生物光子學(xué)2光子學(xué)與光譜學(xué)基礎(chǔ)01

1、主講人：劉立新西安電子科技大學(xué)生物光子學(xué)，是由生物光子學(xué)，是由生命科學(xué)和光子學(xué)這兩者交叉融合生命科學(xué)和光子學(xué)這兩者交叉融合所形成的一所形成的一門(mén)新興學(xué)科。門(mén)新興學(xué)科。定義定義為產(chǎn)生和控制光以及其他以光子為單位的輻射為產(chǎn)生和控制光以及其他以光子為單位的輻射能的技術(shù)；能的技術(shù)；生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)生物醫(yī)學(xué)光子學(xué) Vs. 生物醫(yī)學(xué)光學(xué)生物醫(yī)學(xué)光學(xué)生物光子學(xué)的發(fā)展和成長(zhǎng)融合了生物光子學(xué)的發(fā)展和成長(zhǎng)融合了20世紀(jì)的世紀(jì)的三大科技革命三大科技革命，包括，包括量量子理論的革命（子理論的革命（1900-1950s）、技術(shù)革命（）、技術(shù)革命（1940s-1950s）和基）和基因組學(xué)革命（因組學(xué)革命（1950s-200

2、0）。量子理論革命奠定了光子學(xué)發(fā)展的。量子理論革命奠定了光子學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)，技術(shù)革命為生物學(xué)的研究提供了重要的工具，而基因組學(xué)基礎(chǔ)，技術(shù)革命為生物學(xué)的研究提供了重要的工具，而基因組學(xué)革命則將生物光子學(xué)的研究推向一個(gè)新的高度；革命則將生物光子學(xué)的研究推向一個(gè)新的高度；生物光子學(xué)的生物光子學(xué)的研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容包括：光子學(xué)和組織光學(xué)、生物光子學(xué)中包括：光子學(xué)和組織光學(xué)、生物光子學(xué)中的光子器件、探測(cè)及成像、生物醫(yī)學(xué)診斷、介入和治療以及用于的光子器件、探測(cè)及成像、生物醫(yī)學(xué)診斷、介入和治療以及用于蛋白質(zhì)組學(xué)、基因組學(xué)中的各種先進(jìn)的技術(shù)；蛋白質(zhì)組學(xué)、基因組學(xué)中的各種先進(jìn)的技術(shù)；內(nèi)容回顧內(nèi)容回顧2生物光子學(xué)的生

3、物光子學(xué)的前沿學(xué)科前沿學(xué)科，比如單分子檢測(cè)和追蹤、超衍射極限成，比如單分子檢測(cè)和追蹤、超衍射極限成像、多模式復(fù)合功能成像、納米光子學(xué)、光動(dòng)力療法、小型化的像、多模式復(fù)合功能成像、納米光子學(xué)、光動(dòng)力療法、小型化的檢測(cè)與成像等；檢測(cè)與成像等；各種各種新技術(shù)新技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)中獲得迅速而廣泛的應(yīng)用：激光掃描顯微在生物醫(yī)學(xué)中獲得迅速而廣泛的應(yīng)用：激光掃描顯微鏡、激光光源、鏡、激光光源、OCT以及生物發(fā)光等；以及生物發(fā)光等；由于單個(gè)細(xì)胞中的遺傳變異的逐漸積累導(dǎo)致癌癥等疾病的發(fā)生。由于單個(gè)細(xì)胞中的遺傳變異的逐漸積累導(dǎo)致癌癥等疾病的發(fā)生。因此因此生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)能夠提供可鑒別編碼于人類(lèi)基因組中導(dǎo)致癌生物醫(yī)學(xué)光子

4、學(xué)能夠提供可鑒別編碼于人類(lèi)基因組中導(dǎo)致癌癥發(fā)生的基因子集的工具癥發(fā)生的基因子集的工具。人們正在研發(fā)光子技術(shù)，以識(shí)別可以。人們正在研發(fā)光子技術(shù)，以識(shí)別可以區(qū)別癌變細(xì)胞與正常細(xì)胞的分子變化，這種技術(shù)最終有助于表征區(qū)別癌變細(xì)胞與正常細(xì)胞的分子變化，這種技術(shù)最終有助于表征及預(yù)測(cè)癌細(xì)胞的病理行為和細(xì)胞對(duì)藥物治療的反應(yīng)。及預(yù)測(cè)癌細(xì)胞的病理行為和細(xì)胞對(duì)藥物治療的反應(yīng)。內(nèi)容回顧內(nèi)容回顧3第第 2 章章光子學(xué)與光譜學(xué)基礎(chǔ)光子學(xué)與光譜學(xué)基礎(chǔ)2.1 光在界面上的反射和折射光在界面上的反射和折射2.2 光的本質(zhì)波粒二象性光的本質(zhì)波粒二象性2.3 光子的吸收、發(fā)射和散射光子的吸收、發(fā)射和散射2.4 光波的干涉和衍射光波

5、的干涉和衍射 2.5 分子能級(jí)結(jié)構(gòu)與光譜分子能級(jí)結(jié)構(gòu)與光譜 2.6 激光與非線性光學(xué)激光與非線性光學(xué)本本 章章 內(nèi)內(nèi) 容容 光入射到兩種折射率不同的介質(zhì)的分界面將發(fā)生反射和折光入射到兩種折射率不同的介質(zhì)的分界面將發(fā)生反射和折射，分別遵守射，分別遵守反射定律反射定律和和斯涅耳定律斯涅耳定律。2.1 光在界面上的反射和折射光在界面上的反射和折射n反射定律：反射定律：n反射光線、入射光線和法線反射光線、入射光線和法線在同一平面內(nèi)。在同一平面內(nèi)。n反射光線和入射光線位于法反射光線和入射光線位于法線兩側(cè)，且與界面法線的夾線兩側(cè)，且與界面法線的夾角相等。角相等。入射角入射角反射角反射角6 斯涅爾定律斯涅爾

6、定律（Snells Law） 描述光的折射現(xiàn)象；描述光的折射現(xiàn)象； 入射光線和折射光線位于同一入射光線和折射光線位于同一平面內(nèi)，且與界面法線的夾角平面內(nèi)，且與界面法線的夾角滿足如下關(guān)系：滿足如下關(guān)系：n1sin 1 = n2sin 2 其中，其中，n1和和n2分別是兩種介質(zhì)分別是兩種介質(zhì)的折射率，的折射率， 1和和 2分別是入射分別是入射光和折射光與界面法線的夾角光和折射光與界面法線的夾角，稱(chēng)為入射角和折射角。，稱(chēng)為入射角和折射角。2.1 光在界面上的反射和折射光在界面上的反射和折射7 全反射：全反射： 當(dāng)當(dāng)光從光密（折射率大）介光從光密（折射率大）介質(zhì)入射到光疏質(zhì)入射到光疏（折射率小）（折射

