应用光子学和生物医学光子学讲义

目录应用光子学基础实验一用自准法测薄透镜焦距........................1实验二自组显微镜..................................4实验三自组望远镜..................................7实验四偏振光分析.................................10实验五阿贝成像原理和空间滤波.....................14生物医学光子学基础实验六单光子计数与弱光检测......................17实验七荧光显微镜原理与使用......................23实验八拉曼光谱实验讲义..........................27实验九光镊与光阱PN力的测量......................34实验十光谱仪与生物应用..........................40实验十一双积分球系统测量组织光学参数............45实验十二光学相干层析成像系统实验讲义............52实验十三散斑显微成像系统........................59实验十四Nd:YAG激光器及其医学应用................65附录：生物医学光学实验室的一般规则................69生物医学光子学实验讲义2005－4实验六单光子计数与弱光检测一.实验目的理解光子计数器方法的基本原理，掌握单光子计用于弱光检测的基本实验方法。二.背景知识随着生物医学、光纤通信以及环境辐射监测技术的发展，对微弱光检测的要求越来越高。因此光极限领域的检测技术，已成为解析更加高深现象的重要手段。单光子计数系统在高分辨率光谱测量、散射光的测量、非破坏性物质分析、高速现象检测、环保检测、精密分析、大气测污、生物发光、光子研究、色度光度、生化仪器、激光计测、工业在线、放射探测、核医学装置、高能物理、高灵敏度探测、对月测距、天文测光等领域有着特殊的作用。另一方面，人们在光电检测中常常遇到待测信号被噪声淹没的情况，例如，对于空间物体检测，常常伴随着强烈的背景辐射，即使是对较强的光信号，为了提高信号抗干扰能力、实现精确的检测，也都需要从噪声中提取、恢复和增强被测信号的技术措施。所以无论是 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 应用方面还是信号变换技巧方面，弱光的探测都是非常重要的。单光子技术是一门崭新的、鲜为人知的技术，虽然当前还处于兴起、发展阶段但在本世纪必将会有重大创新和迅速崛起。单光子计数器方法利用弱光下光电倍增管输出电流信号自然离散的特征，采用脉冲高度甄别和数字计数技术将淹没在背景噪声中的弱光信号提取出来。与锁定放大器等模拟检测技术相比，它基本消除了光电倍增管高压直流漏电和各倍增极热噪声的影响，提高了信噪比；受光电倍增管漂移，系统增益变化的影响较小；有比较宽的线性动态范围；它输出的是脉冲信号，不用经过A/D变换，可直接送到计算机处理。采用单光子计数技术，可以把淹没在背景噪声中的弱光信息提取出来。目前一般的光子计数器的探测灵敏度优于10－17w，这是其它探测方法所不能比拟的。三.实验原理1.光子流量和光流强度：光是由光子组成的光子流，单个光子的能量ε与光波频率γ的关系是εγ＝h=hc（1-1）λ光子流量可用单位时间内通过的光子数R表示，光流强度是单位时间内通过的光能量，用光功率P表示．单色光的光功率P与光子流量R的关系是：P=Rε（1-2）在本次试验中使用的是波长λ＝500nm的单色光，其光子能量ε为：6.6×××10−343108ε==hc=×410J−19λ510×−7式中h＝6.6*10-34J*s为普朗克常数，c为光速。2.光子计数器的组成光子计数器的原理方框图如图6-1所示，各部分的功能和主要要求如下：17生物医学光子学实验讲义2005－4图6－1光子计数器方框图1）光源用高亮度发光二极管作为光源，波长中心500nm，带宽60nm。为了提高入射光的单色性，该仪器配有窄带滤光片，带宽为36nm。2）光路实验系统的光路如图6－2所示：光阑减光片半透半反镜PMT光源图6-2实验系统光路图功率指示表为了减少杂散光的影响和降低背景计数，在光电倍增管之前设置了一个光阑筒，内设光阑三片。另外在筒的另一端有用来连接减光片的螺纹接口，可根据实验需要放置减光片，窄带滤光片。本系统配有减光片5组，窄带滤光片一块，参数如下：名称透过率备注窄带滤光片88％中心波长500nmAB2B2％AB5B5％AB10B10％半反半透镜35%3）探测器探测器采用的是光电倍增管。它必须具有适合于实验中工作波段的光谱响应，要有适当的阴极面积，量子效率高，暗计数率低，时间响应快，并且光阴极的稳定性高。为了获得较高的稳定性，除尽量采用光阴极面积小的管子外，还采用致冷技术来降低管子的环境温度，以减少各倍增极的热电子发射。试验采用半导体致冷器和水循环制冷器相结合的办法来达到降温的目的，使用中可根据具体需要选用。光电倍增管的工作原理是，当弱光照射到光阴极时，每个入射光子以一定的概率（即量18生物医学光子学实验讲义2005－4子效率）使光阴极发射一个电子。这个光电子经倍增系统的倍增后，在阳极回路中形成一个电流脉冲，通过负载电阻形成一个电压脉冲，这个脉冲称为单光子脉冲。除光电子脉冲外，还有各倍增极的热发射电子在阳极回路中形成的热发射噪声脉冲。热电子受倍增的次数比光电子少，因而它在阳极上形成的脉冲幅度较低。此外还有光阴极的热发射形成的脉冲。噪声脉冲和光电子脉冲的幅度的分布如图6－3所示。脉冲幅度较小的主要是热发射噪声信号，而光阴极发射的电子（包括光电子和热发射电子）形成的脉冲幅度较大，出现“单光电子峰”。用脉冲幅度甄别器把幅度低于Vh的脉冲抑制掉。只让幅度高于Vh的脉冲通过就能实现单光子计数。4）放大器放大器的作用是将光电倍增管阳极回路输出的光电子脉冲(连问其他噪声脉冲)线性地放大。