激光醫(yī)學(xué)(生工09)3-1(1)(完整)

第三章醫(yī)用激光器(Medical

Laser

)授課教師趙箭光（1020301）

1.激光器的組成諧振腔工作物質(zhì)激勵系統(tǒng)固體激光器氣體激光器液體激光器半導(dǎo)體激光器按工作物質(zhì)分類2.激光器的分類三能級系統(tǒng)四能級系統(tǒng)3.工作物質(zhì)的能級系統(tǒng)E1E3三能級系統(tǒng)能級圖E4E3E2E1四能級系統(tǒng)能級圖第一節(jié)固體激光器一、概述二、摻釹釔鋁石榴石激光器三、紅寶石激光器一、概述激光電源醫(yī)用激光機(jī)的構(gòu)成激光器激光導(dǎo)光系統(tǒng)醫(yī)用激光機(jī)的發(fā)展趨勢體積小、易攜帶可光纖導(dǎo)光制造成本低可靠性高（基質(zhì)材料+摻雜離子）固體激光器工作物質(zhì)激勵燈聚光腔諧振腔（氪燈或氙燈）（橢圓腔、圓柱腔、緊包腔）基質(zhì)：晶體、玻璃、玻璃陶瓷摻雜離子：鉻、釹、鈥、鉺等離子

二、摻釹釔鋁石榴石激光器Nd:YAG激光器基本結(jié)構(gòu)Nd:YAG晶體呈淡紫色，摻雜濃度約1%Nd:YAG激光器結(jié)構(gòu)Nd:YAG晶體脈沖氙燈氙燈電源全反射鏡部分反射鏡橢圓聚光腔激光Nd:YAG晶體雙橢圓聚光腔脈沖氙燈全反射鏡部分反射鏡激光連續(xù)器件常用氪燈激勵，脈沖器件多用氙燈激勵。用摻鋰的石英玻璃做成的泵浦燈，能濾去紫外線氪燈發(fā)射光譜的峰值波長為LD泵浦Nd:YAG激光器工作原理Nd:YAG屬四能級結(jié)構(gòu)Nd:YAG能級圖躍遷閾值輸出特性Nd:YAG

激光器轉(zhuǎn)換效率高，輸出功率大。單根晶體棒工作時輸出功率可達(dá)百瓦，多模輸出。Nd:YAG激光器的波長處于各類導(dǎo)光纖維最佳透過率的范圍內(nèi)。Nd:YAG

激光器的輸出波長為倍頻Nd:YAG

激光器倍頻Nd:YAG三倍頻四倍頻磷酸氧鈦鉀

(KTP)KTP用于各種固體激光系統(tǒng)，特別是Nd:YAG

激光器的倍頻和光參量振蕩

YAG

激光器的優(yōu)點(diǎn)可光纖導(dǎo)光；可接觸式手術(shù)；價格低；故障少；易維修。不需自來水冷卻，可內(nèi)部循環(huán)水冷卻；三、紅寶石激光器紅寶石激光器基本結(jié)構(gòu)紅寶石晶體呈淡紅色，摻雜濃度常用高電流密度的氙燈激勵脈沖工作方式；氙燈電源反射鏡反射鏡氙燈（用來激發(fā)激光）紅寶石介質(zhì)（激光介質(zhì)）激光紅寶石能級圖工作原理紅寶石晶體屬三能級結(jié)構(gòu)輸出特性紅寶石激光器的輸出波長為紅寶石激光器轉(zhuǎn)換效率低，發(fā)散角較大。器件總效率約為紅寶石激光可裝成檢眼鏡形式，做成手握式眼科凝固器；還可裝在裂隙燈上做成固定的眼科治療機(jī)。激光治療儀

