光與激光的特性

1、第一章光與激光的特性一、 光的基本特性1、光在真空中的傳播速度是： ，但在媒質(zhì)中，其速度為 ,其中n是媒質(zhì)的折射率（僅取決于媒質(zhì) 的物質(zhì)構(gòu)成和光的顏色）。2、光具有波粒二象性。光是橫波。3、光被吸收時(shí)，它的能量一般轉(zhuǎn)化為熱一一紅外加熱。有些物質(zhì)在紫外作用下可發(fā)出熒光，熒光的強(qiáng)弱和顏色取決于紫外光的波長(zhǎng)和熒光物質(zhì)的化學(xué)成分。4、光在所有物質(zhì)的表面或多或少有反射。光一反射：漫反射（光在粗糙表面向四面八方的散射）；鏡面反射。5、光在通過(guò)介質(zhì)時(shí)，若介質(zhì)具有光學(xué)不均勻的結(jié)構(gòu)（介質(zhì)的各向異性；局部的密度與平均密度的統(tǒng)計(jì)偏離造成的密度 起伏），就會(huì)發(fā)生散射。一一瑞利散射：散射光波長(zhǎng)與入射光波長(zhǎng)相同的散射。一

2、一喇曼散射：散射光波長(zhǎng)與入射光波長(zhǎng)不同的散射，形成雙散射譜線(xiàn)光一布里淵散射：散射光波長(zhǎng)與入射光波長(zhǎng)不同的散射，形成雙散射譜線(xiàn)二、激光的產(chǎn)生與特性1、普通光源發(fā)光特點(diǎn)1）普通光源中處于激發(fā)態(tài)的原子數(shù)總是少于基態(tài)的原子數(shù)，而且受激原子的總數(shù)也有限，所以只能發(fā)出低強(qiáng)度的光；2）自發(fā)輻射光子的方向是雜亂地隨機(jī)分布，因此所發(fā)出光線(xiàn)的方向性很差；3）普通光源發(fā)光，有可能從不同的高能級(jí)原子向不同的低能級(jí)躍遷，因此產(chǎn)生光子的頻率便會(huì)有多種不同，導(dǎo)致其 輻射的光是廣譜的。2、激光產(chǎn)生的條件1）形成受激輻射：受激輻射所發(fā)射出的光子等于入射光子的兩倍，使光子數(shù)量增多，能量增大；2）實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)：前提是有合適的具

3、有亞穩(wěn)態(tài)的工作物質(zhì)，有強(qiáng)大的激勵(lì)能源。一一激勵(lì)能源將物質(zhì)中低能級(jí)的粒子抽運(yùn)到高能級(jí)上，處于激發(fā)態(tài)的粒子不穩(wěn)定，但由于物質(zhì)具有亞穩(wěn)態(tài)，故粒 子會(huì)再躍遷到亞穩(wěn)態(tài)上，亞穩(wěn)態(tài)的壽命相對(duì)較長(zhǎng)，從而使該物質(zhì)中處于高能級(jí)的粒子數(shù)可能會(huì)多于低能級(jí)的粒子 數(shù)，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。光一光激勵(lì)，電激勵(lì)（用于氣體激光器，通過(guò) AC,DC等）3）光學(xué)諧振腔：能不斷地從電源獲取能量以補(bǔ)充被物質(zhì)所吸收的光能量，并進(jìn)行光的放大；只對(duì)某一方向傳播的光 才起放大作用。一一由兩塊嚴(yán)格相互平行的光學(xué)反射鏡組成（法布里-珀羅裝置），一塊是反射鏡，反射率99%以上，一塊部分反射鏡，小部分投射，大部分反射。一一原理：工作物質(zhì)置于中間，沿鏡面共

