激光的原理與特性

激光的原理與特性第1頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日§1.1激光基本原理光吸收和輻射原理激光產(chǎn)生條件激光的特點(diǎn)激光對生物組織的作用第2頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日1、原子的自發(fā)輻射：滿足條件：h=E2-E1吸收：光通過物質(zhì)時，一部分光子將被原子吸收，使它們躍遷到較高能級，稱為光的吸收。自發(fā)輻射：處在高能級的粒子是不穩(wěn)定的，很快就會躍遷到低能級，多余的能量以光子的形式發(fā)射出來，這種發(fā)射稱自發(fā)輻射。自發(fā)輻射一、光吸收和輻射原理第3頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日特點(diǎn)：大量獨(dú)立粒子自發(fā)輻射，發(fā)光是頻率、相位、偏振狀態(tài)、傳播方向等均不相同的非相干光，如：普通光源發(fā)光即屬于自發(fā)輻射。2、受激輻射

處在高能級E2的原子，受到能量為h=E2-E1的外來光子的激勵，由高能級E2受激躍遷到低能級E1，同時輻射出一個與激勵光子全同(即頻率、相位、偏振狀態(tài)、傳播方向等均同)的光子。第4頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日E2E1hE2E1hh受激輻射滿足條件：h=E2-E1光放大特點(diǎn)：必須先有一個入射光子的作用，才能誘發(fā)得到兩個特征相同的光子。這兩個光子再引發(fā)其他原子受激輻射，實(shí)現(xiàn)光放大。第5頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日受激輻射當(dāng)物質(zhì)受到強(qiáng)烈激勵時，使某一能級的粒子數(shù)大量積聚，當(dāng)積聚數(shù)多于基態(tài)或下一能級的粒子數(shù)時，發(fā)生反分布。物質(zhì)處于反分布狀態(tài)時，如有光束射入，入射光子的能量正好等于反分布狀態(tài)的兩能級能量之差，則會發(fā)生光子與粒子的完全彈性碰撞，使粒子從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)或某下一能級，同時發(fā)射一個光子，此光子的能量與入射光子的能量相同，有一致的方向和恒定的位相關(guān)系。此稱受激輻射。簡單的講：頻率適當(dāng)?shù)墓庾诱T發(fā)高能級的原子發(fā)射光子而躍遷到低能級。第6頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日3、受激吸收（共振吸收,光的吸收）處在低能級E1的原子受到能量等于h=E2-E1的光子的照射時，吸收這一光子躍遷到高能級E2的過程。光減弱過程E2E1h第7頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日激光產(chǎn)生的條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)光學(xué)諧振腔合適的激勵能源具有亞穩(wěn)態(tài)的工作物質(zhì)二、激光的產(chǎn)生條件第8頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日1、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布激光是受激幅射的光，但還存在自發(fā)輻射和吸收，要使受激輻射超過吸收和自發(fā)輻射才能實(shí)現(xiàn)光放大根據(jù)玻爾茲曼能量分布律：