脈沖Ho:YAG激光治療儀

（德國,0.8μm,3J,20Hz,光纖輸出）

脈沖Er:YAG激光治療儀

（美國,2.94μm,30w,2J,七關(guān)節(jié)輸出）第二節(jié)氣體激光器一、CO2激光器二、Ar+激光器三、He—Ne

激光器氣體激光器一般采用電激勵源常見的氣體激光器有氦－氖、CO2

激光器等固體激光器的特點(diǎn)：效率較高，能以脈沖和連續(xù)兩種方式工作一、二氧化碳激光器二氧化碳激光器基本結(jié)構(gòu)二氧化碳激光器是一種氣體分子激光器，二氧化碳激光器的工作物質(zhì)是氣體，輔助氣體有等。最常見的是封離型內(nèi)腔式工作原理電子碰撞激勵電子碰撞激勵基態(tài)（000）、分子能級躍遷CO2激光器結(jié)構(gòu)圖輸出特性輸出功率最大可達(dá)數(shù)千瓦。激光器的輸出波長為激光器能量轉(zhuǎn)換率高達(dá)到25%與生物組織作用時，幾乎被生物組織內(nèi)的表層吸收，因此容易控制切割深度。二、Ar+激光器Ar+激光器基本結(jié)構(gòu)Ar+激光器是一種惰性氣體離子激光器放電管諧振腔軸向磁場水冷卻系統(tǒng)鎮(zhèn)氣瓶Ar基態(tài)Ar+基態(tài)Ar+工作原理第二次電子碰撞電子碰撞的能級圖輸出特性Ar+激光器是可見光區(qū)域中連續(xù)輸出功率最高的，能很好被血紅蛋白吸收，止血效果好。廣泛應(yīng)用于眼科、皮膚科、內(nèi)科等領(lǐng)域。Ar+激光器的輸出波長主要有和一般連續(xù)輸出幾瓦到幾十瓦，甚至幾百瓦。三、氦氖激光器氦氖激光器

氦氖氣體激光器是四能級系統(tǒng)氖原子在間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布s2s1Nes3s12s32Hep2p3撞電子碰撞激發(fā)電子碰激發(fā)管壁效應(yīng)自發(fā)輻射632.8nm共振轉(zhuǎn)移氦氖氣體的能級圖第三節(jié)其他激光器一、準(zhǔn)分子激光器二、半導(dǎo)體激光器三、染料激光器一、準(zhǔn)分子激光器工作物質(zhì)是稀有鹵化物準(zhǔn)分子：基態(tài)的稀有氣體原子化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不可能和其它原子結(jié)合成穩(wěn)定分子。但當(dāng)它們受到激發(fā)時，稀有氣體原子就可能從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，甚至被電離，這時很容易和另一個原子形成一個壽命極短的分子，這種處于激發(fā)態(tài)的分子稱受激二聚物，簡稱準(zhǔn)分子。ArF準(zhǔn)分子激光器基本結(jié)構(gòu)氣體1氣體2氣體3激光腔激勵源預(yù)電離源排氣真空泵激光準(zhǔn)分子激光器的結(jié)構(gòu)框圖工作原理ArF

準(zhǔn)分子的勢能曲線圖核間距激光輻射輸出特性輸出平均功率20瓦準(zhǔn)分子激光器的輸出波長為光束發(fā)散角左右二、半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實(shí)現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的。電子弛豫熒光或激光輻射電子弛豫導(dǎo)帶價帶電子費(fèi)米能級空穴費(fèi)米能級電子能量載流子動量泵浦半導(dǎo)體能帶和允許能級半導(dǎo)體激光器的特點(diǎn)：效率高、體積小、重量輕、工作電壓低、波長豐富、結(jié)構(gòu)簡單。半導(dǎo)體激光器缺點(diǎn)是輸出功率較小、方向性較差、發(fā)散角較大、單色性較差。波長為670±5nm，功率連續(xù)可調(diào)，最大光纖末端輸出功率2瓦醫(yī)用半導(dǎo)體激光器激光治療儀輸出特性半導(dǎo)體激光器輸出的波長在波段大功率半導(dǎo)體激光器在耳鼻喉科用于鼻息肉、聲帶息肉的切除；普外科等用于氣化切割手術(shù)。骨科用于腰椎間盤減壓術(shù)；波長可調(diào)諧；光針、低功率激光照射，激光血液內(nèi)照射療法已藍(lán)、綠光半導(dǎo)體激光器將簡化大型醫(yī)學(xué)和生物學(xué)的檢測設(shè)備。使用上半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體激光器可做泵浦源，還可做成激光流式細(xì)胞儀器的體積，擴(kuò)展了儀器的應(yīng)用范圍。計、DNA測序儀、共聚焦掃描儀的光源，半導(dǎo)體激光器待研究的課題：波長的擴(kuò)展，特別是短波長的發(fā)展；功率的提高?？s小了三、染料激光器工作物質(zhì)：有機(jī)染料溶液和無機(jī)化合物溶液染料激光器有機(jī)染料激光器的最大特點(diǎn)：發(fā)出的激光波長可在一段范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，而且效率也不會降低，因而它能起著大多數(shù)激光器不能起的作用。

