激光共聚焦显微镜的原理与应用范围

激光共聚焦显微镜的原理与应用范围
激光共聚焦显微镜的原理与应用范围

激光共聚焦显微镜的原理与应用范围

激光扫描共聚焦显微镜是采用激光作为光源,在传统光学显微镜基础上采用共轭聚焦原理和装置,并利用计算机对所观察的对象进行数字图象处理的一套观察、分析和输出系统。把光学成像的分辨率提高了30%~40%,使用紫外或可见光激发荧光探针,从而得到细胞或组织内部微细结构的荧光图像,在亚细胞水平上观察生理信号及细胞形态的变化,成为形态学,分子生物学,神经科学,药理学,遗传学等领域中新一代的研究工具。

1 激光扫描共聚焦显微镜(LSCM)的原理

从基本原理上讲,共聚焦显微镜是一种现代化的光学显微镜,它对普通光镜从技术上作了以下几点改进:

1.1用激光做光源因为激光的单色性非常好,光源波束的波长相同,从根本上消除了色差。1.2采用共聚焦技术在物镜的焦平面上放置了一个当中带有小孔的挡板,将焦平面以外的杂散光挡住,消除了球差;并进一步消除了色差

1.3采用点扫描技术将样品分解成二维或三维空间上的无数点,用十分细小的激光束(点光源)逐点逐行扫描成像,再通过微机组合成一个整体平面的或立体的像。而传统的光镜是在场光源下一次成像的,标本上每一点的图像都会受到相邻点的衍射光和散射光的干扰。这两种图像的清晰度和精密度是无法相比的。

1.4用计算机采集和处理光信号,并利用光电倍增管放大信号图

在共聚焦显微镜中,计算机代替了人眼或照相机进行观察、摄像,得到的图像是数字化的,可以在电脑中进行处理,再一次提高图像的清晰度。而且利用了光电倍增管,可以将很微弱的信号放大,灵敏度大大提高。由于综合利用了以上技术。可以说LSCM是显微镜制作技术、光电技术、计算机技术的完美结合,是现代技术发展的必然产物。

2 LSCM在生物医学研究中的应用

目前,一台配置完备的LSCM在功能上已经完全能够取代以往的任何一种光学显微镜,它相当于多种制作精良的常用光学显微镜的有机组合,如倒置光学显微镜、紫外线显微镜、荧光显微镜、暗视野显微镜、相差显微镜(PH)、微分干涉差显微镜(DIC)等,因此被称为万能显微镜,通过它所得到的精细图像可使其他的显微镜图像无比逊色。

2.1观察活细胞、活组织LSCM在不损伤细胞的前提下,对活组织、活细胞进行观察和测量,这不仅省去了繁琐的样品前期处理过程(如脱水、脱蜡、染色等);而且观察过的样品还可以继续用于其他的研究。这种功能对于细胞培养、转基因研究尤为重要。这可以说是LSCM最大的优势。

2.2 生化成分精确定位观察配合专用的分子探针,对于要检测的成分不仅可以定位到细胞水平,还可以定位到亚细胞水平和分子水平

2.3 动态观察在同一样品平面上随时间进行连续扫描,就可分析细胞结构、内含、和标记等动力学变化。目前在这方面做得最多的是使用LSCM观察心肌或平滑肌细胞内游离钙、钠、钾离子浓度或pH的动态变化。

2.4 数据、图像的数字化用计算机代替了普通的照相机,得到的图像是数字化的,可及时输出或长期储存,而且还可进一步加工处理。

2.5 定量测量首先应用专一的荧光探针对样品进行染色,样品的荧光强度和所测成分的含量呈正比,如果其余条件固定,通过对比各组样品之间的荧光强度值,可

得出特定成分的含量比。

3 激光扫描共聚焦显微镜的使用(cAMP在体测量为例)

3.1样品制备

3.1.1切片实验标本要求单层,并能很好地贴附在样品池中。所以,组织标本无论是石蜡切片还是冰冻切片,均为越薄越好。常用的贴附剂有:多聚赖氨酸,伴刀豆球蛋白,蛋清,琼脂明胶cell-Tak, vectabond等。

3.1.2培养细胞培养细胞可以满足要求,如果用购置仪器时所带的薄底培养瓶进行培养则更佳

3.1.3激光共聚焦观察样品处理注意事项

首先要尽量保持生物材料的天然状态,避免赝像、变形和失真,因此须将生物材料做固定处理;制片必须薄而透明,才能在显微镜下成像,除将材料切成薄片或通过轻压或其他手段使之分散外,还需采用其他方法使它透明和染色,以便更好地观察到结构的细节。需长期

保存的制片,还应进行脱水和封固。显微制片法一般包括切片法、整体封片法、涂片法和压片法4类。

3.2荧光探针的选择

荧光探针的发展非常迅速,目前仅美国Molecular Probes公司就可提供1800多种荧光探针[3,每年该公司还不断推出新的荧光探针。通常每项检测内容或被测物质都有几种或几十种有关的或特异的荧光探针。选择合适的荧光探针是有效地进行实验并获取理想实验结果的保障。荧光探针的选择主要从以下几个方面考虑:(1)现有仪器所采用的激光器。如我校购进的激光扫描共聚焦显微镜(ACAS ULTMA312,美国Meridian公司产品)采用氩离子激光器,激发波长为351~364nm,488nm,514nm,可激发多种荧光探针;(2)荧光探针的光稳定性和光漂白性。在进行荧光定量和动态荧光监测时,要求荧光探针有较好的光稳定性越高越好,也可通过减少激光扫描次数或降低激光强度的方法,来减轻光漂白的程度。但在进行膜流动性或细胞间通讯检测时则需要荧光探针既有一定的光稳定性又要有一定的光漂白性;(3)荧光的定性或定量。仅做荧光定性或仅是观察荧光动态变化时,选择单波长激发探针,无需制作工作曲线。做定量测量时最好选用双波长激发比率探针,利于制定工作曲线;(4)荧光探针的特异性和毒性。尽量选用毒性小、特异性高的探针;(5)荧光探针适用的pH。大多数情况下细胞的pH 在生理条件下,但当pH不在此范围时,考虑适用该环境pH的荧光探针是有必要的。同时应注意染液自身的pH值会影响带电荷的荧光探针与胞内组份之间的结合,因此在染液的配备时需加以考虑。

不同的荧光探针在不同标本的效果常有差异,除综合考虑以上因素以外,有条件者应进行染料的筛选,以找出最适的荧光探针。此外,许多荧光探针是疏水性的,很难或不能进入细胞,需使用其乙酰羟甲基酯(acetoxymethyl,AM)形式,也就是荧光探针与AM结合后变成不带电荷的亲脂性化合物方易于通过质膜进入细胞,在细胞内荧光探针上的AM被非特异性酯酶水解,去掉AM后的荧光探针不仅可与细胞内的靶结构或靶分子结合且不易透出质膜,从而能有效的发挥作用。3.2.1细胞内游离钙

美国分子公司提供的钙荧光探针有20多种,激光扫描共聚焦显微镜常用的有Fluo-3、Rhod-1、Indo-1、Fura-2等,前两者为单波长激光探针,利用其单波长激发特点可直接测量细胞内Ca2+动态变化,为钙定性探针;后两者为双波长激发探针,利用其双波长激发特点和比率技术,能定量细胞内[Ca2+]i,为钙定量探针

3.2.2 DNA和RNA

核酸的荧光探针有50多种[2],用于激光扫描共聚焦显微镜的主要有Acridine Orange(吖啶橙,AO)、Propidium Iodide(碘化丙啶,PI)。

3.2.3 膜电位

DiBAC4(3)为最常用的膜电位荧光探针[5],DiBAC4(3)为带负电荷的阴离子慢反应染料。该探针本身无荧光,当进入细胞与胞浆内的蛋白质结合后才发出荧光,测量时要求细胞浸在荧光染料中。当细胞内荧光强度增加即膜电位增加示细胞去极化;反之,细胞内荧光强度降低即膜电位降低示细胞超极化。Rhodamine 123主要用于线粒体膜电位测量[6]。Rhodamine123是一种亲脂性阳离子荧光探针,当线粒体膜内侧负电荷增多时,荧光强度增加,与DiBAC4(3)的表示形式相反。3.2.4 pH值

