激光及其醫(yī)學應用

1、教學基本要求 掌握激光的基本原理與特性。 理解激光的生物作用。 了解激光在基礎醫(yī)學研究與臨床中的應用、醫(yī)用激光器、激光的危害與防護等方面的知識。 激光激光（laser）是受激輻射光放大（light amplification by stimulated emission of radiation）的簡稱，愛因斯坦在1916年提出了“受激輻射”的理論假設，預言受激輻射（stimulated radiation）的存在和光放大的可能。湯斯于1954年制成受激輻射微波放大器，梅曼于1960年制成世界上第一臺激光器紅寶石激光器。1961年9月我國第一臺紅寶石激光器在中國科學院長春光學精密機械研究所誕生

2、，1964年12月著名科學家錢學森給laser起了中文名字“激光”。第一節(jié) 激光的基本原理一、粒子的能級與輻射躍遷（1） 能級能級: 構成物質的粒子（分子、原子、離子等）的不同的能量狀態(tài)，稱能級狀態(tài)，簡稱能級（或能態(tài)）。（2）基態(tài)與激發(fā)態(tài)：基態(tài)與激發(fā)態(tài)：粒子最低的能級稱為基態(tài)，其他的能級狀態(tài)稱為激發(fā)態(tài)。1. 粒子的能級與平均壽命粒子的能級與平均壽命E1E2E3E4 En（3） 平均壽命與亞穩(wěn)態(tài)：平均壽命與亞穩(wěn)態(tài)：大量粒子在某激發(fā)態(tài)停留時間的平均值稱為該激發(fā)態(tài)的平均壽命，一般約10-9s10-7s。某些粒子的激發(fā)態(tài)平均壽命較長，約10-3s10-2s，這種激發(fā)態(tài)稱為亞穩(wěn)態(tài)。2. 粒子間的能級躍遷

3、粒子間的能級躍遷（1 1）躍遷：躍遷：粒子的能級變化統(tǒng)稱為躍遷。粒子在能級之間實現(xiàn)躍遷必然伴隨與外界交換能量的過程。 躍遷只在滿足“選擇定則”的能級之間才能實現(xiàn)，各能級之間躍遷的概率并不一致。（2）輻射躍遷：輻射躍遷：以光能形式吸收或釋放稱為輻射躍遷或光輻射。（3）無輻射躍遷：無輻射躍遷：以非光能形式吸收或釋放稱為無輻射躍遷。（4）受激吸收：受激吸收：當光通過物質時，處于低能級E1的粒子吸收一個能量hv=E2-E1的光子而向高能級E2躍遷的過程。（5）自發(fā)輻射：自發(fā)輻射：自發(fā)地從激發(fā)態(tài)向較低能態(tài)躍遷同時釋放出光子的過程。E1E2hv=E2- -E1E1E2hv=E2- -E1（6）受激輻射：受

4、激輻射：一個處于高能級E2的粒子受到一個能量hv =E2-E1的光子“誘發(fā)”而躍遷到低能級E1，同時釋放一個與“誘發(fā)”光子特性完全相同的光子的過程。 在光與粒子系統(tǒng)相互作用所實際發(fā)生的輻射躍遷中，以上三種基本過程總是不可分割地同時存在。然而在不同的條件下它們各自發(fā)生的概率不同，因此總的宏觀效果也不同。究竟哪一種躍遷占優(yōu)勢?這要由系統(tǒng)中各能級上分布的粒子數(shù)情況決定。 E1E2hv=E2- -E1hvhv二、粒子數(shù)反轉分布1. 粒子數(shù)按能級分布粒子數(shù)按能級分布 在溫度為T的熱平衡態(tài)，系統(tǒng)中粒子數(shù)按能級服從玻耳茲曼能量分布定律。 設處于高能級E2與低能級E1的粒子數(shù)密度分別為N2與N1，而在兩能級間

