医疗激光基础

激光发展史激光原理对医疗激光的认识,激光发展史,1893年，物理教师布卢什指出，两面靠近和平行镜子之间反射的黄钠光线随着两面镜子之间距离的变化而变化 。但他不能解释该现象1917年，爱因斯坦提出“受激辐射”的概念，奠定了激光的理论基础。,激光发展史,1958年，美国贝尔实验室的微波领域专家汤斯和肖洛发表了关于激光器的经典论文红外与光学激射器，指出了受激辐射为主的发光的可能性，以及必要条件是实现“粒子数反转”。从而奠定了激光发展的基础。,汤斯,激光发展史,1960年，美国人梅曼(T. H. Maiman)发明了世界上第一台红宝石激光器。梅曼利用红宝石晶体做发光材料，用发光度很高的脉冲氙灯做激发光源，获得了人类有史以来的第一束激光，波长是694.3纳米。,梅曼,激光发展史,梅曼的第一台红宝石激光器,激光发展史,1965年，第一台可产生大功率激光的器件-二氧化碳激光器诞生。1967年，第一台射线激光器研制成功。1997年，美国麻省理工学院的研究人员研制出第一台原子激光器。,激光发展史,同激光有关的诺贝尔物理奖,巴索夫（苏联）,汤斯（美国）,普罗霍罗夫（苏联）,激光发展史,同激光有关的诺贝尔物理奖,拉姆齐（美国）,科昂-塔努吉（法国）,菲利普斯（美国）,激光发展史,朱棣文（1948），美籍华裔物理学家。激光制冷和捕捉气体原子方法的创立者。1985年利用互相垂直的三对激光束，在其交会区域中使原子受到六束驻波场的作用而形成对原子运动的粘滞性约束，称为“光学粘胶”。利用“光学粘胶”能有效地将微量气体束缚在一定空间，为进一步冷却原子更接近绝对零度奠定了坚实的基础。,同激光有关的诺贝尔物理奖,中国激光发展史,1957年，王大珩等建立中国科学院（长春）光学精密仪器机械研究所（长春光机所）1958年，邓锡铭提出 大量设想和试验方案1961年，王之江主持研制出第一台国产红宝石激光器1964年，世界第一个激光技术研究所上海光学精密机械研究所（上海光机所）成立1965年，西南技术物理研究所制成钕石榴石（Nd：YAG）激光晶体,中国激光发展史,我国各类激光器的“第一台”,中国激光发展史,上海光机所任务，兵分两路：王淦昌建议，邓锡铭主持：激光核聚变王之江率领：激光武器,中国在20世纪60年代就有了强激光武器中国激光核聚变水平在世界前列,激光医疗发展史,1961年，用于治疗视网膜脱落 1963年，激光光刀用于肿瘤切割 1981年，联合国卫生组织正式宣布激光医学为医学的一个新分支,激光发展史,激光分子生物学，激光细胞学，激光人体生理学，激光诊断学，激光治疗学，医用激光工艺学，激光防护学，分子生物激光工程学 激光光声检查，激光光动力以及与激光相关基础临床研究,激光原理,激光原理,什么是激光？LASERLight Amplification by Stimu Iatad Emission ofRadiation 激 光受激发射的辐射光放大,激光原理,1、物质由原子组成，原子中心是由质子和中子组成的原子核，外围是围绕原子核运动的带负电的电子。2、电子在不同的“能级”运动，不同“能级”对应不同的电子能量。,激光原理,电子可以通过吸收能量从低能级跃迁到高能级。在这个过程中，电子吸收的能量是跃迁的两能级的能量差。,激光原理,高能态的原子是不稳定的，它总是力图“跃迁”回到低能态。发生“跃迁”时会以光子形式辐射出能量形成“自发辐射” 光子频率V =En E1/ h h普朗克常数 h=6.624x10-34 J,激光原理,处于高能态E2的原子受到能量为（ =hv=E2 E1）的光子诱发。原子会从E2跃迁到E1，并发射出一个与入射光子完全相同的光子，即频率、相位、传播方向、偏振方向都与入射光相同。这个过程为“受激辐射”,激光原理,激光原理,受激辐射的光子也是随机方向的只有能够回到激活物质的光子才能再激发出新的相同光子谐振腔,激光原理,粒子数反转 特殊的原子（或离子）在某些高能级有较长的平均寿命，该能级称为亚稳态能级。 具有亚稳态能级结构的物质，在一定的条件下，可使处于高能态的原子数目大于处于低能级的原子数目，形成“粒子数”反转。,激光原理,通过受激辐射产生的激光特性： 单色性 相干性 方向性 大能量,激光原理,激光器的组成：激光三要素 激励系统，激光物质，光学谐振腔,激光原理,产生激光的五个条件：1、受激幅射是产生激光的首要条件和必要条件 2、激光物质有亚稳态3、实现粒子数反转，使受激辐射多于吸收4、谐振腔5、腔内振荡产生的光子数多于损耗的光子数,激光原理,激光具有颜色纯正、方向性好、能量集中、高度高等特点。