光的量子特性與激光及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用優(yōu)秀課件

光的量子特性與激光及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用1第一頁，共三十四頁，2022年，8月28日Lecture7光的量子特性與激光及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用（第十五章、第十八章）2第二頁，共三十四頁，2022年，8月28日電磁波光子或光量子光的波動性光的粒子性

波長l頻率n波速cm

動質(zhì)量e能量p動量波的干涉波的衍射橫波偏振有波動參量如：有波的行為特性如：有粒子參量如：有粒子的行為特性如：黑體輻射光電效應(yīng)激光,光的這種雙重特性,稱為光的波粒二象性。既具有波動性又具有粒子性光3第三頁，共三十四頁，2022年，8月28日物質(zhì)的發(fā)光原理及光源光發(fā)射的本質(zhì)實(shí)際上就是原子或分子能級躍遷的結(jié)果。產(chǎn)生光的方法有很多：4第四頁，共三十四頁，2022年，8月28日一.熱輻射現(xiàn)象任何物體在任何溫度下都能輻射出電磁波。這種與溫度有關(guān)的輻射稱為熱輻射。熱輻射不透明體發(fā)射各種波長的熱輻射能TT一處于某溫度溫度越高，輻射出的總能量越大，短波成分越多。熱輻射的光譜是連續(xù)譜，波長覆蓋范圍理論上可從0直至∞，一般的熱輻射主要靠波長較長的可見光和紅外線傳播。5第五頁，共三十四頁，2022年，8月28日

利用紅外線檢測人體的健康狀態(tài)；本圖片是人體的背部熱圖，可根據(jù)不同顏色判斷病變區(qū)域。人體輻射紅外線-----

醫(yī)學(xué)臨床診斷中的人體紅外熱像圖:6第六頁，共三十四頁，2022年，8月28日黑體輻射實(shí)驗(yàn)規(guī)律

不透明的材料制成帶小孔的空腔,可近似看作黑體。黑體模型

研究黑體輻射的規(guī)律是了解一般物體熱輻射性質(zhì)的基礎(chǔ)。黑體如果一個物體在任何溫度下，對任何波長的電磁波都完全吸收，而不反射和透射，這種物體就叫做黑體。（黑體是理想模型）7第七頁，共三十四頁，2022年，8月28日

黑體的輻射強(qiáng)度與黑體絕對溫度的四次方成正比：（1）斯特藩-玻耳茲曼定律（如右圖）同一物體，溫度越高，輻射電磁波的能力就越大，表現(xiàn)在高溫物體的輻射曲線整個都在低溫物體輻射曲線的上方。通過黑體輻射實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出兩條實(shí)驗(yàn)規(guī)律斯特藩—玻爾茲曼常量0100020001.00.5

可見光區(qū)3000K6000K8第八頁，共三十四頁，2022年，8月28日2000K()MBTM

(T)0l黑體的單色輻出度1750K()MBT1500K()MBT1000K()MBT10m-6123456波長

l0lm

對于給定溫度T，黑體的單色輻出度都有一最大值,其對應(yīng)波長為，稱為峰值波長。（2）維恩位移定律物體溫度越高，峰值波長越短，成反比。當(dāng)溫度很低時，主要輻射出遠(yuǎn)紅外、紅外線，基本不輻射可見光。人體表面溫度約300K，從人體輻射的電磁波最大波長則為9600nm，位于遠(yuǎn)紅外區(qū)太陽表面溫度約6000K，因而輻射出的波長正好在可見光范圍。當(dāng)然還有大量的紅外線和紫外線9第九頁，共三十四頁，2022年，8月28日

能量量子化假說：輻射黑體中分子、原子的振動可看作線性諧振子。但是這些諧振子的能量只能是某一最小能量ε（稱為量子）的整數(shù)倍，不能連續(xù)變化，即：ε,1ε,2ε,3ε,...nε。n為正整數(shù)，稱為量子數(shù)。對于頻率為ν的諧振子的能量最小單元，稱為量子：能量量子經(jīng)典

振子從一個狀態(tài)躍遷到另一個狀態(tài)時，輻射出或吸收的能量也是量子化的，是不連續(xù)的。而經(jīng)典的熱力學(xué)和電磁場理論的觀點(diǎn)則認(rèn)為，振子的能量變化是連續(xù)的，可以是任意值。普朗克假說使得多種微觀線性得以正確的解釋。普朗克常量10第十頁，共三十四頁，2022年，8月28日第二節(jié)光電效應(yīng)一.光電效應(yīng)的基本規(guī)律U+G++加速電勢差U光電流i光電子石英窗K陰極金屬板A陽極外接極性反向測遏止電勢差Ua光強(qiáng)I光頻率n