常用于偏中性pH即细胞胞浆pH检测的荧光探针有SNARF类

(SNARF-1SNARF-calcein)、SNAFL类(SNAFL-1、SNAFL-calcein)、BCECF等,这些探针均为疏水性探针,需使用其AM形式。FITC-dextran则适用于pH范围4~6之间[7],如溶酶体pH的检测,该探针也不能透过质膜,但可通过细胞胞饮作用进入溶酶体,因此应选择分子量稍小的Dextran(葡聚糖)。

3.2.5 细胞内活性氧基

活性氧(active oxygen species)可影响细胞代谢,与蛋白质、核酸、脂类等发生反应,有些反应是有害的,因此测量活性氧在毒理学研究中有一定的意义。根据检测活性氧的不同可选择不同的荧光探针。常用荧光探针有

Dichlorodihydrof-luorescein diacetate(2,7-二氯二氢荧光素乙酰乙酸、H2DCFDA)[2],其原理是不发荧光的H2DCFDA进入细胞后能被存在的过氧化物、氢过氧化物等氧化分解为dichlorofluorescein(DCF)而产生荧光,其反应灵敏到

10-12mole水平,荧光强度与活性氧的浓度呈线性关系。

3.2.6 细胞间通讯

激光扫描共聚焦显微镜可采用荧光光漂白恢复FRAP技术检测细胞缝隙连接通讯,该方法的原理是一个细胞内的荧光分子被激光漂白或淬灭,失去发光能力。而临近未被漂白细胞中的荧光分子可通过缝隙连接扩散到已被漂白的细胞中,荧光可以逐渐恢复。由于光漂白过程是不可逆的,因此可通过观察已发生荧光漂白

细胞其荧光恢复过程的变化量来判断细胞缝隙连接的通讯功能。采用FRAP技术检测细胞间通讯常用荧光探针是6-carboxyfluorescein diacetate(6-羧基荧光乙酰乙酸、CFDA)。需用其酯化形式CFDA-AM。该技术可用于研究胚胎发生、生殖发育、神经生物学、肿瘤发生等过程中缝隙连接通讯的基本机制和作用。由于

某些毒性物质尤是促癌物可影响缝隙连接介导的物质运输,因此该方法也可用于鉴别对缝隙连接作用有潜在毒性的化学物质。

3.2.7细胞膜流动性

采用荧光光漂白恢复(FRAP)技术还可对细胞膜流动性进行研究[9]。利用NBD-C6-HPC荧光探针标记细胞膜磷脂,然后用高强度的激光束照射活细胞膜表面的某一区域(1~2μm),使该区域的荧光淬灭或漂白,再用较弱的激光束照射该区域。可检测到细胞膜上其它地方未被漂白的荧光探针流动到漂白区域时的荧光重新分布情况。荧光恢复的速率和程度可提供有关的信息,如用于观察细胞受体介导内吞过程中膜磷脂流动性的变化情况。NBD-C6-HPC在温度稍高时可能会进入细胞内,因此荧光染色和测量时应在低于常温的环境下进行。3.2.8细胞结构、受体、蛋白质、酶等

激光扫描共聚焦显微镜可获得较一般普通光学显微镜分辨率高的细胞内线粒体、高尔基复合体、内质网、溶酶体等细胞器图象,同时还可动态观察活细胞状态下细胞器的形态学变化情况,此外还可通过光学切片即断层扫描技术进行三维重建,显示细胞器的空间关系及其变化。适用于线粒体的荧光探针较多,如Mitotracker、DA SPMI、DA SPEI、JC-1、Rhodamine 123等。高尔基复合体常用的荧光探针有NBD ceramide、BODIPY ceramide。内质网主要用Dil、DiOC6(3)。溶酶体的荧光探针有DAMP、neutral red。有报道选用NBC-PC标记细胞膜、Mitotracker标记线粒体、Hoechst 33342标记细胞核DNA,同时显示细胞的三部分结构。

3.3 激光扫描共聚焦显微镜的使用

3.3.1根据标本选择的荧光探针对激发波长选择激光器类型。

3.3.2根据荧光探针的发射波长选择相应的滤片,K凌镜无滤片扫描则不需要这一步。最好根据现有仪器配制选择荧光探针。

3.3.3根据实验目的选择合适当软件。一般仪器的软件分静息状态度图像分析软件、动态测量软件和特殊软件。

3.3.4按软件要求设置有关参数,进行观察和分析。

4 激光扫描共聚焦显微镜的功能

激光扫描共聚焦显微镜的功能主要分图像处理功能和细胞生物学功能两个方面4.1 图层处理功能

4.1.1 组织光学切片:激光扫描共聚焦成像利用照明点与探测点共轭特性,可有效抑制同一焦点平面上非测量点的杂散荧光及来自样品中非焦平面的荧光,从而获得普通光镜无法达到的分辨率。同时具有深度识别率和纵向分辨率。它以一个微动步进马达控制载物台的升

降,可以逐层获得高反差、高分辨率、高灵敏度的二维光学横断面图像,从而对活的或固定的细胞及组织进行无损伤的系列“光学切片”(Optical sectioning),得到各个层面的信息。这种功能也被称为“细胞CT”或“显微CT”。

4.1.2 三图像重建:激光扫描共聚焦显微镜通过薄层光学切片功能,可获得真正意义上的三维数据,经过计算机图像处理及三维重建软件,沿X、Y和Z轴或其它任意角度来观察标本的外形及剖面,并得到三维的立体结构,从而能十分灵活、直观地进行形态观察,并揭示亚细胞结构的空间关系。§

4.1.3 细胞物理会生物化学测定:激光扫描共聚焦显微镜可进行低光探测、活细胞定量分析和重复极佳的荧光定量分析,从而能对单细胞或细胞群的溶酶体、线粒体、内质网、细胞骨架、结构性蛋白质、DNA、RNA、酶和受体分子等细胞特异结构的含量、组份及分布进行定性、定量、定时及定位测定;同时还可测定分子扩散、膜电位、氧化-还原状态和配体结合等生化反应变化程度。另外,还可以对细胞的面积、平均荧光强度、积分荧光强度、细胞周长、形状因子及细胞内颗粒数等参数进行自动测定。§

4.1.4 荧光的定量、定位分析:激光扫描共聚焦显微镜可对单标记或双标记细胞及组织标本的共聚焦荧光进行定量分析,并显示荧光沿Z轴的强度变化;同时还可自动将荧光图像与象差图像重叠以显示荧光在形态结构上的精确定位。还可测量标本深层的荧光分布。也适用于高灵敏度的快速荧光测定,准确地监测抗原表达、荧光原位杂交斑点及细胞结合和杀伤的形态学特性,并作定量分析

4.1.5 Ca2+ 、pH及其它细胞内离子的实时定量测定:利用Flu-3、Indo-1、Fura-Red 等多种荧光探针,激光扫描共聚焦显微镜能完成活细胞生理信号的动态监测,可对单个细胞内各种离子(Ca2+、K+、Na+、Mg2+和pH)的比例及动态变化作毫秒级实时定量分析;可以定量探测胞质中(Ca2+对肿瘤启动因子、化学因子、生长因子及各种激素等刺激反应;使用荧光探针Flu-3和SNARF可同时测定Ca2+和pH值。

4.2 细胞生物学功能

4.2.1 荧光光漂泊恢复(FRAP)技术:激光扫描共聚焦显微镜能借助于高强度脉冲式激光照射细胞的某一区域,从而造成该区域荧光分子的光淬灭,其周围的非淬灭荧光分子将以一定速率向受照区域扩散,扩散速率可直接进行监测,由此揭示细胞结构和各种变化的机制,用于研究细胞骨架构成、核膜结构和大分子组装等。同样作为第二信使,环腺嚓吟单核昔酸cAMP的研究也同样为人们所关注:Nagai等利用FRET来观察cAMP诱导的磷酸化,得到了活细胞中蛋白激酶A 的动态变化曲线.在Cameleons-2的改造上,Pearce等利用Cameleons标记金

属硫蛋白(MT),研究了一氧化氮刺激下MT的功能.

