激光及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用

激光及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用第一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日第二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日教學(xué)基本要求掌握激光的基本原理與特性。理解激光的生物作用。了解激光在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究與臨床中的應(yīng)用、醫(yī)用激光器、激光的危害與防護(hù)等方面的知識(shí)。第三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日

激光（laser）是受激輻射光放大（lightamplificationbystimulatedemissionofradiation）的簡稱，愛因斯坦在1916年提出了“受激輻射”的理論假設(shè)，預(yù)言受激輻射（stimulatedradiation）的存在和光放大的可能。湯斯于1954年制成受激輻射微波放大器，梅曼于1960年制成世界上第一臺(tái)激光器——紅寶石激光器。1961年9月我國第一臺(tái)紅寶石激光器在中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械研究所誕生，1964年12月著名科學(xué)家錢學(xué)森給laser起了中文名字“激光”。第四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日第一節(jié)激光的基本原理一、粒子的能級(jí)與輻射躍遷（1）

能級(jí):

構(gòu)成物質(zhì)的粒子（分子、原子、離子等）的不同的能量狀態(tài)，稱能級(jí)狀態(tài)，簡稱能級(jí)（或能態(tài)）。（2）基態(tài)與激發(fā)態(tài)：粒子最低的能級(jí)稱為基態(tài)，其他的能級(jí)狀態(tài)稱為激發(fā)態(tài)。1.粒子的能級(jí)與平均壽命E1E2E3E4En第五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日（3）

平均壽命與亞穩(wěn)態(tài)：大量粒子在某激發(fā)態(tài)停留時(shí)間的平均值稱為該激發(fā)態(tài)的平均壽命，一般約10-9s～10-7s。某些粒子的激發(fā)態(tài)平均壽命較長，約10-3s～10-2s，這種激發(fā)態(tài)稱為亞穩(wěn)態(tài)。第六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日2.粒子間的能級(jí)躍遷（1）躍遷：粒子的能級(jí)變化統(tǒng)稱為躍遷。粒子在能級(jí)之間實(shí)現(xiàn)躍遷必然伴隨與外界交換能量的過程。

躍遷只在滿足“選擇定則”的能級(jí)之間才能實(shí)現(xiàn)，各能級(jí)之間躍遷的概率并不一致。（2）輻射躍遷：以光能形式吸收或釋放稱為輻射躍遷或光輻射。（3）無輻射躍遷：以非光能形式吸收或釋放稱為無輻射躍遷。第七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日（4）受激吸收：當(dāng)光通過物質(zhì)時(shí)，處于低能級(jí)E1的粒子吸收一個(gè)能量hv=E2-E1的光子而向高能級(jí)E2躍遷的過程。（5）自發(fā)輻射：自發(fā)地從激發(fā)態(tài)向較低能態(tài)躍遷同時(shí)釋放出光子的過程。E1E2hv=E2-E1E1E2hv=E2-E1第八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日（6）受激輻射：一個(gè)處于高能級(jí)E2的粒子受到一個(gè)能量hv=E2-E1的光子“誘發(fā)”而躍遷到低能級(jí)E1，同時(shí)釋放一個(gè)與“誘發(fā)”光子特性完全相同的光子的過程。在光與粒子系統(tǒng)相互作用所實(shí)際發(fā)生的輻射躍遷中，以上三種基本過程總是不可分割地同時(shí)存在。然而在不同的條件下它們各自發(fā)生的概率不同，因此總的宏觀效果也不同。究竟哪一種躍遷占優(yōu)勢(shì)?這要由系統(tǒng)中各能級(jí)上分布的粒子數(shù)情況決定。E1E2hv=E2-E1hvhv第九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日二、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布1.粒子數(shù)按能級(jí)分布

在溫度為T的熱平衡態(tài)，系統(tǒng)中粒子數(shù)按能級(jí)服從玻耳茲曼能量分布定律。

設(shè)處于高能級(jí)E2與低能級(jí)E1的粒子數(shù)密度分別為N2與N1，而在兩能級(jí)間躍遷時(shí)，各自變化ΔN2與ΔN1，有:N2<N1，ΔN2/ΔN1<1

。在正常狀態(tài)下，受激輻射總是被湮沒，宏觀上得不到光放大的效果。E1E2第十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日2.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布（1）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布：粒子數(shù)在能級(jí)上能實(shí)現(xiàn)N2/N1>1的分布。這種分布在輻射躍遷中將使受激輻射占優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)對(duì)入射光將有光放大的效果。E1E2第十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日E1E3E2(亞穩(wěn)態(tài))（2）實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)分布的兩個(gè)條件