7、率?。┙橘|(zhì)的界面時(shí)，發(fā)生光的部介質(zhì)的界面時(shí)，發(fā)生光的部分反射和折射現(xiàn)象；當(dāng)分反射和折射現(xiàn)象；當(dāng)入射入射角大于臨界角角大于臨界角時(shí)，光線會(huì)停時(shí)，光線會(huì)停止進(jìn)入光疏介質(zhì)，而全部反止進(jìn)入光疏介質(zhì)，而全部反射回光密介質(zhì)。射回光密介質(zhì)。2.1 光在界面上的反射和折射光在界面上的反射和折射臨界角臨界角是發(fā)生全內(nèi)反射的最小入射角。入射角是由折射界面的法是發(fā)生全內(nèi)反射的最小入射角。入射角是由折射界面的法線量度。臨界角（線量度。臨界角（ C）可從以下方程計(jì)算（這時(shí)折射角為）可從以下方程計(jì)算（這時(shí)折射角為90o）：）： 2C1arcsinnn8 全內(nèi)反射：全內(nèi)反射：2.1 光在界面上的反射和折射光在界面上的反射和

8、折射 若若n1大于大于n2，例如折射率為，例如折射率為n1的是玻璃，折射率為的是玻璃，折射率為n2的是液體溶液。當(dāng)?shù)氖且后w溶液。當(dāng)光發(fā)生全反射時(shí)，光會(huì)在玻璃界面上完全反射而不進(jìn)入液體溶液中。光發(fā)生全反射時(shí)，光會(huì)在玻璃界面上完全反射而不進(jìn)入液體溶液中。 實(shí)際上，由于波動(dòng)效應(yīng)，有一部分光的能量會(huì)穿過(guò)界面滲透到溶液中，實(shí)際上，由于波動(dòng)效應(yīng)，有一部分光的能量會(huì)穿過(guò)界面滲透到溶液中，是一種非均勻波，叫做是一種非均勻波，叫做消逝波消逝波，也稱(chēng)隱失波或倏逝波。其在第二介質(zhì)中，也稱(chēng)隱失波或倏逝波。其在第二介質(zhì)中的有效進(jìn)入深度約為一個(gè)波長(zhǎng)。的有效進(jìn)入深度約為一個(gè)波長(zhǎng)。 消逝波激發(fā)在一個(gè)波長(zhǎng)范圍之內(nèi)的熒光分子發(fā)出

9、熒光消逝波。消逝波激發(fā)在一個(gè)波長(zhǎng)范圍之內(nèi)的熒光分子發(fā)出熒光消逝波。它沿著它沿著入射面上的介質(zhì)邊界傳播，在平行界面方向以平行波場(chǎng)方式傳播，而在入射面上的介質(zhì)邊界傳播，在平行界面方向以平行波場(chǎng)方式傳播，而在垂直界面方向則是呈指數(shù)衰減。對(duì)于可見(jiàn)光波長(zhǎng)而言，浸透深度為垂直界面方向則是呈指數(shù)衰減。對(duì)于可見(jiàn)光波長(zhǎng)而言，浸透深度為100nm。全內(nèi)反射熒光顯微術(shù)全內(nèi)反射熒光顯微術(shù)消逝波消逝波92.1 光在界面上的反射和折射光在界面上的反射和折射海市蜃樓海市蜃樓是由光的折射和全反射原理所生成。是由光的折射和全反射原理所生成。光線從較密的介質(zhì)（冷空氣）進(jìn)入到較疏的介光線從較密的介質(zhì)（冷空氣）進(jìn)入到較疏的介質(zhì)（近地

10、面的熱空氣）質(zhì)（近地面的熱空氣）下現(xiàn)蜃景；反之出下現(xiàn)蜃景；反之出現(xiàn)上現(xiàn)蜃景?，F(xiàn)上現(xiàn)蜃景。n全內(nèi)反射的應(yīng)用全內(nèi)反射的應(yīng)用10下現(xiàn)蜃景下現(xiàn)蜃景上現(xiàn)蜃景上現(xiàn)蜃景n全內(nèi)反射的應(yīng)用全內(nèi)反射的應(yīng)用2.1 光在界面上的反射和折射光在界面上的反射和折射全反射棱鏡：全反射棱鏡：橫截面橫截面是等腰直角三角形的棱是等腰直角三角形的棱鏡。鏡。自行車(chē)尾燈自行車(chē)尾燈全反射棱鏡在潛全反射棱鏡在潛望鏡中的應(yīng)用望鏡中的應(yīng)用雙筒望遠(yuǎn)鏡中的雙筒望遠(yuǎn)鏡中的全反射棱鏡全反射棱鏡11一根光纖傳輸?shù)男畔⒘康扔谝皇|線一根光纖傳輸?shù)男畔⒘康扔谝皇|線n全內(nèi)反射的應(yīng)用全內(nèi)反射的應(yīng)用2.1 光在界面上的反射和折射光在界面上的反射和折射光導(dǎo)纖維光

11、導(dǎo)纖維12臨床應(yīng)用中要傳輸這幅圖像需要臨床應(yīng)用中要傳輸這幅圖像需要至少至少1M1M根光纖以上根光纖以上光纖束能用來(lái)將圖像從一點(diǎn)光纖束能用來(lái)將圖像從一點(diǎn)傳輸?shù)搅硗庖稽c(diǎn)傳輸?shù)搅硗庖稽c(diǎn)n全內(nèi)反射的應(yīng)用全內(nèi)反射的應(yīng)用2.1 光在界面上的反射和折射光在界面上的反射和折射132.1 光在界面上的反射和折射光在界面上的反射和折射2.2 光的本質(zhì)波粒二象性光的本質(zhì)波粒二象性2.3 光子的吸收、發(fā)射和散射光子的吸收、發(fā)射和散射2.4 光波的干涉和衍射光波的干涉和衍射 2.5 分子能級(jí)結(jié)構(gòu)與光譜分子能級(jí)結(jié)構(gòu)與光譜 2.6 激光與非線性光學(xué)激光與非線性光學(xué)本本 章章 內(nèi)內(nèi) 容容14 關(guān)于光本質(zhì)的兩種說(shuō)法關(guān)于光本質(zhì)的

12、兩種說(shuō)法 牛頓的牛頓的微粒說(shuō)微粒說(shuō)（1680年）年） 惠更斯的惠更斯的波動(dòng)說(shuō)波動(dòng)說(shuō)（1690年）年） 在牛頓時(shí)代，人們只知道光的反射與光的折射，即所謂的幾何在牛頓時(shí)代，人們只知道光的反射與光的折射，即所謂的幾何光學(xué)，利用這兩個(gè)學(xué)說(shuō)，都能得到解釋?zhuān)辉诮忉尮獾恼凵鋾r(shí)，光學(xué)，利用這兩個(gè)學(xué)說(shuō)，都能得到解釋?zhuān)辉诮忉尮獾恼凵鋾r(shí)，波動(dòng)說(shuō)要求光的傳播速度在折射率大的介質(zhì)里要慢些，而微粒波動(dòng)說(shuō)要求光的傳播速度在折射率大的介質(zhì)里要慢些，而微粒說(shuō)要求它的速度要大些，不過(guò)在說(shuō)要求它的速度要大些，不過(guò)在17、18世紀(jì)，沒(méi)有精確的測(cè)定世紀(jì)，沒(méi)有精確的測(cè)定光速的方法，所以?xún)蓚€(gè)學(xué)說(shuō)并存，誰(shuí)也戰(zhàn)勝不了誰(shuí)。光速的方法，所以?xún)蓚€(gè)學(xué)

