激光技术与生命科学.ppt

2020 2 12 1 激光与生命科学 浙江大学物理学系陆璇辉教授 2020 2 12 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 2 12 3 激光是20世纪最重大的发明之一 2020 2 12 4 2004 2009年全球激光市场的销售收入 2020 2 12 5 1917Einstein streatmentofstimulatedemission 1951DevelopmentofthemaserbyC H Townes Themaserisbasicallythesameideaasthelaser onlyitworksatmicrowavefrequencies 1958ProposalbyC H TownesandA L Schawlowthatthemaserconceptcouldbeextendedtoopticalfrequencies 1960T H MaimanatHughesLaboratoriesreportsthefirstlaser thepulsedrubylaser 1961Thefirstcontinuouswavelaserisreported theheliumneonlaser 2020 2 12 6 激光问世以来九次为诺贝尔奖增添光彩 1964NicolayBasov CharlieTownesandAleksandrProkhorovgettheNobelprizefor fundamentalworkinthefieldofquantumelectronics whichhasledtotheconstructionofoscillatorsandamplifiersbasedonthemaser laserprinciple 1971DennisGabor forhisinventionanddevelopmentoftheholographicmethod 1981ArtSchalowandNicolaasBloembergengettheNobelPrizefor theircontributiontothedevelopmentoflaserspectroscopy 2020 2 12 7 最近十年中 激光六次为诺贝尔奖增添光辉 1997StevenChu ClaudeCohen TannoudjiandWilliamD PhillipsgettheNobelPrizefor developmentofmethodstocoolandtrapatomswithlaserlight 1999AhmedH Zewail forhisstudiesofthetransitionstatesofchemicalreactionsusingfemtosecondspectroscopy 2000ZhoresI Alferov HerbertKroemer fordevelopingsemiconductorheterostructuresusedinhigh speed andopto electronicsJack S Kilby forhispartintheinventionoftheintegratedcircuit 2020 2 12 8 2001EricA Cornell WolfganKetterle carlE Wieman fortheachievementofBose Einsteincondensationindilutegasesofalkaliatoms andforearlyfundamentalstudiesofthepropertiesofthecondensates2002JohnB Fenn KoichiTanaka fortheirdevelopmentofsoftdesorptionionisationmethodsformassspectrometricanalysesofbiologicalmacromolecules KurtW thrich forhisdevelopmentofnuclearmagneticresonancespectroscopyfordeterminingthethree dimensionalstructureofbiologicalmacromoleculesinsolution 2005Theprizeisbeingawardedwithonehalfto ROYJ GLAUBERforhiscontributiontothequantumtheoryofopticalcoherenceandonehalfjointlytoJOHNL HALLandTHEODORW H NSCHfortheircontributionstothedevelopmentoflaser basedprecisionspectroscopy includingtheopticalfrequencycombtechnique 2020 2 12 9 2009OnehalfawardedtoCharlesKuenKao forgroundbreakingachievementsconcerningthetransmissionoflightinfibersforopticalcommunication theotherhalfjointlytoWillardS BoyleandGeorgeE Smith fortheinventionofanimagingsemiconductorcircuit theCCDsensor 2012TheNobelPrizeinPhysicswasawardedjointlytoSergeHarocheandDavidJ Wineland forground breakingexperimentalmethodsthatenablemeasuringandmanipulationofindividualquantumsystems 2020 2 12 10 TheNobelPrizeinPhysics1964 forfundamentalworkinthefieldofquantumelectronics whichhasledtotheconstructionofoscillatorsandamplifiersbasedonthemaser laserprinciple CharlesHardTownesMassachusettsInstituteofTechnology MIT Cambridge MA USA NicolayGennadiyevichBasovP N LebedevPhysicalInstituteMoscow USSR AleksandrMikhailovichProkhorovP N LebedevPhysicalInstituteMoscow USSR 2020 2 12 11 fordevelopmentofmethodstocoolandtrapatomswithlaserlight Born1933 inConstantine Algeria USANationalInstituteofStandardsandTechnologyGaithersburg MD USABorn1948 2020 2 12 12 ClaudeCohen Tannoudji 2020 2 12 13 TheNobelPrizeinPhysics2001 fortheachievementofBose Einsteincondensationindilutegasesofalkaliatoms andforearlyfundamentalstudiesofthepropertiesofthecondensates EricA CornellUSAUniversityofColorado JILABoulder CO USABorn1961 WolfgangKetterleFederalRepublicofGermanyMassachusettsInstituteofTechnology