①介質(zhì)有兩個(gè)以上與反轉(zhuǎn)分布有關(guān)且有亞穩(wěn)態(tài)的能級(jí)結(jié)構(gòu)，這種能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的介質(zhì)稱為激活介質(zhì)；②有外界能源供給能量，使在正常分布下處于低能態(tài)的大量粒子盡快被激發(fā)或抽運(yùn)到較高能態(tài)。

hv=E2-E1激勵(lì)抽運(yùn)無輻射躍遷第十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日全反射鏡半反射鏡經(jīng)光學(xué)諧振腔輸出的光才是激光。

激光輸出工作物質(zhì)三、光學(xué)諧振腔1.光學(xué)諧振腔（1）光學(xué)諧振腔：使受激輻射在有限體積的激活介質(zhì)中能持續(xù)進(jìn)行，光可被反復(fù)放大最終形成穩(wěn)定振蕩的裝置。第十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日（2）損耗因素內(nèi)損耗，由于介質(zhì)對(duì)光的折射、散射、吸收等造成的損耗；鏡損耗，由于反射鏡產(chǎn)生的吸收、散射、衍射、透射(包括輸出的激光)等造成的損耗。（3）品質(zhì)因數(shù)Q

式中v

為諧振腔內(nèi)電磁波振蕩頻率，

E為諧振腔內(nèi)儲(chǔ)存的能量，P是單位時(shí)間損耗的能量。第十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日2.激光的模式（電磁場(chǎng)在腔內(nèi)的振蕩方式）（1）縱向模式（縱模）：電磁場(chǎng)沿諧振腔軸向（z軸方向）的振蕩方式。光在腔中來回反射形成相干疊加，只有滿足特定相位差條件的光才能形成穩(wěn)定的駐波，因此腔中只能允許某些特定頻率的光在其中持續(xù)振蕩。不同的縱模表達(dá)光波在腔內(nèi)軸向不同的駐波場(chǎng)分布。第十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日

每一種分布稱為一個(gè)橫模.常用TEMmn來表示激光橫模，TEM表示電磁波，m、n為正整數(shù)（橫模指數(shù)），m和n分別表示在x和y方向上（軸對(duì)稱情況）光場(chǎng)為零的次數(shù)。（2）橫模：電磁場(chǎng)沿諧振腔徑向（x、y軸方向）的穩(wěn)定分布，即激光束在其橫截面上的光強(qiáng)或光斑分布。激光橫模示意圖第十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日①使受激輻射光放大過程能在有限體積的激活介質(zhì)中持續(xù)進(jìn)行，且在滿足閾值條件下形成光振蕩，輸出激光；②對(duì)輸出激光束的方向給予限定；③有選頻作用；④調(diào)整激光的模式；⑤通過調(diào)Q、鎖模等技術(shù)以改善激光的輸出波形。3.光學(xué)諧振腔的主要作用第十七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日四、激光器的基本結(jié)構(gòu)1.工作物質(zhì)工作物質(zhì):激活介質(zhì)與一些輔助物質(zhì)。工作能級(jí):激活介質(zhì)內(nèi)激活粒子的能級(jí)中參與受激輻射，即與出現(xiàn)反轉(zhuǎn)分布有關(guān)的能級(jí)稱為工作能級(jí)。諧振腔工作物質(zhì)全反射鏡部分反射鏡激勵(lì)裝置激光第十八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日“三能級(jí)”系統(tǒng)（紅寶石激光器為例）第十九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日Cr3+的能級(jí)圖

4A24F14F22ER2R1能量（eV)Y吸收譜躍遷U吸收譜躍遷0123第二十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日E1E4E3E2“四能級(jí)”系統(tǒng)四能級(jí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)圖激勵(lì)抽運(yùn)無輻射躍遷自發(fā)輻射受激輻射吸收第二十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日激勵(lì)裝置也稱泵浦源，其作用就是向工作物質(zhì)提供能量，使激活介質(zhì)中的粒子被抽運(yùn)到高能態(tài)上以便實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。由于供能形式不同，激勵(lì)裝置可有電子注入、光學(xué)泵浦、氣體放電泵浦、粒子束泵浦、化學(xué)泵浦、熱泵、核泵以及用一種激光器去泵浦另一種激光器等等之分。2.激勵(lì)裝置第二十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日

1951年莫茨（Motz）提出運(yùn)動(dòng)速度接近于光速的電子（稱相對(duì)論電子）通過周期性變化的磁場(chǎng)或電場(chǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生相干輻射,輻射的頻率取決于電子的速率。自由電子激光器以真空中的相對(duì)論電子束為工作物質(zhì)，通過泵浦場(chǎng)（周期磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)）的相互作用產(chǎn)生激光。自由電子激光器可以同時(shí)具備高功率、高效率、寬波長可調(diào)諧范圍等優(yōu)點(diǎn)。