4、法線(xiàn)方向往返的光，被鏡面反射后可以多次通過(guò)工作物質(zhì)，逐次放大、增強(qiáng)，使光子數(shù)量獲得雪崩式的增加。而和軸線(xiàn)不平行的光就從側(cè)面逃逸了。因此，當(dāng)這種光波增強(qiáng)到足以抵擋 諧振腔內(nèi)各種損耗時(shí)，就可以在諧振腔內(nèi)形成持續(xù)的震蕩。這時(shí)，從部分反射鏡透射出來(lái)的那部分振蕩光就形成 了激光。光一最終在端面上出射的激光便具有相同的位相、傳播方向、偏振頻率?？偨Y(jié)：工作物質(zhì)，激勵(lì)源，諧振腔是產(chǎn)生激光最基本的三個(gè)條件。3、激光的特性1）單色性好光一譜線(xiàn)寬度是衡量光源單色性好壞的標(biāo)志。一一單色性最好的是氟（Kr）燈.光一激光單色性好的原因：激光是受激輻射光的放大，只有頻率滿(mǎn)足一定的能級(jí)躍遷的光才能得到放大，即受到熒光譜線(xiàn)寬度

5、的限制；受到激光器選頻作用的限制：由于在某一條熒光譜線(xiàn)之內(nèi)不是全部頻率都能起振的，只有那些落在熒光譜線(xiàn)之 內(nèi)的共振頻率（即不同的縱?；蝰v波）才能起振，而每個(gè)共振頻率的振蕩譜線(xiàn)寬度比熒光譜線(xiàn)寬度要窄得多。脈沖寬度和激光線(xiàn)寬成反比關(guān)系：2）方向性好激光的發(fā)光面積僅限于0.2cm",并且局限在很小的發(fā)散角內(nèi)發(fā)光。工業(yè)上用于準(zhǔn)直測(cè)量與指示；醫(yī)用激光刀3）高亮度 10A14-17W/ （cmA2 * Sr） 激光亮度高是因?yàn)榉较蛐院眉す饬炼龋壳蛎娑鹊墓β?，W/sr）,光束的強(qiáng)度可用透鏡增大，但亮度不會(huì)。在使用焦點(diǎn)透鏡對(duì)激光聚焦的時(shí)候，可使輸出光束的強(qiáng)度大于輸入光束強(qiáng)度，然而輸出光束的發(fā)散度也

6、因此而大于輸入光束的發(fā)散度，因此亮度保持不變 亮度才是反映激光本身特性指標(biāo)的參數(shù)。4）相干性（振動(dòng)方向、頻率相同，恒定相位差）好 分為空間（橫向）相干性和時(shí)間（縱向）相干性 空間相干性：同一時(shí)間內(nèi)發(fā)光面上不同兩點(diǎn)輻射的相干性。相干面積越大空間相干性越好； 時(shí)間相干性：光源中統(tǒng)一輻射元在不同時(shí)間輻射出的光束之間的相干性。 光源的單色性越好，譜線(xiàn)寬度越窄，相干時(shí)間越長(zhǎng)。 激光的譜線(xiàn)寬度與激光在其共振腔內(nèi)沿軸方向形成的每一種穩(wěn)定駐波形式的光振蕩方式（即縱模）有關(guān)，對(duì)于多模振蕩的激光器，單色性取決于縱模數(shù)，所以激光的時(shí)間相干性與縱模有關(guān)。 單色性好，發(fā)散角窄，時(shí)間空間相干性好 時(shí)間相干性歸納為單色性，

7、激光全息術(shù)測(cè)定牙的材料性質(zhì)和應(yīng)變，骨的應(yīng)力等。5）激光的偏振性所有激光都是偏振光激光工作物質(zhì)本身會(huì)導(dǎo)致電矢量在某一方向上有優(yōu)先取向。多數(shù)固體工作物質(zhì)在略高于閾值水平工作時(shí)，其輻射幾乎只在一個(gè)平面振動(dòng)；許多氣體激光器都以布儒斯特窗作為輸出窗以減少某一振動(dòng)面的損失。一一激光高度平面偏振。第二章激光器的種類(lèi)和激光的特性參數(shù)與測(cè)量一、激光器的分類(lèi)1、按發(fā)光粒子分：原子，粒子，分子，自由電子2、按工作物質(zhì)分：優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)工作物質(zhì)氣體激光器單色性高，波長(zhǎng)分布 廣，工作物質(zhì)有原子， 分子，離了輸出功率?。ㄒ?yàn)闅怏w 密度低），體積大，能 量轉(zhuǎn)換率低He-Ne,二氧化碳液體激光器波長(zhǎng)可調(diào)諧，可在一 定波長(zhǎng)范圍內(nèi)連續(xù)

