激光及其医学应用

第十八章 激光及其医学应用第十八章 激光及其医学应用教学基本要求 掌握 激光的基本原理与特性。 理解 激光的生物作用。 了解 激光在基础医学研究与临床中的应用、医用激光器、激光的危害与防护等方面的知识。第十八章 激光及其医学应用激光 （ laser）是受激辐射光放大（ light amplification by stimulated emission of radiation）的简称，爱因斯坦在 1916年提出了 “受激辐射 ”的理论假设，预言受激辐射（ stimulated radiation）的存在和光放大的可能。汤斯于 1954年制成受激辐射微波放大器，梅曼于 1960年制成世界上第一台激光器 红宝石激光器。 1961年 9月我国第一台红宝石激光器在中国科学院长春光学精密机械研究所诞生， 1964年 12月著名科学家钱学森给laser起了中文名字 “激光 ”。第十八章 激光及其医学应用第一节 激光的基本原理一、粒子的能级与辐射跃迁（ 1） 能级 : 构成物质的粒子（分子、原子、离子等）的不同的能量状态，称能级状态，简称能级（或能态）。（ 2） 基态与激发态： 粒子最低的能级称为基态，其他的能级状态称为激发态。1. 粒子的能级与平均寿命E1E2E3E4En第十八章 激光及其医学应用（ 3） 平均寿命与亚稳态： 大量粒子在某激发态停留时间的平均值称为该激发态的平均寿命，一般约 10-9s 10-7s。某些粒子的激发态平均寿命较长，约 10-3s 10-2s，这种激发态称为亚稳态。第十八章 激光及其医学应用2. 粒子间的能级跃迁（ 1） 跃迁： 粒子的能级变化统称为跃迁。粒子在能级之间实现跃迁必然伴随与外界交换能量的过程。 跃迁只在满足 “ 选择定则 ” 的能级之间才能实现，各能级之间跃迁的概率并不一致。（ 2） 辐射跃迁： 以光能形式吸收或释放称为辐射跃迁或光辐射。（ 3） 无辐射跃迁： 以非光能形式吸收或释放称为无辐射跃迁。第十八章 激光及其医学应用（ 4） 受激吸收： 当光通过物质时，处于低能级 E1的粒子吸收一个能量hv=E2-E1的光子而向高能级 E2跃迁的过程 。（ 5） 自发辐射： 自发地从激发态向较低能态跃迁同时释放出光子的过程。E1E2hv=E2-E1E1E2hv=E2-E1第十八章 激光及其医学应用（ 6） 受激辐射： 一个处于高能级 E2的粒子受到一个能量 hv =E2-E1的光子 “诱发 ”而跃迁到低能级 E1，同时释放一个与 “诱发 ”光子特性完全相同的光子的过程。在光与粒子系统相互作用所实际发生的辐射跃迁中，以上三种基本过程总是不可分割地同时存在。然而在不同的条件下它们各自发生的概率不同，因此总的宏观效果也不同。究竟哪一种跃迁占优势 ?这要由系统中各能级上分布的粒子数情况决定。 E1E2hv=E2-E1hvhv第十八章 激光及其医学应用二、粒子数反转分布1. 粒子数按能级分布在温度为 T的热平衡态，系统中粒子数按能级服从玻耳兹曼能量分布定律。设处于高能级 E2与低能级 E1的粒子数密度分别为 N2与 N1， 而在两能级间跃迁时，各自变化 N2与 N1，有 : N21的分布 。 这种分布在辐射跃迁中将使受激辐射占优势，系统对入射光将有光放大的效果。 E1E2第十八章 激光及其医学应用E1E3E2 (亚稳态 )（ 2） 实现反转分布的两个条件 介质有两个以上与反转分布有关且有亚稳态的能级结构，这种能实现粒子数反转分布的介质称为激活介质； 有外界能源供给能量，使在正常分布下处于低能态的大量粒子尽快被激发或抽运到较高能态。 hv=E2-E1激励抽运无辐射跃迁第十八章 激光及其医学应用全反射镜半反射镜经光学谐振腔输出的光才是激光。 激光输出工作物质三、光学谐振腔 1. 光学谐振腔（ 1） 光学谐振腔： 使受激辐射在有限体积的激活介质中能持续进行，光可被反复放大最终形成稳定振荡的装置。第十八章 激光及其医学应用（ 2） 损耗因素 内损耗，由于介质对光的折射、散射、吸收等造成的损耗；镜损耗，由于反射镜产生的吸收、散射、衍射、透射 (包括输出的激光 )等造成的损耗。（ 3） 品质因数 Q 式中 v 为谐振腔内电磁波振荡频率， E为谐振腔内储存的能量， P是单位时间损耗的能量。第十八章 激光及其医学应用2. 激光的模式（电磁场在腔内的振荡方式）（ 1） 纵向模式 （纵模）： 电磁场沿谐振腔轴向（ z轴方向）的振荡方式。光在腔中来回反射形成相干叠加，只有满足特定相位差条件的光才能形成稳定的驻波，因此腔中只能允许某些特定频率的光在其中持续振荡。不同的纵模表达光波在腔内轴向不同的驻波场分布。