第十六章 激光及其在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

第十六章

激光及其在醫(yī)學(xué)中的運(yùn)用

激光就是由受激輻射產(chǎn)生的被放大了的相干光。激光的英文名為“l(fā)ightamplificationbystimulatedemissionofradiation”第一個字母的縮寫。激光是20世紀(jì)60年代初發(fā)展起來的，并制成了世界上第一臺紅寶石激光器。由于它具有方向性好、亮度高、單色性好和相干性好等特性，還具有普通光不同的生物效應(yīng)，因而在醫(yī)學(xué)上得到了廣泛的應(yīng)用。一、激光的產(chǎn)生原理1、玻爾的原子理論(1)原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)，在這些狀態(tài)原子是穩(wěn)定的。原子的各個定態(tài)的能量值，叫原子能級。其中能量最低的原子能級叫做基態(tài)(groundstate)。其余的原子能級叫做激發(fā)態(tài)(excitedstate),處于激發(fā)態(tài)的原子壽命很短，約為10-8s。(2)原子從一種能級躍遷到另一種能級時，它輻射(吸收)一定頻率的光子，光子的能量由兩種能級差決定。2、受激吸收：處于基態(tài)的原子在外界作用下(光照、撞擊、加熱)，受到滿足頻率條件相當(dāng)?shù)墓獾募?，將吸收一個光子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，這種現(xiàn)象叫做受激吸收(stimulatedabsorption)。受激吸收3、光的輻射(emission)(1)自發(fā)輻射(spontanousemission)處于高能態(tài)的原子自發(fā)、獨(dú)立的向低能級躍遷，同時向外輻射一個h=E2-E1光子，這個過程叫做自發(fā)輻射。特點(diǎn)：不能人為控制，光色復(fù)雜(振動方向、初位相等彼此無關(guān))方向各異，形成自然光。

沒有外界作用，原子自發(fā)地由高能態(tài)躍遷到低能態(tài)，并輻射一個光子。射。

各個原子自發(fā)輻射的光是非相干光(2)受激輻射(stimulatedemission)頻率適當(dāng)?shù)墓庾?照射光)可迫使(誘發(fā))處于高能級的原子發(fā)射光子而躍遷到低能級。特點(diǎn)：受激輻射發(fā)生的光子其頻率、傳播方向、振動方向、初位相都和誘發(fā)光子相同。因此，它可以實現(xiàn)光放大，獲得強(qiáng)的相干光。各個原子受激輻射的光是相干光E2E1

在通常狀態(tài)下，三種躍遷同時存在，受激吸收使光子數(shù)減少，受激輻射使光子數(shù)增加。哪種躍遷占優(yōu)勢取決于高低能級的原子數(shù)。

在通常情況下，原子在各能級上的分布服從玻爾茲曼分布定律，即在低能級上的原子數(shù)較多,光通過物質(zhì)時，受激吸收占優(yōu)勢。要獲得強(qiáng)大的相干光，使受激輻射占優(yōu)勢，就必須抑制吸收和自發(fā)輻射，盡可能加強(qiáng)受激輻射。為了達(dá)到這一目的，必須使處在高能級的粒子數(shù)多于低能級的粒子數(shù)，這種分布與正常分布相反，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。4、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(populationinversion)(1)熱平衡狀態(tài)：玻爾茲曼分布要求原子盡可能處于低能級n1>n2。(2)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：為了加強(qiáng)受激輻射，要利用外來激發(fā)，打破熱平衡，使原子內(nèi)處于高能級的粒子數(shù)大大超過處于低能級的粒子數(shù)，這種狀態(tài)叫做粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。怎樣實現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)？(3)亞穩(wěn)態(tài)(metastablestate)一般原子激發(fā)態(tài)壽命很短10-8s，某些特殊原子激發(fā)態(tài)壽命很長10-1~10-3s在此時間內(nèi)原子不易自發(fā)躍遷，常將這種比較穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)叫做亞穩(wěn)態(tài)。利用亞穩(wěn)態(tài)可實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：A吸收光子、碰撞、放電CB自發(fā)躍遷A基態(tài)C激發(fā)態(tài)B亞穩(wěn)態(tài)CBA10-8s10-3s激勵躍遷輻射

