生物光子學2光子學與光譜學基礎01

1、主講人：劉立新西安電子科技大學生物光子學，是由生物光子學，是由生命科學和光子學這兩者交叉融合生命科學和光子學這兩者交叉融合所形成的一所形成的一門新興學科。門新興學科。定義定義為產生和控制光以及其他以光子為單位的輻射為產生和控制光以及其他以光子為單位的輻射能的技術；能的技術；生物醫(yī)學光子學生物醫(yī)學光子學 Vs. 生物醫(yī)學光學生物醫(yī)學光學生物光子學的發(fā)展和成長融合了生物光子學的發(fā)展和成長融合了20世紀的世紀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）、技術革命（）、技術革命（1940s-1950s）和基）和基因組學革命（因組學革命（1950s-200

2、0）。量子理論革命奠定了光子學發(fā)展的。量子理論革命奠定了光子學發(fā)展的基礎，技術革命為生物學的研究提供了重要的工具，而基因組學基礎，技術革命為生物學的研究提供了重要的工具，而基因組學革命則將生物光子學的研究推向一個新的高度；革命則將生物光子學的研究推向一個新的高度；生物光子學的生物光子學的研究內容研究內容包括：光子學和組織光學、生物光子學中包括：光子學和組織光學、生物光子學中的光子器件、探測及成像、生物醫(yī)學診斷、介入和治療以及用于的光子器件、探測及成像、生物醫(yī)學診斷、介入和治療以及用于蛋白質組學、基因組學中的各種先進的技術；蛋白質組學、基因組學中的各種先進的技術；內容回顧內容回顧2生物光子學的生

3、物光子學的前沿學科前沿學科，比如單分子檢測和追蹤、超衍射極限成，比如單分子檢測和追蹤、超衍射極限成像、多模式復合功能成像、納米光子學、光動力療法、小型化的像、多模式復合功能成像、納米光子學、光動力療法、小型化的檢測與成像等；檢測與成像等；各種各種新技術新技術在生物醫(yī)學中獲得迅速而廣泛的應用：激光掃描顯微在生物醫(yī)學中獲得迅速而廣泛的應用：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；由于單個細胞中的遺傳變異的逐漸積累導致癌癥等疾病的發(fā)生。由于單個細胞中的遺傳變異的逐漸積累導致癌癥等疾病的發(fā)生。因此因此生物醫(yī)學光子學能夠提供可鑒別編碼于人類基因組中導致癌生物醫(yī)學光子

4、學能夠提供可鑒別編碼于人類基因組中導致癌癥發(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，以識別可以。人們正在研發(fā)光子技術，以識別可以區(qū)別癌變細胞與正常細胞的分子變化，這種技術最終有助于表征區(qū)別癌變細胞與正常細胞的分子變化，這種技術最終有助于表征及預測癌細胞的病理行為和細胞對藥物治療的反應。及預測癌細胞的病理行為和細胞對藥物治療的反應。內容回顧內容回顧3第第 2 章章光子學與光譜學基礎光子學與光譜學基礎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 光的本質波粒二象性光的本質波粒二象性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 分子能級結構與光譜分子能級結構與光譜 2.6 激光與非線性光學激光與非線性光學本本 章章 內內 容容 光入射到兩種折射率不同的介質的分界面將發(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。在同一平面內。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，且與界面法線的夾線兩側，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，且與界面法線的夾角平面內，且與界面法線的夾角滿足如下關系：滿足如下關系：n1sin 1 = n2sin 2 其中，其中，n1和和n2分別是兩種介質分別是兩種介質的折射率，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，稱為入射角和折射角。，稱為入射角和折射角。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： 當當光從光密（折射率大）介光從光密（折射率大）介質入射到光疏質入射到光疏（折射率小）（折射

7、率小）介質的界面時，發(fā)生光的部介質的界面時，發(fā)生光的部分反射和折射現(xiàn)象；當分反射和折射現(xiàn)象；當入射入射角大于臨界角角大于臨界角時，光線會停時，光線會停止進入光疏介質，而全部反止進入光疏介質，而全部反射回光密介質。射回光密介質。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）可從以下方程計算（這時折射角為）可從以下方程計算（這時折射角為90o）：）： 2C1arcsinnn8 全內反射：全內反射：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?shù)氖且后w溶液。當光發(fā)生全反射時，光會在玻璃界面上完全反射而不進入液體溶液中。光發(fā)生全反射時，光會在玻璃界面上完全反射而不進入液體溶液中。 實際上，由于波動效應，有一部分光的能量會穿過界面滲透到溶液中，實際上，由于波動效應，有一部分光的能量會穿過界面滲透到溶液中，是一種非均勻波，叫做是一種非均勻波，叫做消逝波消逝波，也稱隱失波或倏逝波。其在第二介質中，也稱隱失波或倏逝波。其在第二介質中的有效進入深度約為一個波長。的有效進入深度約為一個波長。 消逝波激發(fā)在一個波長范圍之內的熒光分子發(fā)出