中國科學(xué)院高能物理研究所于1993年制成我國第一臺(tái)紅外自由電子激光裝置。自由電子激光的產(chǎn)生機(jī)制不同于前述激光。與普通激光器基于分子、原子能級(jí)間躍遷產(chǎn)生激光不同，自由電子激光是利用自由電子受激輻射產(chǎn)生激光。第二十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日第二節(jié)激光的特性一、方向性好發(fā)散角是衡量光束方向性好壞的標(biāo)志，方向性表明光能量在空間分布上的集中性。激光束的發(fā)散角一般在10-2rad～10-4rad，與普通光束比相差10倍～104倍。普通光源發(fā)出的自然光射向四面八方，常常使用聚光裝置來改善它的方向性。第二十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日二、亮度高、強(qiáng)度大亮度是衡量光源發(fā)光強(qiáng)弱程度的標(biāo)志，表明光源發(fā)射的光能量對(duì)時(shí)間與空間方向的分布特性。

激光器由于其輸出端發(fā)光面積小，光束發(fā)散角小，輸出功率大，而使其亮度高，尤其是超短脈沖激光的亮度可比普通光源高出1012倍～1019倍。因此，激光器是目前世界上最亮的光源。第二十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日三、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。單色性表明光能量在頻譜分布上的集中性。普通光源發(fā)出自然光的光子頻率各異，含有各種顏色。激光則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。第二十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日四、相干性好自發(fā)輻射產(chǎn)生的普通光是非相干光，而受激輻射光子的特性使激光具有良好的相干性。光的時(shí)間相干

同一地點(diǎn)、不同時(shí)刻發(fā)出的光相干。

光的空間相干

同一時(shí)刻、不同地點(diǎn)發(fā)出的光相干。激光的時(shí)間相干性很好,空間相干性也很好。激光器的問世，促使相干技術(shù)獲得飛躍發(fā)展，全息攝影才得以實(shí)現(xiàn)。第二十七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日五、偏振性好受激輻射的特點(diǎn)表明激光束中各個(gè)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(shí)只允許與入射面平行的光振動(dòng)通過，可輸出偏振光，并可對(duì)其調(diào)整。因此，激光具有良好的偏振性。

激光的特性可概括為兩大方面:①與普通光源相比，激光器所輸出的光能量的特別之處不在于其大小而在于分布特性，即光能量在空間、時(shí)間以及頻譜分布上的高度集中，使激光成為極強(qiáng)的光。②激光是單色的相干光，而普通光是非相干光。第二十八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日第三節(jié)激光的醫(yī)學(xué)應(yīng)用一、激光的生物作用激光的生物作用

激光對(duì)生物組織所施加的作用，并存在于由此引發(fā)的一系列理化過程之中，稱為激光的生物作用。激光的生物效應(yīng)

生物組織因受激光照射而出現(xiàn)的各種應(yīng)答性反應(yīng)、效果或變化稱為激光的生物效應(yīng)。強(qiáng)激光與弱激光

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，激光對(duì)被其照射之生物組織，若能直接造成不可逆性損傷的激光者稱其為強(qiáng)激光；若不能直接造成不可逆性損傷者稱其為弱激光。第二十九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日1.熱作用生物組織在激光照射下吸收光能轉(zhuǎn)化為熱能，溫度升高，這即是熱作用。低能量光子(紅外激光)可使組織直接生熱，高能量光子(可見與紫外激光)則多需經(jīng)過一些中間過程而使組織生熱。2.機(jī)械作用激光照射生物組織，可直接或間接產(chǎn)生對(duì)組織的壓強(qiáng)稱為激光的機(jī)械作用，也稱為激光的壓強(qiáng)作用。第三十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日生物大分子吸收激光光子的能量受激活而引起生物組織內(nèi)一系列的化學(xué)反應(yīng)稱之為光化反應(yīng)。激光照射直接引起機(jī)體發(fā)生光化反應(yīng)的作用稱為光化作用。3.光化作用4.電磁場(chǎng)作用激光是電磁波，激光對(duì)生物組織的作用就是電磁場(chǎng)對(duì)生物組織的作用。一般認(rèn)為這一作用主要是電場(chǎng)所致。第三十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日5.生物刺激作用生物刺激作用主要是弱激光的作用。弱激光對(duì)生物過程、對(duì)神經(jīng)、通過體液或神經(jīng)-體液反射而對(duì)全身、對(duì)機(jī)體免疫功能等都有刺激作用，可產(chǎn)生促進(jìn)血紅蛋白的合成，糜蛋白酶的活性，細(xì)菌的生長，白細(xì)胞的噬菌作用，腸絨毛的運(yùn)動(dòng)，毛發(fā)的生長，皮膚、黏膜的再生，創(chuàng)傷、潰瘍的愈合，燒傷皮片的長合，骨折再生，消炎等生物效應(yīng)。第三十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日二、激光在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用1.激光對(duì)生物分子、細(xì)胞組織的作用與效應(yīng)（1）生物分子：激光作為刺激源可在分子水平上調(diào)整蛋白質(zhì)與核酸的合成與活性；影響DNA的復(fù)制、各種酶的活性與功能、氨基酸的變化等。（2）細(xì)胞：激光通過對(duì)細(xì)胞的作用而影響細(xì)胞的增殖、分化、遺傳、發(fā)育、凋亡、代謝以及免疫等過程或功能。而且這種影響往往還有雙向作用，其含義有兩層：一是照射劑量小則興奮，大則抑制；二是可使細(xì)胞功能從不同方向的偏離恢復(fù)正常。第三十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日（3）組織：激光照射組織，當(dāng)劑量足夠大時(shí)將造成對(duì)組織的損傷直至完全破壞。這種損傷分為熱損傷與非熱損傷兩大類。熱損傷

