激光医学(生工09)3-1(1).ppt

第三章医用激光器 MedicalLaser 授课教师赵箭光 1020301 1 激光器的组成 工作物质 按工作物质分类 2 激光器的分类 3 工作物质的能级系统 第一节固体激光器 一 概述 二 掺钕钇铝石榴石激光器 三 红宝石激光器 一 概述 激光电源 医用激光机的构成 激光器 激光导光系统 医用激光机的发展趋势 体积小 易携带 可光纤导光 制造成本低 可靠性高 基质材料 掺杂离子 固体激光器 工作物质 激励灯 聚光腔 谐振腔 氪灯或氙灯 椭圆腔 圆柱腔 紧包腔 基质 晶体 玻璃 玻璃陶瓷 掺杂离子 铬 钕 钬 铒等离子 二 掺钕钇铝石榴石激光器 Nd YAG激光器基本结构 Nd YAG晶体呈淡紫色 掺杂浓度约1 Nd YAG激光器结构 Nd YAG晶体 脉冲氙灯 氙灯电源 全反射镜 部分反射镜 椭圆聚光腔 激光 Nd YAG晶体 双椭圆聚光腔 脉冲氙灯 全反射镜 部分反射镜 激光 连续器件常用氪灯激励 脉冲器件多用氙灯激励 用掺锂的石英玻璃做成的泵浦灯 能滤去紫外线 氪灯发射光谱的峰值波长为 LD泵浦Nd YAG激光器 工作原理 Nd YAG属四能级结构 Nd YAG能级图 跃迁 阈值 输出特性 Nd YAG激光器转换效率高 输出功率大 单根晶体棒工作时输出功率可达百瓦 多模输出 Nd YAG激光器的波长处于各类导光纤维最佳透 过率的范围内 Nd YAG激光器的输出波长为 倍频Nd YAG激光器 倍频Nd YAG 三倍频 四倍频 磷酸氧钛钾 KTP KTP 用于各种固体激光系统 特别是Nd YAG激光器的倍频和光参量振荡 YAG激光器的优点 可光纤导光 可接触式手术 价格低 故障少 易维修 不需自来水冷却 可内部循环水冷却 三 红宝石激光器 红宝石激光器基本结构 红宝石晶体呈淡红色 掺杂浓度 常用高电流密度的氙灯激励 脉冲工作方式 氙灯电源 反射镜 反射镜 氙灯 用来激发激光 红宝石介质 激光介质 激光 红宝石能级图 工作原理 红宝石晶体属三能级结构 输出特性 红宝石激光器的输出波长为 红宝石激光器转换效率低 发散角较大 器件总效率约为 红宝石激光可装成检眼镜形式 做成手握式眼科凝 固器 还可装在裂隙灯上做成固定的眼科治疗机 激光治疗仪 脉冲Ho YAG激光治疗仪 德国 0 8 m 3J 20Hz 光纤输出 脉冲Er YAG激光治疗仪 美国 2 94 m 30w 2J 七关节输出 第二节气体激光器 一 CO2激光器 二 Ar 激光器 三 He Ne激光器 气体激光器一般采用电激励源 常见的气体激光器有氦 氖 CO2激光器等 固体激光器的特点 效率较高 能以脉冲和连续两种方式工作 一 二氧化碳激光器 二氧化碳激光器基本结构 二氧化碳激光器是一种气体分子激光器 二氧化碳激光器的工作物质是气体 辅助气体有等 最常见的是封离型内腔式 工作原理 分子能级跃迁 CO2激光器结构图 输出特性 输出功率最大可达数千瓦 激光器的输出波长为 激光器能量转换率高达到25 二 Ar 激光器 Ar 激光器基本结构 Ar 激光器是一种惰性气体离子激光器 放电管 谐振腔 轴向磁场 水冷却系统 镇气瓶 工作原理 的能级图 输出特性 Ar 激光器是可见光区域中连续输出功率最高的 能很好被血红蛋白吸收 止血效果好 广泛应用于眼科 皮肤科 内科等领域 Ar 激光器的输出波长主要有和 一般连续输出几瓦到几十瓦 甚至几百瓦 三 氦氖激光器 氦氖激光器 氦氖气体激光器是四能级系统 共振转移 氦氖气体的能级图 第三节其他激光器 一 准分子激光器 二 半导体激光器 三 染料激光器 一 准分子激光器 工作物质是稀有卤化物 准分子 基态的稀有气体原子化学性质稳定 不可能和其它原子结合成稳定分子 但当它们 受到激发时 稀有气体原子就可能从基态跃迁 到激发态 甚至被电离 这时很容易和另一个 