9、熒光消逝波。消逝波激發(fā)在一個波長范圍之內的熒光分子發(fā)出熒光消逝波。它沿著它沿著入射面上的介質邊界傳播，在平行界面方向以平行波場方式傳播，而在入射面上的介質邊界傳播，在平行界面方向以平行波場方式傳播，而在垂直界面方向則是呈指數(shù)衰減。對于可見光波長而言，浸透深度為垂直界面方向則是呈指數(shù)衰減。對于可見光波長而言，浸透深度為100nm。全內反射熒光顯微術全內反射熒光顯微術消逝波消逝波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（冷空氣）進入到較疏的介光線從較密的介質（冷空氣）進入到較疏的介質（近地

10、面的熱空氣）質（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全內反射的應用全內反射的應用10下現(xiàn)蜃景下現(xiàn)蜃景上現(xiàn)蜃景上現(xiàn)蜃景n全內反射的應用全內反射的應用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。自行車尾燈自行車尾燈全反射棱鏡在潛全反射棱鏡在潛望鏡中的應用望鏡中的應用雙筒望遠鏡中的雙筒望遠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全內反射的應用全內反射的應用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纖維光

11、導纖維12臨床應用中要傳輸這幅圖像需要臨床應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將圖像從一點光纖束能用來將圖像從一點傳輸?shù)搅硗庖稽c傳輸?shù)搅硗庖稽cn全內反射的應用全內反射的應用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 光的本質波粒二象性光的本質波粒二象性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 分子能級結構與光譜分子能級結構與光譜 2.6 激光與非線性光學激光與非線性光學本本 章章 內內 容容14 關于光本質的兩種說法關于光本質的

12、兩種說法 牛頓的牛頓的微粒說微粒說（1680年）年） 惠更斯的惠更斯的波動說波動說（1690年）年） 在牛頓時代，人們只知道光的反射與光的折射，即所謂的幾何在牛頓時代，人們只知道光的反射與光的折射，即所謂的幾何光學，利用這兩個學說，都能得到解釋；在解釋光的折射時，光學，利用這兩個學說，都能得到解釋；在解釋光的折射時，波動說要求光的傳播速度在折射率大的介質里要慢些，而微粒波動說要求光的傳播速度在折射率大的介質里要慢些，而微粒說要求它的速度要大些，不過在說要求它的速度要大些，不過在17、18世紀，沒有精確的測定世紀，沒有精確的測定光速的方法，所以兩個學說并存，誰也戰(zhàn)勝不了誰。光速的方法，所以兩個學

13、說并存，誰也戰(zhàn)勝不了誰。2.2 光的本質波粒二象性光的本質波粒二象性15 關于光本質的兩種說法關于光本質的兩種說法 19世紀發(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，干涉與衍射是波動所共有的現(xiàn)象，對于這些新現(xiàn)象，微粒說遇到涉與衍射是波動所共有的現(xiàn)象，對于這些新現(xiàn)象，微粒說遇到了困難；與此同時，光速度測定也有了比較精確的測定方法，了困難；與此同時，光速度測定也有了比較精確的測定方法，結果證明結果證明波動說波動說是正確的；隨后是正確的；隨后麥克斯韋麥克斯韋創(chuàng)立了電磁波學說，創(chuàng)立了電磁波學說，證明電磁也有波動。證明電磁也有波動。 19世紀末，由

14、于電磁波學說不能解釋黑體輻射現(xiàn)象，世紀末，由于電磁波學說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，愛因斯坦愛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)表了光子學說，圓滿解釋了光電效應；隨著康普頓效應的年發(fā)表了光子學說，圓滿解釋了光電效應；隨著康普頓效應的發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)，光子說光子說得到實驗支持又重新興起。得到實驗支持又重新興起。2.2 光的本質波粒二象性光的本質波粒二象性16 光的本質光的本質波粒二象性波粒二象性 光是一種能在真空和介質中以波動形式傳播的，由振動的電波和光是一種能在真空和介質中以波動形式傳播的，由振動的電波和磁波組成的磁波組成