放大器的增益可根据单光电子脉冲的高度和甄别器甄别电平的范围来选定。例如本实验采用的甄别电平（也称为阈值电平）为0～2.56V（10mV/档，可调）。另外还要求放大器具有较宽的线性动态范围，上升时间＜3ns(即通频带宽度达到100MHz)，噪声系数小，暗电流小（它直接关系到管子的探测灵敏度）等等。光电倍增管与放大器的连线应尽量短，以减少分布电容，有利于光电脉冲的形成与传输。5）脉冲高度甄别器脉冲高度甄别器有连续可调的阈值电平，称甄别电平。只有当输入脉冲的幅度大于甄别电平时，甄别器才输出一个有一定幅度和形状的标准脉冲。在用于光子计数时，可以将甄别电平调节到图6-3中单光电子峰的第一个波谷处。这时各倍增极所引起的热噪声脉冲因小于甄别电平而不能通过。经甄别器后只有光阴极形成的光电子脉冲和热电子脉冲的输出。对甄别器的要求是甄别电平稳定，灵敏度高，死时间小（死时间是指一个电脉冲触发甄别器的输入端以后，在它恢复原状并能接受后续脉冲所需的时间），用于光子计数的甄别器的死时间要求小于10ns，以保证不漏计。图6－3光电倍增管阳极输出脉冲幅度速率分布6）计数器计数器(或称定标器)的作用是将甄别器输出的脉冲累计起来并予以显示。用于光子计数的计数器要满足高计数率的要求，即要能够分辨时问间隔为10ns的两个脉冲，因此相应的计数率为100MHz。不过当光子计数器用于微弱光的测量时，它的计数率一般很低。这部分还有控制计数时间（积分时间）的功能。3.单光电子峰光电倍增管和鉴别器阈值可以用实验获得的脉冲高度分布图来选择决定。图6－3是一个典型光电倍增管及放大器响应脉冲高度—速率分布图。鉴别器阈值（水平轴）从低电平到19生物医学光子学实验讲义2005－4坐标的满刻度，而纵轴是每个鉴别阈值下每个计数时间段测得的脉冲数。对于一个好的光电倍增管，有一个由光电倍增管倍增极噪声和放大器噪声产生的峰值，中间有一个谷值，接着又会出现一个峰，该峰相应于从光阴极的单光子－电子的脉冲高度。光阴极发射的电子(包括光电子和热发射电子)所形成的各脉冲的幅度近于一致，造成图中的“单光电子蜂”。形成这种分布的原因是：（1）光阴极发射的电子，包括光电子和热发射电子，都受到了所有倍增电极的增益．因此它们的幅度大致接近。（2）各倍增极的热发射电子经受倍增的次数要比光阳极发射的电子经受的少，因此前者在阳极上形成的脉冲幅度要比后者低．所以图中脉冲幅度较小的部分主要是热噪声脉冲。（3）各倍增极的倍增系数不是一个定值，而是满足统计分布，大体上遵守泊松分布。所以．如果用脉冲高度甄别器将幅度高于上图所示第一个谷点的脉冲加以甄别、输出并计数显示，就可实现高信噪比的单光子计数，大大提高检测灵敏度。4.光子计数器的误差及信噪比测量弱信号最关心的是探测信噪比(能测到的信号与测量中各种噪声功率的比值)。因此，必须分析光子计数系统中各种噪声的来源。（1）泊松统计噪声用光电倍增管探测热光源发射的光子，相邻的光子打到光阴极上的时间间隔是随机的，对于大量粒子的统计结果服从泊松分布。即在探测到上一个光子后的时间间隔t内，探测到n个光子的几率P（n,t）为:n()ηRte-RtηNen-NP==()n,tn!n!式中η是光电倍增管的量子计数效率，R是光子平均流量(光子数／s)，N=ηRt，是在时间间隔t内光电倍增管的光阴极发射的光电子平均数。由于这种统计特性，测量到的信号计数中就有一定的不确定度，通常用均方根偏差σ来表示σ=(n-N)2。计算得出：σ=N=Rtη。这种不确定度是一种噪声，称为统计噪声。所以，统计噪声使得测量信号中固有的信噪比SNR为NSNR==N=ηRtN可见，测量结果的信噪比SNR正比于测量时间间隔t的平方根。（2）暗计数实际上，光电倍增管的光阴极和各倍增极还有热电子发射即在没有入射光时，还有暗计数(亦称背景计数)。虽然可以用降低管子的工作温度、选用小面积光阴极以及选择最佳的甄别电平等使暗计数率Rd降到最小，但相对于极微弱的光信号，仍是一个不可忽视的噪声来源。假如以Rd表示光电倍增管在无光照时测得的暗计数率，则在测量光信号时，按上述结果，信号中的噪声成分将增加到ηRt+Rdt，信噪比SNR下降为：ηηRtRtSNR==ηηRt+RddtR+R这里假设倍增极的噪声和放大器的噪声已经被甄别器消除了。对于具有高增益的第一倍增极的光电倍增管，这种近似是可取的。20生物医学光子学实验讲义2005－4（3）累积信噪比当用扣除背景计数工作方式时，在两个相同的时间间隔t内，分别测量背景计数(包括暗计数和杂散光计数)Np和信号与背景的总计数Nt。设信号计数为Np，则Np=Ntd-N=ηRt,Nd=Rdt按照误差理论，测量结果的信号计数Np中的总噪声应为N+N=tdηRt+2RtdNN-NηRt测量结果的信噪比：SNR===ptdN+NtdN+NtdηR+2Rd当信号计数Np远小于背景计数Nd，测量结果的信噪比可能小于1，此时测量结果无意义，当SNR＝1时，对应的接收信号功率P0min即为仪器的探测灵敏度。由以上的噪声分析可见，光子计数器测量结果的信噪比SNR与测量时间间隔的平方根成正比。因此在弱光测量中，为了获得一定的信噪比，可适当增加测量时间间隔，这也是光子计数能够获得很高的检测灵敏度的原因。（3）脉冲堆积效应光电倍增管具有一定的分辨时间tR。当在分辨时间tR内相继有两个或两个以上的光子入射到光阴极时(假定量子效率为1)，由于它们的时间间隔小于tR，光电倍增管只能输出一个脉冲，因此，光电子脉冲的输出计数率比单位时间入射到光阴极上的光子数更少；另一方面，电子系统(主要是甄别器)有一定的死时间td，在td内输入脉冲时，甄别器输出计数率也要受到损失。以上现象统称为脉冲堆积效应。四.实验内容1.接好单光子计数器的出水口和进水口，通水两分钟，让水循环。2.开启水冷，设定温度为负20度，大概需要20分钟才能达到预制温度。温度指示借用半导体制冷电源的指示值。3.开启电脑，打开软件，设定初始参数。4.打开激光功率计电源，调零，再打开光源开关，将光电流值调到合适的值。5.