4.2.2 胞间通讯的研究:激光扫描共聚焦显微镜通过测量细胞缝隙连接介导的分子转移,观察相邻细胞之间的胞间通讯。用于研究肿瘤启动子、生长因子以及细胞内Ca2+ 、pH和cAMP对缝隙连接和胞间通讯的影响。

4.2.3 细胞膜流动性测定:激光扫描共聚焦显微镜可通过专用计算机软件,对细胞膜流动性进行定量和定性分析,在研究膜的磷脂酸组成分析、药物效应和作用位点、温度反应测定及物种比较等方面有重要作用。

4.2.4 光活化技术:激光扫描共聚焦显微镜具有光活化测定功能,可以控制笼锁探针分解的瞬间光波长和照射时间,从而人为地控制多种生物活性产物及其它化合物发挥作用的时间和空间,以此研究可形成笼锁化合物的许多重要活性物质(如神经递质、细胞内第二信使cAMP、核苷酸、Ca2+ 及某些荧光素等)在细胞增殖、分化等生物代谢过程中的作用。

通过上述介绍,共聚焦显微镜强大的功能已可见一斑。与其他的生物学技术(如免疫组化技术、原位杂交技术等)相配合,它的检测范围进一步扩大。我们几乎可利用共聚焦显微镜定性、定量地检测细胞内的任何一种生化成分

激光共聚焦显微镜原理

激光共聚焦扫描显微技术(Confocal laser scanning microscopy)是一种高分辨率的显微成像技术。普通的荧光光学显微镜在对较厚的标本(例如细胞)进行观察时,来自观察点邻近区域的荧光会对结构的分辨率形成较大的干扰。共聚焦显微技术的关键点在于,每次只对空间上的一个点(焦点)进行成像,再通过计算机控制的一点一点的扫描形成标本的二维或者三维图象。在此过程中,来自焦点以外的光信号不会对图像形成干扰,从而大大提高了显微图象的清晰度和细节分辨能力。

图1. 共聚焦显微镜简化原理图

图1是一般共聚焦显微镜的工作原理示意图。用于激发荧光的激光束(Laser)透过入射小孔(light source pinhole)被二向色镜(Dichroic mirror)反射,通过显微物镜(Objective lens)汇聚后入射于待观察的标本(specimen)内部焦点(focal point)处。激光照射所产生的荧光(fluorescence light)和少量反射激光一起,被物镜重新收集后送往二向色镜。其中携带图像信息的荧光由于波长比较长,直接通过二向色镜并透过出射小孔(Detection pinhole)到达光电探测器(Detector)(通常是光电倍增管(PMT)或是雪崩光电二极管(APD)),变成电信号后送入计算机。而由于二向色镜的分光作用,残余的激光则被二向色镜反射,不会被探测到。

图2. 探测针孔的作用示意图

图2解释了出射小孔所起到的作用:只有焦平面上的点所发出的光才能透过出射小孔;焦平面以外的点所发出的光线在出射小孔平面是离焦的,绝大部分无法通过中心的小孔。因此,焦平面上的观察目标点呈现亮色,而非观察点则作为背景呈现黑色,反差增加,图像清晰。在成像过程中,出射小孔的位置始终与显微物镜的焦点(focal point)是一一对应的关系(共轭conjugate),因而被称为共聚焦(con-focal)显微技术。共聚焦显微技术是由美国科学家马文?闵斯基(Marvin Minsky)发明的;他于1957年就为该技术申请了专利。但是直到八十年代后期,由于激光研究的长足进步,才使得激光共聚焦扫描显微技术(CLSM)成为了一种成熟的技术。

图3. 激光共聚焦显微镜原理框图

当今的激光共聚焦显微镜已经发展为一种结合了激光技术,显微光学,自动控制和图像处理等多种尖端科研成果的高技术工具。是现代微观研究领域不可缺少

的利器之一。Nikon秉承“信赖与创造”的一贯企业理念,正在为业界提供世界领先水平的共聚焦显微镜系统产品。

激光器激励原理

激光器激励原理 —固体激光器 1311310黄汉青 1311343张旭日辅导老师:

摘要:固体激光器目前是用最广泛的激光器之一,它有着一些非常突出的优点。介绍固体激光器的工作原理及应用,更能够加深对其的了解。本论文先从基本原理和结构介绍固体激光器,接着介绍一些典型的固体激光器,最后介绍其在军事国防、工业技术、医疗美容等三个方面的应用及未来的发展方向。 关键词:固体激光器基本原理基本结构应用 1引用 世界上第一台激光器—红宝石激光器(固体激光器)于1960年7月诞生了,距今已有整整五十年了。在这五十年时间里固体激光的发展与应用研究有了极大的飞跃,并且对人类社会产生了巨大的影响。 固体激光器从其诞生开始至今,一直是备受关注。其输出能量大,峰值功率高,结构紧凑牢固耐用,因此在各方面都得到了广泛的用途,其价值不言而喻。正是由于这些突出的特点,其在工业、国防、医疗、科研等方面得到了广泛的应用,给我们的现实生活带了许多便利。 未来的固体激光器将朝着以下几个方向发展: a)高功率及高能量 b)超短脉冲激光 c)高便携性 d)低成本高质量 现在,激光应用已经遍及光学、医学、原子能、天文、地理、海洋等领域,它标志着新技术革命的发展。诚然,如果将激光发展的历史与电子学及航空发展的历史相比,你不得不意识到现在还是激光发展的早期阶段,更令人激动的美好前景将要来到。 2激光与激光器

2.1激光 2.1.1激光(LASER) 激光的英文名——LASER,是英语词组Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(受激辐射的光放大)的缩写[1]。2.1.2产生激光的条件 产生激光有三个必要的条件[2]: 1)有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质,其激活粒子(原子、分子或离子)有适合于产生受激辐射的能级结构; 2)有外界激励源,将下能级的粒子抽运到上能级,使激光上下能级之间产生粒子数反转; 3)有光学谐振腔,增长激活介质的工作长度,控制光束的传播方向,选择被放大的受激辐射光频率以提高单色性。 3固体激光器 3.1工作原理和基本结构 在固体激光器中,由泵浦系统辐射的光能,经过聚焦腔,使在固体工作物质中的激活粒子能够有效的吸收光能,让工作物质中形成粒子数反转,通过谐振腔,从而输出激光。 如图1所示,固体激光器的基本结构(有部分结构没有画出)。固体激光器主要由工作物质、泵浦系统、聚光系统、光学谐振腔及冷却与滤光系统等五个部分组成[4]。

激光共聚焦显微镜的原理与应用范围

激光共聚焦显微镜的原理与应用范围 激光扫描共聚焦显微镜是采用激光作为光源,在传统光学显微镜基础上采用共轭聚焦原理和装置,并利用计算机对所观察的对象进行数字图象处理的一套观察、分析和输出系统。把光学成像的分辨率提高了30%~40%,使用紫外或可见光激发荧光探针,从而得到细胞或组织内部微细结构的荧光图像,在亚细胞水平上观察生理信号及细胞形态的变化,成为形态学,分子生物学,神经科学,药理学,遗传学等领域中新一代的研究工具。 1激光扫描共聚焦显微镜(LSCM)的原理 从基本原理上讲,共聚焦显微镜是一种现代化的光学显微镜,它对普通光镜从技术上作了以下几点改进: 1.1用激光做光源因为激光的单色性非常好,光源波束的波长相同,从根本上消除了色差。1.2采用共聚焦技术在物镜的焦平面上放置了一个当中带有小孔的挡板,将焦平面以外的杂散光挡住,消除了球差;并进一步消除了色差 1.3采用点扫描技术将样品分解成二维或三维空间上的无数点,用十分细小的激光束(点光源)逐点逐行扫描成像,再通过微机组合成一个整体平面的或立体的像。而传统的光镜是在场光源下一次成像的,标本上每一点的图像都会受到相邻点的衍射光和散射光的干扰。这两种图像的清晰度和精密度是无法相比的。 1.4用计算机采集和处理光信号,并利用光电倍增管放大信号图 在共聚焦显微镜中,计算机代替了人眼或照相机进行观察、摄像,得到的图像是数字化的,可以在电脑中进行处理,再一次提高图像的清晰度。而且利用了光电倍增管,可以将很微弱的信号放大,灵敏度大大提高。由于综合利用了以上技术。可以说LSCM是显微镜制作技术、光电技术、计算机技术的完美结合,是现代技术发展的必然产物。 2LSCM在生物医学研究中的应用 目前,一台配置完备的LSCM在功能上已经完全能够取代以往的任何一种光学显微镜,它相当于多种制作精良的常用光学显微镜的有机组合,如倒置光学显微镜、紫外线显微镜、荧光显微镜、暗视野显微镜、相差显微镜(PH)、微分干涉差显微镜(DIC)等,因此被称为万能显微镜,通过它所得到的精细图像可使其他的显微镜图像无比逊色。