15、的電磁波電磁波，同時也是一種叫做，同時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的各種現(xiàn)象，如衍射、干涉和偏振，必須用波動說來解釋，凡是與光和物質相互作用有關的各種現(xiàn)象，如物波動說來解釋，凡是與光和物質相互作用有關的各種現(xiàn)象，如物質的光吸收與發(fā)射、光電效應和光散射（康普頓效應），都必須質的光吸收與發(fā)射、光電效應和光散射（康普頓效應），都必須用光子說來解釋。用光子說來解釋。 光在真空中和介質中的速度不同，二者的比值是介質的光在真空中和介質中的速度不同，二者的比值是介質的折射率折射率。2.2 光的本質波粒二象性光的本質波粒二

16、象性17光光 電磁波電磁波光粒子光粒子振動的磁場振動的磁場( (B) )振動的電場振動的電場( (E) )每個光子的能量每個光子的能量 = h = h n = n = 光子數(shù)光子數(shù) = E = E ( (h h ) )p = p = 每個光子的動量每個光子的動量= 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，為兩個相鄰波峰之間的距離波長，為兩個相鄰波峰之間的距離 , 頻率，為每秒經過空間一點的波的數(shù)目頻率，為每秒經過空間一點的波的數(shù)目 c, 光速光速= 3 108 m/s =

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

18、域的不同，用不同的單位來表征。根據(jù)光的頻域的不同，用不同的單位來表征。 可見光區(qū)：可見光區(qū)：nm為波長單位；或為波長單位；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為波長單位為波長單位 中紅外到遠紅外區(qū)：中紅外到遠紅外區(qū)： 以以cm-1為波數(shù)單位為波數(shù)單位2.2 光的本質波粒二象性光的本質波粒二象性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(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 光的本質波粒二象性光的本質波粒二象性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，因此，光與生物分子的相互作用大部分都與電有關，因此，對光波的描述采用振動電場對光波的描述采用振動電場E，既有方向也有大?。?，既有方向也有大??； E垂直于波的傳播方向和磁場垂直于波的傳播方向和磁場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：光振動方向相對光傳播方向不對稱的性光振動方向相對光傳播方向不對稱的性質質 線偏振：傳播方向上在每一點

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

21、：表示為： E0：光場的電場：光場的電場振幅振幅，：光場的：光場的角頻率角頻率2，k：傳播矢量（：傳播矢量（波波矢矢）。）。 波矢表征了光波相對于參考點（波矢表征了光波相對于參考點（z=0）的）的相位相位，即，即kz為相對于參考為相對于參考點的相對相移。點的相對相移。：介電常數(shù)，對光波而言等于：介電常數(shù)，對光波而言等于n2，n為介質的折射率。為介質的折射率。2.2 光的本質波粒二象性光的本質波粒二象性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 光的本質波粒二象性光的本質波粒二象性26 光波在介質中的速度光波在介質中的速度 相速度相速度 描述單個波的波前即等相位面的移動，即電磁波

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

23、播得快。波。波包的群速度表現(xiàn)類似。包的群速度表現(xiàn)類似。 群速度色散效應：群速度色散效應：對不同波長的群速度的擴散。一對不同波長的群速度的擴散。一個在介質如光纖中傳播的短脈沖在傳播過程中會由個在介質如光纖中傳播的短脈沖在傳播過程中會由于群速度色散而于群速度色散而展寬展寬，因為光脈沖光譜中的藍波成，因為光脈沖光譜中的藍波成分與紅波成分相比會有所延遲。分與紅波成分相比會有所延遲。2.2 光的本質波粒二象性光的本質波粒二象性28 作為粒子的光：光子作為粒子的光：光子 光的波動理論不能解釋光的能量被吸收或散射的方光的波動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，又包括包括動量動量的交換。的交換。 這些過程只有假設光的粒子性才能解釋。這些過程只有假設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。 一一個電磁波的最小能量單位是光子的能量（個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 光的本質波粒二象性光的本質波粒二象性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對光的吸收、發(fā)射描述物質對光的吸收、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量動量： 當光子被另一個粒子散射而改變方向或當它被一個介當光子被另一個粒子散射而改變方向或當它被一個介質表面折射時，可以利用光的動量。質表面折射時，可以利用光的動量。 光子的傳播方向的改變產生一個動量的改變并能產生光子的傳播方向的改變產生一個動量的改變并能產生一個可捕捉粒子的力。一個可捕捉粒子的力。此原理被用于生物細胞的此原理被用于生物細胞的光學捕獲并成為光鑷操作的基礎。光學捕獲并成為光鑷操作的基礎。2.2 光的本質波粒二象性光的本質波粒二象性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 光的本質波粒二象性光的本質波粒二象性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 分子能級結構與光譜分子能級結構與光譜 2.6 激光與非線性光學激光與非線性光學本本 章章 內內 容容31 光與單個分子的相互作用可以用一個在電場中的分子電極光與單個分子的相互作用可以用一個在電場中的分子電極化模型來描述，稱為化模型來描述，稱為電偶極子近似電偶極子近似。對于線性響應，即偶極矩線性地依賴于電場，總的分子偶極矩為：對于線性響應，即偶極矩線性地依賴于電場，總的分子偶極矩為：分子與輻射場分子與輻射場 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：式中式中第一項描述分子與光子場