存在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的物質(zhì)稱為激活介質(zhì)。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)二、激光器的組成1、激光材料；2、激勵源；3、諧振腔：由放電管中的激光材料和粘牢在激光管兩端的反射鏡組成。

在激活介質(zhì)的兩端安置兩塊反射鏡面，一個是全反射鏡，一個是部分反射鏡，這對反射鏡面及其間的空間稱為光學(xué)諧振腔。

諧振腔的作用：a、光的受激輻射放大器；b、獲得方向性好的光束；c、獲得單色性好的光束L=n/2。99.9%90%

最初的受激輻射源于自發(fā)輻射，只有與反射鏡軸向平行的一定波長的光能在激活介質(zhì)內(nèi)來回反射，雪崩式地放大，在一定條件下形成穩(wěn)定的強(qiáng)光光束，從部分反射鏡面輸出，得到激光。氦氖激光器工作物質(zhì)He、Ne（5：1）；幾千伏高壓，氦原子只起傳遞能量的作用，氖原子受激輻射，發(fā)射632.8nm的紅色激光。氦氖激光器輸出功率不大：25cm光管輸出1mW；50cm的輸出3~10mW。梅曼和第一只激光器氣體激光器亞穩(wěn)態(tài)基態(tài)HeNe123632.8nm氣體放電激發(fā)氦碰撞氖原子氦氖原子的能級及輻射過程固體激光器液體激光器半導(dǎo)體激光器三、激光的特點(diǎn)

1、方向性好；2、亮度高、強(qiáng)度大；3、單色性好；4、相干性好；5、偏振性好。激光定位、導(dǎo)向、測距等就利用了方向性好的特點(diǎn)。1、方向性好

發(fā)散角是衡量光束方向性好壞的標(biāo)志激光束的發(fā)散角很小，一般為10-2～10-4rad。2、亮度高、強(qiáng)度大亮度是光源在單位面積上，向某一方向的單位立體角內(nèi)發(fā)射的功率。激光的輸出功率雖然有個限度，但由于其光束細(xì)（發(fā)散特別?。β拭芏忍貏e大，因而其亮度也特別大。把分散在180°范圍內(nèi)的光集中到0.18°范圍，亮度提高100萬倍。通過調(diào)Q等技術(shù)，壓縮脈沖寬度，還可以進(jìn)一步提高亮度。

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。

激光加工、激光手術(shù)、激光武器等就利用了高亮度的特點(diǎn)。激光打孔激光切割低能激光武器高能激光武器3、單色性好譜線寬度是衡量單色性好壞的標(biāo)志，譜線寬度越窄，顏色越純，則單色性越好。激光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。在普通光源中，單色性最好的是作為長度基準(zhǔn)器的氪燈（K186）；它的譜線寬度為4.7×10-3納米，而激光譜線寬為10-9納米，為氪燈譜線寬度的5萬分之一。采用穩(wěn)頻等技術(shù)還可以進(jìn)一步提高激光的單色性。

計量工作的標(biāo)準(zhǔn)光源、激光通訊等利用了單色性好的特點(diǎn)。光纜激光通訊4、相干性好激光具有很好的相干性。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)。全息照相5、偏振性好受激輻射的特點(diǎn)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(diào)整。因此，激光具有良好的偏振性。

四、激光的醫(yī)學(xué)應(yīng)用（一）、激光的生物作用1、熱作用2、機(jī)械作用3、光化作用4、電磁場作用5、生物刺激作用在臨床應(yīng)用上：對強(qiáng)激光主要表現(xiàn)為機(jī)械作用、電磁場作用與光化作用；對弱激光主要表現(xiàn)為生物刺激作用與光化作用；而熱作用則在各類激光對生物組織的作用中普遍存在。(二)影響激光生物作用的因素1.激光本身的性能2.生物組織的性質(zhì)①生物組織的物理性質(zhì)②生物組織的生物性質(zhì)3.激光與生物組織作用的時間和方式（三）、激光在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用1、激光照射生物組織的溫升分布的分析與計算。2、激光對生物分子、細(xì)胞、組織的作用與效應(yīng)。3、用于