液體染料激光器固體染料激光器第五節(jié)醫(yī)用激光器的導(dǎo)光系統(tǒng)一、光的全反射二、激光導(dǎo)光光學(xué)纖維三、激光導(dǎo)光關(guān)節(jié)臂系統(tǒng)需達(dá)到的技術(shù)要求：導(dǎo)光關(guān)節(jié)臂激光導(dǎo)光系統(tǒng)導(dǎo)光光學(xué)纖維（1）傳輸激光時保持激光的原有特性，即保持激光的平行性和相干性；（2）傳輸激光時激光功率損耗要盡量地??；（3）體積應(yīng)盡可能小，操作要靈活；（4）系統(tǒng)的輸出口處在任何位置時，輸出功率應(yīng)保持恒定；（5）能承受比較大的功率密度而不損壞；一、光的全反射發(fā)生全反射的條件①

光從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)；②入射角等于或大于臨界角．

光由光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時，折射角大于入射角，隨著入射角增大，反射光線越來越強(qiáng)，折射光線越來越弱，當(dāng)折射角增大到90°時，折射光線完全消失，只剩下反射光線，這種現(xiàn)象叫做全反射折射角θ2為90°時，發(fā)生全反射現(xiàn)象θ1θ3介質(zhì)NN'AOC空氣θ1θ2介質(zhì)NN'AOB空氣θ3Cθ1θ3光密介質(zhì)NN'AOC光疏介質(zhì)在研究全反射現(xiàn)象中，剛好發(fā)生全反射時的入射角，稱為臨界角當(dāng)光線從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時，如果入射角等于或大于臨界角，就發(fā)生全反射現(xiàn)象θ1≥臨界角發(fā)生全反射現(xiàn)象二、激光導(dǎo)光光學(xué)纖維階躍光纖梯度光纖纖芯光纖的組成色層保護(hù)層（折射率必須大于色層的）（導(dǎo)光纖維）纖芯折射率均勻一致纖芯與色層處折射率由高階躍變低。纖芯折射率自中心向界面方向呈拋物線規(guī)律逐漸減小，到纖芯與色層的界面處處折射率一樣。光纖的傳播方式光纖芯n1包層n21.光纖的傳輸性能三種石英光纖的性能比較a.石英包層光纖b.PCS–軟硅酮包層光纖c.TECS–硬聚氟包層光纖UV波長范圍：

石英光纖、PCS、TECSNIR范圍：

石英光纖衰耗最低、TECS稍低于PCS3.彎曲性能4.強(qiáng)度2.光纖的數(shù)值孔徑NA石英光纖0.10~0.22、PCS0.40、

TECS0.39~0.84石英光纖彎曲性能最低、PCS、TECS動態(tài)疲勞和靜態(tài)疲勞光纖纖徑越小彎曲性能越好三、激光導(dǎo)光關(guān)節(jié)臂操作手柄激光刀頭內(nèi)裝聚焦透鏡光關(guān)節(jié)臂轉(zhuǎn)動軸線與激光管的光軸同軸導(dǎo)光關(guān)節(jié)臂結(jié)構(gòu)示意圖反射鏡基座連接管軸承反射鏡激光刀頭思考題一、選擇題：1.一束激光從空氣入射到角膜組織時，發(fā)生折射。入射角為，下列選項(xiàng)中哪個角度可能是折射角2.一生物組織的光漫反照率，它的吸收和散射系數(shù)分別為，下列哪個