5、躍遷時，各自變化N2與N1，有: N2N1，N2/N11的分布。 這種分布在輻射躍遷中將使受激輻射占優(yōu)勢，系統(tǒng)對入射光將有光放大的效果。 E1E2E1E3E2 (亞穩(wěn)態(tài))（2）實現(xiàn)反轉分布的兩個條件實現(xiàn)反轉分布的兩個條件 介質有兩個以上與反轉分布有關且有亞穩(wěn)態(tài)的能級結構，這種能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布的介質稱為激活介質； 有外界能源供給能量，使在正常分布下處于低能態(tài)的大量粒子盡快被激發(fā)或抽運到較高能態(tài)。 hv=E2- -E1激勵抽運無輻射躍遷全全反反射射鏡鏡半半反反射射鏡鏡 經(jīng)光學諧振腔輸出的光才是激光。 激光激光輸出輸出工作物質工作物質三、光學諧振腔三、光學諧振腔 1. 光學諧振腔光學諧振腔（1）

6、光學諧振腔：光學諧振腔：使受激輻射在有限體積的激活介質中能持續(xù)進行，光可被反復放大最終形成穩(wěn)定振蕩的裝置。（2）損耗因素損耗因素 內損耗，由于介質對光的折射、散射、吸收等造成的損耗；鏡損耗，由于反射鏡產(chǎn)生的吸收、散射、衍射、透射(包括輸出的激光)等造成的損耗。（3）品質因數(shù)品質因數(shù)Q PEQ2式中v 為諧振腔內電磁波振蕩頻率， E為諧振腔內儲存的能量，P是單位時間損耗的能量。2. 激光的模式（電磁場在腔內的振蕩方式）激光的模式（電磁場在腔內的振蕩方式）（1）縱向模式縱向模式（縱模）：（縱模）： 電磁場沿諧振腔軸向（z軸方向）的振蕩方式。 光在腔中來回反射形成相干疊加，只有滿足特定相位差條件的光

7、才能形成穩(wěn)定的駐波，因此腔中只能允許某些特定頻率的光在其中持續(xù)振蕩。不同的縱模表達光波在腔內軸向不同的駐波場分布。 每一種分布稱為一個橫模. 常用TEMmn來表示激光橫模，TEM表示電磁波，m、n為正整數(shù)（橫模指數(shù)），m和n分別表示在x和y方向上（軸對稱情況）光場為零的次數(shù)。（2）橫模：橫模：電磁場沿諧振腔徑向（x、y軸方向）的穩(wěn)定分布，即激光束在其橫截面上的光強或光斑分布。激光橫模示意圖 使受激輻射光放大過程能在有限體積的激活介質中持續(xù)進行，且在滿足閾值條件下形成光振蕩，輸出激光； 對輸出激光束的方向給予限定； 有選頻作用； 調整激光的模式； 通過調Q、鎖模等技術以改善激光的輸出波形。3.

8、光學諧振腔的主要作用光學諧振腔的主要作用四、激光器的基本結構四、激光器的基本結構 1. 工作物質工作物質工作物質工作物質: : 激活介質與一些輔助物質。工作能級工作能級: : 激活介質內激活粒子的能級中參與受激輻射，即與出現(xiàn)反轉分布有關的能級稱為工作能級。諧振腔諧振腔工作物質工作物質全反射鏡全反射鏡部分反射鏡部分反射鏡激勵裝置激勵裝置激光激光“三能級三能級” 系統(tǒng)系統(tǒng)（紅寶石激光器為例）（紅寶石激光器為例）Cr3+的能級圖 4A24F14F22ER2R1A2E 能量能量（eV) ) Y吸吸收收譜譜躍躍遷遷U吸吸收收譜譜躍躍遷遷0123E1E4E3E2“四能級四能級” 系統(tǒng)系統(tǒng) 四能級系統(tǒng)實現(xiàn)粒