观察光电倍增管输出脉冲幅度分布的微分曲线，确定甄别器最佳工作电平．在固定光电倍增管工作电压后，通过在阈值方式下观察光电倍增管阳极输出脉冲幅度速率分布的微分曲线，找到第一个谷点所在的位置来确定测试阈值电平的大小。6.测试单光子计数系统的最低暗计数率。等待致冷器电源温度指示稳定后（一般实验中也可以不开），固定光电倍增管工作电压，每隔3分钟测量一次暗计数率（均值），直至暗计数率趋于不变值，确定本系统的最低暗计数率Rdmin。7.研究光计数率Rp和入射光功率Pi的对应关系：画出接收光信号的信噪比SNR与接收光功率Po的关系曲线，确定最小可检测功率(即探测灵敏度)。研究测量时间间隔√t对SNR的影响（选作）。选择减光片组，调节光源电流I，使入射光功率Pi分别为0.1μw，0.2μw，0.3μw,0.4μw,0.5μw量级（该参数可自行调节）等几种情况，待光电倍增管工作温度稳定后，测量几种入射光功率的光计数率Rp，测量时间间隔可选择1s，l0s，l00s。8.接收光功率P0和SNR可分别按下列两式计算:21生物医学光子学实验讲义2005－4Rpp=E0pη-19其中Ep＝4*10J（本实验中500nm波段光子能量），η＝0.8（CR125型光电倍增管对500nm波段光子的量子计数效率）；RtN-NSNR=p=tdR+2RpdtN+Nd式中Nt为测量时间间隔内测得的总计数，Nd为测量时间间隔内测得的背景计数。9.测量树叶的超弱发光。先接通光电倍增管的半导体致冷电源，等温度稳定在-20度才开始测量。比较加树叶前后计数率的变化。画出相应的曲线。10.实验结束后先关闭单光子计数器电源，10分钟后再关闭水冷电源，最后将出水管和进水管拿掉，停止通水。五.注意事项1.测量结果N以数字形式在定标器上显示。由于系统存在光强漂移等不稳定因素，每次记录的计数率至少需重复测量6至10次，取其平均值。测量误差可用标准偏差估计:n22∑N-nNiS=i=1Nn-1光发射的统计涨落效应使测量信号中的固有噪声为。如果时， 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 测σ=NSNσ量中其他因素的偶然误差很大，应该重新测量此点。2.测量过程中要注意监视入射光强，使其尽量保持稳定。3.光电倍增管要防止强光，特别是激光的直接照射。在调节光路准直时，要先把光阑筒前面的入射光挡住（教学实验中可免去该步）。4.光电倍增管要经过长时间工作才能趋于稳定，因此，开机后需要经过充分的预热时间(半小时以上)才能进行测量。5.调节光电倍增管高压时，一定要关高压进行(细调除外)，加带高压操作，机内易产生高压打火，造成放大—甄别器内第一级晶体管击穿损坏。6.测量时应避免杂散光的影响。7.实验中用半导体致冷器降低光电倍增管的工作温度，工作时一定要先通水，再开启致冷电源。如遇停水，应立即关闭致冷电源，否则将发生严重事故。六.思考与讨论1.影响光子计数系统的测量动态范围的主要因素是什么？2.接收光功率P0与推算的入射光功率Pi是否一致？若不一致，试分析其原因所在。22生物医学光子学实验讲义2005－4实验七荧光显微镜原理与使用一.实验目的了解荧光显微镜的用途、原理及结构，掌握实验室配置的奥林巴斯倒置显微镜介绍显微镜的使用。二.科学背景显微镜是现代科学研究中非常重要的仪器，它带领人们来到了奇妙的微观世界，随着科学的进步，显微镜也朝着更适应科学家们实验需要的方向发展。而显微镜的历史可以追溯到17世纪，1665年霍克发明了最早的显微镜。在今天看来，它是一个非常简陋的仪器，它甚至使用蜡烛作为照明光源，但是正是科学家们正是利用这台最早的显微镜发现了植物细胞以及一些生物体组织结构。18世纪初，荷兰物理学家惠更斯进一步完善了显微镜的结构，结构上已经有了目镜、物镜、镜筒、调焦旋钮、反光镜、载物台等，它已初具现代光学显微镜的基本结构。但是开始时，显微镜的理论研究是落后实验的，直到19世纪末，才由德国科学家阿贝奠定了光学显微镜的成像原理。现代的荧光显微镜按照其入射光方向不同分，大致可以分为两种：正立显微镜和倒置显微镜，它们的区别在于前者的入射光是由上至下照射在样品上的，而后者则恰恰相反。但是现代光学显微镜的结构上基本上都包括两部分：机械部分和光学部分。前面提到的载物台、镜筒、调焦旋钮以及镜脚、镜臂等都是属于机械部分，而光源、目镜、物镜、反光镜、聚光镜以及光栏等都是光学部分，不同的显微镜在结构上会有差别，比如说现在的很多显微镜就在出光口上安装了各类照相机、光电倍增管等设备。下面详细介绍荧光显微镜的光学部件。1、光源光源有激光，高压汞灯等，它们和反射镜，聚光镜以及滤光片一起构成照明部分。2、目镜目镜是显微镜中物镜成像光具组所造成的物象的放大镜。从基本结构目镜可以分为惠更斯目镜和冉斯登目镜。它们都是由两块同类 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 做成的单面凸透镜构成。这两者的主要区别在于惠更斯目镜里靠近眼球的那块是平面向外，凸面向物镜方向；而后者恰恰相反。如果按照目镜的功能分，目镜还包括：补偿目镜（用来消除色差用），测微目镜，测角目镜，投影目镜，条纹目镜等等。3、物镜物镜是光学显微镜成像系统中决定其分辨率的最关键部件。它直接决定了显微镜的成像质量好坏，因此一般也是光学显微镜中最昂贵的部件。物镜可以分为：消色差物镜，复消色差物镜（配合补偿目镜使用最佳），荧石物镜（一般用于紫外光情况），单色物镜（专为紫外光用），相差物镜，变焦物镜（焦距改变而物象不动）等等。物镜也可分为干燥系物镜和湿润系物镜。湿润物镜是指物镜是油浸或者水浸的，这种物镜主要是为了提高物镜的数值孔径。而相对的就是干燥物镜。4、光栏所谓光栏，从广义上讲指一切限制入射光束截面的框/孔都可以认为是光栏，因此物镜，目镜，镜筒登都是，但是只有这些是不够的，通常需要另加光栏。在显微镜技术中，只把那些专门限制和调节入射光束的截面、光通量的可变光栏或限制视野范围以及在视野范围内的固定框孔叫做光栏。