医学中常用激光器(详细).doc

精品文档医学中常用的激光器自第一台激光器问世后，人们对激光器件及技术进行了大量的研制工作，取得了相当可观的成果。目前能实现激光运转的工作物质达数百种以上，大体上分为气体、固体、半导体、染料等几大类。人们在探索激光产生机理的同时，扩展了激光的频谱范围，几千条谱线遍布于真空紫外到远红外的广阔光谱区域。激光方向性好、强度大，可以使被照物体在1/1000s内产生几千度的高温，瞬间发生汽化。由于激光的物理特性决定了其具有明显的生物学效应，。各种不同的激光具有不同的特性和组织效应，正确认识激光的这些特点，是选择和合理利用激光的基础。 一气体激光器气体激光器，按工作物质的性质，大致可分成下列三种：(1)原子激光器：利用原子跃迁产生激光振荡，以氦氖激光器为代表。氩、氪、氙等惰性气体，铜、镉、汞等金属蒸气，氯、溴、碘等卤素，它们的原子均能产生激光。原子激光器的输出谱线在可见和红外波段，典型输出功率为10毫瓦数量级。(2)分子激光器：利用分子振动或转动状态的变化产生辐射制成的，输出的激光是分子的振转光谱。分子激光器以二氧化碳(CO2)激光器为代表，其他还有氢分子(H2)，氮分子(N2)和一氧化碳(CO)分子等激光器。分子激光器的输出光谱大多在近红外和远红外波段，输出功率从数十瓦到数万瓦。(3)离子激光器：这类激光器的激活介质是离子，由被激发的离子产生激光放大作用，如氩离子(激活介质为Ar)激光器。氦镉激光器(激活介质为Cd)等。离子激光器的输出光谱大多在可见光和紫外波段，输出功率从几毫瓦到几十瓦。气体激光器是覆盖波谱范围最广的一类器件，能产生连续输出。其方向性、单色性也比其他类型器件好，加之制造方便、成本低、可靠性高，因此成为目前应用最广的一类器体。1、氦氖激光器氦氖激光器能输出波长为632.8nm的可见光，具有连续输出的特性。它的光束质量很好(发散角小，单色性好，单色亮度大)。激光器结构简单，成本低，但输出功率较小。氦氖激光器在工业、科研、国防上应用很广，医疗上主要用于照射，有刺激、消炎、镇痛、扩张血管和针灸等作用，广泛用于内科、皮肤科、口腔科及细胞的显微研究。氦氖激光器有三种结构形式：内腔式、外腔式和半内腔式。它们均由放电管、谐振腔、激励电源等三部分组成。以内腔式为例，放电毛细管是产生气体放电和激光的区域，它的内径很小，约在1到几毫米。电极A为阳极，由钨杆或钼(或镍)筒制成。阴极K为金属圆筒，由铝、钼、钽等制成，它们均有足够的电子发射能力和抗溅射能力。组成谐振腔的两块反射镜紧贴于放电管两端，并镀以多层介质膜。其中一个为全反射镜，另一个则为部分反射镜，整个谐振腔在出厂前已调整完毕，因此使用简单、方便。放电管的管径比放电毛细管粗几十倍，用以保持氦氖气压比及加固谐振腔。为了避免放电管变形而引起激光输出下降，内腔管的长度不宜过大，一般不超过一米。外腔式激光器可以更换不同的反射镜，使输出功率最大，光束发散角最小。也可在反射镜和放电管之间插入光学元件，以研究激光器的输出特性，调制它的频率或幅度，并可制成单频大功率激光器。2、二氧化碳激光器二氧化碳激光器的能量转换效率达2025%(氦氖激光器的能量转换效率仅为千分之几)。它的输出波长为10.6微米，属于远红外区，连续输出功率可达万瓦级，常用电激励，结构比较简单紧凑，使用方便，是目前最常用的激光器之一，在医学上，CO2激光器作为手术刀使用日益引起人们的重视。