激光扫描共聚焦显微镜的原理和应用

激光扫描共聚焦显微镜的原理和应用 一、激光扫描共聚焦显微镜的原理 传统的光学显微镜使用的是场光源,标本上每一点的图像都会受到邻近点的衍射或散射光的干扰;激光扫描共焦显微镜(Laser Scanning Confocal Microscope,LSCM)采用点光源照射样本,在焦平面上形成一个轮廓分明的小的光点,该点被照射后发出的荧光被物镜搜集,并沿原照射光路回送到由双色镜构成的分光器。分光器将荧光直接送到探测器。光源和探测器前方都各有一个针孔,分别称为照明针孔和探测针孔。照明针孔与探测针孔相对于物镜焦平面是共轭的,焦平面上的点同时聚焦于照明针孔和发射针孔,焦平面以外的点被挡在探测针孔之外不能成像,这样得到的共聚焦图像是标本的光学切面,避免了非焦平面上杂散光线的干扰,克服了普通显微镜图像模糊的缺点,因此能得到整个焦平面上清晰的共聚焦图像。 原理图 二、激光扫描共聚焦显微镜组成特点 LSCM由显微镜光学系统,激光光源,扫描装置和检测系统构成,整套仪器由计算机控制,各部件之间的操作切换都可在计算机操作平台界面中方便灵活地

进行。显微镜是LSCM的主要组件,它关系到系统的成像质量。通常有倒置和正置两种形式,前者在切片、活细胞检测等生物医学应用中使用更广泛。 三、激光扫描共聚焦显微镜的应用 (一)细胞的三维重建 普通荧光显微镜分辨率低,显示的图像结构为多层面的图像叠加,结构不够清晰。LSCM能以0.1μm的步距沿轴向对细胞进行分层扫描,得到一组光学切片,经A/D转换后作为二维数组贮存。这些数组通过计算机进行不同的三维重建算法,可作单色或双色图像处理,组合成细胞真实的三维结构。旋转不同角度可观察各侧面的表面形态,也可从不同的断面观察细胞内部结构,测量细胞的长宽高、体积和断层面积等形态学参数。通过模拟荧光处理算法,可以产生在不同照明角度形成的阴影效果,突出立体感。通过角度旋转和细胞位置变化可产生三维动画效果。LSCM的三维重建广泛用于各类细胞骨架和形态学分析、染色体分析、细胞程序化死亡的观察、细胞内细胞质和细胞器的结构变化的分析和探测等方面。(二)静态结构检测 1.细胞原位检测核酸 用于细胞核定位及其形态学观察、检测细胞内DNA的复制及断裂情况以及染色体定位观察。 2.原位检测蛋白质、抗体及其他分子 原位检测蛋白质、抗体及其他分子 免疫荧光标记技术 检测荧光蛋白 3.检测细胞凋亡 检测细胞凋亡不同时期细胞形态、细胞凋亡相关蛋白

激光测距的方法及原理

激光测距的方法及原理 激光测距技术与一般光学测距技术相比具有操作方便、系统简单及白天和夜晚都可以工作的优点。与雷达测距相比,激光测距具有良好的抗干扰性和很高的精度,而且激光具有良好的抵抗电磁波干扰的能力。其在探测距离较长时,激光测距的优越性更为明显。光测距技术是指利用射向目标的激光脉冲或连续波激光束测量目标距离的距离测量技术。较常用的激光测距方法有三角法、脉冲法和相位法激光测距。 1.三角法激光测距 激光位移传感器的测量方法称为激光三角反射法,激光测距仪的精度是一定的,同样的测距仪测10米与100米的精度是一样的。而激光三角反射法测量精度是跟量程相关的,量程越大,精度越低。 采用激光三角原理和回波分析原理进行非接触位置、位移测量的精密传感器。广泛应用于位置、位移、厚度、半径、形状、振动、距离等几何量的工业测量。半导体激光器1被镜片2聚焦到被测物体6。反射光被镜片3收集,投射到CCD阵列4上;信号处理器5通过三角函数计算阵列4上的光点位置得到距物体的距离。 图1. 激光三角测量原理图 激光发射器通过镜头将可见红色激光射向物体表面,经物体反射的激光通过接受器镜头,被内部的CCD线性相机接受,根据不同的距离,CCD线性相机可以在不同的角度下“看见”这个光点。根据这个角度即知的激光和相机之间的距离,数字信号处理器就能计算出传感器和被测物之间的距离。 同时,光束在接收元件的位置通过模拟和数字电路处理,并通过微处理器分析,计算出相应的输出值,并在用户设定的模拟量窗口内,按比例输出标准数据信号。如果使用开关量输出,则在设定的窗口内导通,窗口之外截止。另外,模拟量与开关量输出可设置独立检测窗口。常用在铁轨、产品厚度、平整度、尺寸等方面。

激光扫描共聚焦显微镜_图文讲解

激光扫描共聚焦显微镜 吴旭 2008.10.14 高级显微镜原理 正置、倒置显微镜 细胞遗传工作站 活细胞工作站 激光显微分离系统激光共聚焦显微镜 概述 激光扫描共聚焦显微镜 (Laser scanning confocalmicroscope ,LSCM )生物医学领域的主要应用 通过一种或者多种荧光探针标记后,可对固定的组织或活体样本进行亚细胞水平结构功能研究 高空间分辨率、非介入无损伤连续光学切片、三维图像、实时动态等细胞结构和功能的分析检测……

Conventional fluorescence microscope Confocal microscope 历史

1957年,Marvin Minsky提出了共聚焦显微镜技术的某些基本原理,获得了美国的专利。 1967年,Egger 和Petran 成功地应用共聚焦显微镜产生了一个光学横断面。 1977年,Sheppard 和Wilson 首次描述了光与被照明物体的原子之间的非线性关系和激光扫描器的拉曼光谱学。 1984年,Biorad 为公司推出了世界第一台商品化的共聚焦显微镜,型号为SOM-100,扫描方式为台阶式扫描。 1986年MRC-500型改进为光束扫描,用作生物荧光显微镜的共聚焦系统。 Confocal microscopy comes of ageJG White & WB Amos. Nature 328, 183 -184 (09 July 1987 Zeiss 、Leica 、Meridian 、Olympus

Zeiss LSM510 激光扫描共聚焦显微镜

CO2激光器原理及应用

目录 摘要 (1) 关键词 (1) Abstract (1) Keywords (1) 1引言 (2) 2激光 (2) 2.1激光产生的三个条件 (3) 2.2激光的特点 (3) 2.3激光器 (3) 3 CO2激光器的原理 (5) 3.1 CO2激光器的基本结构 (5) 3.2 CO2激光器基本工作原理 (7) 3.3 CO2激光器的优缺点 (8) 4 CO2激光器的应用 (9) 4.1军事上的应用 (9) 4.2医疗上的应用 (10) 4.3工业上的应用 (12) 5 CO2激光器的研究现状与发展前景 (14) 5.1 CO2激光器的研究现状 (14) 5.2 CO2激光器的发展前景 (15) 6 结束语 (17) 参考文献 (19) 致谢 (20)

摘要:本文从引言出发介绍了CO2激光技术的基本情况,简单介绍了激光和激光器的一些特点,重点介绍了气体激光器中的CO2激光器的相关应用,目前CO2激光器是用最广泛的激光器之一,它有着一些非常突出的高功率、高质量等优点。论文首先介绍了应用型CO2激光器的基本结构和工作原理,着重介绍了应用型CO2激光器在军事、医疗和工业三个主要领域的应用,最后介绍应用型CO2激光器的研究前景和现状。通过这些介绍使得人们能够加深对CO2激光器的了解和认识。 关键词: CO2激光器;基本原理;基本结构;应用; Abstract: This departure from the introduction of CO2 laser technology, introduced the basic situation, briefly introduced some of the characteristics of laser and laser to highlight the CO 2gas laser in laser-related applications, the current CO 2 laser was one of the most extensive laser, it had some very prominent high-power, high quality and so on. Paper introduced the application of CO 2 laser-type basic structure and working principle, focusing on the application type CO 2 laser in the military, medical and industrial application of the three main areas, Finally, applied research prospects for CO 2 laser and status. Through these presentations allowed people to deepen their knowledge and understanding of CO s lasers. Keywords:CO2Laser Basic Principle Basic Structure Application