9、子數(shù)反轉圖 激勵抽運無輻射躍遷自發(fā)輻射受激輻射吸收 激勵裝置也稱泵浦源，其作用就是向工作物質提供能量，使激活介質中的粒子被抽運到高能態(tài)上以便實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布。 由于供能形式不同，激勵裝置可有電子注入、光學泵浦、氣體放電泵浦、粒子束泵浦、化學泵浦、熱泵、核泵以及用一種激光器去泵浦另一種激光器等等之分。2.激勵裝置激勵裝置 1951年莫茨（Motz）提出運動速度接近于光速的電子（稱相對論電子）通過周期性變化的磁場或電場時會產(chǎn)生相干輻射,輻射的頻率取決于電子的速率。自由電子激光器以真空中的相對論電子束為工作物質，通過泵浦場（周期磁場或電磁場）的相互作用產(chǎn)生激光。自由電子激光器可以同時具備高功率、高

10、效率、寬波長可調諧范圍等優(yōu)點。 中國科學院高能物理研究所于1993年制成我國第一臺紅外自由電子激光裝置。 自由電子激光的產(chǎn)生機制不同于前述激光。與普通激光器基于分子、原子能級間躍遷產(chǎn)生激光不同，自由電子激光是利用自由電子受激輻射產(chǎn)生激光。第二節(jié)第二節(jié) 激光的特性激光的特性一、方向性好一、方向性好 發(fā)散角是衡量光束方向性好壞的標志，方向性表明光能量在空間分布上的集中性。 激光束的發(fā)散角一般在10-2rad10-4rad，與普通光束比相差10倍104倍。 普通光源發(fā)出的自然光射向四面八方，常常使用聚光裝置來改善它的方向性。 二、亮度高、強度大二、亮度高、強度大 亮度是衡量光源發(fā)光強弱程度的標志，表

11、明光源發(fā)射的光能量對時間與空間方向的分布特性。 激光器由于其輸出端發(fā)光面積小，光束發(fā)散角小，輸出功率大，而使其亮度高，尤其是超短脈沖激光的亮度可比普通光源高出1012倍1019倍。因此，激光器是目前世界上最亮的光源。三、單色性好三、單色性好 譜線寬度是衡量單色性好壞的標志，譜線寬度越窄，顏色越純，則單色性越好。單色性表明光能量在頻譜分布上的集中性。 普通光源發(fā)出自然光的光子頻率各異，含有各種顏色。 激光則由于受激輻射的光子頻率(或波長)相同與諧振腔的選頻作用而使其具有很好的單色性。四、相干性好四、相干性好 自發(fā)輻射產(chǎn)生的普通光是非相干光，而受激輻射光子的特性使激光具有良好的相干性。光的時間相干

12、光的時間相干 同一地點、不同時刻發(fā)出的光相干。 光的空間相干光的空間相干 同一時刻、不同地點發(fā)出的光相干。 激光的時間相干性很好 ,空間相干性也很好。 激光器的問世，促使相干技術獲得飛躍發(fā)展，全息攝影才得以實現(xiàn)。五、偏振性好五、偏振性好 受激輻射的特點表明激光束中各個光子的偏振狀態(tài)相同。利用諧振腔輸出端的布魯斯特窗在臨界角時只允許與入射面平行的光振動通過，可輸出偏振光，并可對其調整。因此，激光具有良好的偏振性。 激光的特性可概括為兩大方面激光的特性可概括為兩大方面: : 與普通光源相比，激光器所輸出的光能量的特別之處不在于其大小而在于分布特性，即光能量在空間、時間以及頻譜分布上的高度集中，使激

13、光成為極強的光。 激光是單色的相干光，而普通光是非相干光。第三節(jié)第三節(jié) 激光的醫(yī)學應用激光的醫(yī)學應用一、激光的生物作用一、激光的生物作用 激光的生物作用激光的生物作用 激光對生物組織所施加的作用，并存在于由此引發(fā)的一系列理化過程之中，稱為激光的生物作用。激光的生物效應激光的生物效應 生物組織因受激光照射而出現(xiàn)的各種應答性反應、效果或變化稱為激光的生物效應。強激光與弱激光強激光與弱激光 在醫(yī)學領域，激光對被其照射之生物組織，若能直接造成不可逆性損傷的激光者稱其為強激光；若不能直接造成不可逆性損傷者稱其為弱激光。1.熱作用熱作用 生物組織在激光照射下吸收光能轉化為熱能，溫度升高，這即是熱作用。 低

