激光原理及應(yīng)用初步

1、激光原理及應(yīng)用初步激光器產(chǎn)生激光當(dāng)諧振腔中的工作物質(zhì)通過光、電、或者化學(xué)物質(zhì)的作用后，其原子或分子由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，通過一定波長的光源照射后可以發(fā)生受激輻射而呈雪崩式光子發(fā)射模式，通過諧振腔震蕩而形成駐波輸出，這種輸出光方向性好，相干性好，習(xí)慣上稱之為激光。要持續(xù)產(chǎn)生激光，必要條件是亞穩(wěn)態(tài)E2和基態(tài)E1上能形成粒子發(fā)轉(zhuǎn)，其實(shí)就是說，E2能級(jí)上有足夠多的粒子躍遷回E1能級(jí)，然后在極短的時(shí)間內(nèi)基態(tài)的原子或分子能躍遷至高能級(jí)以實(shí)現(xiàn)連續(xù)不斷的受激發(fā)射。三能級(jí)模式四能級(jí)模式比較而言，四能級(jí)模式對(duì)泵浦源的泵浦效率要求最低，因此目前幾乎所有的高性能激光器都是采用四能級(jí)模式。單縱膜和多縱膜根據(jù)駐波條件可知，

2、相鄰兩縱膜之間的距離只與諧振腔長度L和折射率n有關(guān)。折射率一定的時(shí)候，縱膜數(shù)量只與諧振腔長度有關(guān)。比如對(duì)氦氖激光器，1米的諧振腔最多有10個(gè)縱膜，而15厘米的諧振腔則只有1個(gè)縱膜，即單縱膜。常見的激光器 固體激光器：紅寶石激光器；釔鋁石榴石激光器（1064nm、532nm）；釹玻璃激光器（1064nm）； 氣體激光器：He-Ne激光器（632nm）；二氧化碳激光器（10600nm）；氮分子脈沖激光器（337nm）；氬離子激光器（488nm）；金屬蒸汽激光器；準(zhǔn)分子激光器 染料激光器：羅丹明、香豆素等。波長一定范圍內(nèi)可調(diào)，且功率可以很大（150W）。高斯光 通常由穩(wěn)定諧振腔震蕩輸出的激光為高斯光

3、。高階高斯光根據(jù)諧振腔的結(jié)構(gòu)不同可以分為拉蓋爾-高斯光、厄米特-高斯光。厄米特-高斯光（方形共焦腔）拉蓋爾-高斯光（球形共焦腔）高斯光聚焦后的焦深和焦點(diǎn)光斑大小對(duì)于高階模的高斯光而言，如TEMmn，其光斑尺寸：發(fā)散角為STED顯微鏡 利用不同高斯模和受激輻射模式，Hell采用高斯光和一階拉蓋爾高斯光組合使得一階拉蓋爾高斯光的暗區(qū)的熒光分子點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)受限使得顯微鏡的分辨率能達(dá)到納米級(jí)別，突破了1873年abbe提出的衍射極限設(shè)定。約為0.61/NA，對(duì)于可見光來說，這個(gè)數(shù)值大概是200nm左右。STED顯微鏡的原理先用圓形高斯光激發(fā)熒光物質(zhì)，然后用STED光將已經(jīng)激發(fā)的熒光物質(zhì)強(qiáng)行輻射回落到熒光

4、分子高能級(jí)基態(tài)，最后只有中央暗區(qū)的熒光分子能發(fā)出熒光而被檢測到。能級(jí)原理如何產(chǎn)生面包圈STED光 通過螺旋相位片將高斯光轉(zhuǎn)化為一階拉蓋爾高斯光。實(shí)現(xiàn)STED的脈沖調(diào)制一般來說，先用激發(fā)光照射樣本25-50ps，然后用STED光照射250ps以上。具體來說就是在極短時(shí)間內(nèi)將熒光分子激發(fā)，然后在熒光分子的弛豫周期時(shí)間內(nèi)打入STED光將激發(fā)的電子受激回落至基態(tài)，因此激發(fā)光和STED光都應(yīng)該是ps級(jí)脈沖激光。STED光的波長選擇 STED光波長理論上應(yīng)該在發(fā)射光譜的紅邊激發(fā)較好。但是實(shí)際操作中比較困難，因?yàn)榧す馄鞯南拗茻o法自由調(diào)制波長。目前已經(jīng)有白激光耦合STED光調(diào)制波長，但是目前的白激光極少能做到

5、20ps的脈沖時(shí)間，本實(shí)驗(yàn)室購買的白激光脈沖時(shí)間為150ps，只能對(duì)特定的熒光分子進(jìn)行STED。 如果STED光波長與激發(fā)光相同，那么必須激發(fā)時(shí)實(shí)現(xiàn)飽和激發(fā)，這樣的缺點(diǎn)是更加容易發(fā)生光漂白，好處是可以實(shí)現(xiàn)激發(fā)淬滅使用同一波長的光。STED顯微鏡的應(yīng)用缺點(diǎn) 1、采用點(diǎn)掃描方式，速度慢，很難實(shí)時(shí)觀測到生物體的動(dòng)態(tài)過程。（已有陣列STED顯微鏡，可實(shí)現(xiàn)陣列式掃描） 2、價(jià)格昂貴。（每臺(tái)約1500萬人民幣） 3、維護(hù)困難。（脈沖調(diào)制、功率調(diào)制、光束合并準(zhǔn)直）Lattice light-sheet microscopy: Imaging molecules to embryos at high spatiotemporal resolutionScience 346, (2014);A、格子光結(jié)構(gòu)單元點(diǎn)陣電場分布B、格子光結(jié)構(gòu)單元點(diǎn)陣分布（限定函數(shù) ）C、SLM（空間光調(diào)制器）后光場分布D、SLM后衍射圖樣E、環(huán)形相位板（與激發(fā)目標(biāo)的后瞳面耦合）F、后瞳面照明圖樣G、激發(fā)光的xz截面光