8、改 變相干性差，染料溶液易 老化有機(jī)染料溶液和含有稀土金屬 離子的無(wú)機(jī)化合物固體激光器能量高，功率大譜線(xiàn)分布.窄，單色性差將能夠產(chǎn)生受激輻射作用的金 屬離子按一定比例人工摻入到 晶體或玻璃基質(zhì)中制成的晶體 棒貨玻璃棒半導(dǎo)體激光 器體積小，重量輕，效 舉局，速度快，波長(zhǎng)相干性差范圍寬，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單準(zhǔn)分子激光 器波長(zhǎng)短，功率高，輸 出波長(zhǎng)從真空紫外到 可見(jiàn)光區(qū)毒性大，消耗氣體要加 氣由受激的稀有氣體原子和鹵素 原子結(jié)合成的準(zhǔn)分子自由電子激較大范圍內(nèi)連續(xù)改變 波長(zhǎng)輸出局強(qiáng)度高功 率激光裝置大，運(yùn)作復(fù)雜高能自由電子束3、按工作方式分類(lèi)：1）連續(xù)激光器：對(duì)工作物質(zhì)連續(xù)激勵(lì)從而能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)產(chǎn)生激光輻射2）脈沖

9、激光器：較短時(shí)間內(nèi)施加較強(qiáng)激勵(lì)，使激光工作物質(zhì)獲得較大程度的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，然后在萬(wàn)分之幾秒至億分之 幾秒內(nèi)輸出一個(gè)較強(qiáng)的激光脈沖。單脈沖激光器，重復(fù)脈沖激光器激光打孔，臨床視網(wǎng)膜凝結(jié)，虹膜切除。3）巨脈沖激光器：提高激光輸出功率，一億份之幾秒至十億分之一秒內(nèi)釋放總結(jié)：1）氮就激光器（方向性，單色性，相干性最好）最早用，檢測(cè)，止血，針灸。糖尿病末期眼角膜出血，小腿潰瘍，用 此治療。2）二氧化碳去痣3） Ar離子檢測(cè)分析，喇曼4）氮?dú)夤饧羧?、激光的參?shù)與測(cè)量1、能量測(cè)量能量的方法按激光束在接受元件上所產(chǎn)生的物理效應(yīng)分類(lèi)：1）光熱法：基于光的熱效應(yīng)，測(cè)量吸收體吸收光輻射后發(fā)生的溫度變化。 吸收體+熱電

10、轉(zhuǎn)換元件（前二者為探頭）+顯示器 吸收體：反射率低，對(duì)各種波長(zhǎng)的光輻射有廣譜吸收的材料，結(jié)構(gòu)特殊以最大吸收激光能量 優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高（0.1 J）,測(cè)量范圍大（1mW-5kW）,重復(fù)性好。 缺點(diǎn)：兩次測(cè)量之間必須使吸收體恢復(fù)到環(huán)境溫度，因此測(cè)量時(shí)間間隔大2）光電法：根據(jù)光電效應(yīng)中光能與物質(zhì)產(chǎn)生的電流成正比 光電管，半導(dǎo)體光電元件兩類(lèi) 對(duì)光的響應(yīng)時(shí)間快（10A-9s）,恢復(fù)快，對(duì)波長(zhǎng)有限制，量子效率不高有疲勞效應(yīng)。3）光壓法2、功率/光強(qiáng)度（光輻射通量密度）1）光強(qiáng)就是光波的波印廷矢量的平均值：例題：假定一車(chē)出功率為1.0mW的氨速激光器其輸出光束直徑為2mm,且該光束的發(fā)散度可以忽略，求該光束的