13、說(shuō)并存，誰(shuí)也戰(zhàn)勝不了誰(shuí)。2.2 光的本質(zhì)波粒二象性光的本質(zhì)波粒二象性15 關(guān)于光本質(zhì)的兩種說(shuō)法關(guān)于光本質(zhì)的兩種說(shuō)法 19世紀(jì)發(fā)現(xiàn)許多新的現(xiàn)象，包括光的干涉、衍射與偏振等，干世紀(jì)發(fā)現(xiàn)許多新的現(xiàn)象，包括光的干涉、衍射與偏振等，干涉與衍射是波動(dòng)所共有的現(xiàn)象，對(duì)于這些新現(xiàn)象，微粒說(shuō)遇到涉與衍射是波動(dòng)所共有的現(xiàn)象，對(duì)于這些新現(xiàn)象，微粒說(shuō)遇到了困難；與此同時(shí)，光速度測(cè)定也有了比較精確的測(cè)定方法，了困難；與此同時(shí)，光速度測(cè)定也有了比較精確的測(cè)定方法，結(jié)果證明結(jié)果證明波動(dòng)說(shuō)波動(dòng)說(shuō)是正確的；隨后是正確的；隨后麥克斯韋麥克斯韋創(chuàng)立了電磁波學(xué)說(shuō)，創(chuàng)立了電磁波學(xué)說(shuō)，證明電磁也有波動(dòng)。證明電磁也有波動(dòng)。 19世紀(jì)末，由

14、于電磁波學(xué)說(shuō)不能解釋黑體輻射現(xiàn)象，世紀(jì)末，由于電磁波學(xué)說(shuō)不能解釋黑體輻射現(xiàn)象，普朗克普朗克在在1900年發(fā)表了量子論，年發(fā)表了量子論，愛(ài)因斯坦愛(ài)因斯坦推廣普朗克的量子論，在推廣普朗克的量子論，在1905年發(fā)表了光子學(xué)說(shuō)，圓滿解釋了光電效應(yīng)；隨著康普頓效應(yīng)的年發(fā)表了光子學(xué)說(shuō)，圓滿解釋了光電效應(yīng)；隨著康普頓效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)，光子說(shuō)光子說(shuō)得到實(shí)驗(yàn)支持又重新興起。得到實(shí)驗(yàn)支持又重新興起。2.2 光的本質(zhì)波粒二象性光的本質(zhì)波粒二象性16 光的本質(zhì)光的本質(zhì)波粒二象性波粒二象性 光是一種能在真空和介質(zhì)中以波動(dòng)形式傳播的，由振動(dòng)的電波和光是一種能在真空和介質(zhì)中以波動(dòng)形式傳播的，由振動(dòng)的電波和磁波組成的磁波組成

15、的電磁波電磁波，同時(shí)也是一種叫做，同時(shí)也是一種叫做光子光子的能量包。的能量包。 凡是與光的傳播有關(guān)的各種現(xiàn)象，如衍射、干涉和偏振，必須用凡是與光的傳播有關(guān)的各種現(xiàn)象，如衍射、干涉和偏振，必須用波動(dòng)說(shuō)來(lái)解釋?zhuān)彩桥c光和物質(zhì)相互作用有關(guān)的各種現(xiàn)象，如物波動(dòng)說(shuō)來(lái)解釋?zhuān)彩桥c光和物質(zhì)相互作用有關(guān)的各種現(xiàn)象，如物質(zhì)的光吸收與發(fā)射、光電效應(yīng)和光散射（康普頓效應(yīng)），都必須質(zhì)的光吸收與發(fā)射、光電效應(yīng)和光散射（康普頓效應(yīng)），都必須用光子說(shuō)來(lái)解釋。用光子說(shuō)來(lái)解釋。 光在真空中和介質(zhì)中的速度不同，二者的比值是介質(zhì)的光在真空中和介質(zhì)中的速度不同，二者的比值是介質(zhì)的折射率折射率。2.2 光的本質(zhì)波粒二象性光的本質(zhì)波粒二

16、象性17光光 電磁波電磁波光粒子光粒子振動(dòng)的磁場(chǎng)振動(dòng)的磁場(chǎng)( (B) )振動(dòng)的電場(chǎng)振動(dòng)的電場(chǎng)( (E) )每個(gè)光子的能量每個(gè)光子的能量 = h = h n = n = 光子數(shù)光子數(shù) = E = E ( (h h ) )p = p = 每個(gè)光子的動(dòng)量每個(gè)光子的動(dòng)量= h = h = = h h c ch = Planckh = Planck常數(shù)常數(shù) = 6.63 = 6.63 10 10-34-34 J s J s , 波長(zhǎng)，為兩個(gè)相鄰波峰之間的距離波長(zhǎng)，為兩個(gè)相鄰波峰之間的距離 , 頻率，為每秒經(jīng)過(guò)空間一點(diǎn)的波的數(shù)目頻率，為每秒經(jīng)過(guò)空間一點(diǎn)的波的數(shù)目 c, 光速光速= 3 108 m/s =

17、ck，單位長(zhǎng)度所包含的波長(zhǎng)的數(shù)目（波數(shù)），單位長(zhǎng)度所包含的波長(zhǎng)的數(shù)目（波數(shù)） k = c = 1 2.2 光的本質(zhì)波粒二象性光的本質(zhì)波粒二象性18波長(zhǎng)、振幅定義波長(zhǎng)、振幅定義2.2 光的本質(zhì)波粒二象性光的本質(zhì)波粒二象性19n作為波的光：電磁波作為波的光：電磁波 電磁波譜電磁波譜：一系列以波長(zhǎng)、頻率或波數(shù)為函數(shù)的電磁波：一系列以波長(zhǎng)、頻率或波數(shù)為函數(shù)的電磁波的分布，從長(zhǎng)波的射頻端到短波長(zhǎng)的宇宙射線。的分布，從長(zhǎng)波的射頻端到短波長(zhǎng)的宇宙射線。 光學(xué)頻譜區(qū)光學(xué)頻譜區(qū)：從遠(yuǎn)紅外：從遠(yuǎn)紅外IR到真空紫外到真空紫外UV。 通常所說(shuō)的光范圍更窄，指通常所說(shuō)的光范圍更窄，指可見(jiàn)光可見(jiàn)光范圍。范圍。 根據(jù)光的頻