熱動平衡下，

N2N1，即處于高能級的原子數(shù)大大少于低能級的原子數(shù)——粒子數(shù)的正常分布受激輻射占支配地位粒子數(shù)反轉(zhuǎn)高能級上的粒子數(shù)超過低能級上的粒子數(shù)第9頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日粒子數(shù)正常分布是：為了有效地產(chǎn)生激光，要改變這種分布，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的狀態(tài)。E1E2E3E4能量N1N2粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)E1E2N1N2第10頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日2、實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件：要有實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的物質(zhì)，這種物質(zhì)具有適當(dāng)?shù)哪芗壗Y(jié)構(gòu)；必須從外界輸入能量，使工作物質(zhì)中盡可能多的粒子處于激發(fā)態(tài)。（激勵或泵浦）激勵方法：光激勵、電激勵、化學(xué)激勵、核激勵工作物質(zhì)的能級結(jié)構(gòu)：具有亞穩(wěn)態(tài)(壽命較長)只有具有亞穩(wěn)態(tài)的工作物質(zhì)才能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)第11頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日①、適當(dāng)?shù)募钕到y(tǒng)組成激光器的第一部分是激勵系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)這種作用的方式有光子激勵（光泵），即利用強(qiáng)光照射工作物質(zhì)。光激勵的第一種方式：用激光激勵另種激光器；光激勵的第二種方式：用氣體放電激勵；光激勵的第三種方式：用電流激勵。第12頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日②、具有亞穩(wěn)態(tài)的工作物質(zhì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：利用外來激發(fā)打破熱平衡使高能級的原子數(shù)多于低能級的原子數(shù)的這種情況亞穩(wěn)態(tài)：壽命比較長一點(diǎn)的激發(fā)態(tài)第13頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日三能級結(jié)構(gòu)四能級結(jié)構(gòu)第14頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日光學(xué)諧振腔的作用：

1）使受激輻射光放大過程能在有限長度的工作物質(zhì)中持續(xù)進(jìn)行，且在滿足閾值條件下形成光振蕩，產(chǎn)生激光。

2）對輸出激光的方向性給予限定。

3）有選頻作用。

3、激光諧振腔(激光器的第二大部分)第15頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日b、激光諧振腔的結(jié)構(gòu)：基本激光系統(tǒng)部分反射鏡全反射鏡激發(fā)能源激光束激活激光介質(zhì)激光器結(jié)構(gòu)原理圖第16頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日光學(xué)諧振腔輸出全反射鏡（100%反射鏡）部分透光反射鏡（98%反射）光學(xué)諧振腔激發(fā)態(tài)原子基態(tài)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的激活介質(zhì)輻射的光的位相、偏振狀態(tài)、頻率、傳播方向是隨機(jī)的。第17頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日He-Ne激光器的能級圖電子碰撞擴(kuò)散共振轉(zhuǎn)移λ3=1152.3nmλ2=632.8nm2Pλ1=3391nm3S2SE3E1能量（W）E00212019181716151S3PHe+Ne+He+Ne+第18頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日基態(tài)R2：629.9nmR1：694.3nm2E4F24F1400nm（藍(lán)）550nm（綠）τ=3×10-3s50nm紅寶石中Cr3+能級4A2第19頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日激光波長范圍寬：遠(yuǎn)紅外----X射線波長特點(diǎn)：單一或可調(diào)發(fā)光方式：脈沖或連續(xù)功率范圍：10-3----105W,脈沖峰值可達(dá)1013W激光器種類繁多：按工作物質(zhì)可分為：氣體激光器，如：He-Ne激光器固體激光器，如：紅寶石激光器半導(dǎo)體激光器，如：GaAs激光器染料激光器，如：乙醇，苯類、丙酮、二甲基等本節(jié)介紹激光的產(chǎn)生、特性，對生物組織的作用及醫(yī)學(xué)應(yīng)用第20頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日一、激光的基本特性1、單色性好2、方向性好3、亮度高強(qiáng)度大4、相干性好第21頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日1、單色性好單色性的好壞反映了光能量在頻譜上分布的集中性。光譜線寬度是衡量單色性好壞的標(biāo)志Kr燈：605.7nm,譜線寬度=4.7*10-4nmHe-Ne激光：632.8nm,譜線寬度=4.7*10-8nm原因:受激輻射,光子一致;諧振腔選頻.應(yīng)用:光的生物效應(yīng)強(qiáng)烈地依賴于光的波長,因此激光良好的單色性在醫(yī)學(xué)上具有重要的應(yīng)用價值.第22頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日第23頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日2、高度準(zhǔn)直性(方向性好---激光的發(fā)散角小。)=2~5mrad（毫弧度）(1km時光斑直徑10m)激光器LaserHe--Ne激光經(jīng)緯儀測月紅寶石激光器=410-5mradD=1.6km第24頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日方向性的好壞反映了光能量在空間分布的集中性。發(fā)散角是衡量光束方向性好壞的標(biāo)志.探照燈：38萬公里遠(yuǎn)月亮上，光斑直徑1000公里.單模激光：α=122λ/D,發(fā)散角1毫弧度(mrad),光斑直徑1公里.原因:

受激輻射一致;諧振腔選模.應(yīng)用:激光的方向性好就意味著可以把光束傳播到很遠(yuǎn)的距離而仍然確保足夠的強(qiáng)度。在醫(yī)用范圍內(nèi)，如不考慮空氣的吸收，激光的強(qiáng)度幾乎和距離無關(guān)。激光在空間的高度集中,可聚焦成激光手術(shù)刀;加上單色性好,聚焦時無色散象差,可聚焦成微米級的激光微束。例如國內(nèi)已經(jīng)制成激光微手術(shù)刀，可使激光束細(xì)到只有1μm，可方便的對細(xì)胞施行切割或焊接手術(shù)。第25頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日3、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.1米長的40W日光燈,與1米長的40WCO2激光器相比亮度相差1010=100億倍.紅寶石脈沖激光器1016KW/cm2比太陽高100億倍.

可用于制造微光武器，在千分之幾秒內(nèi)將鋼板擊穿，也可用于控核聚變，觸發(fā)氫彈。激光碎石術(shù)正是利用此特性。第26頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日

激光的輸出功率雖然有個限度，但由于其光束細(xì)(發(fā)散特別小)，功率密度特別大，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.第27頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日

注意：

亮度是描述光源的參量，醫(yī)學(xué)應(yīng)用更關(guān)心的是被光輻射處的強(qiáng)度。強(qiáng)度與亮度成正比關(guān)系。核聚變，激光碎石機(jī)。

輻射亮度,與人眼對不同波長的感覺無關(guān).YAG激光看不見,但可以切割骨骼、腫瘤等，He-Ne激光能看見，但只能做理療。第28頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日相干性好

若頻率相同、振動方向相同的兩列波，在相遇處位相差恒定，這兩列波就是相干的。激光是受激輻射，受激輻射的光子其頻率和振動方向均相同，且光子之間又相互關(guān)聯(lián)，所以在較長時間內(nèi)位相差可保持恒定的。因此，激光具有很好的相干性。

Kr燈：相干長度幾十厘米單模穩(wěn)頻HeNe激光：相干長度幾十公里。主要用于醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究和臨床疾病的診斷。第29頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日4、高度相干性相干性是指光波場中光振動之間的相關(guān)程度。相干性越好則光場中任取兩點(diǎn)作光源所產(chǎn)生的干涉和衍射的條紋越清晰。楊氏雙縫干涉由德布羅意關(guān)系式(譜線寬度越窄)又由海森伯不確定關(guān)系式即激光光波有很好的相干長度第30頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日Ir圓孔衍射注意：光的單色性越好，則其相干性也越好。二者是統(tǒng)一的.第31頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日激光的基本特性