23生物医学光子学实验讲义2005－4聚光镜聚光镜最早只是为了弥补入射光不足而 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的，但是随着显微镜技术的发展，它有了许多新功能。例如，消色差等光程聚光器，消球差等光程聚光器，暗视野聚光镜（提高显微镜的分辨率）等等。三.实验原理显微镜成像实质是一个二步成像的过程，第一步成像由物镜完成，第二步成像由目镜完成。物镜的焦距很短，目镜的焦距较长。物镜起到的作用是得到物体的放大的实像，目镜的作用是将物镜得到的事项作为物体，进一步放大为虚像。人眼看到的就是咱这个虚像。图7－1显微镜成像原理图上图中，物镜L1到物体AB的距离稍大于物镜焦距F1，通过物镜得到放大的实像A’B’。A’B’位于目镜焦距F2内，是目镜的物体，通过目镜得到放大的虚像A’’B’’。虚像对人眼的视角远大于实物对人眼所成的视角，所以人才能通过显微镜观察微小的物体。荧光显微镜技术是在普通显微镜技术的基础上发展起来的用于研究生物样品，地质岩石及探测石油的一种分析手段，荧光显微镜是以激光或者紫外光作为光源，激发样品发出荧光，产生出可见的荧光图象为观察者直接揭示样品内部结构。其激发光光路和荧光收集光路一致，使用物镜收集荧光，荧光可以到探测器探测成象也可以用眼睛从目镜观察。四.实验装置本实验室所用的是奥林巴斯生产的倒置式基础显微镜，并配有高压汞灯一台。下图是其结构图。该显微镜是荧光显微镜，可以用来观察样品在光激发下发出荧光的情况，操作相对简单。24生物医学光子学实验讲义2005－4图7－2荧光显微镜结构图五.实验步骤1、将制备好的样品放在显微镜载物台上；2、打开汞灯电源，开启汞灯；3、先选择低倍物镜；4、右手调节X轴和Y轴旋钮，将样品放在光照射中间5、眼睛通过观察筒观察样品，同时先旋动粗调焦旋钮，将物镜调到一个大概的位置，找到样品；6、旋动微调焦旋钮，使得能清晰观察到样品；7、轻微移动X轴或Y轴旋钮，应该能观察到样品在视场中移动；8、换高倍物镜；9、旋转微调焦旋钮，得到清晰的像10、实验结束后，先关掉汞灯，撤下样品。六.注意事项：1、在使用汞灯时要特别小心，因为非常容易损坏。在开启汞灯后，半小时内不能关汞灯；关掉汞灯后，半小时内也不应再次开启；实验结束后应首先关闭汞灯，因为它有寿命限制。2、汞灯电源属高压电源，切勿乱摸。3、显微镜是精密仪器，操作时要小心，避免突然和剧烈震动。4、不要用手触摸任何镜面，特别是物镜。25生物医学光子学实验讲义2005－4七.思考 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 1、在放置样品时，盖波片一面应如何放置，朝下还是朝上，为什么？2、为什么要先用低倍镜观察，再换高倍镜？八.参考文献1、IX51倒置式基础型显微镜使用说明书》2、现代光学显微镜》作者：舍夫，伊力奇，呼和巴特尔出版社：科学出版社出版日期：1997年1月第一版页数：20226生物医学光子学实验讲义2005－4实验八拉曼光谱实验讲义一.实验目的通过记录CCl4分子的振动拉曼谱，学习和了解拉曼散射的基本原理、拉曼光谱实验技术及其分析方法。完整记录包括瑞利谱线和斯托克斯、反斯托克斯线的振动拉曼谱，体验拉曼光谱的基本实验技术并且认识振动拉曼谱的主要特点及其与分子结构的联系。二.背景知识光照射介质时，除被介质吸收、反射和透射的部分外总有一部分被散射。散射光按照频率可分成三类：第一类，散射光的频率与入射光的频率基本相同，频率变化小于3*l05Hz，或者说波数变化小于l0-5cm-1，这类散射通常称为瑞利(Raleigh)散射；第二类，散射光频率与入射光频率有较大差别，频率变化大于3x1010Hz，或者说波数变化大于1cm-1，这类散射就是所谓拉曼(Raman)散射；散射光频率与入射光频率差介于上述二者之间的散射被称为布里渊(Brillouin)散射。从散射的强度来看，瑞利散射的强度最大，一般都在入射光强10-3左右，常规拉曼散射的强度是最弱的，一般小于入射光强的10-6。拉曼散射光具有以下明显的特征：（1）拉曼散射谱线的波数虽然随入射光的波数而不同，但对于同一样品，同一拉曼谱线的位移Δγ与入射光的波长无关；（2）在以波数为变量的拉曼光谱图上，斯托克斯先和反斯托克斯线对成的分布在瑞利散射线的两侧；（3）一般情况下，斯托克斯线比反斯托克斯线的强度要大。拉曼散射现象在实验上首先由印度科学家拉曼（C.V.Raman）和前苏联科学家曼杰斯穆塔分别在1928年发现。由于拉曼散射强度很弱，早先的拉曼光谱工作主要限于线性拉曼谱，在应用以结构化学的分析工作居多。但是60年代激光技术的出现和接收技术的不断改进，拉曼光谱突破了原先的局限，获得了迅猛的发展：在实验技术上，迅速的出现了如共振拉曼散射以及高阶拉曼散射、反转拉曼散射、受激拉曼散射和相干反斯托克斯散射等非线性拉曼散射时间分辨与空间分辨拉曼散射等各种新的光谱技术。由于拉曼光谱技术的发展，凝聚态中的电子波、自旋波和其他元激发所引起的拉曼散射不断被观察到，使之都成为拉曼光谱的研究对象。随着激光技术的出现和发展，高质量单色仪和高灵敏度的弱信号检测系统的应用，使得拉曼光谱的研究范围得到了很大的拓展。目前，拉曼光谱仪成为分子光谱学的一个重要分支，它被广泛的应用于物理、化学、地学和生命科学等各个领域。三.实验原理1.拉曼光谱的基本原理在正常情况下，原子核的外层有相同电荷的负电子数，而且它们分别处在若干个轨道上，整个原子是呈中性的。当电子跃迁到另一轨道上运动时，原子的能量从E1改变为E2，处于另一定态，这时原子回辐射或吸收能量。分子的结构、性质和光谱比原子要复杂得多。分子中的外层电子则与原子中的外层电子完全不同，分子外层电子是在两个核的电场中运动。同时还会有原子核的运动，就以双原子分子来看，还存在两种运动：振动和转动。外层电子运动状态的变动，反映了分子能量的变27生物医学光子学实验讲义2005－4化，同理振动和转动都具有能量。电子能级的能量差一般在1至20电子伏特，振动能级的间隔一般在0.05至1电子伏特，转动能级的间隔一般小于0.05电子伏特。