18、域的不同，用不同的單位來(lái)表征。根據(jù)光的頻域的不同，用不同的單位來(lái)表征。 可見(jiàn)光區(qū)：可見(jiàn)光區(qū)：nm為波長(zhǎng)單位；或?yàn)椴ㄩL(zhǎng)單位；或cm-1為波數(shù)單位為波數(shù)單位 近紅外和中紅外區(qū)：以近紅外和中紅外區(qū)：以 m為波長(zhǎng)單位為波長(zhǎng)單位 中紅外到遠(yuǎn)紅外區(qū)：中紅外到遠(yuǎn)紅外區(qū)： 以以cm-1為波數(shù)單位為波數(shù)單位2.2 光的本質(zhì)波粒二象性光的本質(zhì)波粒二象性20n作為波的光：電磁波作為波的光：電磁波區(qū)域Far-IRMid-IRNear-IRVisibleUVVacuum UV波長(zhǎng)(nm)5000-1062500-5000700-2500400-700200-400100-200波數(shù) (cm-1)200-104000-2

19、001.4104-40002.5104- 1.41045104- 2.5104 105- 5104光譜區(qū)域光譜區(qū)域2.2 光的本質(zhì)波粒二象性光的本質(zhì)波粒二象性21 作為波的光的傳播作為波的光的傳播 光與生物分子的相互作用大部分都與電有關(guān)，因此，光與生物分子的相互作用大部分都與電有關(guān)，因此，對(duì)光波的描述采用振動(dòng)電場(chǎng)對(duì)光波的描述采用振動(dòng)電場(chǎng)E，既有方向也有大小；，既有方向也有大小； E垂直于波的傳播方向和磁場(chǎng)垂直于波的傳播方向和磁場(chǎng)B的方向（右手定則）；的方向（右手定則）； 偏振或極化：偏振或極化：光振動(dòng)方向相對(duì)光傳播方向不對(duì)稱(chēng)的性光振動(dòng)方向相對(duì)光傳播方向不對(duì)稱(chēng)的性質(zhì)質(zhì) 線偏振：傳播方向上在每一點(diǎn)

20、的電場(chǎng)方向在同一平面內(nèi)；線偏振：傳播方向上在每一點(diǎn)的電場(chǎng)方向在同一平面內(nèi)； 圓偏振：光場(chǎng)矢量在與傳播方向垂直的平面內(nèi)各向均等分布；圓偏振：光場(chǎng)矢量在與傳播方向垂直的平面內(nèi)各向均等分布； 橢圓偏振：光場(chǎng)矢量在垂直傳播方向的平面內(nèi)大小和方向都改橢圓偏振：光場(chǎng)矢量在垂直傳播方向的平面內(nèi)大小和方向都改變。變。2.2 光的本質(zhì)波粒二象性光的本質(zhì)波粒二象性22nx線偏振光沿線偏振光沿z方向的傳播方向的傳播2.2 光的本質(zhì)波粒二象性光的本質(zhì)波粒二象性23n圓偏振光的傳播圓偏振光的傳播2.2 光的本質(zhì)波粒二象性光的本質(zhì)波粒二象性24 沿沿z方向傳播的光場(chǎng)，其振動(dòng)電場(chǎng)方向傳播的光場(chǎng)，其振動(dòng)電場(chǎng)E(z,t)表示為

21、：表示為： E0：光場(chǎng)的電場(chǎng)：光場(chǎng)的電場(chǎng)振幅振幅，：光場(chǎng)的：光場(chǎng)的角頻率角頻率2，k：傳播矢量（：傳播矢量（波波矢矢）。）。 波矢表征了光波相對(duì)于參考點(diǎn)（波矢表征了光波相對(duì)于參考點(diǎn)（z=0）的）的相位相位，即，即kz為相對(duì)于參考為相對(duì)于參考點(diǎn)的相對(duì)相移。點(diǎn)的相對(duì)相移。：介電常數(shù)，對(duì)光波而言等于：介電常數(shù)，對(duì)光波而言等于n2，n為介質(zhì)的折射率。為介質(zhì)的折射率。2.2 光的本質(zhì)波粒二象性光的本質(zhì)波粒二象性25 n兩列波之間的相移示意圖兩列波之間的相移示意圖2.2 光的本質(zhì)波粒二象性光的本質(zhì)波粒二象性26 光波在介質(zhì)中的速度光波在介質(zhì)中的速度 相速度相速度 描述單個(gè)波的波前即等相位面的移動(dòng)，即電磁波

22、穿描述單個(gè)波的波前即等相位面的移動(dòng)，即電磁波穿過(guò)介質(zhì)的的速度。過(guò)介質(zhì)的的速度。 對(duì)于折射率為對(duì)于折射率為n的介質(zhì)，相速度為：的介質(zhì)，相速度為： 群速度群速度 描述一個(gè)由許多一起傳播的波組成的波包的傳播，描述一個(gè)由許多一起傳播的波組成的波包的傳播，指等振幅面的傳播速度。指等振幅面的傳播速度。2.2 光的本質(zhì)波粒二象性光的本質(zhì)波粒二象性27 色散色散 介質(zhì)的折射率是波長(zhǎng)的函數(shù)，隨波長(zhǎng)而變。介質(zhì)的折射率是波長(zhǎng)的函數(shù)，隨波長(zhǎng)而變。正常的正常的色散現(xiàn)象是，波長(zhǎng)減小，折射率增大，因此相速度色散現(xiàn)象是，波長(zhǎng)減小，折射率增大，因此相速度隨波長(zhǎng)的增大而增大，即隨波長(zhǎng)的增大而增大，即紅光比藍(lán)光傳播得快紅光比藍(lán)光傳

23、播得快。波。波包的群速度表現(xiàn)類(lèi)似。包的群速度表現(xiàn)類(lèi)似。 群速度色散效應(yīng)：群速度色散效應(yīng)：對(duì)不同波長(zhǎng)的群速度的擴(kuò)散。一對(duì)不同波長(zhǎng)的群速度的擴(kuò)散。一個(gè)在介質(zhì)如光纖中傳播的短脈沖在傳播過(guò)程中會(huì)由個(gè)在介質(zhì)如光纖中傳播的短脈沖在傳播過(guò)程中會(huì)由于群速度色散而于群速度色散而展寬展寬，因?yàn)楣饷}沖光譜中的藍(lán)波成，因?yàn)楣饷}沖光譜中的藍(lán)波成分與紅波成分相比會(huì)有所延遲。分與紅波成分相比會(huì)有所延遲。2.2 光的本質(zhì)波粒二象性光的本質(zhì)波粒二象性28 作為粒子的光：光子作為粒子的光：光子 光的波動(dòng)理論不能解釋光的能量被吸收或散射的方光的波動(dòng)理論不能解釋光的能量被吸收或散射的方式。式。 光與粒子如電子的相互作用既包括光與粒子

24、如電子的相互作用既包括能量能量的交換，又的交換，又包括包括動(dòng)量動(dòng)量的交換。的交換。 這些過(guò)程只有假設(shè)光的粒子性才能解釋。這些過(guò)程只有假設(shè)光的粒子性才能解釋。 光子和電磁波的能量都是量子化的，而不是連續(xù)可光子和電磁波的能量都是量子化的，而不是連續(xù)可變的。變的。 一一個(gè)電磁波的最小能量單位是光子的能量（個(gè)電磁波的最小能量單位是光子的能量（h）。 總能量等于總能量等于Nh ，其中，其中N是光子數(shù)目：是光子數(shù)目：2.2 光的本質(zhì)波粒二象性光的本質(zhì)波粒二象性29 作為粒子的光：光子作為粒子的光：光子 光子的量子化能量被用于光子的量子化能量被用于描述物質(zhì)對(duì)光的吸收、發(fā)射描述物質(zhì)對(duì)光的吸收、發(fā)射或散射或散射

