激光技術(shù)基礎(chǔ)講座

激光技術(shù)基礎(chǔ)許松林上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院激光推進(jìn)了世界的技術(shù)革命激光通訊解決了電通訊擁擠的難題激光存儲(chǔ)大大擴(kuò)充了音像存儲(chǔ)介質(zhì)的存儲(chǔ)容量激光加工提高了加工的精度和自動(dòng)化程度激光武器最快、最準(zhǔn)（摧毀導(dǎo)彈和衛(wèi)星）激光提供了治療和診斷有力的武器光的基本性質(zhì)光既是具有波動(dòng)特性的波又是粒子流光的電磁波特性光是電磁波，是電場(chǎng)和磁場(chǎng)在空間周期性變化的傳播電場(chǎng)、磁場(chǎng)和傳播方向三者相互垂直，在空氣中的傳播速度為30萬公里/秒速度V=

：光的波長(zhǎng)

：光的頻率

光的波動(dòng)特性光有干涉和衍射特性；在不同界面上發(fā)生反射與折射折射率n=c/v波長(zhǎng)不同光的顏色各異可見光400nm--760nm

紫外光400nm以下

紅外光760nm以上光的微粒特性光子的能量

=hh=6.624×10–34J?S光子的質(zhì)量m=/c2=h/c2,靜止質(zhì)量為“0”光子的動(dòng)量p=mc=h/c=h/光子的振動(dòng)有兩種獨(dú)立的偏振狀態(tài)光子的自旋自旋量子數(shù)為整數(shù)，是玻色子物質(zhì)的層次結(jié)構(gòu)自然界的物質(zhì)，其結(jié)構(gòu)都是分層次的，如原子：物質(zhì)的能級(jí)結(jié)構(gòu)

物質(zhì)的結(jié)構(gòu)是非連續(xù)的，由原子、分子等組成物質(zhì)的能級(jí)結(jié)構(gòu)是非連續(xù)的：基態(tài)和一系列激發(fā)態(tài)?；鶓B(tài)：常溫時(shí)處于最低的能量狀態(tài)E0激發(fā)態(tài)：E1,E2…En…E2

量物質(zhì)中粒子數(shù)按能級(jí)的分布正常分布：常溫時(shí)多數(shù)粒子處于基態(tài)反分布：高能級(jí)的粒子數(shù)多于低能級(jí)的粒子數(shù)亞穩(wěn)態(tài)：與其它激發(fā)態(tài)比較壽命較長(zhǎng)的狀態(tài)光與物質(zhì)作用的三種過程自發(fā)輻射：粒子從各激發(fā)態(tài)隨機(jī)地過渡到基態(tài)，發(fā)射能量和位相不相同的光子受激吸收：光子將物質(zhì)中粒子激發(fā)到某一上能級(jí)，光子消失，粒子能量增加受激發(fā)射：當(dāng)物質(zhì)中多數(shù)粒子處于高能級(jí)，受到適當(dāng)光子的激發(fā)時(shí)，發(fā)射一個(gè)同能量的光子回到基態(tài)，產(chǎn)生光的放大作用E1E0E1E0吸收自發(fā)輻射受激輻射hhhhhABC光與物質(zhì)作用三過程受激發(fā)射hnhE0E1放大倍數(shù)=nh/h

LASER

Light

AmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation受激發(fā)時(shí)的光子為全同粒子：光子的能量、動(dòng)量、位相和傳播方向都相同Cr3+

(Al2O3)

:RubyLaser2E:

=3ms4A22EE2A4F1

4F2694.3nmNd:YAG激光原理

光泵4F3/21.06m激光４F11/24F9/2激發(fā)態(tài)壽命230--250s激光器的結(jié)構(gòu)工作物質(zhì)：固體、液體、氣體、半導(dǎo)體激勵(lì)能量系統(tǒng)：光泵、放電激勵(lì)、電流激勵(lì)激光諧振腔：全反鏡和輸出窗口的部分反射鏡組成工作物質(zhì)泵源全反鏡半反鏡工作物質(zhì)激光激光器的結(jié)構(gòu)工作物質(zhì)工作物質(zhì)的條件：能級(jí)結(jié)構(gòu)有亞穩(wěn)態(tài)，能透光、散熱。固體工作物質(zhì)：Cr3+:Al2O3Nd:YAG,Ho:YAG,Er:YAG,Nd:YAP氣體工作物質(zhì)：CO2,HeNe,N2,Ar+,Kr+，Xe等分子、原子、離子氣體及準(zhǔn)分子氣體ArF、XeCl、KrF等液體工作物質(zhì)：無機(jī)或有機(jī)染料，如若丹明、熒光素、香豆素、吖啶橙等半導(dǎo)體工作物質(zhì)：AlGaAs,InGaAlP,InGaAsP,InGaN