適當(dāng)頻率的光束照射到金屬表面使電子從金屬中脫出的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。i0U21光強(qiáng)較強(qiáng)光強(qiáng)較弱頻率相同nHI1HI2aU11第十一頁，共三十四頁，2022年，8月28日U0e應(yīng)與光強(qiáng)有關(guān)m120v2max電子從具有一定振幅的光波中吸收與光強(qiáng)無關(guān)I不論什么頻率，只要光足夠強(qiáng)，總可連續(xù)供給電子足夠的能量而逸出。nn0金屬材料的截止頻率時，無論多強(qiáng)，均無電子逸出。I初動能與光強(qiáng)有關(guān)無紅限有紅限光電子的最大初動能與遏止電壓U有關(guān)，與光強(qiáng)無關(guān)瞬時響應(yīng)響應(yīng)快慢取決光強(qiáng)光強(qiáng)越弱，電子從連續(xù)光波中吸收并累積能量到逸出所需的時間越長。只要不論光強(qiáng)多弱，nn0幾乎同時觀察到光電效應(yīng)。（小于）s019能量而逸出其初動能光的波動理論光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律光的波動理論與光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律相矛盾12第十二頁，共三十四頁，2022年，8月28日二.愛因斯坦的光子假設(shè)

1.不僅在發(fā)射和吸收時輻射能是量子化的，而且輻射能在傳遞過程中也是量子化的。

2.

光在真空中是以光速c運(yùn)動的粒子流，這些粒子稱為光量子(lightquantum),即光子(photon)。單個光子的能量為。

3.根據(jù)能量守恒，金屬中一個電子吸收一個光子的能量hv，一部分用來克服電子的逸出功A，另一部分轉(zhuǎn)換成光電子的初動能，即

愛因斯坦光電效應(yīng)方程m120v2nhA+該方程可以全面地解釋光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。13第十三頁，共三十四頁，2022年，8月28日三光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用光控繼電器、自動控制、自動計數(shù)、自動報警等.光電倍增管放大器接控件機(jī)構(gòu)光光控繼電器示意圖第二節(jié)光電效應(yīng)愛因斯坦的光量子論14第十四頁，共三十四頁，2022年，8月28日

第四節(jié)激光(Laser)

激光又名鐳射,它的全名是:

“受激輻射的光放大”。(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)激光（錢學(xué)森教授建議得名）:

利用光能、熱能、電能、化學(xué)能或核能等外部能量激勵工作物質(zhì)，使其發(fā)生受激輻射而產(chǎn)生的一種特殊的光。成為新的光源。愛因斯坦于1917年在光量子論的基礎(chǔ)上發(fā)展了自發(fā)輻射和受激輻射理論，預(yù)言了原子產(chǎn)生受激輻射放大的可能性。15第十五頁，共三十四頁，2022年，8月28日激光輸出的波長范圍，可以從遠(yuǎn)紅外直到紫外甚至到x光波段；波長可以是單一的，也可以是多種可調(diào)的；輸出方式可以是連續(xù)的，也可以是脈沖的。激光的功率范圍可以從mW到百kW，脈沖峰值可達(dá)1013W激光器的品種已達(dá)數(shù)百種，激光以其特殊的發(fā)光機(jī)制與激光器結(jié)構(gòu)而具有普通光源發(fā)出的光所無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，激光技術(shù)已滲透到工業(yè)、通訊、生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，形成激光生物學(xué)、激光醫(yī)學(xué)等邊緣學(xué)科。16第十六頁，共三十四頁，2022年，8月28日（一）激光的基本原理當(dāng)分子、原子或離子在處于較高能級E2時，是比較不穩(wěn)定的，它會自動躍遷到較低能級E1上，并釋放一定的能量。釋放能量的方式有兩種：一種是無輻射躍遷（非光能的形式），轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮鼙晃栈蛘哚尫?；另一種是以光能的形式吸收或釋放，輻射出一個光子，叫做輻射躍遷，輻射光子的頻率滿足：這種躍遷，每一個粒子的躍遷都是自發(fā)地獨(dú)立地進(jìn)行，因而它們所輻射的光的相位、方向以及偏振方向都是隨機(jī)的，因此是非相干光。例如日光燈發(fā)出的光。17第十七頁，共三十四頁，2022年，8月28日按照原子的量子理論，光和原子的相互作用可能引起受激吸收、自發(fā)輻射和受激輻射三種躍遷過程。