将波数定义为波长的倒数，则1电子伏特为8067.5波数。因此分子的能级主要由以上三个能级组成，其中电子能级占主导地位，而每一个电子电子能级振动能转动能级BA图8－1分子能级简化示意图A:低能级；B：能级能级又包含多个振动能级，同理，每个振动能级又包含多个转动能级。当单色光作用于试样时，试样物质会产生散射光。在散射光中，除了与入射光有相同频率的瑞利光外，还观察到一系列对称地分布在瑞利散射光两侧的强度弱于瑞利散射光的其它频率的散射光。这种现象称为拉曼效应。其中波长比瑞利光长的拉曼光称为斯托克斯线（Stockes线），而波长比瑞利光短的拉曼光称为反斯托克斯线（Anti-stockes线。）斯托克斯线ν-，反斯托克斯线ν+与入射光之间的频率差Δν为拉曼位移。Δν=ν+-ν0=ν0-ν-=（E1-E0）/h（2-1）式中E1，E0分别是高低两个不同振动能级的能量，h为普朗克常量。尽管拉曼谱线的频率随着入射光频率而变化，但由（2-1）式可知，拉曼位移却与入射光频率无关，而与样品分子的振动能级有关。拉曼谱线的强度与入射光强度及样品分子浓度之间有正比关系，因此可以利用拉曼谱线来进行定量分析，在与激光入射方向的垂直方向上，能收集到拉曼散射的光通量ΦR等于：2ΦR=4π·ΦL·A·N·L·K·sinα(θ/2)ΦL为入射光照射到样品上的光通量A为拉曼散射系数，约等于10-28～10-29MOL/球面度N为单位体积内的分子数L为样品的有效体积K为考虑到折射率和样品内场效应等因素影响的系数α为拉曼光束在聚焦透镜方向上的角度利用拉曼效应及拉曼散射光与样品分子的上述关系，可对物质分子的结构和浓度进行分析研究，于是建立了拉曼光谱法。绝大多数拉曼光谱图都是以相对于瑞利谱线的能量位移来表示的，由于斯托克斯峰比较强，故可以比较小的位移为基础来估计Δσ=σy-σ以四氯化碳的拉曼光谱为例：28生物医学光子学实验讲义2005－4-1σy是瑞利光谱的波数18797.0cm（5320）Δσ四氯化碳的拉曼峰的波数间隔218、324、459、762、790cm-1（拉曼峰与瑞利峰间隔）。2.CCl4（四氯化碳）分子的对称性质和振动拉曼谱在本次试验中，我们选择以分子结构最简单的CCl4为作为试验样品。下面再根据前面叙述的原理，简略的介绍它的分子结构及对称性质和振动拉曼谱之间的关系。○1CCl4的分子结构及其对称性CCl4分子由有一个碳原子和四个氯原子组成，它的结构如图8－2所示，四个氯原子位于正四面体的四个顶点，碳原子在正四面体的中心。图8－2CCl4的分子结构示意图○2CCl4分子的振动方式和振动拉曼谱N个原子构成的分子，当N≥3时，有（3N-6）个内部振动自由度，因此CCl4的分子应有9个简正振动方式，这9个简正振动方式可以分为四类。这四类振动根据其反演对称性不同还有对称振动和反对称振动之分，其中除了第I类是对称振动以外，其余的都是反对称振动。同一类振动，不管其具体振动方式如何，都有相同的振动能，所以如果某个分子有l类振动，则一般说来最多只可能有l条基本振动拉曼谱线。当然，如果考虑到振动间耦合引起的微扰，有的谱线分裂成两条，最弱的双重线就是由于最强和次强的两条谱线所对应的振动耦合造成的微扰，使最弱线分裂成双重线。每类振动所具有的振动方式数目对应于量子力学中能级简并的重数，所以如果某一类振动有g个振动方式，就称为该类振动是g重简并的。CCl4分子的振动拉曼谱线如图7－3所示图8－3CCl4分子的振动拉曼谱线在拉曼光谱基本原理讨论中，除了分子结构和振动方式以外，并没有涉及分子的其他属性，因而可以推断出：同一空间结构但原子成分不同的分子，其拉曼光谱的基本面貌应该是29生物医学光子学实验讲义2005－4相同的。人们在实际工作中就利用这一推断，把一个结构未知的分子的拉曼光谱和结构已知分子的拉曼光谱进行对比，以确定该分子的空间结构及其对称性。当然，结构相同的不同分子其原子、原子间距和原子间的相互作用等情况还是可能有很大差别，因此不同分子的拉曼光谱在细节上还是会有所不同的。每一种分子都有其特征的拉曼光谱，因此利用拉曼光谱也可以鉴别和分析样品的化学成分和结构性质。外界条件的变化对分子结构和运动会产生程度不同的影响，所以拉曼光谱也常被用来研究物质的浓度、温度和压力等效应。四.实验仪器图8－4给出了激光拉曼光谱仪的系统连线图。其主要技术指标：图8－4设备接口连线图如下图所示波长范围：200-800nm（单色仪）波长准确度：≤0.4nm波长重复性：≤0.2nm杂散光：≤10-3线色散倒数：2.7nm/mm谱线半宽度：≤0.2nm（波长在586nm处）激光器功率：40mw图8－5给出了激光拉光谱仪原理图30生物医学光子学实验讲义2005－4图8－5激光拉曼光谱仪原理图1.外光路系统外光路系统主要由激发光源（半导体激光器）五维可调样品支架S，偏振组件P1和P2以及聚光透镜C1和C2等组成。如图8－6所示。激光器射出的激光束被反射镜R反射后，照射到样品上。为了得到较强的激发光，采用一个聚光镜C1使激光聚焦，使在样品容器的中央部位形成激光的束腰。为了增强效果，在容器的另一侧放一个凹面反射镜M2。凹面镜M2可使样品在该侧的散射光返回，最后由聚光镜C2把散射光会聚到单色仪的入射狭缝上。调节好外光路，是获得拉曼光谱的关键，首先应使外光路与单色仪的内光路共轴。一般情况下，它们都已调好并被固定在一个钢性台架上。可调的主要是激光照射在样品上的束腰应恰好被成像在单色仪的狭缝上。是否处于最佳成像位置可通过单色仪扫描出的某条拉曼谱线的强弱来判断。做偏振测量实验时，应在外光路中放置偏振部件。它包括改变入射光偏振方向的偏振旋转器，还有起偏器和检偏器。图2-3外光路系统示意图图8－6外光路系统光学原理图中所述的单色仪部分出厂时已由专业人员调整好，操作者不允许自行调整。操作者只需熟悉外光路的调整，即可收到好的拉曼光谱图。2.单色仪图8－7给出了单色仪结构示意图。