激光的上述幾個特性都是相互關(guān)聯(lián)的，單色性好、方向性好導(dǎo)致亮度高強(qiáng)度大。第32頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日1、影響激光生物效應(yīng)的激光參量激光的波長、頻率、光量子能量、顏色激光的能量、功率和功率密度激光的聚焦光斑、擴(kuò)束光斑和原光斑激光的連續(xù)和脈沖工作方式激光的摸式激光的相干和偏振四、激光對生物組織的作用及醫(yī)學(xué)應(yīng)用第33頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日2、激光生物作用機(jī)理光致發(fā)光作用光致發(fā)熱作用光敏壓強(qiáng)作用光致化學(xué)反應(yīng)光的電磁場作用光致生物刺激作用第34頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日3、激光治療的基本方法及其原理a.激光外科手術(shù)切割:激光光刀(熱光刀、冷光刀)止血:激光光凝縫合:激光焊接粘合激光外科術(shù)激光理療術(shù)激光針灸術(shù)激光內(nèi)鏡術(shù)激光光動力學(xué)術(shù)第35頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日激光手術(shù)的分類激光手術(shù)按作用機(jī)理來分成熱光刀和冷光刀，熱光刀機(jī)理:光致發(fā)熱作用、熱致二次壓強(qiáng)作用冷光刀機(jī)理:光致化學(xué)分解作用按手術(shù)功能分類：激光打孔、激光止血、激光焊接、激光切割按激光作用后組織反應(yīng)水平分類：激光凝固、激光汽化、激光切分按激光器所附屬導(dǎo)光系統(tǒng)不同分為：激光顯微手術(shù)刀、光纖光刀、關(guān)節(jié)臂光刀第36頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日激光手術(shù)的原理熱致壞死性凝固熱致汽化熱作用切割冷光刀激光手術(shù)的特點(diǎn)與傳統(tǒng)的手術(shù)比較激光手術(shù)有如下特點(diǎn)：

①多功能②出血少或不出血

③手術(shù)中可防止腫瘤細(xì)胞擴(kuò)散轉(zhuǎn)移

④手術(shù)質(zhì)量高⑤手術(shù)中無機(jī)械接觸

⑥手術(shù)中疼痛輕，術(shù)后反應(yīng)小

⑦配合內(nèi)鏡技術(shù)不必剖胸剖腹

第37頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日b、激光理療理療是利用各種物理因子對人體的刺激作用，引起人體的各種反應(yīng)，以調(diào)節(jié)、促進(jìn)、維持、恢復(fù)或代償各種生理功能，影響病理過程，達(dá)到防治疾病與康復(fù)目的激光理療分為：原光束照射、散焦擴(kuò)束照射、光纖照射c、激光穴位治療用弱激光的生物刺激作用代替?zhèn)鹘y(tǒng)的針和灸的刺激進(jìn)行治療稱之為激光穴位治療。第38頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日激光穴位治療對人體作用的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究He-Ne激光穿透能力的實(shí)驗(yàn)研究穴位的特異性實(shí)驗(yàn)研究熱效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究對皮膚電阻影響實(shí)驗(yàn)研究對神經(jīng)系統(tǒng)及肌肉組織的影響實(shí)驗(yàn)研究激光穴位治療循經(jīng)傳導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究對免疫功能影響的實(shí)驗(yàn)研究鎮(zhèn)痛作用實(shí)驗(yàn)研究激發(fā)經(jīng)絡(luò)隱性傳感實(shí)驗(yàn)研究第39頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日d、激光治療眼科疾病1960年紅寶石激光694.3治療視網(wǎng)膜脈絡(luò)膜炎,1968年氬離子激光治療視網(wǎng)膜血管性疾病1973年調(diào)Q紅寶石激光房角穿刺術(shù)、激光小梁成型術(shù)1977年經(jīng)瞳孔激光環(huán)灼術(shù)1980年氪離子激光647.1治療黃斑疾病1980年Q開關(guān)和鎖模Nd:YAG擊穿切割渾濁的晶體后囊膜及玻璃體條索,還用于虹膜周邊切除術(shù)、粘連分離術(shù)、晶體碎裂術(shù)等1981年染料激光開始光動力學(xué)療法治療眼內(nèi)惡性腫瘤1985年準(zhǔn)分子激光切割角膜第40頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日激光醫(yī)學(xué)在眼科的應(yīng)用的現(xiàn)狀視網(wǎng)膜血管系統(tǒng)的疾病周邊部視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)異常黃斑病青光眼白內(nèi)障屈光性角膜手術(shù)其它第41頁，共52頁，2023年，2月20日，星期日e、激光在外科領(lǐng)域的應(yīng)用的現(xiàn)狀與展望有止血功能的手術(shù)刀與內(nèi)窺鏡結(jié)合治療內(nèi)腔疾病的手