常用激光器简介

几种常用激光器的概述 一、CO2激光器 1、背景 气体激光技术自61年问世以来,发展极为迅速,受到许多国家的极大重视。特别是近两年,以二氧化碳为主体工作物质的分子气体激光器的进展更为神速,已成为气体激光器中最有发展前途的器件。 二氧化碳分子气体激光器不仅工作波长(10.6微米)在大气“窗口”,而且它正向连续波大功率和高效率器件迈进。1961年,Pola-nyi指出了分子的受激振动能级之间获得粒子反转的可能性。在1964年1月美国贝尔电话实验室的C.K.N.Pate 研制出第一支二氧化碳分子气体激光器,输出功率仅为1毫瓦,其效率为0.01%。不到两年,现在该类器件的连续波输出功率高达1200瓦,其效率为17 %,电源激励脉冲输出功率为825瓦,采用Q开关技术已获得50千瓦的脉冲功率输出。最近,有人认为,进一步提高现有的工艺水平,近期可以达到几千瓦的连续波功率输出和30~40% 的效率。 2、工作原理 CO2激光器中,主要的工作物质由CO?,氮气,氦气三种气体组成。其中CO?是产生激光辐射的气体、氮气及氦气为辅助性气体。加入其中的氦,可以加速010能级热弛预过程,因此有利于激光能级100及020的抽空。氮气加入主要在CO?激光器中起能量传递作用,为CO?激光上能级粒子数的积累与大功率高效率的激光输出起到强有力的作用。CO?分子激光跃迁能级图CO?激光器的激发条件:放电管中,通常输入几十mA或几百mA的直流电流。放电时,放电管中的混合气体内的氮分子由于受到电子的撞击而被激发起来。这时受到激发的氮分子便和CO?分子发生碰撞,N2分子把自己的能量传递给CO2分子,CO?分子从低能级跃迁到高能级上形成粒子数反转发出激光。 3、特点 二氧化碳分子气体激光器不但具有一般气体激光器的高度相干性和频率稳定性的特点,而且还具有另外三个独有的特点: (1)工作波长处于大气“窗口”,可用于多路远距离通讯和红外雷达。 (2)大功率和高效率( 目前,氩离子激光器最高连续波输出功率为100瓦,其效率为0.17 %,原子激光器的连续波输出功率一般为毫瓦极,其效率约为0.1%,而二氧化碳分子激光器连续波输出功率高达1200瓦,其效率为17%)。 (3)结构简单,使用一般工业气体,操作简单,价格低廉。由此可见,随着研究工作的进展、新技术的使用,输出功率和效率会不断提高,寿命也会不断增长,将会出现一系列新颖的应用。例如大气和宇宙通讯、相干探测和导航、超外

激光扫描共聚焦显微镜的原理和应用-17954讲解

激光扫描共聚焦显微镜的原理和应用 Tina(2007-10-23 09:40:17 一、激光扫描共聚焦显微镜的原理 传统的光学显微镜使用的是场光源,标本上每一点的图像都会受到邻近点的衍射或散射光的干扰;激光扫描共焦显微镜(Laser Scanning Confocal Microscope,LSCM采用点光源照射样本,在焦平面上形成一个轮廓分明的小的光点,该点被照射后发出的荧光被物镜搜集,并沿原照射光路回送到由双色镜构成的分光器。分光器将荧光直接送到探测器。光源和探测器前方都各有一个针孔,分别称为照明针孔和探测针孔。照明针孔与探测针孔相对于物镜焦平面是共轭的,焦平面上的点同时聚焦于照明针孔和发射针孔,焦平面以外的点被挡在探测针孔之外不能成像,这样得到的共聚焦图像是标本的光学切面,避免了非焦平面上杂散光线的干扰,克服了普通显微镜图像模糊的缺点,因此能得到整个焦平面上清晰的共聚焦图像。 原理图

二、激光扫描共聚焦显微镜组成特点 LSCM由显微镜光学系统,激光光源,扫描装置和检测系统构成,整套仪器由计算机控制,各部件之间的操作切换都可在计算机操作平台界面中方便灵活地进行。显微镜是LSCM的主要组件,它关系到系统的成像质量。通常有倒置和正置两种形式,前者在切片、活细胞检测等生物医学应用中使用更广泛。 三、激光扫描共聚焦显微镜的应用 一)细胞的三维重建

普通荧光显微镜分辨率低,显示的图像结构为多层面的图像叠加,结构不够清晰。LSCM 能以0.1μm的步距沿轴向对细胞进行分层扫描,得到一组光学切片,经A/D转换后作为二维数组贮存。这些数组通过计算机进行不同的三维重建算法,可作单色或双色图像处理,组合成细胞真实的三维结构。旋转不同角度可观察各侧面的表面形态,也可从不同的断面观察细胞内部结构,测量细胞的长宽高、体积和断层面积等形态学参数。通过模拟荧光处理算法,可以产生在不同照明角度形成的阴影效果,突出立体感。通过角度旋转和细胞位置变化可产生三维动画效果。LSCM 的三维重建广泛用于各类细胞骨架和形态学分析、染色体分析、细胞程序化死亡的观察、细胞内细胞质和细胞器的结构变化的分析和探测等方面。 二)静态结构检测:原位鉴定细胞或组织内生物大分子、观察细胞及亚细胞形态结构 1.细胞原位检测核酸 用于细胞核定位及其形态学观察、检测细胞内DNA的复制及断裂情况以及染色体定位观察。 2.原位检测蛋白质、抗体及其他分子 原位检测蛋白质、抗体及其他分子 免疫荧光标记技术 检测荧光蛋白 3.检测细胞凋亡

激光传感器的工作原理及其应用

激光传感器的工作原理 及其应用 Company Document number:WUUT-WUUY-WBBGB-BWYTT-1982GT

激光传感器由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表,它的优点是能实现无接触远距离测量,速度快,精度高,量程大,抗光、电干扰能力强等。激光传感器工作时,先由激光发射二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器,被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器,因此它能检测极其微弱的光信号,并将其转化为相应的电信号。常见的是激光测距传感器,它通过记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间,即可测定目标距离。激光传感器的应用 利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点可实现无接触远距离测量。激光传感器常用于长度、距离、振动、速度、方位等物理量的测量,还可用于探伤和大气污染物的监测等。 激光测长 精密测量长度是精密机械制造工业和光学加工工业的关键技术之一。现代长度计量多是利用光波的干涉现象来进行的,其精度主要取决于光的单色性的好坏。激光是最理想的光源,它比以往最好的单色光源(氪-86灯)还纯10万倍。因此激光测长的量程大、精度高。 激光测距 它的原理与无线电雷达相同,将激光对准目标发射出去后,测量它的往返时间,再乘以光速即得到往返距离。由于激光具有高方向性、高单色性和高功率等优点,这些对于测远距离、判定目标方位、提高接收系统的信噪比、保证测量精度等都是很关键的,因此激光测距仪日益受到重视。在激光测距仪基础上发展起来的激光雷达不仅能测距,而且还可以测目标方位、运运速度和加速度等,已成功地用于人造卫星的测距和跟踪。 激光测振 它基于多普勒原理测量物体的振动速度。多普勒原理是指:若波源或接收波的观察者相对