CO2激光器也用于皮肤科、外科、神经外科、整形外科、妇科和五官科的手术，在癌症的治疗上也有一定成效。 最常见的封离型内腔式二氧化碳激光器的管壳是由硬质玻璃或石英材料制成的。常见为三层玻璃套管结构，其最内层是放电管，中间层是水冷套，外层是储气管。在内外层之间有气体循环通路，这是为了保证混合气体的均匀分布而设计的。其光学谐振腔通常用平凹球面腔。球面镜可用石英或其他光学玻璃做基片，然后，在表面上镀层金属膜。平面镜是输出窗片，要求它对10.6m的激光有很好的透过率，且表面不易损伤，机械性能好等。一般中小功率的激光器常常采用锗单晶做输出片，大功率的用砷化镓做输出片。电极材料常用镍，也可用钽、钼等。根据构成光学谐振腔的两块反射镜紧贴放电管，或离开放电管，或一块紧贴一块离开放电管的情况，二氧化碳激光器又有内腔式、外腔式和半内腔式之分。 3、氮分子激光器氮分子激光器的激光输出波长主要在紫外区，有几十条谱线，其中以337.1nm最强。激励方式为脉冲放电，输出几个纳秒(109s)的光脉冲。输出的峰值功率相当高，达兆瓦级，甚至达到几十兆瓦。重复率为每秒几十到几百次。这种激光器构造简单，制造容易，可作染料激光器的抽运源，临床上可应用于外科、皮肤科、五管科和妇科等方面。利用紫外激光的荧光效应，还可早期诊断某些肿瘤。4、氩离子激光器Ar激光器是一种惰性气体离子激光器。它的激光波长主要是488nm和514.5nm的蓝色光和绿色光。连续输出功率一般为数瓦至数十瓦，最高可达一百多瓦，是目前在可见光范围内连续输出功率最高的一种激光器。Ar激光器一般由放电管、电极、回气管、谐振腔和轴向磁场等部分组成。放电管的核心部分是放电毛细管。制作毛细管的材料要求能耐高温，散热性好，气密性好，吸气率低，机械强度高等，常用的材料有石英、氧化铍陶瓷和石墨等。目前的Ar激光器多数都是分段石墨管结构，即放电管由石墨片叠加而成，片间用小石英环隔开，彼皮绝缘。整个装置放在有冷水套的石英管内。管的两端分别为发射电子的阴极和收集电子的石墨阳极。放电毛细管的作用是增强放电电流密度，以利提高发射强度。轴向磁场是为了提高Ar激光器的输出功率和寿命而设计的。它有聚集带电离子的作用，可以增强电子密度和离子密度，减少离子对放电毛细管的轰击。谐振腔由两块镀有多层介质膜的反射镜组成。反射镜要相互平行，且与毛细管的轴线垂直。水冷却系统是为了保证激光器的正常工作而设计的。因为在放电过程中，电流很大(数十安培)，激光器的温度升高快，必须加以冷却才行。镇气瓶与放电管相通。因为激光器工作一段时间之后，管内的气压就会明显下降，从而导致激光输出功率下降。而镇气瓶可以通过控制开关自动向放电管内充气，使之保持最佳气压，达到维持激光输出功率基本不变的目的。 5、氦镉离子激光器氦镉离子激光器是一种金属蒸汽离子激光器，由镉(Cd)离子产生激光，氦为辅助气体。这种激光器输出的激光波长主要是441.6nm(蓝光)和325nm(紫外光)，连续输出功率较高，为几十毫瓦。在临床上可用于诊断和照射治疗，例如检查五官科方面的癌肿，照射穴位以治疗高血压和慢性肝炎等。氦镉激光器的石英毛细管内充以几乇气压的氦气，两端封以布儒斯特窗片。阳极为钨杆，阴极为钼或铝筒。靠近阳极处有一镉池，内盛高纯镉(99.99%)。