激勵(lì)能源系統(tǒng)工作物質(zhì)獲得激活能的方式光泵：氪燈、氙燈是常用光源，現(xiàn)在半導(dǎo)體激光用作光泵源，體積小，效率高氣體放電：氣體工作物質(zhì)在電壓作用下放電，在碰撞下使微粒能級(jí)發(fā)生變化。電流激勵(lì)：半導(dǎo)體的PN結(jié)通過大電流時(shí)形成能量轉(zhuǎn)換。激光諧振腔諧振腔由二塊反射鏡組成：一塊全反鏡，另一塊部分反射鏡，相對(duì)放置且與激光器共軸。醫(yī)用激光器中用得最多的是平行平面腔與平凹腔激光束的特性高斯光束：TEM00模振蕩狀態(tài)產(chǎn)生的光束強(qiáng)度分布為I=I0e-2r2/

2發(fā)散角：很小，常用激光器在10mrad以下光束的三大特點(diǎn)：方向性好：優(yōu)于任何其它光源，因此亮度大，亮度B=p/s,p:光功率，S=發(fā)射面積，：發(fā)射立體角單色性好：頻帶極窄因是固定能級(jí)間的躍遷相干性好：因是受激發(fā)射，光子的產(chǎn)生是相關(guān)的，空間相干性和時(shí)間相干性好。激光的模式激光器可能的振蕩狀態(tài)有多種，基態(tài)時(shí)產(chǎn)生基模，即TEM00模，此時(shí)光束質(zhì)量最好，激光器也可能以其它狀態(tài)振蕩，產(chǎn)生其它模式的激光束.如TEM00、TEM01….TEM0n….TEM10、TEM20…TEMn0….等模。這些模式的發(fā)散角大，光束截面上有多個(gè)光斑激光的能量和功率光能與其它能量一樣，計(jì)量單位為焦耳和爾格

1焦耳=107爾格脈沖激光的參數(shù)有單脈沖能量、峰值功率和平均功率單脈沖能量：一個(gè)光脈沖的能量，常以mj計(jì)峰值功率：光脈沖最大處的功率平均功率：每秒內(nèi)脈沖能量之和連續(xù)激光用光功率表示光的強(qiáng)弱光功率：每秒鐘發(fā)射的光能，單位為瓦（w）能量密度和功率密度表示受照面受照的程度能量密度：受照面積上每平方厘米接受到的光能功率密度：受照面積上每平方厘米接受到的光功率能量密度和功率密度是衡量組織受照程度的物理量

激光的能量密度和功率密度氦氖激光治療機(jī)氦氖激光治療機(jī)的波長(zhǎng)632.8nm,治療用功率在1mw—100mw之間。激光發(fā)散角2mrad左右。用在外照射時(shí)以30mw以上為好，常用在消炎止痛，關(guān)節(jié)疼痛等，內(nèi)照射時(shí)規(guī)定在5mw以下，如照射靜脈管流動(dòng)的血液時(shí)，一般在1.5mw—4.5mw之間。用在光動(dòng)力學(xué)治療時(shí)，將數(shù)根激光管聯(lián)合起來使用。0.1—0.2w的激光可產(chǎn)生光化作用治療腫瘤。CO2激光CO2激光的波長(zhǎng)為10.6

m.醫(yī)學(xué)上使用0.5w—100w的激光器,常用連續(xù)激光,但脈沖CO2激光光點(diǎn)周圍的損傷小,做整形與美容手術(shù)時(shí)常使用毫微秒級(jí)的脈沖激光器.CO2激光常用作手術(shù)刀,氣化和照射.激光對(duì)組織的穿透深度僅0.23mm,切割手術(shù)時(shí)比較細(xì)微.CO2激光的傳輸僅能用導(dǎo)光關(guān)節(jié)臂,但也發(fā)明了傳送CO2激光的光纖,目前僅能傳送15w以下的激光,耗損在50%以上.射頻激勵(lì)超短脈沖CO2激光器高能量短脈沖CO2激光器對(duì)作用點(diǎn)周圍組織的熱損傷小，現(xiàn)代的激光手術(shù)刀廣泛使用射頻激勵(lì)CO2激光器，此種激光器由全金屬腔組成，由四片長(zhǎng)條形金屬片組成放電管，充以CO2氣體，安上金膜、硒化鋅諧振腔片，以50-100MHZ的射頻激勵(lì)，產(chǎn)生微秒級(jí)的光脈沖。Nd:YAG激光Nd:YAG激光的波長(zhǎng)1.06

m.治療用1-100w功率.此種波長(zhǎng)激光穿透深度3.8mm左右.因透入組織內(nèi)很深,有很好的體積治療效應(yīng),對(duì)血管瘤和痔瘡有很好的療效.因其波長(zhǎng)在石英光纖傳輸?shù)姆秶鷥?nèi),可將激光導(dǎo)入內(nèi)腔進(jìn)行治療.如胃內(nèi)出血止血,肝臟手術(shù),前列腺手術(shù)等等.Ho:YAG和Er:YAG二種激光器是新型固體激光器.其波長(zhǎng)分別為2.1

m和2.94

m.分別處于組織水二個(gè)吸收峰值.因此熱損傷較小.是很有發(fā)展前途的激光治療機(jī).1.5

m左右的固體激光處于水吸收的小峰上,也有廣泛的應(yīng)用.水的吸收系數(shù)與波長(zhǎng)的關(guān)系近紅外激光器Nd：YAGLASER1.06μmYb:YAG1.029μmNd:YAP1.34μmTm:YVO4