25、。 光子作為粒子還攜帶光子作為粒子還攜帶動(dòng)量動(dòng)量： 當(dāng)光子被另一個(gè)粒子散射而改變方向或當(dāng)它被一個(gè)介當(dāng)光子被另一個(gè)粒子散射而改變方向或當(dāng)它被一個(gè)介質(zhì)表面折射時(shí)，可以利用光的動(dòng)量。質(zhì)表面折射時(shí)，可以利用光的動(dòng)量。 光子的傳播方向的改變產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)量的改變并能產(chǎn)生光子的傳播方向的改變產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)量的改變并能產(chǎn)生一個(gè)可捕捉粒子的力。一個(gè)可捕捉粒子的力。此原理被用于生物細(xì)胞的此原理被用于生物細(xì)胞的光學(xué)捕獲并成為光鑷操作的基礎(chǔ)。光學(xué)捕獲并成為光鑷操作的基礎(chǔ)。2.2 光的本質(zhì)波粒二象性光的本質(zhì)波粒二象性302.1 光在界面上的反射和折射光在界面上的反射和折射2.2 光的本質(zhì)波粒二象性光的本質(zhì)波粒二象性2.3 光

26、子的吸收、發(fā)射和散射光子的吸收、發(fā)射和散射2.4 光波的干涉和衍射光波的干涉和衍射 2.5 分子能級(jí)結(jié)構(gòu)與光譜分子能級(jí)結(jié)構(gòu)與光譜 2.6 激光與非線性光學(xué)激光與非線性光學(xué)本本 章章 內(nèi)內(nèi) 容容31 光與單個(gè)分子的相互作用可以用一個(gè)在電場(chǎng)中的分子電極光與單個(gè)分子的相互作用可以用一個(gè)在電場(chǎng)中的分子電極化模型來(lái)描述，稱(chēng)為化模型來(lái)描述，稱(chēng)為電偶極子近似電偶極子近似。對(duì)于線性響應(yīng)，即偶極矩線性地依賴(lài)于電場(chǎng)，總的分子偶極矩為：對(duì)于線性響應(yīng)，即偶極矩線性地依賴(lài)于電場(chǎng)，總的分子偶極矩為：分子與輻射場(chǎng)分子與輻射場(chǎng) 之間的偶極相互作用之間的偶極相互作用V 可用下式描述：可用下式描述：式中式中第一項(xiàng)描述分子與光子場(chǎng)

27、的一種相互作用，其導(dǎo)致分子吸收或發(fā)第一項(xiàng)描述分子與光子場(chǎng)的一種相互作用，其導(dǎo)致分子吸收或發(fā)射一個(gè)光子；射一個(gè)光子；第二項(xiàng)表示非彈性散射，即拉曼散射第二項(xiàng)表示非彈性散射，即拉曼散射，一個(gè)頻率為，一個(gè)頻率為v的光子被一個(gè)分的光子被一個(gè)分子非彈性散射而產(chǎn)生一個(gè)具有不同頻率的子非彈性散射而產(chǎn)生一個(gè)具有不同頻率的v 的光子（原來(lái)的光子被吸的光子（原來(lái)的光子被吸收）并且與該分子交換（入射光子與散射光子的）能量差。收）并且與該分子交換（入射光子與散射光子的）能量差。)(v)()()(vvvV)(verT2.3 光子的吸收、發(fā)射和散射光子的吸收、發(fā)射和散射321 1、光與分子的相互作用的性質(zhì)、光與分子的相互作

28、用的性質(zhì) 吸收吸收 自發(fā)輻射自發(fā)輻射 受激輻射受激輻射 拉曼散射拉曼散射n光與分子的相互作用過(guò)程光與分子的相互作用過(guò)程2.3 光子的吸收、發(fā)射和散射光子的吸收、發(fā)射和散射33 光子的吸收光子的吸收 光子的吸收會(huì)導(dǎo)致一個(gè)分子（或原子光子的吸收會(huì)導(dǎo)致一個(gè)分子（或原子）從低能級(jí)）從低能級(jí)i（基態(tài)）向高能級(jí)（基態(tài)）向高能級(jí)f（激（激發(fā)態(tài)）躍遷；發(fā)態(tài)）躍遷； i和和f兩個(gè)能級(jí)之間的能量差與所吸收兩個(gè)能級(jí)之間的能量差與所吸收光子的能量相等；光子的能量相等； 對(duì)于電子能級(jí)的吸收，初始電子能級(jí)對(duì)于電子能級(jí)的吸收，初始電子能級(jí)一般是基態(tài)（最低的電子能級(jí)）。一般是基態(tài)（最低的電子能級(jí)）。2.3 光子的吸收、發(fā)射和

29、散射光子的吸收、發(fā)射和散射34單光子吸收單光子吸收雙光子吸收雙光子吸收分子（或原子）同時(shí)吸收兩個(gè)光子從低分子（或原子）同時(shí)吸收兩個(gè)光子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)；兩個(gè)能級(jí)之間的能能級(jí)躍遷到高能級(jí)；兩個(gè)能級(jí)之間的能量差與所吸收光子的能量的和相等。量差與所吸收光子的能量的和相等。n單光子吸收與多光子吸收單光子吸收與多光子吸收2.3 光子的吸收、發(fā)射和散射光子的吸收、發(fā)射和散射35 自發(fā)輻射自發(fā)輻射 分子或原子通過(guò)發(fā)射一個(gè)能量為分子或原子通過(guò)發(fā)射一個(gè)能量為 i 和和 f兩個(gè)能級(jí)之間能量差的光子，而從激發(fā)兩個(gè)能級(jí)之間能量差的光子，而從激發(fā)態(tài)態(tài) f 回到低能態(tài)回到低能態(tài) i。 受激輻射受激輻射 由一個(gè)能量為由

30、一個(gè)能量為 i 和和 f兩個(gè)能級(jí)之間能量?jī)蓚€(gè)能級(jí)之間能量差的入射光子觸發(fā)的發(fā)射過(guò)程；差的入射光子觸發(fā)的發(fā)射過(guò)程； 受激輻射所發(fā)射的光子和入射光子的能受激輻射所發(fā)射的光子和入射光子的能量和方向相同；量和方向相同； 若沒(méi)有一個(gè)能量相等的入射光子，則不若沒(méi)有一個(gè)能量相等的入射光子，則不會(huì)產(chǎn)生受激輻射，而只有自發(fā)輻射。會(huì)產(chǎn)生受激輻射，而只有自發(fā)輻射。2.3 光子的吸收、發(fā)射和散射光子的吸收、發(fā)射和散射36 拉曼散射拉曼散射 一個(gè)能量為一個(gè)能量為hv的光子被的光子被散射散射為另一個(gè)能量為為另一個(gè)能量為hv 的光的光子，兩個(gè)光子之間的能量差即子，兩個(gè)光子之間的能量差即h(v-v )對(duì)應(yīng)于兩個(gè)能級(jí)對(duì)應(yīng)于兩個(gè)