2020年常用激光器简介

作者:非成败 作品编号:92032155GZ5702241547853215475102 时间:2020.12.13 几种常用激光器的概述 一、CO2激光器 1、背景 气体激光技术自61年问世以来,发展极为迅速,受到许多国家的极大重视。特别是近两年,以二氧化碳为主体工作物质的分子气体激光器的进展更为神速,已成为气体激光器中最有发展前途的器件。 二氧化碳分子气体激光器不仅工作波长(10.6微米)在大气“窗口”,而且它正向连续波大功率和高效率器件迈进。1961年,Pola-nyi指出了分子的受激振动能级之间获得粒子反转的可能性。在1964年1月美国贝尔电话实验室的C.K.N.Pate 研制出第一支二氧化碳分子气体激光器,输出功率仅为1毫瓦,其效率为0.01%。不到两年,现在该类器件的连续波输出功率高达1200瓦,其效率为17 %,电源激励脉冲输出功率为825瓦,采用Q开关技术已获得50千瓦的脉冲功率输出。最近,有人认为,进一步提高现有的工艺水平,近期可以达到几千瓦的连续波功率输出和30~40% 的效率。 2、工作原理 CO2激光器中,主要的工作物质由CO?,氮气,氦气三种气体组成。其中CO?是产生激光辐射的气体、氮气及氦气为辅助性气体。加入其中的氦,可以加速010能级热弛预过程,因此有利于激光能级100及020的抽空。氮气加入主要在CO?激光器中起能量传递作用,为CO?激光上能级粒子数的积累与大功率高效率的激光输出起到强有力的作用。CO?分子激光跃迁能级图CO?激光器的激发条件:放电管中,通常输入几十mA或几百mA的直流电流。放电时,放电管中的混合气体内的氮分子由于受到电子的撞击而被激发起来。这时受到激发的氮分子便和CO?分子发生碰撞,N2分子把自己的能量传递给CO2分子,CO?分子从低能级跃迁到高能级上形成粒子数反转发出激光。 3、特点 二氧化碳分子气体激光器不但具有一般气体激光器的高度相干性和频率稳定性的特点,而且还具有另外三个独有的特点: (1)工作波长处于大气“窗口”,可用于多路远距离通讯和红外雷达。 (2)大功率和高效率( 目前,氩离子激光器最高连续波输出功率为100瓦,

激光共聚焦显微镜技术1讲解

激光共聚焦显微镜技术 The techniques and applications of Confocal Laser Scanning Microscopy 激光共聚焦显微镜(LSCM)的发展简史 1957年,Marvin Minsky提出了共聚焦显微镜技术的某些基本原理,获得了美国的专利。1978年,阿姆斯特丹大学的G.J.Brakenhoff首次展示了改善了分辨率的共焦显微镜。 1985年,Wijnaendtsvan Resandt推出了第一台对荧光标记的材料进行光切的共焦显微镜 激光共聚焦显微镜(LSCM)的发展简史 ?80年代末,各家公司都推出了商品化的共焦显微镜,英国的Bio-Rad公司的MRC系列,德国Leica公司的TCS系列,Zeiss公司的LSM系列等。 ?近二十年来,从滤片型到光谱型,人们对共焦高分辨率,采集图像快速,技术的改进及应用开发不断进行,出现了很多新的技术。如双光子,FCS,FLIM ,STED等。 共焦显微镜的优点 人眼分辨率:0.2mm 光学显微镜分辨率:0.25μm 电子显微镜分辨率:0.2nm 共焦显微镜分辨率:μm 共焦显微镜的优点 ?电子显微镜的缺陷: 1.只能观察固定样品 2.样品制备过程(固定、包埋、切片)造成的假象 ?荧光显微镜的缺陷: 1.可以观察活细胞或组织,但细胞或组织内结构高度重叠。 2.荧光具有强散射性,造成图像实际清晰度的大大下降。 3.荧光漂白很快,使荧光图像的拍照有困难。 4.如果荧光滤片选配不当,多荧光标记样品图像的采集很困难,且很难抑制光谱交叉。 共焦显微镜的优点 ?共焦显微镜与传统显微镜的区别 1.抑制图像的模糊,获得清晰的图像 激光扫描共焦显微镜技术 ?共焦显微镜与传统显微镜的区别

激光测距应用

激光测距应用 应用领域: 电力、水利、通讯、环境、建筑、地质、警务、消防、爆破、航海、铁路、农业、林业、房地产、休闲/户外、反恐/军事 主要应用方向: 在钢铁厂和轧钢厂用于过程监控 料位、液位的测量 行车定位系统、装卸处理设备的定位系统 对人力所不能到达部位的测量,如罐装物、管道、集装箱等 车辆、船舶的定位监控系统 起重安装设备位置控制 不宜接近的物体测量 距离、位置、液位、料位、生产线料坯传送定位 行吊XY定位 电梯运行测量 大型工件装配定位 运动物体位置监控 大型货架库存管理 超大物体几何计量 靶距自动控制 电气化铁路接触网测量 铁路建筑物限界测量以及江河湖海等的水位测量。 测距发展路线: 民用,手持式 工业用,高可靠性 市场开拓方式: 大客户 代理商,借助代理商的客户群

具体应用示例: 1. 汽车防撞探测器 一般来说,大多数现有汽车碰撞预防系统的激光测距传感器使用激光光束以不接触方式用于识别汽车在前或者在后形势的目标汽车之间的距离,当汽车间距小于预定安全距离时,汽车防碰撞系统对汽车进行紧急刹车,或者对司机发出报警,或者综合目标汽车速度、车距、汽车制动距离、响应时间等对汽车行驶进行即时的判断和响应,可以大量的减少行车事故。在高速公路上使用,其优点更加明显。 2. 车流量监控及车轮廓描画 这种使用方式一般固定到高速或者重要路口的龙门架上,激光发射和接收垂直地面向下,对准一条车道的中间位置,当有车辆通行时,激光测距传感器能实时输出所测得的距离值的改变,进而描绘出所测车的轮廓。这种测量方式一般使用的激光束发散角度较小,测距范围一般小于30米即可,且要求激光测距速率比较高,一般要求达到几百赫兹就可以了。这对于在重要路段监控可以达到很好的效果,能够区分各种车型,对车身扫描的采样率可以达到10厘米一个点,且对车流限高,限长等都能实时输出结果。如图3。

激光共聚焦原理

激光共聚焦显微镜的成像原理 什么是荧光? 荧光是当以某一波长的光线照射一 个物质(原子/分子)的时候,该物质(原 子/分子)吸收了光线能量的一部分并且 发射出另一种低能量的光线。图中示意的 光线里蓝色(较高能量光线)为入射光线, 绿色(较低能量光线)为反射光线。 什么是分光镜? 分光镜是可以把不同波长的光线区分开来的光学装置。 分光镜可以起到使特定的光线可以通过,特定光线反射的作用。 荧光显微镜是如何工作的? 我们假定入射光线是紫色的 (较高能量光线),反射光线是红 色的(较低能量光线)。显微镜系 统使用了一种特殊的分光镜,(更恰 当地说一个“区分两种颜色的镜 片”)。这个镜片反射低于特定波长 的光线,并且可以通过高于特定波 长的光线。因此你的眼睛只能看到 这些由荧光染料反射出来的光线 (红色光线),而不是看到入射的 紫色光线。紫色和红色的光栅位于分光镜后,作为一种特殊的过滤装置,来保证其他颜色的光线传到了不正确的方向。

关于共聚焦显微镜 想象下在显微镜中有一些 镜片组,由镜片组一个焦点发出 的光线延光路发送到另一个焦 点。这表现为图中的蓝色光线。 红色光线表示式样上的其他点发出的光线,这些点并不在镜片组的焦点上,因此这些点就不能通过镜片组在另一边的焦点上成像。(这里的需要注意的是,红色的光线和蓝色的光线是为了区分式样上的不同点,并不是为了表示他们的波长不同。)这样,蓝色光和红色光成像的点就不相同。这里我们只希望得到位于镜片组焦点上发出光线成的像。如果我们在镜片组的另一边放置一个带有针孔的隔挡,这个孔正好在蓝色点成像的位置,那么所有从蓝色点发出的光线都可以通过这个针孔。并且,由红色点发出的大部分光线是不能通过这个针孔的。这就解决了荧光显微镜的一个缺陷。通常来说式样都是完全被照亮的,因此式样上的每一个点都会同时发出荧光。当然,成像最清晰,也就是亮度最高的点是在物镜焦点上的点,但是其他点的光一样会对成像结果产生影响。增加一个针孔就解决了这个问题,因为式样位于物镜焦点上的点会在针孔位置成像,这样对点是共轭的。针孔的位置就是镜片组的位置,这就是共聚焦针孔。 那么共聚焦显微 镜是怎么工作 的? 激光一般被用作光源,一边产生 高强度的光照。图中,蓝色线表示激 光光线,它被分光镜反射。两个可以 驱动带有扫描功能的镜片,会侦测到 激光器发射的光,而被式样反射的光线是不会被侦测的。焦点位置点的反射光通过分光镜在针孔位置成像,并且通过针孔的光线会被放大。这里如果扫描速度足够快,人眼看到的就是一副运动的画面。