原子形成一个寿命极短的分子 这种处于激发 态的分子称受激二聚物 简称准分子 ArF准分子激光器基本结构 激光 准分子激光器的结构框图 工作原理 ArF准分子的势能曲线图 激光辐射 输出特性 输出平均功率20瓦 准分子激光器的输出波长为 光束发散角左右 二 半导体激光器 半导体激光器是向半导体PN结注入电流 实现粒子数反转分布 产生受激辐射 再利用谐振腔的正反馈 实现光放大而产生激光振荡的 电子弛豫 荧光或激光辐射 电子弛豫 导带 价带 泵浦 半导体能带和允许能级 半导体激光器的特点 效率高 体积小 重量轻 工作电压低 波长丰富 结构简单 半导体激光器 缺点是输出功率较小 方向性较差 发散角较大 单色性较差 波长为670 5nm 功率连续可调 最大光纤末端输出功率2瓦 医用半导体激光器 激光治疗仪 输出特性 半导体激光器输出的波长在波段 大功率半导体激光器在耳鼻喉科用于鼻息肉 声 带息肉的切除 普外科等用于气化切割手术 骨科用于腰椎间盘减压术 波长可调谐 光针 低功率激光照射 激光血液内照射疗法已 蓝 绿光半导体激光器将简化大型医学和生物学 的检测设备 使用上半导体激光器 半导体激光器可做泵浦源 还可做成激光流式细胞 仪器的体积 扩展了仪器的应用范围 计 DNA测序仪 共聚焦扫描仪的光源 半导体激光器待研究的课题 波长的扩展 特别是 短波长的发展 功率的提高 缩小了 三 染料激光器 工作物质 有机染料溶液和无机化合物溶液 染料激光器 有机染料激光器的最大特点 发出的激光波长可在一段范围内调节 而且效率也不会降低 因而它能起着大多数激光器不能起的作用 液体染料激光器 固体染料激光器 第五节医用激光器的导光系统 一 光的全反射 二 激光导光光学纤维 三 激光导光关节臂 系统需达到的技术要求 导光关节臂 激光导光系统 导光光学纤维 1 传输激光时保持激光的原有特性 即保持 激光的平行性和相干性 2 传输激光时激光功率损耗要尽量地小 3 体积应尽可能小 操作要灵活 4 系统的输出口处在任何位置时 输出功率 应保持恒定 5 能承受比较大的功率密度而不损坏 一 光的全反射 发生全反射的条件 光从光密介质进入光疏介质 入射角等于或大于临界角 光由光密介质射入光疏介质时 折射角大于入射角 随着入射角增大 反射光线越来越强 折射光线越来越弱 当折射角增大到90 时 折射光线完全消失 只剩下反射光线 这种现象叫做全反射 折射角 2为90 时 发生全反射现象 1 3 光密介质 N N A O C 光疏介质 在研究全反射现象中 刚好发生全反射时的入射角 称为临界角 当光线从光密介质射入光疏介质时 如果入射角等于或大于临界角 就发生全反射现象 1 临界角 发生全反射现象 二 激光导光光学纤维 阶跃光纤 梯度光纤 纤芯 光纤的组成 色层 保护层 折射率必须大于色层的 导光纤维 纤芯折射率均匀一致 纤芯与色层处折射率由高阶跃变低 纤芯折射率自中心向界面方向呈抛物线 规律逐渐减小 到纤芯与色层的界面处 处折射率一样 光纤的传播方式 光纤芯n1 包层n2 1 光纤的传输性能 三种石英光纤的性能比较 a 石英包层光纤 b PCS 软硅酮包层光纤 c TECS 硬聚氟包层光纤 UV波长范围 石英光纤 PCS TECS NIR范围 石英光纤衰耗最低 TECS稍低于PCS 3 弯曲性能 4 强度 2 光纤的数值孔径NA 石英光纤0 10 0 22 PCS0 40 TECS0 39 0 84 石英光纤弯曲性能最低 PCS TECS 动态疲劳和静态疲劳 光纤纤径越小弯曲性能越好 三 激光导光关节臂 操作手柄 激光刀头 内装聚焦透镜 光关节臂转动轴线与激光 管的光轴同轴 导光关节臂结构示意图 反射镜基座 连接管 轴承 反射镜 激光刀头 思考题 一 选择题 1 一束激光从空气入射到角膜组织时 发生折射 入射角为 下列选项中哪个角度可能是折射角 2 一生物组织的