应用光子学及生物医学光子学讲义

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1、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...............

2、.......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............

3、............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

4、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。所以无论是工程应用方面还是信号变换技巧方面，弱光的探测都

5、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

6、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－17计数器的探测灵敏度优于10w，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：−348hc6.610××310×−19

7、ε===×410Jλ−7510×-34式中h＝6.6*10J*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

8、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500nmABB22％ABB55％ABB1010％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