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1、激光原理及应用初步激光器产生激光当谐振腔中的工作物质通过光、电、或者化学物质的作用后,其原子或分 子由基态跃迁至激发态,通过一定波长的光源照射后可以发生受激辐射而 呈雪崩式光子发射模式,通过谐振腔震荡而形成驻波输出,这种输出光方 向性好,相干性好,习惯上称之为激光。要持续产生激光,必要条件是亚稳态E2和基态E1上能形成粒子发转,其实 就是说,E2能级上有足够多的粒子跃迁回E1能级,然后在极短的时间内基 态的原子或分子能跃迁至高能级以实现连续不断的受激发射。三能级模式四能级模式比较而言,四能级模式对 泵浦源的泵浦效率要求最 低,因此目前几乎所有的 高性能激光器都是采用四 能级模式。单纵膜和多纵膜
2、根据驻波条件可知,相邻两纵膜之间的距离只 与谐振腔长度L和折射率n有关。折射率一定的时候,纵膜数量只与谐振腔长度有 关。比如对氦氖激光器,1米的谐振腔最多有10 个纵膜,而15厘米的谐振腔则只有1个纵膜,即 单纵膜。常见的激光器 固体激光器:红宝石激光器;钇铝石榴石 激光器(1064nm、532nm);钕玻璃激光 器(1064nm); 气体激光器:He-Ne激光器(632nm);二 氧化碳激光器(10600nm);氮分子脉冲激 光器(337nm);氩离子激光器(488nm) ;金属蒸汽激光器;准分子激光器 染料激光器:罗丹明、香豆素等。波长一 定范围内可调,且功率可以很大(150W )。高斯光
3、 通常由稳定谐振腔震荡输出的激光为高斯 光。高阶高斯光根据谐振腔的结构不同可 以分为拉盖尔-高斯光、厄米特-高斯光。厄米特-高斯光(方形共焦腔)拉盖尔-高斯光(球形共焦腔)高斯光聚焦后的焦深和焦点光斑大小对于高阶模的高斯光而言 ,如TEMmn,其光斑尺寸 :发散角为STED显微镜 利用不同高斯模和受激辐射模式,Hell采用高斯光和一 阶拉盖尔高斯光组合使得一阶拉盖尔高斯光的暗区的荧 光分子点扩散函数受限使得显微镜的分辨率能达到纳米 级别,突破了1873年abbe提出的衍射极限设定。约为 0.61/NA,对于可见光来说,这个数值大概是200nm左 右。STED显微镜的原理先用圆形高斯光激发荧光物
4、质,然后用STED光将已经 激发的荧光物质强行辐射回落到荧光分子高能级基态 ,最后只有中央暗区的荧光分子能发出荧光而被检测 到。能级原理如何产生面包圈STED光 通过螺旋相位片将高斯光转化为一阶拉盖 尔高斯光。实现STED的脉冲调制一般来说,先用激发光 照射样本25-50ps,然后 用STED光照射250ps以 上。具体来说就是在极短时 间内将荧光分子激发, 然后在荧光分子的弛豫 周期时间内打入STED光 将激发的电子受激回落 至基态,因此激发光和 STED光都应该是ps级脉 冲激光。STED光的波长选择 STED光波长理论上应该在发射光谱的红边激发 较好。但是实际操作中比较困难,因为激光器
5、的限制无法自由调制波长。目前已经有白激光耦合STED光调制波长,但是目前的白激光极少 能做到20ps的脉冲时间,本实验室购买的白激 光脉冲时间为150ps,只能对特定的荧光分子 进行STED。 如果STED光波长与激发光相同,那么必须激发 时实现饱和激发,这样的缺点是更加容易发生 光漂白,好处是可以实现激发淬灭使用同一波 长的光。STED显微镜的应用缺点 1、采用点扫描方式,速度慢,很难实时观 测到生物体的动态过程。(已有阵列STED 显微镜,可实现阵列式扫描) 2、价格昂贵。(每台约1500万人民币) 3、维护困难。(脉冲调制、功率调制、光 束合并准直)Lattice light-sheet microscopy: Imaging molecules to embryos at high spatiotemporal resolutionScience 346, (2014);A、格子光结构单元 点阵电场分布B、格子光结构单元 点阵分布(限定函 数 )C、SLM(空间光调 制器)后光场分布D、SLM后衍射图样E、环形相位板(与 激发目标的后瞳面 耦合) F、后瞳面照明图样G、激发光的xz截面 光场PSF分布H、扫频模式下激发 光的xz截面光场PSF 分布 I、扫频模式下激发 光的点扩散函数SIM(结构光照明) 模式下格子光片照 明光传递函数(OTF )优化SIM模式下分辨率最高