14、能量光子(紅外激光)可使組織直接生熱，高能量光子(可見與紫外激光)則多需經(jīng)過一些中間過程而使組織生熱。2.機械作用機械作用 激光照射生物組織，可直接或間接產(chǎn)生對組織的壓強稱為激光的機械作用，也稱為激光的壓強作用。 生物大分子吸收激光光子的能量受激活而引起生物組織內一系列的化學反應稱之為光化反應。激光照射直接引起機體發(fā)生光化反應的作用稱為光化作用。3.光化作用光化作用4.電磁場作用電磁場作用 激光是電磁波，激光對生物組織的作用就是電磁場對生物組織的作用。 一般認為這一作用主要是電場所致。 5.生物刺激作用生物刺激作用 生物刺激作用主要是弱激光的作用。弱激光對生物過程、對神經(jīng)、通過體液或神經(jīng)-體液

15、反射而對全身、對機體免疫功能等都有刺激作用，可產(chǎn)生促進血紅蛋白的合成，糜蛋白酶的活性，細菌的生長，白細胞的噬菌作用，腸絨毛的運動，毛發(fā)的生長，皮膚、黏膜的再生，創(chuàng)傷、潰瘍的愈合，燒傷皮片的長合，骨折再生，消炎等生物效應。二、激光在基礎醫(yī)學研究中的應用二、激光在基礎醫(yī)學研究中的應用 1. 激光對生物分子、細胞組織的作用與效應激光對生物分子、細胞組織的作用與效應（1）生物分子生物分子：激光作為刺激源可在分子水平上調整蛋白質與核酸的合成與活性；影響DNA的復制、各種酶的活性與功能、氨基酸的變化等。（2）細胞：激光通過對細胞的作用而影響細胞的增殖、分化、遺傳、發(fā)育、凋亡、代謝以及免疫等過程或功能。而且

16、這種影響往往還有雙向作用，其含義有兩層：一是照射劑量小則興奮，大則抑制；二是可使細胞功能從不同方向的偏離恢復正常。 （3）組織：激光照射組織，當劑量足夠大時將造成對組織的損傷直至完全破壞。 這種損傷分為熱損傷與非熱損傷兩大類。熱損傷熱損傷 由于熱作用導致組織的凝固、汽化（包括炭化、燃燒）、氣化所造成的。非熱損傷非熱損傷 機械作用導致的沖擊波對組織的損傷，甚至遠距離損傷；強電場作用導致的光擊穿或產(chǎn)生等離子體；光化作用導致的光化激活組織，發(fā)生光化反應造成對組織的損傷等。2.用于基礎醫(yī)學研究的激光技術用于基礎醫(yī)學研究的激光技術 （1）激光微光束技術激光微光束技術 激光經(jīng)透鏡或顯微鏡光學系統(tǒng)聚焦后可形

17、成強度很高而光斑直徑在微米量級的微光束。利用此微光束可進行細胞水平的研究，形成激光的光鑷術、顯微照射術、細胞打孔術、細胞融合術等以實現(xiàn)對細胞進行俘獲、轉移、穿孔、移植、融合及切斷等微操作。 激光微光束還可用于激光微探針分析術，即標本的微區(qū)在激光微光束照射下被汽化，同時用攝譜儀或質譜儀記錄，進行微量和痕量元素的定性或定量分析。 讓染色細胞在穩(wěn)定的液體流動中排隊成行，逐個依次恒速通過激光束的焦斑區(qū)。用探測器檢測細胞被激光照射后所發(fā)出的熒光與散射光并經(jīng)計算機處理而自動顯示結果。它可對細胞逐個進行定量分析與分選，其特點是分析速度快、靈敏度高、分選純度高、可對一個細胞同時定量測定多種參數(shù)（如DNA、RN