27、的一種相互作用，其導致分子吸收或發(fā)第一項描述分子與光子場的一種相互作用，其導致分子吸收或發(fā)射一個光子；射一個光子；第二項表示非彈性散射，即拉曼散射第二項表示非彈性散射，即拉曼散射，一個頻率為，一個頻率為v的光子被一個分的光子被一個分子非彈性散射而產生一個具有不同頻率的子非彈性散射而產生一個具有不同頻率的v 的光子（原來的光子被吸的光子（原來的光子被吸收）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、光與分子的相互作

28、用的性質 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程光與分子的相互作用過程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 光子的吸收會導致一個分子（或原子光子的吸收會導致一個分子（或原子）從低能級）從低能級i（基態(tài)）向高能級（基態(tài)）向高能級f（激（激發(fā)態(tài)）躍遷；發(fā)態(tài)）躍遷； i和和f兩個能級之間的能量差與所吸收兩個能級之間的能量差與所吸收光子的能量相等；光子的能量相等； 對于電子能級的吸收，初始電子能級對于電子能級的吸收，初始電子能級一般是基態(tài)（最低的電子能級）。一般是基態(tài)（最低的電子能級）。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）同時吸收兩個光子從低分子（或原子）同時吸收兩個光子從低能級躍遷到高能級；兩個能級之間的能能級躍遷到高能級；兩個能級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 分子或原子通過發(fā)射一個能量為分子或原子通過發(fā)射一個能量為 i 和和 f兩個能級之間能量差的光子，而從激發(fā)兩個能級之間能量差的光子，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 由一個能量為由

30、一個能量為 i 和和 f兩個能級之間能量兩個能級之間能量差的入射光子觸發(fā)的發(fā)射過程；差的入射光子觸發(fā)的發(fā)射過程； 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； 若沒有一個能量相等的入射光子，則不若沒有一個能量相等的入射光子，則不會產生受激輻射，而只有自發(fā)輻射。會產生受激輻射，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 一個能量為一個能量為hv的光子被的光子被散射散射為另一個能量為為另一個能量為hv 的光的光子，兩個光子之間的能量差即子，兩個光子之間的能量差即h(v-v )對應于兩個能級對應于兩個

31、能級之間的能量差；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 )被存入分子而產生一個激發(fā)態(tài)被存入分子而產生一個激發(fā)態(tài) f，稱為，稱為斯托斯托克斯拉曼散射克斯拉曼散射(Stokes Raman Scattering)，是最常見，是最常見的拉曼散射；的拉曼散射； hv 高于高于hv的散射稱為的散射稱為反斯托克斯拉曼散射反斯托克斯拉曼散射(Anti-Stokes Raman Scattering)。 能級能級i 一般不是真實的能級（虛能級）；若一般不是真實的能級（虛能級）；若i 是一個真是一個真實的能級，則散射過程將被顯著

32、加強，稱為實的能級，則散射過程將被顯著加強，稱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)射的愛因斯坦模型、吸收和發(fā)射的愛因斯坦模型 愛因斯坦（愛因斯坦（Einstein）模型描述光子的吸收和發(fā)射過）模型描述光子的吸收和發(fā)射過程；程； 從一個低能態(tài)從一個低能態(tài)i到一個高能態(tài)到一個高能態(tài)f 的的吸收過程吸收過程用一個用一個躍遷躍遷速率速率Wabs來描述，來描述，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稱為稱為Einstein系數(shù)系數(shù)，下標，下標 i和和 f表示此系數(shù)表示此系數(shù)