S1为入射狭缝，M1为准直镜，G为平面衍射光栅，衍射光束经成像物镜M2会聚，平面镜M3反射直接照射到出射狭缝S2上，在S2外侧有一光电倍增管PMT，当光谱仪的光栅转动时，光谱讯号通过光电倍增管转换成相应的电脉冲，并由光子计数器放大、计数，进入计算机处理，在显示器的荧光屏上得到光谱的分布曲线。31生物医学光子学实验讲义2005－4图8－7间单色仪结构示意图3.探测系统拉曼散射是一种极微弱的光，其强度小于入射光强的10-6，比光电倍增管本身的热噪声水平还要低。用通常的直流检测方法已不能把这种淹没在噪声中的信号提取出来，因此须用单光子计数方法。相关原理已在实验六中进行了介绍。在本仪器中单光子计数的间隔时间与单色仪步进的时间间隔相同。单色仪每进一步，计数器就向计算机送一次数，并将计数器清零后继续累加新的脉冲。4.陷波滤波器陷波滤波器旨在减小仪器的杂散光提高仪器的检出精度，并且能将激发光源的强度大大降低，有效的保护光电管。本实验采用LRS-Ⅲ型配的陷波滤波器中心波长为532nm，半值宽度为20nm。五.实验步骤1.按照联接图接好电缆，检查仪器确认无误后开机。操作顺序：检查电源前面板开关是否处于关闭状态，按下标记“0”为关闭状态；检查锁开关是否处在关闭状态，锁开关逆时针转到垂直为关闭状态；检查电源后面板输入电压值，按标明值插入供电电压插座；稳流电源输出插头与激光器插头对接，对接要牢固（电源与激光器已调试）；打开电源开关。按下标记“-”为工作状态，红指示灯亮；打开锁开关。顺时针转到水平位“ON”为工作状态。延时1秒钟指示灯亮。2.将分析纯液态四氯化碳倒入液体池内，放入外光路的液体架上。3.打开激光器4.调整好外光路，注意将散射光成像对准单色仪入射狭缝上，并将狭缝开0.1mm左右。5.启动应用程序，通过阀值窗口选择适当的阀值，在参数区设置好积分时间及其他参数。6.扫描，根据情况调节狭缝至最佳效果。7.更换样品重新测量。8.数据处理及储存打印。9.关闭应用程序；关闭激光器电源；关闭仪器电源10.使用后必须先关闭锁开关，逆时针转到垂直位。再关闭电源总开关，按下标记“0”。取下电源输入插头。32生物医学光子学实验讲义2005－4六.实验内容1.记录并报告所有试验参数，特别要标明狭缝的几何宽度和波长扫描范围；2.在光谱图上：○1把波长标度换成波数差标度；○2在各谱线峰尖处标出其波数差值；○3在瑞利线右侧长波方向上出现五个拉曼峰视为合格。特别指出，在光路调整非常理想的情况下，532nm处出现的最高峰它的峰顶处只有一个尖峰，并且在554.5nm和555.3nm这两个位置出现的谱峰虽然距离很近但依旧清晰可辨。在光路未处于最佳状态下，532nm处的尖峰会出现至少一个旁瓣，即在谱线中可以看到两个尖峰同时出现在顶端。另外如果在554.5nm和555.3nm两个位置出现的谱峰由于混叠情况太严重因而图中无法辨别。上述情况是由于外光路调整没有到位造成的，因此要尽量避免该现象的发生，在测量前务必保证光路的最佳状态。3.观察并报告入射光偏振方向改变时，样品照明状况有何不同，试解释其原因。七.注意事项1.保护使用环境2.光学器件表面有灰尘，不允许接触擦拭，可用吹气球小心吹掉；3.每次测量结束，首先取出样品，关断电源。八.思考题1.象清晰但是不未进入狭缝时如何调整2.用四氯化碳做为样品时，出现怎样的结果才算正常？33生物医学光子学实验讲义2005－4实验九光镊与光阱PN力的测量一.实验目的理解光镊原理，装置和光阱力的测量方法，通过实验亲自感受光的力学效应，加深对光有动量这一基本物理事实的认识，并对这一性质可能的应用有所体会。二.背景知识光具有能量和动量，光的动量是光的基本属性。携带动量的光与物质相互作用，它们间会有动量的交换，从而表现为光对物体施加一力，作用在物体上的力就等于光引起的单位时间内物体动量的改变。并由此可引起的物体的位移，速度状况的变化，我们称之为光的力学效应。显然，研究光的力学效应对认识光的基本属性以及如何运用光的力学效应具有重要的学术意义。但是，由于单个光子动量很小，普通光源的力学效应微乎其微，人们研究光的力学性质受到了很大限制。历来的物理学教科书对光具有动量这一重要属性仅作简短的知识介绍，也一直没有一个合适的教学实验，来演示光具有动量这一基本属性，来展示光的力学效应和它的应用前景。从对光的认识和物理教学体系来讲这无疑是一个非常大的缺憾。60年代初激光的发明，使人类将光的利用推到一个崭新的阶段。有了激光这种高亮度的新光源，光的力学效应开始显示其强大的生命力。人们开始对光的辐射压力和光的力学效应进行全面和深入的研究。70年代，朱棣文等人利用光压原理发展了用激光冷却和幽禁原子的方法，获得了1997年度诺贝尔物理学奖。这一研究成果也为荣获2001年度诺贝尔物理学奖的玻色－爱因斯坦凝聚方面的工作提供了有效的实验手段。与此同时，人们也在探索光对微小的宏观粒子的力学效应。1986年，A.Ashkin等成功地利用一束强汇聚激光束实现了对生物微粒的三维捕获。这一发明被形象地称为光阱或光镊。成了这一尺度范围的粒子特有的操控和研究手段。十多年来，光镊不但在生命科学领域，在其它涉及微小宏观粒子的研究领域都取得了重要应用。光的力学效应的研究又有了新的突破。激光力学应用非常之广，涉及到物理、化学、材料、机械、生物、医药等领域。激光力学已成为多学科交叉的基础。利用光的力学效应，开拓学科交叉，也是21世际跨学科研究的前沿领域。科学发展已赋予光力学新的内涵和意义，需要我们在教学中，进一步阐明光具有动量，光与物质相互作用会产生力学效应，以及这种力学效应的巨大应用前景。光镊的发明为直观生动地演示光的力学效应提供了极好的手段。光镊是目前对微米量级粒子进行操控的唯一有效可行的手段，光镊技术已经应用于多种学科领域，前景广阔。三.实验原理1.光镊---单光束梯度力光阱光作用于物体时，将施加一个力到物体上。由于光辐射对物体产生的力常常表现为压力，因而通常称之为辐射压力或简称光压。然而，在特定的光场分布下，光对物体也可产生一拉力。从而有可能某种特定光场来形成束缚粒子的势阱。我们以透明电介质小球作模型来讨论光与物体的相互作用。