激光的原理及激光器分类

激光器的原理及分类 一、基础原理 量子理论认为,所有物质都是由各种微观”粒子”组成,如分子,原子,质子,中子,电子等。在微观世界里,各种粒子都有其固有的能级结构。当一个粒子从高能级掉到低能级时,根据能量守恒定律,它要把两个能级相差部分的能量释放出来,通常这个能量以光和热两种形式释放出来。 二、自发辐射、受激辐射 1、自发辐射 普通常见光源的发光(如电灯、火焰、太阳等地发光)是由于物质在受到外来能量(如光能、电能、热能等)作用时,原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级,即原子被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。但是处在高能级(E2)的电子寿命很短(一般为10-8~10-9秒),在没有外界作用下会自发地向低能级(E1)跃迁,跃迁时将产生光(电磁波)辐射。辐射光子能量=E2-E1。过程各自独立、互补关联,所有辐射的光在发射方向上是无规律的

射向四面八方,并且频率不同、偏振状态和相位不同。 2、受激辐射 在原子中也存在这样一些特定高能级,一旦电子被激发到这个高能级之上,却由于不满足跃迁的条件,发生跃迁的几率很低,电子能够在高能级上的时间很长,就所谓的亚稳定状态。但在能在外界光场的照射下发生往下跃迁,并且向下跃迁时释放出一个与射入光场相同的光子,在同一个方向、有同一个波长。这就是受激辐射,激光正是利用这一原理激发出来。 二、粒子数反转 通过受激辐射出来的光子,不仅可以引起其他粒子受激辐射,也可以引起受激吸收。只有在处于高能级的原子数量大于处于低能级原子数时,所产生的受激辐射才能大于受激吸收。但是在自然条件下,原子都是都处于稳定的基态,只能通过技术手段将大量的原子都调整到高能级的状态,才能有多余的辐射向外产生。这个技术叫粒子数反转。

激光共聚焦显微镜原理

激光共聚焦显微镜原理 激光共聚焦扫描显微技术(Confocal laser scanning microscopy)是一种高分辨率的显微成像技术。普通的荧光光学显微镜在对较厚的标本(例如细胞)进行观察时,来自观察点邻近区域的荧光会对结构的分辨率形成较大的干扰。共聚焦显微技术的关键点在于,每次只对空间上的一个点(焦点)进行成像,再通过计算机控制的一点一点的扫描形成标本的二维或者三维图象。在此过程中,来自焦点以外的光信号不会对图像形成干扰,从而大大提高了显微图象的清晰度和细节分辨能力。 图1. 共聚焦显微镜简化原理图 图1是一般共聚焦显微镜的工作原理示意图。用于激发荧光的激光束(Laser)透过入射小孔(light source pinhole)被二向色镜(Dichroic mirror)反射,通过显微物镜(Objective lens)汇聚后入射于待观察的标本(specimen)内部焦点(focal point)处。激光照射所产生的荧光(fluorescence light)和少量反射激光一起,被物镜重新收集后送往二向色镜。其中携带图像信息的荧光由于波长比较长,直接通过二向色镜并透过出射小孔(Detection pinhole)到达光电探测器(Detector)(通常是光电倍增管(PMT)或是雪崩光电二极管(APD)),变成电信号后送入计算机。而由于二向色镜的分光作用,残余的激光则被二向色镜反射,不会被探测到。

图2. 探测针孔的作用示意图 图2解释了出射小孔所起到的作用:只有焦平面上的点所发出的光才能透过出射小孔;焦平面以外的点所发出的光线在出射小孔平面是离焦的,绝大部分无法通过中心的小孔。因此,焦平面上的观察目标点呈现亮色,而非观察点则作为背景呈现黑色,反差增加,图像清晰。在成像过程中,出射小孔的位置始终与显微物镜的焦点(focal point)是一一对应的关系(共轭conjugate),因而被称为共聚焦(con-focal)显微技术。共聚焦显微技术是由美国科学家马文?闵斯基(Marvin Minsky)发明的;他于1957年就为该技术申请了专利。但是直到八十年代后期,由于激光研究的长足进步,才使得激光共聚焦扫描显微技术(CLSM)成为了一种成熟的技术。 图3. 激光共聚焦显微镜原理框图 当今的激光共聚焦显微镜已经发展为一种结合了激光技术,显微光学,自动控制和图像处理等多种尖端科研成果的高技术工具。是现代微观研究领域不可缺少的利器之一。Nikon秉承“信赖与创造”的一贯企业理念,正在为业界提供世界领先水平的共聚焦显微镜系统产品。

激光测距仪原理

激光测距仪激光测距基本原理 激光测距是光波测距中的一种测距方式,如果光以速度c在空气中传播在A、B两点间往返一次所需时间为t,则A、B两点间距离D可用下列表示。 D=ct/2 式中:D——测站点A、B两点间距离;c——光在大气中传播的速度;t——光往返A、B 一次所需的时间。 由上式可知,要测量A、B距离实际上是要测量光传播的时间t,根据测量时间方法的不同,激光测距仪通常可分为脉冲式和相位式两种测量形式。 相位式激光测距仪 相位式激光测距仪是用无线电波段的频率,对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟,再根据调制光的波长,换算此相位延迟所代表的距离。即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间。 相位式激光测距仪一般应用在精密测距中。由于其精度高,一般为毫米级,为了有效的反射信号,并使测定的目标限制在与仪器精度相称的某一特定点上,对这种测距仪都配置了被称为合作目标的反射镜。 若调制光角频率为ω,在待测量距离D上往返一次产生的相位延迟为φ,则对应时间t 可表示为: t=φ/ω 将此关系代入(3-6)式距离D可表示为 D=1/2 ct=1/2 c·φ/ω=c/(4πf) (Nπ+Δφ) =c/4f (N+ΔN)=U(N+) 式中:φ——信号往返测线一次产生的总的相位延迟。 ω——调制信号的角频率,ω=2πf。 U——单位长度,数值等于1/4调制波长 N——测线所包含调制半波长个数。 Δφ——信号往返测线一次产生相位延迟不足π部分。 ΔN——测线所包含调制波不足半波长的小数部分。 ΔN=φ/ω

在给定调制和标准大气条件下,频率c/(4πf)是一个常数,此时距离的测量变成了测线所包含半波长个数的测量和不足半波长的小数部分的测量即测N或φ,由于近代精密机械加工技术和无线电测相技术的发展,已使φ的测量达到很高的精度。 为了测得不足π的相角φ,可以通过不同的方法来进行测量,通常应用最多的是延迟测相和数字测相,目前短程激光测距仪均采用数字测相原理来求得φ。 由上所述一般情况下相位式激光测距仪使用连续发射带调制信号的激光束,为了获得测距高精度还需配置合作目标,而目前推出的手持式激光测距仪是脉冲式激光测距仪中又一新型测距仪,它不仅体积小、重量轻,还采用数字测相脉冲展宽细分技术,无需合作目标即可达到毫米级精度,测程已经超过100m,且能快速准确地直接显示距离。是短程精度精密工程测量、房屋建筑面积测量中最新型的长度计量标准器具。

