一 致 时，两 个 频 率 分 别 为v1和v2的 输 入 光 会 产 生 频 率为2v1-v2的输出光。n 相干反斯托克斯拉曼散射2.6 激光与非线性光学68n 双 光 子 吸 收 和 三 光 子 吸 收 是 多 光 子 吸 收 的 两 个 具 体 例 子，在 这 些 过 程 中，两 个 或 者 三 个 光 子（既 可 以 是 相 同 频 率，也 可

37、以 是 不 同 频 率 的）被 同 时 吸 收 然 后 到 达 分 子 的 激 发能级。n 多光子过程2.6 激光与非线性光学69双光子吸收是一个三阶非线性过程，对物质没有对称限制，如图为具有相同频率的双光子吸收过程即能级描述。n 分 子 对 低 能 量（长 波 长）的 光 子 进 行 双 光 子 吸 收，会 发 生 上 转 换 辐射，产生高的能量（高频或者短波长）。n 双光子泵浦上转换过程2.6 激光与非线性光学70基于上转换辐射过程，近红外光子的吸收有可能产生可见光波段的荧光。双光子吸收和光强成线性关系，因此在激发态产生的集居数和光强平方成正比。双光子吸收常用光源：钛蓝宝石飞秒激光器（脉冲

38、激光，峰值功率高，平均功率低）n 注 意：双 光 子 激 发 上 转 换 过 程 是 一 个 三 阶 非 线 性 效 应，二次谐波则是二阶过程。n SHG 生 成 过 程 中，上 转 换 光 子 是 精 确 的 二 倍 频，而 且 出射光是相干的，具有方向性。n 在 双 光 子 激 发 上 转 换 过 程 中，出 射 光 子 频 率 小 于 二 倍 频，而且是宽光谱（荧光），非相干，无方向性的。n 双光子泵浦上转换过程 Vs.二次谐波2.6 激光与非线性光学71Quiz 21.生物光子学中常用的光谱技术有哪些？2.激光产生的条件是什么？激光器的三个组成部分是什么？3.激光的常见分类有哪些？72 回顾光在界面上的反射和折射的基本知识，介绍全内反射及其在生物光子学中的应用；回顾光的波粒二象性本质，复习作为波的光的传播性质以及作为粒子的光子的基本性质；光与粒子相互作用时应从光的粒子性出发来研究，光作为光子被物质吸收和发射可用爱因斯坦模型描述，光与物质粒子的非弹性散射为拉曼散射；物质也具有波粒二象性，其能态也是量子化的；光谱学研究不同波长下物质对光的吸收和辐射，跃迁强度和波长的关系曲线称为光谱；激光是生物光子学领域最常用的光源；强激光束在生物光子学中的应用，产生多种有用的非线性光学效应。本 章 小 结73