33、是針對能態(tài)是針對能態(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，因為此過程并不需要另一個光子觸發(fā)，因此：為此過程并不需要另一個光子觸發(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)射的愛因斯坦模型愛因斯坦模型 對于對于受激輻射受激輻射（需要一個光子觸發(fā)），表達式為：（需要一個光子觸發(fā)），表達式為： 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和當前

34、光子數(shù)成正比；比例常數(shù)同為和當前光子數(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)射的愛因斯坦模型愛因斯坦模型 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： 在有受激輻射的場合，受激輻射遠超過自發(fā)輻射，因在有受激輻射的場合，受激輻射遠超過自發(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?當此速率為正（當此速率為正（NiNf時時)，發(fā)生凈的吸收過程，此時低，發(fā)生凈的吸收過程，此時低能態(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，稱為上的分子數(shù)多，稱為正常正常粒子數(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)射的愛因斯坦模型愛因斯坦模型 在在NfNi的情況下，對應的是一個凈的發(fā)射過程；凈的的情況下，對應的是一個凈的發(fā)射過程；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)反轉條件粒子數(shù)反轉條件； 粒子數(shù)反轉是實現(xiàn)激光的條件之一粒子數(shù)反轉是實現(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 光的本質波粒二象性光的本質波粒二象性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 分子能級結構與光譜分子能級結構與光譜 2.6 激光與非線性光學激光與非線性光學本本 章章 內內 容容421、光的相干性、光的相干性 時間相干性：時間相干性：由波包的由波包的頻率展寬頻率展寬定義；定義； 如果從一個光源發(fā)出的所有光波的如果從一個光源發(fā)出的所有光波的頻率相同頻率相同或在一個或在一個十分窄的頻十分窄的頻域域內，則它們具有時間相干性，這種光被稱為單色的；內，則它們具有時間相干性，這種光被稱為單色的； 如果有一個大的頻率展寬

37、，則光是多色的，不具有時間相干性；如果有一個大的頻率展寬，則光是多色的，不具有時間相干性； 空間相干性：空間相干性：利用從一個光源發(fā)出的不同光波的利用從一個光源發(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； 如果一個如果一個常相位關系常相位關系存在，而且波包在空間的傳播過程中能夠維存在，而且波包在空間的傳播過程中能夠維持（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相干時間：相干時間：相干長度：相干長度：C 光的相干性光的相干性 光的相干性決定了從一個光源產生的多個光波的整體光的相干性決定了從一個光源產生的多個

38、光波的整體屬性，描述了不同波之間的相位關系；屬性，描述了不同波之間的相位關系； 若相位關系固定且為常數(shù)，則光源是相干的；若相位若相位關系固定且為常數(shù)，則光源是相干的；若相位關系總的來說是隨機的，則光源是非相干的；關系總的來說是隨機的，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度相干長度，即相位關系得以維持，即相位關系得以維持的長度；的長度； 光源的相干性質決定了光束的發(fā)散性質。光源的相干性質決定了光束的發(fā)散性質。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產生的光強分布不等于由

39、各束在空間相遇時產生的光強分布不等于由各束波單獨造成的光強分布之和，而出現(xiàn)明暗相間的現(xiàn)象。波單獨造成的光強分布之和，而出現(xiàn)明暗相間的現(xiàn)象。產生干涉條件：產生干涉條件：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，振動方振動方向向一致的一致的相干光源相干光源，才能產生光的干涉。由兩個普通獨立光源發(fā)，才能產生光的干涉。由兩個普通獨立光源發(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，不能產生干涉現(xiàn)象。此，不能產生干涉現(xiàn)象。同相（相位）相長干涉，同相（相位）相長干涉， 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相長干涉與相消干涉相長干涉與相消干涉 衍射衍射：任何在空間中非無限的波都有在空間擴散的趨勢。任何在空間中非無限的波都有在空間擴散的趨勢。 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，但只有當物體的空間尺寸與光波的波長相當物體的空間尺寸與光波的波長相當時當時，才比較明顯。當光遇到尖銳的障礙物、通過小孔和狹縫，或，才比較明顯。當光遇到尖銳的障礙物、通過小孔和狹縫，或聚焦于尺寸與光波長相近的斑點時，光彎折

41、和擴散等衍射現(xiàn)象就會聚焦于尺寸與光波長相近的斑點時，光彎折和擴散等衍射現(xiàn)象就會發(fā)生；發(fā)生； 將狹縫或開口的每一點當做一個球面波的波源，可以很好地解釋衍將狹縫或開口的每一點當做一個球面波的波源，可以很好地解釋衍射現(xiàn)象；從所有這些點發(fā)出的球面波相互干涉；在某些角度上，發(fā)射現(xiàn)象；從所有這些點發(fā)出的球面波相互干涉；在某些角度上，發(fā)生相長干涉，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光通過兩條狹縫的衍射圖樣光通過

