激光技术与生命科学

2020/9/26,1,激光与生命科学,浙江大学物理学系 陆璇辉教授 ,2020/9/26,2,激光的发展历史,自从1960年Maiman发明世界上第一台红宝石激光器以来，激光在科学研究和高科技方面已经发展出许多分支，并已渗透到我们的日常生活。 激光在基础科学研究、工业加工、IT领域、医疗和军事领域都有广泛的应用。,2020/9/26,3,激光是20世纪最重大的发明之一,2020/9/26,4,20042009年全球激光市场的销售收入,2020/9/26,5,1917 Einsteins treatment of stimulated emission. 1951 Development of the maser by C.H. Townes. The maser is basically the same idea as the laser, only it works at microwave frequencies. 1958 Proposal by C.H. Townes and A.L. Schawlow that the maser concept could be extended to optical frequencies. 1960 T.H. Maiman at Hughes Laboratories reports the first laser: the pulsed ruby laser. 1961 The first continuous wave laser is reported (the helium neon laser).,2020/9/26,6,激光问世以来九次为诺贝尔奖增添光彩,1964 Nicolay Basov, Charlie Townes and Aleksandr Prokhorov get the Nobel prize for “fundamental work in the field of quantum electronics, which has led to the construction of oscillators and amplifiers based on the maser-laser principle.” 1971 Dennis Gabor for his invention and development of the holographic method 1981 Art Schalow and Nicolaas Bloembergen get the Nobel Prize for“their contribution to the development of laser spectroscopy”,2020/9/26,7,最近十年中，激光六次为诺贝尔奖增添光辉,1997 Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji and William D. Phillips get the Nobel Prize for “development of methods to cool and trap atoms with laser light.” 1999 Ahmed H. Zewail , for his studies of the transition states of chemical reactions using femtosecond spectroscopy 2000 Zhores I. Alferov，Herbert Kroemer , for developing semiconductor heterostructures used in high-speed- and opto-electronics Jack”, S. Kilby, for his part in the invention of the integrated circuit,2020/9/26,8,2001 Eric A. Cornell, Wolfgan Ketterle, carl E. Wieman , for the achievement of Bose-Einstein condensation in dilute gases of alkali atoms, and for early fundamental studies of the properties of the condensates 2002 John B. Fenn , Koichi Tanaka , for their development of soft desorption ionisation methods for mass spectrometric analyses of biological macromolecules“, Kurt Wthrich “for his development of nuclear magnetic resonance spectroscopy for determining the three-dimensional structure of biological macromolecules in solution 2005 The prize is being awarded with one half to: ROY J. GLAUBER for his contribution to the quantum theory of optical coherence and one half jointly to JOHN L. HALL and THEODOR W. HNSCH for their contributions to the development of laser-based precision spectroscopy, including the optical frequency comb technique,2020/9/26,9,2009 One half awarded to Charles Kuen Kao for groundbreaking achievements concerning the transmission of light in fibers for optical communication, the other half jointly to Willard S. Boyle and George E. Smith for the invention of an imaging semiconductor circuit the CCD sensor. 