18、A含量、細胞體積等）等。 （2）激光流式細胞計激光流式細胞計 拉曼散射的頻率與瑞利散射的頻率之差稱為拉曼頻移，由于拉曼頻移與物質分子的振動、轉動能級結構有關，而與入射光頻率無關，故可用拉曼光譜對生物分子進行結構分析。因拉曼散射的強度只有瑞利散射的萬分之一，一般不易觀測到。只有用高強度、高單色性以及譜線范圍寬廣的激光作激發(fā)光源，才使激光拉曼光譜具有實用意義。（3）激光拉曼光譜技術激光拉曼光譜技術 當光子與物質分子相互作用時，除有與入射光頻率相同的瑞利散射線外，還有由于非彈性碰撞而在其譜線兩側對稱分布的散射光，這種散射稱為拉曼散射。 激光多普勒血流計可用于對人體甲皺、口唇、舌尖微循環(huán)與視網(wǎng)膜微血管

19、等的血流速度進行檢測。 激光多普勒電泳是應用激光多普勒效應與電泳技術結合的一種分析、檢測新技術，可快速自動準確地測量生物細胞及大分子的電泳遷移率、表面電荷、擴散系數(shù)等重要參量。 激光多普勒技術還用于對巨細胞質流、精子活力、眼球運動、耳聽力等的測定。（4）激光多普勒技術激光多普勒技術 利用激光照射運動物體所發(fā)生的光多普勒效應進行檢測的技術。 激光具有高度的時間與空間相干性，以它作光源才使全息術得以實現(xiàn)。激光全息顯微技術是激光全息術與光學顯微系統(tǒng)結合的產(chǎn)物。它具有分辨率高、像差小、景深大、能對活標本進行動態(tài)觀察等優(yōu)點，被用于對細胞的觀測分析。（5）激光全息顯微技術激光全息顯微技術全息術全息術 利用

20、光的干涉在底片上記錄被攝物體反射光的頻率、強弱與相位信息，再利用光的衍射重現(xiàn)被攝物體的三維空間圖像的技術。 除上述外，激光掃描共焦顯微術、鏡還有激光熒光顯微技術、激光漂白熒光恢復測量技術、激光掃描細胞計等激光技術用于基礎醫(yī)學研究。三、激光的臨床應用三、激光的臨床應用 1. 激光診斷方法激光診斷方法 激光光譜分析法（熒光光譜、微區(qū)光譜、拉曼光譜等）、激光干涉分析法（全息術、干涉條紋視力測定、視覺對比敏感度測量、散斑技術等）、激光散射分析法（多普勒技術、靜態(tài)和動態(tài)散射技術、閃爍細胞計等）、激光衍射分析法（用于測紅細胞變形能力）、激光透射分析法（用于檢查軟組織腫物）、激光偏振法（用于鑒別腫瘤細胞）以

21、及其他激光分析法（流式細胞計、掃描檢眼鏡等）。2. 激光治療方法激光治療方法 （1）激光手術治療激光手術治療 以激光束代替金屬的常規(guī)手術器械對組織進行分離、切割、切除、凝固、焊接、打孔、截骨等以祛除病灶以及吻合組織、血管、淋巴管、神經(jīng)等。 （2）弱激光治療弱激光治療 激光理療（以弱激光為物理因子進行原光束、擴束、光纖與腔內照射的物理療法）、激光針灸（以微小的弱激光光束直接照射穴位，兼有針與灸的作用）與弱激光血管內照射療法（將弱激光引入靜脈照射循環(huán)血液的療法）。 激光激光（laser）是受激輻射光放大（light amplification by stimulated emission of radiation）的簡稱，愛因斯坦在1916年提出了“受激輻射”的理論假設，預言受激輻射（stimulated radiation）的存在和光放大的可能。湯斯于1954年制成受激輻射微波放大器，梅曼于1960年制成世界上第一臺激光器紅寶石激光器。1961年9月我國第一臺紅寶石激光器在中國科學院長春光學精密機械研究所誕生，1964年12月著名科學家錢學森給laser起了中文名字“激光”。第一節(jié) 激光的基本原理一、粒子的能級與輻射躍遷（1） 能級能級: 構成物質的粒子（分子、原子、離子等）的不同的能量狀態(tài)，稱能級狀態(tài)，簡稱能級（或能態(tài)）。（2）基態(tài)與激發(fā)態(tài)：基