光的量子特性與激光及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用

光的量子特性與激光及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用第一頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五電磁波光子或光量子光的波動(dòng)性光的粒子性

波長(zhǎng)l頻率n波速cm

動(dòng)質(zhì)量e能量p動(dòng)量波的干涉波的衍射橫波偏振有波動(dòng)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(dòng)性又具有粒子性光第二頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五物質(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(jí)躍遷的結(jié)果。產(chǎn)生光的方法有很多：第三頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五一.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(zhǎng)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(zhǎng)覆蓋范圍理論上可從0直至∞，一般的熱輻射主要靠波長(zhǎng)較長(zhǎng)的可見光和紅外線傳播。第四頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五

利用紅外線檢測(cè)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:第五頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五黑體輻射實(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(gè)物體在任何溫度下，對(duì)任何波長(zhǎng)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）第六頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五

黑體的輻射強(qiáng)度與黑體絕對(duì)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(gè)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)3000K6000K第七頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五2000K()MBTM

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

l0lm

對(duì)于給定溫度T，黑體的單色輻出度都有一最大值,其對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為，稱為峰值波長(zhǎng)。（2）維恩位移定律物體溫度越高，峰值波長(zhǎng)越短，成反比。當(dāng)溫度很低時(shí)，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(zhǎng)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(zhǎng)正好在可見光范圍。當(dāng)然還有大量的紅外線和紫外線第八頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五

能量量子化假說：輻射黑體中分子、原子的振動(dòng)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(duì)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(gè)狀態(tài)躍遷到另一個(gè)狀態(tài)時(shí)，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(chǎng)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。普朗克常量第九頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五第二節(jié)光電效應(yīng)一.光電效應(yīng)的基本規(guī)律U+G++加速電勢(shì)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(cè)遏止電勢(shì)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nHI1HI2aU第十頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五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(shí)，無論多強(qiáng)，均無電子逸出。I初動(dòng)能與光強(qiáng)有關(guān)無紅限有紅限光電子的最大初動(dòng)能與遏止電壓U有關(guān)，與光強(qiáng)無關(guān)瞬時(shí)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(shí)間越長(zhǎng)。只要不論光強(qiáng)多弱，nn0幾乎同時(shí)觀察到光電效應(yīng)。（小于）s019能量而逸出其初動(dòng)能光的波動(dòng)理論光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律光的波動(dòng)理論與光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)規(guī)律相矛盾第十一頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五二.愛因斯坦的光子假設(shè)

1.不僅在發(fā)射和吸收時(shí)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(dòng)的粒子流，這些粒子稱為光量子(lightquantum),即光子(photon)。單個(gè)光子的能量為。

3.根據(jù)能量守恒，金屬中一個(gè)電子吸收一個(gè)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(dòng)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。第十二頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五三光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用光控繼電器、自動(dòng)控制、自動(dòng)計(jì)數(shù)、自動(dòng)報(bào)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第十三頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五

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(lì)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。第十四頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五激光輸出的波長(zhǎng)范圍，可以從遠(yuǎn)紅外直到紫外甚至到x光波段；波長(zhǎng)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。第十五頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五（一）激光的基本原理當(dāng)分子、原子或離子在處于較高能級(jí)E2時(shí)，是比較不穩(wěn)定的，它會(huì)自動(dòng)躍遷到較低能級(jí)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(gè)光子，叫做輻射躍遷，輻射光子的頻率滿足：這種躍遷，每一個(gè)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。第十六頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五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(shí)，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受激吸收第十七頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五自發(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(huì)自發(fā)地回到低能態(tài)，同時(shí)向外輻射出一個(gè)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(gè)原子自發(fā)地、獨(dú)立地進(jìn)行輻射，因而各個(gè)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)輻射第十八頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五

受激輻射

處于高能級(jí)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(shí)發(fā)射一個(gè)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(gè)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。第十九頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五（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(shí)，總是同時(shí)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(gè)能級(jí)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(shì)，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(jí)差的光子能量到來，也幾乎全部被低能級(jí)的原子吸收，而很少被高能級(jí)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)。第二十頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五粒子數(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?jí)結(jié)構(gòu)，即存在亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)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)?？梢允枪腆w、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)第二十一頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五不同類型的激光器，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：若丹明染料第二十二頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五條件二

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(lì)”，又稱為“抽運(yùn)”或“泵浦”。激勵(lì)的方法一般有光激勵(lì)、氣體放電激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)、核能激勵(lì)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(jí)系統(tǒng)第二十三頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五實(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(lì)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(shí)受激輻射的方向是隨機(jī)的

條件三.光學(xué)諧振腔第二十四頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五M1M2M1M2M1M2全反射鏡100%反射部分反射鏡90%以上反射諧振腔對(duì)光束方向的選擇性沿光軸方向運(yùn)動(dòng)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:第二十五頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五部分反射鏡激勵(lì)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(lì)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)基本組成部分第二十六頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五激光器的分類

（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(lì)，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。第二十七頁，共三十頁，編輯于2023年，星期五5.激光的特點(diǎn)1）方向性好

激光束發(fā)散角很小(10-4