2012 The Nobel Prize in Physics was awarded jointly to Serge Haroche and David J. Wineland for ground-breaking experimental methods that enable measuring and manipulation of individual quantum systems,2020/9/26,10,The Nobel Prize in Physics 1964for fundamental work in the field of quantum electronics, which has led to the construction of oscillators and amplifiers based on the maser-laser principle,Charles Hard Townes Massachusetts Institute of Technology (MIT) Cambridge, MA, USA,Nicolay Gennadiyevich Basov P.N. Lebedev Physical Institute Moscow, USSR,Aleksandr Mikhailovich Prokhorov P.N. Lebedev Physical Institute Moscow, USSR,2020/9/26,11,for development of methods to cool and trap atoms with laser light,Born 1933(in Constantine, Algeria),USA National Institute of Standards and Technology Gaithersburg, MD, USA Born 1948,2020/9/26,12,Claude Cohen-Tannoudji,2020/9/26,13,The Nobel Prize in Physics 2001,for the achievement of Bose-Einstein condensation in dilute gases of alkali atoms, and for early fundamental studies of the properties of the condensates,Eric A. Cornell USA University of Colorado, JILA Boulder, CO, USA Born 1961,Wolfgang Ketterle Federal Republic of Germany Massachusetts Institute of Technology (MIT) Cambridge, MA, USA Born 1957,Carl E. Wieman USA University of Colorado, JILA Boulder, CO, USA Born 1951,2020/9/26,14,The Nobel Prize in Physics 2005,2020/9/26,15,2007年浙江大学授予诺贝尔奖得主R.Glauber教授名誉教授,2020/9/26,16,2007年诺贝尔奖得主R.Glauber教授在浙江大学物理系作报告,2020/9/26,17,诺贝尔奖得主与本人合影,2020/9/26,18,激光的基本原理,什么是光？ 1、 波动学说- Hughes提出的光的本性。他认为光是一种波，运动规律就如波。 杨氏和费涅耳（Fresnel）的实验证实了这种解释。1862年Maxwell建立了电磁波方程。,2020/9/26,19,2、粒子说最早由笛卡儿建立并得到牛顿的支持。 该学说认为光是从光源发出的一种物质粒子，在均匀的媒质中以一定的速度传播。后来，被爱因斯坦的光电效应所证实。,2020/9/26,20,光的波粒二象性,波长 频率 （Hz） 真空中光速 c299,792,458m/s,2020/9/26,21,光子的能量 Eh 其中普朗克常数h6.62619610-34Js 德布罗依波 h/p 频谱关系 c/,2020/9/26,22,激光的波长已覆盖从远红外到 x 光,2020/9/26,23,LASER - Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation Light is produced by the transition of electrons between energy levels in an atom Electrons occupy discrete orbits around the nucleus of an atom In order to occupy a particular orbit, an electron must posses a particular energy,2020/9/26,24,激光器的基本构成,2020/9/26,25,原子发光原理,Simplistic view of the bounded energy levels in an atom,2020/9/26,26,辐射的光子学说,黑体辐射的爱因斯坦（Einstein）理论 1917年，爱因斯坦在光量子论的基础上，从另一个角度同样导出了普朗克公式。