由于熱作用導(dǎo)致組織的凝固、汽化（包括炭化、燃燒）、氣化所造成的。非熱損傷

機(jī)械作用導(dǎo)致的沖擊波對(duì)組織的損傷，甚至遠(yuǎn)距離損傷；強(qiáng)電場(chǎng)作用導(dǎo)致的光擊穿或產(chǎn)生等離子體；光化作用導(dǎo)致的光化激活組織，發(fā)生光化反應(yīng)造成對(duì)組織的損傷等。第三十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日2.用于基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究的激光技術(shù)（1）激光微光束技術(shù)

激光經(jīng)透鏡或顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)聚焦后可形成強(qiáng)度很高而光斑直徑在微米量級(jí)的微光束。利用此微光束可進(jìn)行細(xì)胞水平的研究，形成激光的光鑷術(shù)、顯微照射術(shù)、細(xì)胞打孔術(shù)、細(xì)胞融合術(shù)等以實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞進(jìn)行俘獲、轉(zhuǎn)移、穿孔、移植、融合及切斷等微操作。激光微光束還可用于激光微探針分析術(shù)，即標(biāo)本的微區(qū)在激光微光束照射下被汽化，同時(shí)用攝譜儀或質(zhì)譜儀記錄，進(jìn)行微量和痕量元素的定性或定量分析。第三十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日讓染色細(xì)胞在穩(wěn)定的液體流動(dòng)中排隊(duì)成行，逐個(gè)依次恒速通過激光束的焦斑區(qū)。用探測(cè)器檢測(cè)細(xì)胞被激光照射后所發(fā)出的熒光與散射光并經(jīng)計(jì)算機(jī)處理而自動(dòng)顯示結(jié)果。它可對(duì)細(xì)胞逐個(gè)進(jìn)行定量分析與分選，其特點(diǎn)是分析速度快、靈敏度高、分選純度高、可對(duì)一個(gè)細(xì)胞同時(shí)定量測(cè)定多種參數(shù)（如DNA、RNA含量、細(xì)胞體積等）等。（2）激光流式細(xì)胞計(jì)第三十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日拉曼散射的頻率與瑞利散射的頻率之差稱為拉曼頻移，由于拉曼頻移與物質(zhì)分子的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與入射光頻率無關(guān)，故可用拉曼光譜對(duì)生物分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。因拉曼散射的強(qiáng)度只有瑞利散射的萬分之一，一般不易觀測(cè)到。只有用高強(qiáng)度、高單色性以及譜線范圍寬廣的激光作激發(fā)光源，才使激光拉曼光譜具有實(shí)用意義。（3）激光拉曼光譜技術(shù)當(dāng)光子與物質(zhì)分子相互作用時(shí)，除有與入射光頻率相同的瑞利散射線外，還有由于非彈性碰撞而在其譜線兩側(cè)對(duì)稱分布的散射光，這種散射稱為拉曼散射。第三十七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期日激光多普勒血流計(jì)可用于對(duì)人體甲皺、口唇、舌尖微循環(huán)與視網(wǎng)膜微血管等的血流速度進(jìn)行檢測(cè)。

激光多普勒電泳是應(yīng)用激光多普勒效應(yīng)與電泳技術(shù)結(jié)合的一種分析、檢測(cè)新技術(shù)，可快速自動(dòng)準(zhǔn)確地測(cè)量生物細(xì)胞及大分子的電泳遷移率、表面電荷、擴(kuò)散系數(shù)等重要參量。

激光多普勒技術(shù)還用于對(duì)巨細(xì)胞質(zhì)流、精子活力、眼球運(yùn)動(dòng)、耳聽力等的測(cè)定。（4）激光多普勒技術(shù)利用激光照射運(yùn)動(dòng)物體所發(fā)生的光多普勒效應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)的