11、光能量密度，光強(qiáng)度和光波電場(chǎng)強(qiáng)度。3、脈寬與波形1）用示波器測(cè)量脈寬，同時(shí)給出了輸出的波形2） Q開(kāi)關(guān)激光脈寬的測(cè)量用光電倍增管或發(fā)光二極管作為轉(zhuǎn)換元件，精度達(dá)I。'9s3）對(duì)脈寬為Ps （皮秒，10A-12S）的鎖模激光脈沖持續(xù)時(shí)間的測(cè)量用條紋照相機(jī)4、波長(zhǎng)或光譜1）測(cè)量可見(jiàn)光波長(zhǎng)用光譜比較法2）法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具，光學(xué)多道分析儀5、方向性1）打靶法，套孔法，光楔法，圓環(huán)法6、激光輸出模式1）縱模：輸出波長(zhǎng)的單色性問(wèn)題，為光譜的測(cè)量；橫模：激光輸出能量的空間分布2）直接觀(guān)察法：3）掃描法，顯色硅膠紅外激光顯示屏第三章：光與生物組織的相互作用一、光與生物組織和材料的相互作用方式（2種）

12、1、光的吸收1）光在照射生物組織時(shí)，當(dāng)其光子的能量hv與組織的原子或分子的躍遷能級(jí)相同時(shí)，光能便被生物組織或材料所吸收。一一大多數(shù)轉(zhuǎn)化為熱能2。生物組織材料對(duì)不同波長(zhǎng)（或頻率）光波的吸收本領(lǐng)不同。選擇性吸收一一用于識(shí)別某種元素或化合物的存在，對(duì) 特定生物組織材料的選擇性作用。3）當(dāng)光源為高強(qiáng)度的脈沖激光時(shí)，會(huì)發(fā)生一個(gè)分子吸收多個(gè)光子的非線(xiàn)性吸收現(xiàn)象，為多光子吸收。2、光的散射（波長(zhǎng)越短，散射越厲害）1）當(dāng)照射到物質(zhì)上的光遠(yuǎn)離該物質(zhì)的吸收譜帶時(shí)，物質(zhì)的分子會(huì)被光的電磁波所極化，其電荷分布被光波的電場(chǎng)所位 移。光波正旋變化的電磁場(chǎng)會(huì)引起電子在分子內(nèi)進(jìn)行正旋振蕩，這種振蕩電荷使每個(gè)分子像一個(gè)小天線(xiàn)一

13、樣，會(huì)在非 入射光方向的方向上輻射能量，這就是散射現(xiàn)象。2）瑞利散射（分子散射）特點(diǎn)：a：散射光頻率與入射光頻率相同b:散射強(qiáng)度隨與r的平方減少c:散射強(qiáng)度與入射光波長(zhǎng)的四次方成反比d:散射光強(qiáng)度隨散射角變化可通過(guò)測(cè)量散射光瑞利散射比來(lái)確定分子量，迪轉(zhuǎn)半徑和第二維里系數(shù)3）布里淵散射：因?yàn)槲镔|(zhì)介質(zhì)中存在彈性熱波而在電磁波傳播方向的介質(zhì)空間引起隨時(shí)間變化的密度漲落而引起4）喇曼散射：由于物質(zhì)的分子振動(dòng)引起分子極化率隨時(shí)間變化而產(chǎn)生5）各種散射都是由于散射體的光學(xué)不均勻性產(chǎn)生的。6）廷德?tīng)柹⑸淙绻镔|(zhì)的光不均勻性結(jié)構(gòu)很大，數(shù)量級(jí)相當(dāng)于光波長(zhǎng)時(shí)，散射會(huì)相當(dāng)強(qiáng)，使得物質(zhì)呈現(xiàn)渾濁態(tài)二、光對(duì)組織的生物作用