首次提出了自发辐射和受激辐射的概念，建立了光和物质相互作用的新模型。假定原子体系是一个二能级的体系，原子由高能级E2向低能级E1跃迁时放出能量为h =E2-E1 的光子，原子由低能级E1向高能级E2跃迁时，吸收能量为h 的光子。因此，爱因斯坦把光和物质相互作用归结为三个基本过程，即自发辐射、受激辐射和受激吸收过程。,2020/9/26,27,自发辐射,2020/9/26,28,受激吸收,2020/9/26,29,受激辐射,2020/9/26,30,光放大的条件,激光介质实现粒子数反转 所谓粒子数反转就是上能级的粒子数比下能级的粒子数多。N2 /N11 这种状态称为“非热平衡态”，对光有放大作用。 激光介质包括：气体，固体，半导体，准分子，液体等。,2020/9/26,31,三能级系统,这是一种比较实用的原子体系。红宝石激光694.3nm的跃迁就是一个典型的三能级系统的例子。 这种系统效率低。,2020/9/26,32,四能级系统,系统特点： 用最小的泵浦功率产生足够多的粒子数反转 上能级的荧光寿命可以不需要很长 高效率,2020/9/26,33,工作物质的作用 工作介质是指在一定的外界条件下，它的某两个能级实现了粒子数反转并对特定频率的光具有放大作用的介质。气体（或蒸汽）、液体、固体、半导体和等离子等都可能成为激活介质，但并不是任何物质的任意两个能级间都实现粒子数反转的。,2020/9/26,34,激光谐振腔 提供正反馈，形成谱线和模式的输出激光。,2020/9/26,35,泵浦源（激励源） 提供激光能量，使下能级的粒子跃迁到上能级。 激励形式：电激励，光激励，热激励，化学激励，核激励等方式。,2020/9/26,36,激光的特性,激光器是高相干光源，它所辐射的激光是一种受激辐射相干光。激光束与普通光相比最突出的特性是它具有高度的方向性、单色性、高亮度和高相干性。下面分别讨论激光的这四个特性和它们的物理意义。,2020/9/26,37,1 激光的方向性 当=10-3 弧度时， =10-6 弧度，这意味一般激光只在数量级为10-6弧度立体角内传输。而普通光源在4 弧度的立体角范围发光。由此可见，激光束比普通光束的方向性好几百万倍。,亮1000000倍,2020/9/26,38,2、激光的高亮度 光源的亮度是表征光源辐射强弱的一个重要参量。对于在光源表面法向的发光亮度定义为 脉冲激光的亮度可以比普通光源高达100,000,000倍,2020/9/26,39,3、激光的单色性 一般物体发光是由构成物体的粒子（原子、分子、离子等）从一个高能级跃迁到另一个低能级，而引起的，其频率为 单色性常用来 表征 ，同样也可以用频率范围为表示单色性，这时单色性可表为： 由此可见， 或越窄，光的单色性越好。,2020/9/26,40,4.激光的相干性 在普通光源中，各个发光中心彼此独立，它们之间基本没有位相联系（或很少），因此难于存在恒定的位相差，所以相干性较差。对于激光器来说则完全不同，各个发光中心是相互联系的，在较长的时间内存在一定的位相联系（或同位相），所以激光器发出的激光束无论是时间相干性或空间相干性都是很好的。 （1）时间相干性 （2）空间相干性,2020/9/26,41,有关激光的概念,激光的谱线和谱线宽度 激光由于粒子的跃迁确定的激光输出的波长（频率）。 谱线的分布称为谱线曲线。 1、自然加宽 2、碰撞加宽 3、多普勒加宽,2020/9/26,42,增益曲线和线宽,2020/9/26,43,纵模和横模,腔体的边界条件对腔内电磁场都起着约束作用。 通常把腔内光场的分布，分解为沿着光传播方向的分布E(z)和垂直于传播方向某横截面上的分布E(x，y), 它们分别称为纵模和横模并记为TEMq 和TEMm,n；q称为纵模序数，m、n称为模横序数；q、m 、n均为正整数。 设腔内没有激活介质（常称无源腔或被动腔）,2020/9/26,44,尾镜 （全反镜),输出镜 （部分反射镜）,d,2020/9/26,45,光束从一点出发经过一个来回回到原点时，应与初始波同位相，即位相差为2的整数倍。表示为 从上式中容易确定相邻模式的频率（纵模）间隔q为,2020/9/26,46,纵模,由于腔的作用，只有在谱线轮廓范围内的满足qqc/2d 的特定频率q的光才能在激活介质中被放大并产生振荡。图表示谱线轮廓内同时存在几个纵模振荡。若改变谐振腔腔长d ，使相邻模间隔增大，使q与谱线轮廓的频率范围相当时，就可实现单纵模振荡。,2020/9/26,47,横模,方 镜,2020/9/26,48,园 镜,2020/9/26,49,Gaussian beam 高斯光束,2020/9/26,50,发散角,光束半径,波前曲率半径,2020/9/26,51,激光束的聚焦与准直,薄透镜的聚焦,2020/9/26,52,焦斑大小的估算公式,W=f f 是聚焦透镜的焦距, 是激光的发散角.,2020/9/26,53,高斯光束的准直,为了改善光束的发散角，常将激光器和望远镜联合使用,2020/9/26,54,2、激光器,2020/9/26,55,2020/9/26,56,按工作物质分类： 气体激光器、固体激光器、液体激光器、半导体激光器、准分子激光器等。 按谐振腔分类： 内腔激光器、外腔激光器、环型激光器、波导激光器等。 按工作状态分： 连续激光器、脉冲激光器、超短脉冲激光器。,2020/9/26,57,内腔式 外腔式 半外腔式,HeNe激光器 632.8nm,2020/9/26,58,工作物质是Ne，He是辅助气体，起能量的共振转移的作用。,2020/9/26,59,CO2激光器,10.6m,2020/9/26,60,CO2能级图,2020/9/26,61,2020/9/26,62,CO2激光器的种类 激励方式： 电激励，热激励，化学激励和气动激励。 运转方式：连续和脉冲。 放电形式：纵向放电和横向放电。 气体状态：封闭和流动,2020/9/26,63,氩离子激光 488nm, 514.5nm,2020/9/26,64,氩离子能级跃迁图,2020/9/26,65,准分子激光器,准分子是一种在激发态复合为分子，而在基态离解为原子的不稳定缔合物。