31、能級(jí)之間的能量差；之間的能量差； 能量為能量為hv 的散射光子比入射光子的能量的散射光子比入射光子的能量hv低，能量低，能量差差h(v-v )被存入分子而產(chǎn)生一個(gè)激發(fā)態(tài)被存入分子而產(chǎn)生一個(gè)激發(fā)態(tài) f，稱(chēng)為，稱(chēng)為斯托斯托克斯拉曼散射克斯拉曼散射(Stokes Raman Scattering)，是最常見(jiàn)，是最常見(jiàn)的拉曼散射；的拉曼散射； hv 高于高于hv的散射稱(chēng)為的散射稱(chēng)為反斯托克斯拉曼散射反斯托克斯拉曼散射(Anti-Stokes Raman Scattering)。 能級(jí)能級(jí)i 一般不是真實(shí)的能級(jí)（虛能級(jí)）；若一般不是真實(shí)的能級(jí)（虛能級(jí)）；若i 是一個(gè)真是一個(gè)真實(shí)的能級(jí)，則散射過(guò)程將被顯著

32、加強(qiáng)，稱(chēng)為實(shí)的能級(jí)，則散射過(guò)程將被顯著加強(qiáng)，稱(chēng)為共振拉共振拉曼散射曼散射。2.3 光子的吸收、發(fā)射和散射光子的吸收、發(fā)射和散射372、吸收和發(fā)射的愛(ài)因斯坦模型、吸收和發(fā)射的愛(ài)因斯坦模型 愛(ài)因斯坦（愛(ài)因斯坦（Einstein）模型描述光子的吸收和發(fā)射過(guò)）模型描述光子的吸收和發(fā)射過(guò)程；程； 從一個(gè)低能態(tài)從一個(gè)低能態(tài)i到一個(gè)高能態(tài)到一個(gè)高能態(tài)f 的的吸收過(guò)程吸收過(guò)程用一個(gè)用一個(gè)躍遷躍遷速率速率Wabs來(lái)描述，來(lái)描述，Wabs與在能態(tài)與在能態(tài) i上的分子數(shù)上的分子數(shù)Ni和光和光子密度子密度 成正比：成正比： 比例常數(shù)比例常數(shù)B稱(chēng)為稱(chēng)為Einstein系數(shù)系數(shù)，下標(biāo)，下標(biāo) i和和 f表示此系數(shù)表示此系數(shù)

33、是針對(duì)能態(tài)是針對(duì)能態(tài) i和和 f 的。的。absifiWB N2.3 光子的吸收、發(fā)射和散射光子的吸收、發(fā)射和散射38 自發(fā)輻射自發(fā)輻射速率只與速率只與激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài) f上的分子數(shù)上的分子數(shù)Nf成正比，因成正比，因?yàn)榇诉^(guò)程并不需要另一個(gè)光子觸發(fā)，因此：為此過(guò)程并不需要另一個(gè)光子觸發(fā)，因此： 其中其中Aif叫做自發(fā)輻射的叫做自發(fā)輻射的Einstein系數(shù)系數(shù)。 吸收和發(fā)射的吸收和發(fā)射的愛(ài)因斯坦模型愛(ài)因斯坦模型 對(duì)于對(duì)于受激輻射受激輻射（需要一個(gè)光子觸發(fā)），表達(dá)式為：（需要一個(gè)光子觸發(fā)），表達(dá)式為： 受激輻射的躍遷速率受激輻射的躍遷速率Wstemi與在激發(fā)態(tài)與在激發(fā)態(tài)f上的光子數(shù)上的光子數(shù)Nf和當(dāng)前

34、光子數(shù)成正比；比例常數(shù)同為和當(dāng)前光子數(shù)成正比；比例常數(shù)同為Bif。fifemistNBWfifemispNAW2.3 光子的吸收、發(fā)射和散射光子的吸收、發(fā)射和散射39 吸收和發(fā)射的吸收和發(fā)射的愛(ài)因斯坦模型愛(ài)因斯坦模型 總的輻射速率為：總的輻射速率為： 凈吸收速率為：凈吸收速率為： 在有受激輻射的場(chǎng)合，受激輻射遠(yuǎn)超過(guò)自發(fā)輻射，因在有受激輻射的場(chǎng)合，受激輻射遠(yuǎn)超過(guò)自發(fā)輻射，因此，可以忽略自發(fā)輻射，此，可以忽略自發(fā)輻射，吸收速率吸收速率變?yōu)椋鹤優(yōu)椋?當(dāng)此速率為正（當(dāng)此速率為正（NiNf時(shí)時(shí))，發(fā)生凈的吸收過(guò)程，此時(shí)低，發(fā)生凈的吸收過(guò)程，此時(shí)低能態(tài)能態(tài)i上的分子數(shù)比在高能態(tài)上的分子數(shù)比在高能態(tài)f上的分

35、子數(shù)多，稱(chēng)為上的分子數(shù)多，稱(chēng)為正常正常粒子數(shù)條件粒子數(shù)條件。2.3 光子的吸收、發(fā)射和散射光子的吸收、發(fā)射和散射40 吸收和發(fā)射的吸收和發(fā)射的愛(ài)因斯坦模型愛(ài)因斯坦模型 在在NfNi的情況下，對(duì)應(yīng)的是一個(gè)凈的發(fā)射過(guò)程；凈的的情況下，對(duì)應(yīng)的是一個(gè)凈的發(fā)射過(guò)程；凈的輻射速率輻射速率為：為： 高能態(tài)高能態(tài)f上的分子數(shù)比在低能態(tài)上的分子數(shù)比在低能態(tài)i上的分子數(shù)多的情況，上的分子數(shù)多的情況，叫做叫做粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件； 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是實(shí)現(xiàn)激光的條件之一粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是實(shí)現(xiàn)激光的條件之一。ififeminetBNNW2.3 光子的吸收、發(fā)射和散射光子的吸收、發(fā)射和散射412.1 光在界面上的反射和折射光

36、在界面上的反射和折射2.2 光的本質(zhì)波粒二象性光的本質(zhì)波粒二象性2.3 光子的吸收、發(fā)射和散射光子的吸收、發(fā)射和散射2.4 光波的干涉和衍射光波的干涉和衍射 2.5 分子能級(jí)結(jié)構(gòu)與光譜分子能級(jí)結(jié)構(gòu)與光譜 2.6 激光與非線性光學(xué)激光與非線性光學(xué)本本 章章 內(nèi)內(nèi) 容容421、光的相干性、光的相干性 時(shí)間相干性：時(shí)間相干性：由波包的由波包的頻率展寬頻率展寬定義；定義； 如果從一個(gè)光源發(fā)出的所有光波的如果從一個(gè)光源發(fā)出的所有光波的頻率相同頻率相同或在一個(gè)或在一個(gè)十分窄的頻十分窄的頻域域內(nèi)，則它們具有時(shí)間相干性，這種光被稱(chēng)為單色的；內(nèi)，則它們具有時(shí)間相干性，這種光被稱(chēng)為單色的； 如果有一個(gè)大的頻率展寬