受激吸收：原來處于低能態(tài)E1的原子，受到頻率為，能量為的光子照射時，該原子就有可能吸收此光子的能量，向高能態(tài)E2躍遷，這種過程稱為受激吸收，或稱為原子的光激發(fā)。E1E2受激吸收18第十八頁，共三十四頁，2022年，8月28日自發(fā)輻射

原子受激后，處于高能態(tài)E2，是不穩(wěn)定的，一般只能停留10-8S。在沒有外界的作用下，會自發(fā)地回到低能態(tài)，同時向外輻射出一個能量為的光子，這稱為自發(fā)輻射。普通光源的發(fā)光就屬于自發(fā)輻射。由于發(fā)光物質(zhì)中各個原子自發(fā)地、獨(dú)立地進(jìn)行輻射，因而各個光子的位相、偏振態(tài)和傳播方向之間沒有確定的關(guān)系。E1E2自發(fā)輻射19第十九頁，共三十四頁，2022年，8月28日

受激輻射

處于高能級E2的原子，如果在自發(fā)輻射以前受到能量為的外來光子的誘發(fā)作用，就有可能從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)，同時發(fā)射一個與外來光子頻率、相位、偏振態(tài)和傳播方向都相同的光子，這一過程稱為受激輻射。

激光光源發(fā)光的機(jī)制..。

發(fā)光前發(fā)光后

受激輻射光放大結(jié)果是，出射光比入射光增加一倍，而且是相干光。如果能將這個過程持續(xù)下去，就能獲得大量的狀態(tài)相同的光子，即形成了光放大。20第二十頁，共三十四頁，2022年，8月28日（二）激光產(chǎn)生的條件及激光器的構(gòu)成光與物質(zhì)的相互作用時，總是同時存在受激吸收、自發(fā)輻射以及受激輻射，到底哪一方占主導(dǎo)，取決于粒子在兩個能級上的分布多少。低能態(tài)的原子數(shù)目多，則受激吸收占主導(dǎo)，觀察不到光的放大現(xiàn)象；若高能態(tài)的原子數(shù)目多，則受激輻射總體上占優(yōu)勢，能觀察到持續(xù)的光放大。通常情況下，原子是處于熱平衡態(tài)，即能量越高的粒子的數(shù)目越少，所以常溫下，原子幾乎全部都處于基態(tài)。這樣，即使有滿足能級差的光子能量到來，也幾乎全部被低能級的原子吸收，而很少被高能級原子吸收而產(chǎn)生受激輻射，無法產(chǎn)生持續(xù)的光放大。所以，為了實(shí)現(xiàn)光放大，必須使得高能態(tài)的原子數(shù)目多于低能態(tài)，即“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”的狀態(tài)。21第二十一頁，共三十四頁，2022年，8月28日粒子數(shù)的正常分布.....。。。。。。。。。。。。。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布...............。。。。。條件一：要求介質(zhì)有適當(dāng)?shù)哪芗壗Y(jié)構(gòu)，即存在亞穩(wěn)態(tài)能級的介質(zhì)能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，這種介質(zhì)稱為激活介質(zhì)，或者工作物質(zhì)。可以是固體、液體或是氣體。亞穩(wěn)態(tài)基態(tài)激發(fā)態(tài)(10-8S)(10-3S）2.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)22第二十二頁，共三十四頁，2022年，8月28日不同類型的激光器，常見的工作物質(zhì)有：氣體激光器：He-Ne氣體，CO2氣體，氣態(tài)的Ar+，Kr+固體激光器：紅寶石，釹玻璃，摻釹釔鋁石榴石Nd:YAG半導(dǎo)體激光器：砷化鎵GaAs，硫化鎘CdS，磷化銦InP，硫化鋅ZnS液體激光器：若丹明染料23第二十三頁，共三十四頁，2022年，8月28日條件二

必須有外界能源提供能量，使激活介質(zhì)有盡可能多的原子吸收能量后躍遷到高能態(tài)。這一能量供應(yīng)過程稱為“激勵”，又稱為“抽運(yùn)”或“泵浦”。激勵的方法一般有光激勵、氣體放電激勵、化學(xué)激勵、核能激勵等?；鶓B(tài)E1E3E2激發(fā)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)抽運(yùn)無輻射躍遷（能量轉(zhuǎn)移給晶格）三能級系統(tǒng)24第二十四頁，共三十四頁，2022年，8月28日實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的激活介質(zhì)盡管能夠?qū)膺M(jìn)行放大，但是還不可能得到方向性和單色性很好的激光。激發(fā)態(tài)原子