14、機(jī)制（4種）1、熱作用1）定義：生物組織材料在吸收光能后，光能可轉(zhuǎn)變?yōu)槠浞肿拥恼駝?dòng)能和轉(zhuǎn)動(dòng)能，或通過(guò)熱弛豫使周?chē)姆肿荧@得平移 能（包括振動(dòng)能和轉(zhuǎn)動(dòng)能），從而產(chǎn)生熱量使溫度升高。2）光的溫?zé)嶙饔每墒姑?xì)血管擴(kuò)張，使血流量增加，結(jié)果還可以使加熱區(qū)改善供血和營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。3）溫度變化與反應(yīng)可引起溫?zé)岣杏X(jué)，作用相當(dāng)理療上的熱敷，長(zhǎng)時(shí)間照射都不會(huì)引起熱致?lián)p傷。腫瘤細(xì)胞死亡，正常細(xì)胞沒(méi)事可引起熱致紅斑，但在溫度回復(fù)正常時(shí)，可自行消退?？稍跀?shù)秒鐘之內(nèi)產(chǎn)生熱致水泡，出現(xiàn)灼熱感和痛覺(jué)組織蛋白質(zhì)熔融約10秒鐘之內(nèi)發(fā)生熱致凝固發(fā)生熱致汽化熱致炭化現(xiàn)象，皮膚組織和細(xì)胞在熱作用下立刻發(fā)生干性壞死，迅速呈棕黑色的現(xiàn)象熱致燃

15、燒，此時(shí)組織和細(xì)胞會(huì)燃燒，可見(jiàn)火光熱值氣化，當(dāng)皮膚溫度在瞬時(shí)內(nèi)驟升到超過(guò)此溫度時(shí)，皮膚組織會(huì)由固體立刻變?yōu)闅怏w2、光化作用1）光直接引起化學(xué)反應(yīng)的作用2）過(guò)程：電子激發(fā)態(tài)分子直接聯(lián)系再一起的原初光化學(xué)反應(yīng)，原初光化學(xué)反應(yīng)生成不穩(wěn)定產(chǎn)物后在有光或無(wú)光環(huán)境下 發(fā)生后繼化學(xué)反應(yīng)，直至生成穩(wěn)定的最終產(chǎn)物。3）特點(diǎn)：a：光化作用具有波長(zhǎng)選擇性，只有適當(dāng)量子能量的光子才會(huì)引起反應(yīng)。350-700nm的近紫外光和可見(jiàn)光光化學(xué)第一定律：只有被分子吸收的光子才能在系統(tǒng)中導(dǎo)致光化學(xué)反應(yīng)。b：對(duì)于確定波長(zhǎng)的光，其光化效應(yīng)則只決定與光的總能量總能量=光強(qiáng)*時(shí)間C：對(duì)高密度激光有非線(xiàn)性吸收效應(yīng)（多光子吸收）4）光化作用

16、類(lèi)型：A：光致分解因吸收光能而導(dǎo)致化學(xué)分解反應(yīng)的過(guò)程B:光致氧化光作用下使反應(yīng)物失去電子的過(guò)程C:光致聚合用光照使受照物形成二聚體或三聚體等簡(jiǎn)單分子，或是促成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)而形成大分子D:光致敏化生物系統(tǒng)所特有的由光引起的在敏化劑幫助下發(fā)生的一種化學(xué)反應(yīng)。光動(dòng)力學(xué)療法：血嚇咻類(lèi)，用于進(jìn)行腫瘤的識(shí)別和選擇性治療光敏化劑特點(diǎn)：有準(zhǔn)確的藥理定義，化學(xué)穩(wěn)定，水溶性，高度選擇性，短時(shí)間低光能下便可光敏化，吸收波長(zhǎng)長(zhǎng)，可快速消除皮膚光敏弱，治療效果好E:多光子紅外光化反應(yīng)F:激光分離同位素利用同位素在光譜中有微小的位移，以及激光的高度單色性來(lái)進(jìn)行的。3、機(jī)械作用1）機(jī)械作用包括：光輻射壓強(qiáng)效應(yīng)；電致伸縮；受激布