MIT Cambridge MA USABorn1957 CarlE WiemanUSAUniversityofColorado JILABoulder CO USABorn1951 2020 2 12 14 TheNobelPrizeinPhysics2005 2020 2 12 15 2007年浙江大学授予诺贝尔奖得主R Glauber教授名誉教授 2020 2 12 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 2 12 17 诺贝尔奖得主与本人合影 2020 2 12 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 2 12 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 2 12 20 光的波粒二象性 波长 频率 Hz 真空中光速c 299 792 458m s 2020 2 12 21 光子的能量E h 其中普朗克常数h 6 626196 10 34J s德布罗依波 h p频谱关系 c 2020 2 12 22 激光的波长已覆盖从远红外到x光 2020 2 12 23 LASER LightAmplificationbytheStimulatedEmissionofRadiationLightisproducedbythetransitionofelectronsbetweenenergylevelsinanatomElectronsoccupydiscreteorbitsaroundthenucleusofanatomInordertooccupyaparticularorbit anelectronmustpossesaparticularenergy 2020 2 12 24 激光器的基本构成 2020 2 12 25 原子发光原理 Simplisticviewoftheboundedenergylevelsinanatom 2020 2 12 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 2 12 27 自发辐射 2020 2 12 28 受激吸收 2020 2 12 29 受激辐射 2020 2 12 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 N1 1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 2 12 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 2 12 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 2 12 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 2 12 34 激光谐振腔提供正反馈 形成谱线和模式的输出激光 2020 2 12 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 2 12 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 2 12 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 2 12 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 2 12 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 2 12 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 2 12 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 2 12 42 增益曲线和线宽 2020 2 12 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 2 12 44 尾镜 全反镜 输出镜 部分反射镜 d 2020 2 12 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 2 12 46 纵模 由于腔的作用 只有在谱线轮廓范围内的满足 q qc 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 2 12 47 横模 方镜 2020 2 12 48 园镜 2020 2 12 49 Gaussianbeam高斯光束 2020 2 12 50 发散角 光束半径 波前曲率半径 2020 2 12 51 激光束的聚焦与准直 薄透镜的聚焦 2020 2 12 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 2 12 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 2 12 54 2 激光器 2020 2 12 55 2020 2 12 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 2 12 57 内腔式外腔式半外腔式 He Ne激光器632 8nm 2020 2 12 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 2 12 59 CO2激光器 10 6 m 2020 2 12 60 CO2能级图 2020 2 12 61 2020 2 12 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 2 12 63 氩离子激光488nm 514 5nm 2020 2 12 64 氩离子能级跃迁图 2020 2 12 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 2 12 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 2 12 67 准分子是一种短寿命的分子 从产生到消失仅经历10 8s量级 而基态的寿命更短 一般为10 13s量级 量子效率达100 有可能得到很高的能量转换效率 2020 2 12 68 几种准分子激光器及其主要激光波长 2020 2 12 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 2 12 70 Ho YAG 2 m Tm YAG 2 m 2020 2 12 71 2020 2 12 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 2 12 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 O12 YAG 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 2 12 74 吸收光谱 红宝石吸收光谱范围360nm 450nm 510nm 600nm 2020 2 12 75 荧光辐射光谱 红宝石辐射光谱R1 694 3nmR2 692 9nm荧光量子效率 2020 2 12 76 Nd YAG能级图 2020 2 12 77 Nd3 YAG吸收光谱 吸收谱线808nm751nm 2020 2 12 78 Nd3 YAG荧光辐射谱线 2020 2 12 79 灯泵浦的聚光腔 激光棒泵浦灯 2020 2 12 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