若小球的大小明显大于光波长，可以采用几何光学近似。设小球的折射率n1大于周围媒质的折射率n2。首先考虑一束平行光与小球的相互作用。如图所示，当一束光穿过小球时，光在进入34生物医学光子学实验讲义2005－4和离开球表面时会产生折射（黑粗线表示）。在图示的情形，入射光沿Z方向传播，即光的动量是沿Z方向的。然而，离开球的光传播方向有了改变，也即光的动量有了改变。图中画出了光束中代表性的两条光线a和b。由于动量守恒，这些光传递给球一个与它们动量改变等值，但方向相反的一个动量（图中的空心线）。与之相应的有力Fa和Fb施加在小球上。小球受到的光对它的作用力就是光束中所有光线作用于小球的力之和。若入射光束截面上光强是均匀的，则各小光束（光线）给予小球的力在横向（XY方向）将完全抵消。但有一沿Z方向的推力。如图1A所示。图9-1均匀光场与非均匀光场中的透明小球如果小球处在一个非均匀光场中，例如（图9-1B），沿Z方向传播，自左向右光强增大的光场。与左边的光线a相比，右边较强的光线b作用于小球，使小球获得较大的动量，从而产生较大的力Fb。结果总的合力在横向不再平衡，而是把小球推向右边光强处。小球在这样一个非均匀（即强度分布存在梯度）的光场中所得到的指向光强强的地方的力称之为梯度力（Fg）。如果光束中间光强大，粒子将趋向于这一区域，也即在横向被捕获了。上面的情形，都存在一个轴向（Z方向）的推力。要用一束光同时实现横向和轴向（或纵向）的捕获，还必须要有拉力。实际上，上述光场力（梯度力）指向光场强度大的地方这一结论，可以推广到更一般的光场强度分布的情形。所谓光镊，即单光束梯度力光阱，就是由一束强会聚的激光束构成的。在这样的光场中，粒子（其折射率n1大于周围煤质的折射率n2）将受到一指向光最强点（焦点）的梯度力。也就是说光对粒子不仅有推力还可以有拉力。这样，粒子就可能被约束在光最亮点附近。图9-2显示了高度会聚的光束锥，经小球折射，将施加一梯度力在小球上。设小球的折射率为n，液体的折射率为n1，当n>n1时，一对典型的光线a和b经折射后产生力Fa和Fb，它们的矢量和是指向焦点f的。实际上，光锥中所有光线施加在小球上的合力F也是指向焦点f的。当小球的球心O和焦点f间有偏离时，合力F总是使小球趋向焦点。实际上，当光穿过小球时，在小球表面也产生一定的反射，这将施加一推力于小球，此力常称之为散射力（Fs）。只有焦点附近的梯度力大于散射力时才能形成一个三维光学势阱而稳定地捕获微粒。也就是说，这样的光束可以像镊子一样夹持微粒，移动并操控微粒。综上所述，透明微粒在光场中受到的力包括梯度力和散射力（F=Fg+Fs）。光阱主要是依靠光梯度力形成的。稳定的捕获是梯度力和散射力平衡的结果。散射力总是沿光线方向推跑微粒，而梯度力则是把微粒拉向激光的聚焦点处。35生物医学光子学实验讲义2005－4所谓的光镊其实是比拟宏观机械镊子对光的势阱效应的一种形象而通俗的描绘。所以当我们在研究光镊自身的物理性质时往往采用“光捕获阱”、“光梯度力阱”或“光学势阱”等物理术语。而在利用这一物理性质形成的一种技术手段或工具时，我们赋予它相应于机械镊子而又不失其本质的这样一个独特的命名—光镊。图9-2单光束梯度力光阱原理2.光阱力测量的流体力学法光镊可以捕获和操控微粒，也可以测量作用在微粒上的力。光镊形成的势阱（光阱）的力学参数在实际应用中十分重要。特别是它的最大捕获力或最大阱力。光阱力的测量方法大体上有二类：热运动位移法和流体力学法。由于流体力学法具有简单直观的优点，本实验采用了流体力学法。其基本原理如下。光阱操纵微粒相对流体运动时，微粒将受到液体的粘滞阻力f。随着相对速度的增大，粘滞阻力f也随之增大。当速度超过一定的临界值，粘滞阻力f将大于光阱的最大束缚力F，粒子就要从这光阱中逃逸出来。所以最大阱力Fmax的测量是基于找出光阱操纵微粒所能达到的最大速度Vmax,即所谓的逃逸速度。光阱最大阱力Fmax的大小就等于这一速度下的粘滞阻力fmax，但方向相反。在这一速度下的粘滞阻力fmax，可由流体力学中的Stokes公式计算：fmax＝6πηrVmax（1）其中η为粘滞系数，r为微粒的半径，Vmax为逃逸速度。四.实验装置图9－3为本实验所用装置（称之为激光力学参数测量装置）的示意图，包括一个作为光镊光源的半导体激光器，显微镜，自动样品台，激光器与显微镜的光学耦合光路，以及一套观察和记录光阱对微粒的操作过程的实时监测系统。由半导体激光发出的激光束，经过光学耦合光路扩束整形后，入射到双色分束镜上，被反射至物镜聚焦在样品池中形成光阱。捕获和操控过程的观察，类似于普通的显微镜。照明光通过聚光镜照明样品池，池中的微粒被捕获和操控的图象经物镜后，透过双色分束镜，被反射镜反射到CCD数码摄像头，由显示器显示。也可通过目镜进行观察。数码摄像头获取的信息可以由计算机采集和处理。实验中所用的样品有很大的挑选余地。只要对所用的激光吸收很小，折射率比周围液体的小，尺度在微米量级就可以。我们实验中用的是悬浮于液体中的1-3微米的聚本乙烯小球或4-5微米的酵母细胞。36生物医学光子学实验讲义2005－4图9－3激光力学参数测量装置1光镊光源2光学耦合器3自动样品台4双色分束镜5聚焦物镜（NA1.25）6样品池7聚光镜8照明光源9反射镜10数码摄象头11计算机主机12显示器五.实验内容为了直观生动地显示光的力学效应，又能对阱力的大小有个数量上的概念。本实验安排了下列项目。1.光陷阱效应光陷阱效应表现为当粒子靠近光阱中心，到一定距离时，就受到阱力的作用，被吸引到光阱的中心，也就是说粒子被光阱捕获了。实验中光阱在空间中是固定的，通过移动样品台，使视场中某个微粒接近光阱，观察光阱对粒子的捕获过程。记录粒子被光阱捕获前后的位置，可计算出阱域的大小，即光阱的作用力范围。图9－4中“十”字叉丝的中心为光镊的阱位（下同）。图9－4微粒陷入阱中的过程图9－537生物医学光子学实验讲义2005－4光阱横向操控微粒（图中箭头表示背景相对于光镊的运动方向）2.