17、里淵散射；電擊穿；剝裂效應(yīng)；因光學(xué)擊穿引起的等離子體沖擊波4、激光生物刺激作用1）定義：以低功率激光照射生物組織上時(shí)所產(chǎn)生的一種可刺激蛋白合成，促進(jìn)生物細(xì)胞生長(zhǎng)分裂，提高酶活性，并可 產(chǎn)生促進(jìn)傷口愈合、骨折再生、消炎鎮(zhèn)痛等效應(yīng)的非熱作用。2）升溫不超過(guò)0.5度，常用紅外波段激光3）特點(diǎn)：A:累積效應(yīng)：多次小劑量的輻射可引起與一次大劑量輻射大致一樣的生物效應(yīng)，只要兩者總劑量一樣。B:拋物線(xiàn)效應(yīng)：生物體對(duì)激光照射的響應(yīng)隨照射次數(shù)的增加先是逐漸增強(qiáng)，到10-17次達(dá)到最大值，再照射下去響應(yīng)便會(huì)逐漸減弱，然后在超過(guò)某一定值時(shí)會(huì)從刺激作用變成抑制作用。C:時(shí)季效應(yīng)：在不同季節(jié)和時(shí)段照射，即使劑量相同，效

18、應(yīng)也不同。秋冬強(qiáng)。第四章 生物組織的光學(xué)特性一、皮膚的光學(xué)特性1、反射1）是漫反射不是鏡面反射2）反射與光波長(zhǎng)有關(guān)：A:皮膚對(duì)紅色光和近紅外光之間的波長(zhǎng)反射率較大B:各種膚色皮膚對(duì)波長(zhǎng)短于 0.3科m的紫外線(xiàn)和波長(zhǎng)長(zhǎng)于 2dm的遠(yuǎn)紅外線(xiàn)反射率一樣C:可見(jiàn)光范圍內(nèi)白色皮膚的反射率大于黑色皮膚D:白色皮膚對(duì)氨就激光的反射率為二氧化碳的10倍E:在可見(jiàn)光的范圍內(nèi)不論白或黑皮膚對(duì)光的反射隨波長(zhǎng)增加而增加2、吸收和投射1）皮膚主要吸光物質(zhì)：含氧血紅蛋白（418,542,577mm）,黑色素（廣譜），水（紅外）；真皮中吸收可見(jiàn)光的主要成分：血紅蛋白，氧合血氧蛋白，B-胡蘿卜素，膽紅素2）對(duì)光的吸收遵從指數(shù)衰減規(guī)律3）因?yàn)槠つw是不均勻的吸收體，其吸收系數(shù)科是一等效值4）對(duì)光的吸收系數(shù)越大，則光的投入深度越淺二、眼的光學(xué)特性1、特點(diǎn)：A:角膜對(duì)波長(zhǎng)短于 0.28科m的遠(yuǎn)紫外線(xiàn)吸收率接近 100%,對(duì)于波長(zhǎng)1.9科m以上的中紅外線(xiàn)和遠(yuǎn)紅外線(xiàn)，角膜是唯一的吸收體，所以角膜容易遭受遠(yuǎn)紅外線(xiàn)加熱，使其燒傷B：晶狀體對(duì)紫外線(xiàn)的吸收類(lèi)似角膜，晶狀體是近紅外線(xiàn)0.78-1.4 m的主要吸收體，且波長(zhǎng)越長(zhǎng)吸收率越大。玻璃體對(duì)光波長(zhǎng)沒(méi)有特征吸收，故僅因其厚度而減弱光線(xiàn)C:只有可見(jiàn)光和近紅外線(xiàn)到達(dá)眼底，小部分為眼底反射，大部分通過(guò)視網(wǎng)膜的十層結(jié)構(gòu)。色素上