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程有哪些？光與分子的相互作用過程有哪些？分子對光的吸收和發(fā)射用什么模型描述？分子對光的吸收和發(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 光的本質波粒二象性光的本質波粒二象性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 分子能級結構與光譜分子能級結構與光譜 2.6 激光與非線性光學激光與非線性光學本本 章章 內內 容容51物質是由分子和原子構成的，組成原子和分子的電子的能量只能取一物質是由分子和原子構成的，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，此特性源于物質的條件，此特性源于物質的似波特性似波特性。2.5 分子能級結構與光譜分子能級結構與光譜 52波長波長 （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物質物質 粒子行為粒子行為似波行為

44、似波行為 動能動能動量動量 p = = mv由經典牛頓力學描述的由經典牛頓力學描述的平動能量平動能量212Emv1 1、激發(fā)態(tài)的躍遷過程、激發(fā)態(tài)的躍遷過程 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、轉動和平動電子、振動、轉動和平動。只。只有電子、振動和轉動能級是量子化的，即具有離散值；有電子、振動和轉動能級是量子化的，即具有離散值； 電子能級和振動能級在生物光子學中有重要的作用電子能級和振動能級在生物光子學中有重要的作用，它們，它們是光譜學、生物醫(yī)學成像、生物傳感及流式細胞儀的重要是光譜學、生物醫(yī)學成像、生物傳感及流式細胞儀的重要組成部分。組成部分。2.5 分子能級結構與光譜

45、分子能級結構與光譜 53 激發(fā)態(tài)的躍遷過程：激發(fā)態(tài)的躍遷過程： 激發(fā)態(tài)可以通過光致物理過程、光致電子轉移過程或激發(fā)態(tài)可以通過光致物理過程、光致電子轉移過程或光化學過程而儲存激勵能；光化學過程而儲存激勵能； 光致物理效應光致物理效應包括包括： 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 能量轉移：額外能量傳遞給周圍分子能量轉移：額外能量傳遞給周圍分子 相鄰分子形成受激態(tài)復合物相鄰分子形成受激態(tài)復合物2.5 分子能級結構與光譜分子能級結構與光譜 54 激發(fā)態(tài)的躍遷過程：

46、激發(fā)態(tài)的躍遷過程： 有機分子的各種輻射和非輻射過程常用有機分子的各種輻射和非輻射過程常用Jablonski能級圖能級圖描述；描述； Jablonski能級圖中輻射過程用直線箭頭表示，非輻射過程用波能級圖中輻射過程用直線箭頭表示，非輻射過程用波浪線箭頭表示；浪線箭頭表示；2.5 分子能級結構與光譜分子能級結構與光譜 55S2S1T1S0EFluorescencePhosphorescenceVibrationalRelaxationVibrationalRelaxationICICISCISCAbsorption單重態(tài)：單重態(tài)：S0，S1，S2三重態(tài)：三重態(tài)：T1IC：內轉化：內轉化ISC：系間

47、竄躍：系間竄躍 激發(fā)態(tài)的躍遷過程：激發(fā)態(tài)的躍遷過程： 大部分分子（尤其是有機分子）的基態(tài)都包含成對的電子，因而大部分分子（尤其是有機分子）的基態(tài)都包含成對的電子，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)開始，按照能量遞增的順序，單重態(tài)被標記為從基態(tài)開始，按照能量遞增的順序，單重態(tài)被標記為S0，S1，S2等；等； 對于基態(tài)為對于基態(tài)為S0的分子，一對配對的電子被激發(fā)到一個激發(fā)態(tài)，這的分子，一對配對的電子被激發(fā)到一個激發(fā)態(tài)，這兩個電子在激發(fā)態(tài)中可能仍然是配對的（如兩個電子在激發(fā)態(tài)中可能仍然是配對的（如S1態(tài)），也可能是非態(tài)），也可能是非配對的（配

48、對的（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記為激發(fā)三重態(tài)按能量遞增的順序被標記為T1，T2，T3等；等； 量子力學表明，對相同軌道的激發(fā)態(tài)，量子力學表明，對相同軌道的激發(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)）比對應的單重態(tài)（如對應的單重態(tài)（如S1態(tài)）能量低。態(tài)）能量低。2.5 分子能級結構與光譜分子能級結構與光譜 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