37、，則光是多色的，不具有時(shí)間相干性；如果有一個(gè)大的頻率展寬，則光是多色的，不具有時(shí)間相干性； 空間相干性：空間相干性：利用從一個(gè)光源發(fā)出的不同光波的利用從一個(gè)光源發(fā)出的不同光波的相位間的空間相位間的空間聯(lián)系聯(lián)系定義；定義； 如果一個(gè)如果一個(gè)常相位關(guān)系常相位關(guān)系存在，而且波包在空間的傳播過(guò)程中能夠維存在，而且波包在空間的傳播過(guò)程中能夠維持（如激光），則光束是空間相干的。持（如激光），則光束是空間相干的。2.4 光波的干涉和衍射光波的干涉和衍射 431C相干時(shí)間：相干時(shí)間：相干長(zhǎng)度：相干長(zhǎng)度：C 光的相干性光的相干性 光的相干性決定了從一個(gè)光源產(chǎn)生的多個(gè)光波的整體光的相干性決定了從一個(gè)光源產(chǎn)生的多個(gè)

38、光波的整體屬性，描述了不同波之間的相位關(guān)系；屬性，描述了不同波之間的相位關(guān)系； 若相位關(guān)系固定且為常數(shù)，則光源是相干的；若相位若相位關(guān)系固定且為常數(shù)，則光源是相干的；若相位關(guān)系總的來(lái)說(shuō)是隨機(jī)的，則光源是非相干的；關(guān)系總的來(lái)說(shuō)是隨機(jī)的，則光源是非相干的； 光源也可以是部分相干的；光源也可以是部分相干的； 相干性的定量描述用相干性的定量描述用相干長(zhǎng)度相干長(zhǎng)度，即相位關(guān)系得以維持，即相位關(guān)系得以維持的長(zhǎng)度；的長(zhǎng)度； 光源的相干性質(zhì)決定了光束的發(fā)散性質(zhì)。光源的相干性質(zhì)決定了光束的發(fā)散性質(zhì)。2.4 光波的干涉和衍射光波的干涉和衍射 44 干涉：干涉：若干束若干束光波光波在空間相遇時(shí)產(chǎn)生的光強(qiáng)分布不等于由

39、各束在空間相遇時(shí)產(chǎn)生的光強(qiáng)分布不等于由各束波單獨(dú)造成的光強(qiáng)分布之和，而出現(xiàn)明暗相間的現(xiàn)象。波單獨(dú)造成的光強(qiáng)分布之和，而出現(xiàn)明暗相間的現(xiàn)象。產(chǎn)生干涉條件：產(chǎn)生干涉條件：只有兩列光波的只有兩列光波的頻率頻率相同，相同，位相差位相差恒定，恒定，振動(dòng)方振動(dòng)方向向一致的一致的相干光源相干光源，才能產(chǎn)生光的干涉。由兩個(gè)普通獨(dú)立光源發(fā)，才能產(chǎn)生光的干涉。由兩個(gè)普通獨(dú)立光源發(fā)出的光，不可能具有相同的頻率，更不可能存在固定的相差，因出的光，不可能具有相同的頻率，更不可能存在固定的相差，因此，不能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。此，不能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。同相（相位）相長(zhǎng)干涉，同相（相位）相長(zhǎng)干涉， 反相（相位）相消干涉。反相（相位）相

40、消干涉。例如，楊氏雙縫干涉例如，楊氏雙縫干涉2.4 光波的干涉和衍射光波的干涉和衍射 452、光的干涉和衍射、光的干涉和衍射1）光的干涉）光的干涉2.4 光波的干涉和衍射光波的干涉和衍射 46相長(zhǎng)干涉與相消干涉相長(zhǎng)干涉與相消干涉 衍射衍射：任何在空間中非無(wú)限的波都有在空間擴(kuò)散的趨勢(shì)。任何在空間中非無(wú)限的波都有在空間擴(kuò)散的趨勢(shì)。 衍射是光波的普遍現(xiàn)象，但只有衍射是光波的普遍現(xiàn)象，但只有當(dāng)物體的空間尺寸與光波的波長(zhǎng)相當(dāng)物體的空間尺寸與光波的波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)，才比較明顯。當(dāng)光遇到尖銳的障礙物、通過(guò)小孔和狹縫，或，才比較明顯。當(dāng)光遇到尖銳的障礙物、通過(guò)小孔和狹縫，或聚焦于尺寸與光波長(zhǎng)相近的斑點(diǎn)時(shí)，光彎折

41、和擴(kuò)散等衍射現(xiàn)象就會(huì)聚焦于尺寸與光波長(zhǎng)相近的斑點(diǎn)時(shí)，光彎折和擴(kuò)散等衍射現(xiàn)象就會(huì)發(fā)生；發(fā)生； 將狹縫或開(kāi)口的每一點(diǎn)當(dāng)做一個(gè)球面波的波源，可以很好地解釋衍將狹縫或開(kāi)口的每一點(diǎn)當(dāng)做一個(gè)球面波的波源，可以很好地解釋衍射現(xiàn)象；從所有這些點(diǎn)發(fā)出的球面波相互干涉；在某些角度上，發(fā)射現(xiàn)象；從所有這些點(diǎn)發(fā)出的球面波相互干涉；在某些角度上，發(fā)生相長(zhǎng)干涉，得到亮斑，在另一些角度上發(fā)射相消干涉，得到暗斑生相長(zhǎng)干涉，得到亮斑，在另一些角度上發(fā)射相消干涉，得到暗斑；這些光斑的圖樣叫做；這些光斑的圖樣叫做衍射圖樣衍射圖樣。2.4 光波的干涉和衍射光波的干涉和衍射 472）光的衍射）光的衍射 n光通過(guò)兩條狹縫的衍射圖樣光通過(guò)

42、兩條狹縫的衍射圖樣2.4 光波的干涉和衍射光波的干涉和衍射 48n各種不同的光源及其特征各種不同的光源及其特征2.4 光波的干涉和衍射光波的干涉和衍射 49Quiz 1光的反射和折射分別服從什么定律？光的反射和折射分別服從什么定律？光在光纖中的傳播遵循什么定律？光在光纖中的傳播遵循什么定律？光與分子的相互作用過(guò)程有哪些？光與分子的相互作用過(guò)程有哪些？分子對(duì)光的吸收和發(fā)射用什么模型描述？分子對(duì)光的吸收和發(fā)射用什么模型描述？502.1 光在界面上的反射和折射光在界面上的反射和折射2.2 光的本質(zhì)波粒二象性光的本質(zhì)波粒二象性2.3 光子的吸收、發(fā)射和散射光子的吸收、發(fā)射和散射2.4 光波的干涉和衍射