产生：是由于外界的激励（可以有光激励、电激励、化学激励、碰撞激励、核爆激励、热激励等等激励手段），使原来处于基态的粒子跃迁到激发态，向下辐射跃迁，产生荧光，在谐振腔腔镜的作用下，产生振荡，形成激光输出。产生激光的内部因素和必要条件：1、要使工作物质达到粒子数反转（上能级的粒子数大于下能级的粒子数）；2、使粒子数反转需要泵浦（激励）、3、产生激光的外部条件：谐振腔（激光器的两端面镜和激光工作物质，一面全反射，一面部分透射，腔镜之间是工作物质，或称为激光物质；腔长为激光波长整数倍）,激光原理小结,激光三大要素： 激光工作物质 激励源 谐振腔,激光原理小结,激光四大特点： 单色性 相干性 方向性 高能量,激光产品分类,国际惯用，激光产品包括激光加工、医疗、印刷、光存储，测距准直、检测、文娱教育中的各种激光仪器和设备，激光器件和通信用激光组件，以及激光用材料元器件和部件等11类。,激光医疗,激光是能量载体生物组织有选择的吸收（波长）,激光在医疗的应用,间接应用：用激光的制成制品直接应用：治疗；检测,激光在医疗的间接应用,激光检测,激光荧光显微检查，激光微束照射单细胞显微技术，激光显微光谱分析，生物全息摄影，激光光声检查等等,激光治疗,三种基本机理：1、光化学反应2、热效应3、“催化剂”,激光治疗机理,1、 光化学反应：是指组织受到远光的作用时，会断裂分子之间结合键，将组织直接分离成挥发性的碎片而消散无踪，对周围的组织则没有影响。,ArF激光眼科治疗特点,193nm波长，有大的光子动能6.4eV，远超过结合分子碳和碳键的结合能量3.5eV 193nm波长短，聚焦更细，每一发激光可以切削0.2-0.25m厚度的生物组织 ，相当于头发丝的1/200 ，造成小于1m的微小损伤 193nm波长的远紫外线导致无角膜穿透力。因此对于眼球内部的组织没有任何不良副作用。,激光治疗机理,2、激光热效应：生物组织通过吸收激光后升温，产生汽化、凝固、烧灼等效应例：CO2激光手术刀，铒激光气化剥脱与点阵,激光治疗机理,3、“催化剂”：微激光辐射对细胞功能的影响和治病生理作用例：HeNe激光血管内照射,激光治疗的两个方向,雪中送炭：治疗锦上添花：美容,激光设备,激光设备,一、 激光器提供特定要求性能的激光束二 、导光系统将激光束引导到靶组织三 、控制系统控制激光器的输出和工作点。最主要的要求是精度。,激光器：分类,按不同工作物质形态分类按工作物质粒子结构来分类 按激励方式分类按输出方式分类按波长分类按功率分类按脉宽分类,激光器：按工作介质的不同分类,固体激光器： 具有器件小、坚固、使用方便、输出功率大的特点。常用的还有钇铝石榴石（YAG）晶体中掺入三价钕离子的激光器，它发射1064nm的近红外激光。,激光器：按工作介质的不同分类,气体激光器： 具有结构简单、造价低；操作方便；工作介质均匀，光束质量好；以及能长时间较稳定地连续工作的优点。目前公司最重要的是CO2 激光器， 激光波长10060nm；HeNe激光器，激光波长0.6328nm.,激光器：按工作介质的不同分类,半导体激光器： 是以半导体材料作为工作介质的。激励方式有光泵浦、电激励等。这种激光器体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固，波长谱线宽,激光器：按工作介质的不同分类,液体激光器 常用的是染料激光器，采用有机染料最为工作介质。大多数情况是把有机染料溶于溶剂中（乙醇、丙酮、水等）中使用，也有以蒸气状态工作的。利用不同染料可获得不同波长激光（在可见光范围）。染料激光器一般使用激光作泵浦源，例如常用的有氩离子激光器等。液体激光器工作原理比较复杂。输出波长连续可调，且覆盖面宽是它的优点。,激光器：按工作物质粒子结构来分类,可分为原子、离子、分子和自由电子激光器。 氦-氖激光器产生的激光是由氖原子发射的；红宝石激光器产生的激光则是由铬离子发射的；二氧化碳分子激光器由二氧化碳分子反射,激光器：按激励方式分类,使用高强度的光从电源来的电子以及较少用的第三种方法-核辐射,激光器：按输出方式不同分类,连续激光器脉冲激光器,激光器：按波长分类,激光器：按输出功率分类,高中低,激光器,激光器的选择原则：使用要求和成本理论基础：生物组织对不同波长的有选择吸收,激光器,激光器,激光器,激光器,导光系统,作用： 将激光束按要求整型并引导到靶组织的光学系统。 分类： 硬光路；软光路,导光系统,软光路光纤传导优点：1、对光束起到均匀化作用 2、光束可以灵活引导到工作区域，甚至到体内,导光系统,导光系统,硬光路：用透镜和反射镜组成的导光系统优点：1、结构简单，容易实