激光共聚焦技术讲解

模块九激光共聚焦技术 1. 实验目的 让学生了解激光共聚焦显微镜硬件组成,掌握激光共聚焦显微镜常用的基本操作及注意事项,能够熟练、准确地设计光路,重点掌握激光共聚焦显微镜测定细胞荧光信号动态变化的方法以及钙指示剂(fluo-3/AM)标记Ca2+的基本原理与方法,了解激光共聚焦显微镜在生物学上的应用。 2. 实验原理 激光扫描共聚焦显微镜是采用激光为光源,在传统荧光显微镜成像的基础上,附加了激光扫描装置和共轭聚焦装置,通过计算机控制来进行数字化图像采集和处理的系统。激光扫描共聚焦显微镜系统主要包括扫描模块、激光光源、荧光显微镜、数字信号处理器、计算机以及图像输出设备等。 激光扫描共聚焦显微镜基本结构 (1)扫描模块 扫描模块主要由针孔光栏(控制光学切片的厚度)、分光镜(按波长改变光线传播方向)、发射荧光分色器(选择一定波长范围的光进行检测)、检测器(光电倍增管)组成。 荧光样品中的混合荧光进入扫描器,经过检测针孔光栏、分光镜和分色器选择后,被分成各单色荧光,分别在不同的荧光通道进行检测并形成相应的共焦图象,同时在计算机屏幕上可以显示几个并列的单色荧光图象及其合成图象。 (2)荧光显微镜系统 激光扫描共聚焦显微镜所用的荧光显微镜大体与常规荧光显微镜相同,但又有其特点:需与扫描器连接,使激光能进入显微镜物镜照射样品,并使样品发射的荧光到达检测器;需有光路转换装置,即汞灯与激光转换,同时汞灯光线强度可调。 (3)常用激光器 激光扫描共聚焦显微镜使用的激光光源有单激光和多激光系统,常用的激光器包括以下三种类型: 多谱线Ar离子激光器(氩离子激光器):发射波长为458 nm、477 nm、488 nm、514 nm的蓝绿光;He-Ne激光器(氦氖激光器):发射波长为543 nm的绿光和633 nm的红光;UV激光器(紫外激光器):发射波长为351 nm、364 nm的紫外光。 (4)辅助设备 风冷、水冷冷却系统及稳压电源。 激光扫描共聚焦显微镜的基本工作原理:激光扫描共聚焦显微镜的基本工作原理是首先由激光器发射的一定波长的激发光,光线经放大后通过扫描器内的照明针孔光栏形成点光源,由物镜聚焦于样品的焦平面上,样品上相应的被照射点受激发而发射出的荧光,通过检测孔光栏后,到达检测器,并成像于计算机监视屏上。这样由焦平面上样品的的每一点的荧光图像组成了一幅完整的共焦图像,称为光切片。

CO2激光器基本原理.

CO2 激光器基本原理 CO2 激光器基本原理、机构介绍 CO2激光器效率高,不造成工作介质损害,发射出10.6μm波长的不可见激光,是一种比较理想的激光器。按气体的工作形式可分封闭式及循环式,按激励方式分电激励,化学激励,热激励,光激励与核激励等。在医疗中使用的CO2 激光器几乎百分之百是电激励。 CO2激光器的工作原理:与其它分子激光器一样,CO2激光器工作原理其受激发射过程也较复杂。分子有三种不同的运动,即分子里电子的运动,其运动决定了分子的电子能态;二是分子里的原子振动,即分子里原子围绕其平衡位置不停地作周期性振动——并决定于分子的振动能态;三是分子转动,即分子为一整体在空间连续地旋转,分子的这种运动决定了分子的转动能态。分子运动极其复杂,因而能级也很复杂。 CO2分子为线性对称分子,两个氧原子分别在碳原子的两侧,所表示的是原子的平衡位置。分子里的各原子始终运动着,要绕其平衡位置不停地振动。根据分子振动理论,CO2有三种不同的振动方式:①二个氧原子沿分子轴,向相反方向振动,即两个氧在振动中同时达到振动的最大值和平衡值,而此时分子中的碳原子静止不动,因而其振动被叫做对称振动。②两个氧原子在垂直于分子轴的方向振动,且振动方向相同,而碳原子则向相反的方向垂直于分子轴振动。由于三个原子的振动是同步的,又称为变形振动。③三个原子沿对称轴振动,其中碳原子的振动方向与两个氧原子相反,又叫反对称振动能。在这三种不同的振动方式中,确定了有不同组别的能级。 CO2激光的激发过程:CO2激光器中,主要的工作物质由CO2,氮气,氦气三种气体组成。其中CO2是产生激光辐射的气体、氮气及氦气为辅助性气体。加入其中的氦,可以加速010能级热弛预过程,因此有利于激光能级100及020 的抽空。氮气加入主要在CO2激光器中起能量传递作用,为CO2激光上能级粒子数的积累与大功率高效率的激光输出起到强有力的作用。 CO2分子激光跃迁能级图 CO2激光器的激发条件:放电管中,通常输入几十mA或几百mA的直流电流。放电时,放电管中的混合气体内的氮分子由于受到电子的撞击而被激发起来。这

激光扫描共聚焦显微镜及其应用讲解

激光扫描共聚焦显微镜及其应用 激光扫描共聚焦显微镜(Laserscanningconfocalmicroscope,LSCM)是近代最先进的细胞生物医学分析仪器之一。它是在荧光显微镜成像的基础上加装激光扫描装置,使用紫外光或可见光激光荧光探针,利用计算机进行图像处理,不仅可观察固定的细胞、组织切片,还可对活细胞的结构、分子、离子进行实时动态地观察和检测。目前,激光扫描共聚焦显微技术已用于细胞形态定位、立体结构重组、动态变化过程等研究,并提供定量荧光测定、定量图像 激光扫描共聚焦显微镜(Laser scanning confocal microscope, LSCM)是近代最先进的细胞生物医学分析仪器之一。它是在荧光显微镜成像的基础上加装激光扫描装置,使用紫外光或可见光激光荧光探针,利用计算机进行图像处理,不仅可观察固定的细胞、组织切片,还可对活细胞的结构、分子、离子进行实时动态地观察和检测。目前,激光扫描共聚焦显微技术已用于细胞形态定位、立体结构重组、动态变化过程等研究,并提供定量荧光测定、定量图像分析等实用研究手段,结合其他相关生物技术,在形态学、生理学、免疫学、遗传学等分子细胞生物学领域得到广泛应用。 激光共聚焦显微镜的原理 激光扫描共聚焦显微镜是采用激光作为光源,在传统光学显微镜基础上采用共轭聚焦原理和装置,并利用计算机对所观察的对象进行数字图象处理的一套观察、分析和输出系统。 主要系统包括激光光源、自动显微镜、扫描模块(包括共聚焦光路通道和针孔、扫描镜、检测器)、数字信号处理器、计算机以及图象输出设备(显示器、彩色打印机)等。 通过激光扫描共聚焦显微镜,可以对观察样品进行断层扫描和成像。因此,可以无损伤的观察和分析细胞的三维空间结构。同时,通过激光扫描共聚焦显微镜也是活细胞的动态观察、多重免疫荧光标记和离子荧光标记观察的有力工具。 主要功能 1、图像处理功能 2、细胞生物学功能应用范围:(1)定量荧光测定;(2)定量共焦图像分析;(3)光学切片及三维重组;(4)动态观察;(5)荧光漂白恢复研究;(6)质膜流动性研究;(7)蛋白质相互作用研究;(8)激光显微外科及“光陷阱”研究;(9)光活化技术研究。 (编辑:文静)

固体激光器原理及应用

编号 赣南师范学院学士学位论文固体激光器原理及应用 教学学院物理与电子信息学院 届别 2010届 专业电子科学与技术 学号 060803013 姓名丁志鹏 指导老师邹万芳 完成日期 2010.5.10

目录 摘要 (1) 关键词 (1) Abstract (1) Key words (1) 1引用 (2) 2激光与激光器 (2) 2.1激光 (2) 2.2激光器 (3) 3固体激光器 (4) 3.1工作原理和基本结构 (4) 3.2典型的固体激光器 (8) 3.3典型固体激光器的比较 (11) 3.4固体激光器的优缺点 (12) 4固体激光器的应用 (13) 4.1军事国防 (13) 4.2工业制造 (15) 4.3医疗美容 (17) 5结束语 (17) 参考文献 (19)

摘要:固体激光器目前是用最广泛的激光器之一,它有着一些非常突出的优点。介绍固体激光器的工作原理及应用,更能够加深对其的了解。本论文先从基本原理和结构介绍固体激光器,接着介绍一些典型的固体激光器,最后介绍其在军事国防、工业技术、医疗美容等三个方面的应用及未来的发展方向。 关键词:固体激光器基本原理基本结构应用 Abstract:Solid-state laser is currently one of the most extensive laser,it has some very obvious advantages.The working principle of solid-state lasers and applications were described in the paper and it can enhance the understanding.In this paper, starting with the basic principles and structure of the introduced solid-state laser,and then some typical solid-state lasers and a presentation on its military defense,industrial technology,medical and cosmetic applications in three areas and future development direction were introduced. Key words:Solid-state Laser Basic Principle Basic Structure Application

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