光镊在横向（X－Y平面）操控微粒如图9－5所示，光镊已捕获了样品池中的一个粒子。实验中固定光束（即光镊不动），沿X-Y平面移动样品台（池）。这时可以观察到背景的粒子也跟随平台相对光束移动，而被捕获的粒子不动，即实现了光镊操控小球的横向运动。3.光镊在纵向（Z轴方向）操控微粒如图9－6所示，光镊捕获了一微粒。调节物镜与样品台的距离，也即改变了光阱在纵向的位置。这时被捕获的粒子也随之移动，因而它的像依然清晰，而背景中的粒子并不移动，这意味着它们偏离了成像清晰的平面，它们的图像就变得逐渐模糊了（图9－6右）。这一现象表明光镊实现了对粒子的纵向操控。图9－6光阱纵向操控微粒（右图中背景清晰度与左图的不同）4.光镊最大横向阱力的测量在相对静止的液体环境中，用光镊捕获一个微粒，并提升到离样品池底一固定高度处（参考图9－4），然后用计算机控制样平台在水平面上产生定向运动（参考图5），运动速度由计算机控制。刚开始平台以较小速度运动，如果微粒仍在光镊中处于被捕获状态，则逐步加大平台运动速度，重复上述操作。直到平台速度达到某临界值，微粒从光镊中逃逸出去，此时的平台运动速度即为逃逸速度。将它代入Stokes公式（1），即可算得光镊的最大捕获力。粒子在光阱中受到的力与粒子偏离光阱中心的距离有关。原则上可以测量阱力与位移的关系。但位移的测量对实验装置的要求较高，本实验只测量这个最大捕获力。由于自动平台较昂贵，也可采用手动平台。以多少有点任意的加速度，用手动操控平台的移动，直到粒子逃逸出光阱。用CCD摄像机，采集整个过程。用粒子逃逸前的二帧图像，测出样品池上某一固定点（可以是粘底的小球或池底上的污点）的位移，除以二帧间的时间间隔，也可粗测逃逸速度。六.实验步骤1.实验预习预习实验讲义，掌握光捕获原理．了解实验设备及其各部件的性能用途及操作要求，正确使用设备。2.具体实验步骤：38生物医学光子学实验讲义2005－4（1）.开启仪器总电源开关，开启照明的卤素灯，开启电脑，打开软件（2）.将空载波片放在载物台上，先用低倍物镜找到焦平面，关掉卤素灯，可以观察到激光光斑（3）.样品池中注入适量样品（3μm聚苯乙烯小球、4μm酵母细胞或7μm血红细胞）。（4）.开启激光，设定某一光强/电流值（大概40~50）。（5）.换用高倍物镜（需使用油镜），调好焦距，用光阱捕获样品中的一个微粒。（6）.缓慢打开阀门，使样品池中液体的流速慢慢增加。（7）.边增加流速边观察，记下样品被冲走时的流速值。（8）.重复1-4步骤，控制流速从40-160微米/秒，每40微米/秒测量一次。（9）.记录实验前和实验后的水温。（10）.实验完毕后，先将激光功率调到最小，关视场灯，最后关总电源。查表得粘滞系数η。：根据斯托克斯公式求出阱力的大小。粘滞系数与温度的关系温103•η温103•η温103•η温103•η度N/m2•s度N/m2•度N/m2•s度N/m2•st℃t℃st℃t℃01.792151.140300.801450.59951.519201.005350.723500.549101.308250.894400.656600.469七.思考题：1.光捕获微粒，基于什么原理，如何从实验上实现。2.说明影响光阱捕获效果的因素。3.试定性说明强会聚的光束对于实现Z方向捕获的作用。4.若光阱同时捕获了2个球形微粒，则这2个微粒最可能以什么形式排列，为什么？5.试说明光阱技术的特点，你将利用光阱技术在那些领域开展工作。6.现在我们使用的光源为高斯光束的激光，考虑用一种环形光束的光源，在距轴心距离r内光强为零，试定性说明环形光束光阱对比于高斯光束光阱的优劣。八.参考文献1.李银妹编译，楼立人鲁润龙审校《生命科学新技术－光镊原理、技术和应用》。合肥：中国科学技术大学出版社，19962.《高年级物理实验讲义》，中国科技大学，20023.AshkinADziedzicJM,BjorkholmJEandChuS.Opt.lett.,1986,11:288-2904.AshkinADziedzicJM.Science,21,March1975,187:1073-10755.BakkerSchutTC,HesselinkG,deGroothBG,andGreveJ.Cytometry,1991,12:479-48539生物医学光子学实验讲义2005－4实验十光谱仪与生物应用一.实验目的正解理解光谱的概念，熟悉常用光谱分析仪器的结构与原理，掌握光谱仪的使用方法，观察外界样品对生物组织光谱特性的影响。二.背景知识光是一种电磁波，又称为电磁辐射。电磁辐射是物质的一种运动形式，它是物质的分子、原子的内部运动以辐射能量的形式在外部的表现。电磁辐射按照波长的顺序排列起来，称为电磁波谱。在电磁被谱中，包括远紫外光谱、近紫外光谱、可见光谱、近红外光谱、中红外光谱及远红外光谱，统称为光学光谱。光谱分析法就是建立在研究物质的光学光谱性质上的分析方法。光与物质相接触时，作用的性质随光的波长(或能量)及物质的性质而异。光可以透过物质，也可以被物质吸收、反射、散射或发生偏振等。另一方面，当物质受到电磁辐射或其他能量(如电能或热能)作用被激发后，又往往会以光的形式将能量释放出来。这些光学光谱与物质作用的相互关系，提供了建立光谱分析法的依据。按照物质与光的相互作用情况不同，光谱分析可分为；原子发射光谱分析、原子吸收光谱分析、分子吸收光谱分析、喇曼光谱分析及荧光光谱分析等。光谱仪器是进行光谱研究和物质的光谱分析的装置。它的基本作用是测定被研究的光(所研究的物质发射的、吸收的、散射的或受激发射的荧光等)的光谱组成，包括它的波长、强度及分布等。为此，光谱仪器应具有的功能是：1、把被研究的光按波长或波数分解开来；2、测定各波长的光所具有的能量，得到能量按波长的分布；3、把分解开的光波及其强度按波长或波数的分布显示、记录下来，得到光谱图。要具备上述功能，一般光谱仪器的基本组成有：光源和照明系统、准直系统、色散系统、成像系统以及接收、检测显示系统。下面分别叙述，并给出原理图，如图10－1所示。1、光源和照明系统光源可以是研究的对象，也