43、光波的干涉和衍射 2.5 分子能級(jí)結(jié)構(gòu)與光譜分子能級(jí)結(jié)構(gòu)與光譜 2.6 激光與非線性光學(xué)激光與非線性光學(xué)本本 章章 內(nèi)內(nèi) 容容51物質(zhì)是由分子和原子構(gòu)成的，組成原子和分子的電子的能量只能取一物質(zhì)是由分子和原子構(gòu)成的，組成原子和分子的電子的能量只能取一些被允許的離散值些被允許的離散值-即即能量量子化能量量子化條件，此特性源于物質(zhì)的條件，此特性源于物質(zhì)的似波特性似波特性。2.5 分子能級(jí)結(jié)構(gòu)與光譜分子能級(jí)結(jié)構(gòu)與光譜 52波長(zhǎng)波長(zhǎng) （de Broglie波）波）h = Planck常數(shù)常數(shù)由由Schrdinger方程的解得出的方程的解得出的量子化能量量子化能量hmv物質(zhì)物質(zhì) 粒子行為粒子行為似波行為

44、似波行為 動(dòng)能動(dòng)能動(dòng)量動(dòng)量 p = = mv由經(jīng)典牛頓力學(xué)描述的由經(jīng)典牛頓力學(xué)描述的平動(dòng)能量平動(dòng)能量212Emv1 1、激發(fā)態(tài)的躍遷過(guò)程、激發(fā)態(tài)的躍遷過(guò)程 分子的能量分為四部分，即分子的能量分為四部分，即電子、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)電子、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)。只。只有電子、振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)是量子化的，即具有離散值；有電子、振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)是量子化的，即具有離散值； 電子能級(jí)和振動(dòng)能級(jí)在生物光子學(xué)中有重要的作用電子能級(jí)和振動(dòng)能級(jí)在生物光子學(xué)中有重要的作用，它們，它們是光譜學(xué)、生物醫(yī)學(xué)成像、生物傳感及流式細(xì)胞儀的重要是光譜學(xué)、生物醫(yī)學(xué)成像、生物傳感及流式細(xì)胞儀的重要組成部分。組成部分。2.5 分子能級(jí)結(jié)構(gòu)與光譜

45、分子能級(jí)結(jié)構(gòu)與光譜 53 激發(fā)態(tài)的躍遷過(guò)程：激發(fā)態(tài)的躍遷過(guò)程： 激發(fā)態(tài)可以通過(guò)光致物理過(guò)程、光致電子轉(zhuǎn)移過(guò)程或激發(fā)態(tài)可以通過(guò)光致物理過(guò)程、光致電子轉(zhuǎn)移過(guò)程或光化學(xué)過(guò)程而儲(chǔ)存激勵(lì)能；光化學(xué)過(guò)程而儲(chǔ)存激勵(lì)能； 光致物理效應(yīng)光致物理效應(yīng)包括包括： 輻射：額外能量作為光子而發(fā)射出去（自發(fā)輻射：額外能量作為光子而發(fā)射出去（自發(fā)/受激輻受激輻射）射） 非輻射：額外能量以熱能的形式散發(fā)出去非輻射：額外能量以熱能的形式散發(fā)出去 能量轉(zhuǎn)移：額外能量傳遞給周?chē)肿幽芰哭D(zhuǎn)移：額外能量傳遞給周?chē)肿?相鄰分子形成受激態(tài)復(fù)合物相鄰分子形成受激態(tài)復(fù)合物2.5 分子能級(jí)結(jié)構(gòu)與光譜分子能級(jí)結(jié)構(gòu)與光譜 54 激發(fā)態(tài)的躍遷過(guò)程：

46、激發(fā)態(tài)的躍遷過(guò)程： 有機(jī)分子的各種輻射和非輻射過(guò)程常用有機(jī)分子的各種輻射和非輻射過(guò)程常用Jablonski能級(jí)圖能級(jí)圖描述；描述； Jablonski能級(jí)圖中輻射過(guò)程用直線箭頭表示，非輻射過(guò)程用波能級(jí)圖中輻射過(guò)程用直線箭頭表示，非輻射過(guò)程用波浪線箭頭表示；浪線箭頭表示；2.5 分子能級(jí)結(jié)構(gòu)與光譜分子能級(jí)結(jié)構(gòu)與光譜 55S2S1T1S0EFluorescencePhosphorescenceVibrationalRelaxationVibrationalRelaxationICICISCISCAbsorption單重態(tài)：?jiǎn)沃貞B(tài)：S0，S1，S2三重態(tài)：三重態(tài)：T1IC：內(nèi)轉(zhuǎn)化：內(nèi)轉(zhuǎn)化ISC：系間

47、竄躍：系間竄躍 激發(fā)態(tài)的躍遷過(guò)程：激發(fā)態(tài)的躍遷過(guò)程： 大部分分子（尤其是有機(jī)分子）的基態(tài)都包含成對(duì)的電子，因而大部分分子（尤其是有機(jī)分子）的基態(tài)都包含成對(duì)的電子，因而總自旋總自旋S=0，自旋多重度，自旋多重度2S+1=1，屬于，屬于單重態(tài)單重態(tài)。 從基態(tài)開(kāi)始，按照能量遞增的順序，單重態(tài)被標(biāo)記為從基態(tài)開(kāi)始，按照能量遞增的順序，單重態(tài)被標(biāo)記為S0，S1，S2等；等； 對(duì)于基態(tài)為對(duì)于基態(tài)為S0的分子，一對(duì)配對(duì)的電子被激發(fā)到一個(gè)激發(fā)態(tài)，這的分子，一對(duì)配對(duì)的電子被激發(fā)到一個(gè)激發(fā)態(tài)，這兩個(gè)電子在激發(fā)態(tài)中可能仍然是配對(duì)的（如兩個(gè)電子在激發(fā)態(tài)中可能仍然是配對(duì)的（如S1態(tài)），也可能是非態(tài)），也可能是非配對(duì)的（配

48、對(duì)的（三重態(tài)三重態(tài)，即，即T態(tài)）；態(tài)）； 激發(fā)三重態(tài)按能量遞增的順序被標(biāo)記為激發(fā)三重態(tài)按能量遞增的順序被標(biāo)記為T(mén)1，T2，T3等；等； 量子力學(xué)表明，對(duì)相同軌道的激發(fā)態(tài)，量子力學(xué)表明，對(duì)相同軌道的激發(fā)態(tài)，激發(fā)三重態(tài)（如激發(fā)三重態(tài)（如T1態(tài)）比態(tài)）比對(duì)應(yīng)的單重態(tài)（如對(duì)應(yīng)的單重態(tài)（如S1態(tài)）能量低。態(tài)）能量低。2.5 分子能級(jí)結(jié)構(gòu)與光譜分子能級(jí)結(jié)構(gòu)與光譜 56S2S1T1S0EFluorescencePhosphorescenceVibrationalRelaxationVibrationalRelaxationICICISCISCAbsorptionn描述激發(fā)態(tài)各種可能躍遷途徑的描述激發(fā)態(tài)各種可能躍遷途徑的Jab