电子的辐射跃迁发生在束缚的激发态和排斥的基态之间。准分子激光器自1970年以来获得了很大的发展，从远红外到真空紫外都有相应的激光谱线，并且具有高能量、高功率、高重复频率和波长可调谐的特点，已成为光化学和紫外光谱学领域内的重要光源。,2020/9/26,66,准分子通称为“Excimer”，异核原子组成的准分子称作“Exciplex”（如XeF），同核原子组成的准分子称作“Dimer”（如）。准分子激光器的工作介质主要有： (1) 惰性气体，如Xe2, Ar2, Kr2 等。 (2) 惰性气体氧化物，如XeO、KrO、ArO等。 (3) 惰性气体卤化物，如XeF、ArF、KrF、XeCl、ArCl、XeBr等。 (4) 金属蒸气惰性气体，如Hg-Xe、Cs-Xe、K-Xe、Li-He、Na-He等。 (5) 金属蒸气卤化物，如HgCl、HgBr等。,2020/9/26,67,准分子是一种短寿命的分子，从产生到消失仅经历108s量级，而基态的寿命更短，一般为1013s量级。 量子效率达100，有可能得到很高的能量转换效率,2020/9/26,68,几种准分子激光器及其主要激光波长,2020/9/26,69,固体激光器,固体激光器的常用激活介质： Nd:YAG (1064nm,1320nm) Nd:YVO4 (1064nm,1340nm) Nd:YLF (1053nm,1047nm) Er:YAG (1550nm) Nd:Glass(1064nm) Ruby (694.3nm),2020/9/26,70,Ho:YAG ( 2m) Tm :YAG ( 2m),2020/9/26,71,2020/9/26,72,固体介质中的离子,在固体中能产生受激发射作用的金属离子主要有三类：(1)过渡金属离子（如Cr3+，Ti3）；(2)大多数镧系金属离子（如Nd3+、S2+、Dy2+，Er3，Ho3等）；(3)锕系金属离子（如U3+，）。这些掺杂到固体基质中的金属离子的主要特点是：具有比较宽的有效吸收光谱带，比较高的荧光效率，比较长的荧光寿命和比较窄的荧光谱线，因而易于产生粒子数反转和受激发射。,2020/9/26,73,固体激光介质的基质,晶体类基质的人工晶体主要有：刚玉（AL2O3）、钇铝石榴石（Y3Al5，O12YAG）、氟化钙（CaF2）等，以及铝酸钇（YAlO3）、铍酸镧（La2Be2O5）等。 玻璃类基质的主要是优质硅酸盐光学玻璃和磷酸盐光学玻璃。与晶体基质相比，玻璃基质的主要特点是制备方便和易于获得大尺寸优质材料。 对于晶体和玻璃基质的主要要求是：易于掺入起激活作用的发光金属离子；具有良好的光谱特性、光学透射率特性和高度的光学（折射率）均匀性；具有适于长期激光运转的物理和化学特性（如热学特性、抗劣化特性、化学稳定性等）。晶体激光器以红宝石（ Cr3+ ： Al2O3）和掺钕钇铝石榴石（简写为Nd3+ ： YAG ）为典型代表。,2020/9/26,74,吸收光谱,红宝石 吸收光谱范围 360nm450nm， 510nm600nm,2020/9/26,75,荧光辐射光谱,红宝石辐射光谱 R1694.3nm R2692.9nm 荧光量子效率,2020/9/26,76,Nd:YAG能级图,2020/9/26,77,Nd3+:YAG吸收光谱,吸收谱线 808nm 751nm,2020/9/26,78,Nd3+:YAG荧光辐射谱线,2020/9/26,79,灯泵浦的聚光腔,激光棒 泵浦灯,2020/9/26,80,泵浦源 *灯泵 寿命短（200-1000小时），产生95%的无用热量，体积大，功耗大，光束质量差。 *半导体激光器泵浦 寿命长（20000小时），极少产生无用热量，体积小，功耗小（只有灯泵的5-10%），光束质量好。,2020/9/26,81,激光二极管泵浦固体激光器,与传统的灯泵浦激光器比较，DPSSL具有以下优势： 1 工作时间长。传统的氪灯或氙灯寿命只有几百小时，最长的不超过2000小时。而用于泵浦的二极管激光器寿命高达上万小时，从而大大降低了使用者的维护成本。 2 低功耗。传统的灯泵浦激光器的转换效率大约只有3%左右，泵浦灯的发出的能量大部分转换成了热能。而DPSSL所用的LD发出固定的808nm波长的激光被激光晶体吸收，光光转换效率可高达40%以上，大大减少了运行成本。 3 体积小，便于设计小型化。一台DPSSL激光器大约只有传统灯泵浦激光器体积的1/3甚至更小，便于携带。,2020/9/26,82,端面泵浦（End Pump）,2020/9/26,83,单纵模、低噪声、高效率LD 泵浦全绿固体激光器 （输出功率500 mW, 光-光转换效率50%）,2020/9/26,84,半导体激光,特点： 体积小、重量轻、效率高、发射波长范围宽，使用寿命长一般在10000小时100000小时。,2020/9/26,85,半导体的模式和光束发散角,2020/9/26,86,单异质结半导体激光器,主要降低了激光器的阈值电流密度。 原因：P-P异质结的作用是限制载流子的扩散，使电子扩散程度减小，即减小有源区的宽度。 阈值电流密度 Jth8103A/cm2,2020/9/26,87,双异质结（DH）半导体激光器,阈值电流密度 Jth2103A/cm2,2020/9/26,88,量子阱激光器结构图,2020/9/26,89,量子阱激光器 单量子阱激光器 多量子阱激光器,优点：阈值电流大大降低 阈值电流密度 Jth980A/cm2 阈值电流I25mA,2020/9/26,90,半导体激光器特性,（1）阀值 （2）输出功率随电流变化 （3）光束发散 （4）谱线特性,2020/9/26,91,2020/9/26,92,谱线特性,2020/9/26,93,2020/9/26,94,2020/9/26,95,2020/9/26,96,思考题一,激光器是按什么分类？ 为什么准分子激光在分子前面加准字？ 激光与普通光的区别在哪里？ 固体激光有哪几种泵浦形式？它们的各自的特点。 半导体激光在阈值以下的光是什么光？与阈值以上的光有哪些区别？,