第十八章 激光及其医学应用每一种分布称为一个横模 . 常用 TEMmn来表示激光横模 ， TEM表示电磁波 ， m、 n为 正整数（横模指数） ， m和 n分别表示在 x和 y方向上（轴对称情况）光场为零的次数。（ 2） 横模： 电磁场沿谐振腔径向（ x、 y轴方向）的稳定分布，即激光束在其横截面上的光强或光斑分布。激光横模示意图第十八章 激光及其医学应用 使受激辐射光放大过程能在有限体积的激活介质中持续进行，且在满足阈值条件下形成光振荡，输出激光； 对输出激光束的方向给予限定； 有选频作用； 调整激光的模式； 通过调 Q、锁模等技术以改善激光的输出波形。3. 光学谐振腔的主要作用第十八章 激光及其医学应用四、激光器的基本结构 1. 工作物质工作物质 : 激活介质与一些辅助物质。工作能级 : 激活 介质内激活粒子的能级中参与受激辐射，即与出现反转分布有关的能级称为工作能级。谐振腔工作物质全反射镜 部分反射镜激励装置激光第十八章 激光及其医学应用“三能级 ” 系统 （红宝石激光器为例）第十八章 激光及其医学应用Cr3+的能级图 4A24F14F22ER2 R1能量（ eV)Y吸收谱跃迁U吸收谱跃迁0123第十八章 激光及其医学应用E1E4E3E2“四能级 ” 系统 四能级系统实现粒子数反转图 激励抽运无辐射跃迁自发辐射受激辐射吸收第十八章 激光及其医学应用激励装置也称泵浦源，其作用就是向工作物质提供能量，使激活介质中的粒子被抽运到高能态上以便实现粒子数反转分布。由于供能形式不同，激励装置可有电子注入、光学泵浦、气体放电泵浦、粒子束泵浦、化学泵浦、热泵、核泵以及用一种激光器去泵浦另一种激光器等等之分。2.激励装置第十八章 激光及其医学应用1951年莫茨（ Motz）提出运动速度接近于光速的电子（称相对论电子）通过周期性变化的磁场或电场时会产生相干辐射 ,辐射的频率取决于电子的速率。自由电子激光器以真空中的相对论电子束为工作物质，通过泵浦场（周期磁场或电磁场）的相互作用产生激光。自由电子激光器可以同时具备高功率、高效率、宽波长可调谐范围等优点。中国科学院高能物理研究所于 1993年制成我国第一台红外自由电子激光装置。自由电子激光的产生机制不同于前述激光。与普通激光器基于分子、原子能级间跃迁产生激光不同，自由电子激光是利用自由电子受激辐射产生激光。第十八章 激光及其医学应用第二节 激光的特性一、方向性好 发散角是衡量光束方向性好坏的标志，方向性表明光能量在空间分布上的集中性。 激光束的发散角一般在 10-2rad 10-4rad， 与普通光束比相差 10倍 104倍。普通光源发出的自然光射向四面八方，常常使用聚光装置来改善它的方向性。 第十八章 激光及其医学应用二、亮度高、强度大 亮度是衡量光源发光强弱程度的标志，表明光源发射的光能量对时间与空间方向的分布特性。 激光器由于其输出端发光面积小，光束发散角小，输出功率大，而使其亮度高，尤其是超短脉冲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。第十八章 激光及其医学应用三、单色性好 谱线宽度是衡量单色性好坏的标志，谱线宽度越窄，颜色越纯，则单色性越好。单色性表明光能量在频谱分布上的集中性。 普通光源发出自然光的光子频率各异，含有各种颜色。 激光则由于受激辐射的光子频率 (或波长 )相同与谐振腔的选频作用而使其具有很好的单色性。第十八章 激光及其医学应用四、相干性好 自发辐射产生的普通光是非相干光，而受激辐射光子的特性使激光具有良好的相干性。光的时间相干 同一地点、不同时刻发出的光相干。 光的空间相干 同一时刻、不同地点发出的光相干。激光的时间相干性很好 ,空间相干性也很好。 激光器的问世，促使相干技术获得飞跃发展，全息摄影才得以实现。第十八章 激光及其医学应用五、偏振性好 受激辐射的特点表明激光束中各个光子的偏振状态相同。利用谐振腔输出端的布鲁斯特窗在临界角时只允许与入射面平行的光振动通过，可输出偏振光，并可对其调整。因此，激光具有良好的偏振性。激光的特性可概括为两大方面 : 与普通光源相比，激光器所输出的光能量的特别之处不在于其大小而在于分布特性，即光能量在空间、时间以及频谱分布上的高度集中，使激光成为极强的光。 激光是单色的相干光，而普通光是非相干光。第十八章 激光及其医学应用第三节 激光的医学应用一、激光的生物作用 激光的生物作用 激光对生物组织所施加的作用，并存在于由此引发的一系列理化过程之中，称为激光的生物作用。激光的生物效应 生物组织因受激光照射而出现的各种应答性反应、效果或变化称为激光的生物效应。强激光与弱激光 在医学领域，激光对被其照射之生物