基態(tài)自發(fā)輻射受激輻射

在實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的激活介質(zhì)內(nèi)，但是受激輻射最初是由自發(fā)輻射或其他形式來激勵的，所輻射的光的相位、偏振態(tài)、頻率和傳播方向都是互不相關(guān)，也是隨機(jī)的。無諧振腔時受激輻射的方向是隨機(jī)的

條件三.光學(xué)諧振腔25第二十五頁，共三十四頁，2022年，8月28日M1M2M1M2M1M2全反射鏡100%反射部分反射鏡90%以上反射諧振腔對光束方向的選擇性沿光軸方向運(yùn)動的光子，反復(fù)多次反射產(chǎn)生雪崩式放大，從部分反射鏡射出形成激光。偏離軸線方向的光子逸出腔外

沿軸線方向的光子，在腔內(nèi)來回反射，產(chǎn)生連鎖式放大

在一定條件下，從部分反射鏡射出很強(qiáng)的光束—--激光光學(xué)諧振腔:26第二十六頁，共三十四頁，2022年，8月28日部分反射鏡激勵能源全反射鏡激光輸出工作物質(zhì)

光學(xué)諧振腔——工作物質(zhì)——激勵能源——光學(xué)諧振腔產(chǎn)生激光必要條件1.實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)２.使原子被激發(fā)３.要實(shí)現(xiàn)光放大L

4.激光器的結(jié)構(gòu)基本組成部分27第二十七頁，共三十四頁，2022年，8月28日激光器的分類

（按工作物質(zhì)分類）

激光器氣體激光器固體激光器半導(dǎo)體激光器染料激光器

氣體激光器，按工作物質(zhì)的性質(zhì)又分為原子激光器、分子激光器和離子激光器。波譜范圍廣，能連續(xù)輸出，單色性、方向性比其它類型的激光器好。且制造方便、成本低、可靠性高。常用的固體激光器為紅寶石、釹玻璃、摻釹釔鋁石榴石。體積小、功率大、使用方便，但工作物質(zhì)較貴，結(jié)構(gòu)制造復(fù)雜。半導(dǎo)體激光器的種類很多。不同類型的工作物質(zhì)，不同方式的激勵，以及提供振蕩的不同結(jié)構(gòu)，都可構(gòu)成不同類型的激光器。光譜結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單色性差，但其重量輕、耗電省。利用有機(jī)染料分子獨(dú)特的光譜結(jié)構(gòu)，可以得到在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的激光。28第二十八頁，共三十四頁，2022年，8月28日5.激光的特點(diǎn)1）方向性好

激光束發(fā)散角很小(10-4~10-2弧度)。利用方向性好的特點(diǎn)，激光可定位、導(dǎo)向、測距等。3）單色性好

在普通光源中單色性最好的是作為長度基準(zhǔn)器的氪燈,其譜線寬度為4.7×10-4nm，而激光譜線寬為10-8nm，為氪燈譜線寬度的5萬分之一。在臨床治療及基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究有重要作用。

激光能量在時間和空間上高度集中，能在極小區(qū)域產(chǎn)生幾百萬度的高溫。利用了高亮度的特點(diǎn)，激光可作激光打孔、焊接、切割、激光手術(shù)、激光武器等。2）能量集中、亮度極高、強(qiáng)度大29第二十九頁，共三十四頁，2022年，8月28日

普通光源的相干長度約為1毫米至幾十厘米;激光可達(dá)幾十公里。全息照相、全息存儲等就利用了相干性好的特點(diǎn)。4）相干性好5）偏振性好

激光束中各個光子的偏振狀態(tài)相同，因此激光具有良好的偏振性。30第三十頁，共三十四頁，2022年，8月28日激光既是能量載體，可以用于疾病治療，又是信息載體，可以用于疾病診斷。1）激光兼有多種治療功能，可通過選擇波長和劑量，即可代替手術(shù)刀，也可以代替針灸、灸療；2）是不出血的手術(shù)刀，熱凝固可減少出血，手術(shù)視野清晰，腫瘤不擴(kuò)散；3）將激光通過光纖導(dǎo)入消化道、泌尿道、呼吸道、血管等實(shí)施內(nèi)腔手術(shù)，如碎石、通血栓、切腔內(nèi)腫瘤；4）脫毛、消皺、消色