把镉加热到200250左右，镉就升华为蒸气。电极间加以电压使毛细管中的放电电流为几十毫安，若两端配以反射镜组成谐振腔，即有激光输出。放电毛细管的内径为23毫米。为了防止镉蒸气沾污阳极端的窗片(对内腔管而言为介质膜反射镜)，镉池和窗片间设置电泳封锁区。镉离子(Cd)在电场作用下不断向阴极运动(这个过程称电泳效应)，同时设置冷凝室，使通过毛细管的镉蒸气在此室冷凝。氦镉激光器的输出功率与镉蒸气压、氦的气压及放电电流有关。二固体激光器固体激光器体积小，输出功率大，使用方便，但工作物质(激活介质)较贵，结构及制造均较复杂。常用的固体激光器为红宝石、钕玻璃和掺钕钇铝石榴石等。工作物质的性能好坏直接影响器件的输出特性，它有如下要求：(1)良好的激光性能：包括宽的吸收带和大的吸收系数；高的荧光量子效率；高能级寿命短，亚稳态寿命长；荧光谱线宽度小(锁模激光器例外)；内部损耗小等等，上述各因素利于粒子数反转，输出较大功率的激光。(2)良好的物理化学性能：包括机械强度高，熔点高，热导率高，热膨胀系数小，能制成较大尺寸，掺杂浓度高，光照稳定性、化学稳定性好等等，这些因素可使器件重复频率高，寿命长。(3)良好的光学质量：光学质量差的工作物质，散射、吸收和退偏(一种因双折射而引起的损耗)也大，会使器件阈值升高，效率下降。因此材料必须均匀。此外，工作物质的形状及加工也有一定要求，固体激光器的工作物质常制成棒形(截面为圆形或矩形，称为激光棒)，其长度和直径比为101左右。对连续工作的器件，为提高散热效果可取121到151。棒两端面的平面平行度应小于10，光洁度优于P。为了减少侧壁效应，提高泵浦效率，激光棒的侧面应磨毛。下面具体叙述各种固体激光器的结构和特性。1、红宝石激光器红宝石是一种晶体，主要成份是Al2O3，掺入的激活离子是三价铬离子Cr3，离子密度约为1.61019/cm3，Cr3的重量掺杂比约为0.0350.05%。整个红宝石晶体呈淡红色，表示式为Al2O3：Cr。当入射光为700nm时，o光的折射率为1.769，e光的折射率为1.761。红宝石的机械性能很好，质硬，熔点高，热变形小，热导率高，化学性能稳定，具有较高的抗激光破坏能力，是较好的晶体材料之一。它属于三能级结构，激光输出波长为694.3nm。 红宝石棒和脉冲氙灯同置于聚光腔内。全反射镜和部分反射镜组成光学谐振腔(光学谐振腔也可由激光棒的二端面构成)。电源的脉冲高电压使氙灯闪光，对红宝石进行光激励，以产生激光。聚光器的作用是使光源发出的光尽量多地汇聚于工作物质，并使照明尽量均匀，以形成较好的光耦合。前者用以提高整个系统的效率，后者则决定输出激光束的质量(光强度分布均匀性和发散角大小)。红宝石激光器的激励光源为脉冲氙灯，其充气气压较高(大于几百乇)。在较短的时间内(几微秒到几毫秒)通过大电流放电(几千安培/厘米2)使管内放电气体等离子体瞬时达到高温(104K)，从而发出高亮度的以连续光谱为主的白光辐射，其色温为500015000K。脉冲氙灯作单次闪光后间歇时间较长，通常不需采取冷却措施。它在高于100次/秒的重复闪光频率下也能工作，但必须采取专门的风冷或水冷措施。脉冲氙灯的电能和光能转换效率较高，可达5060%以上。红宝石的独特优点是它的激光为红光，这种激光人眼可见，对绝大多数光敏材料和器件来说，也易于进行探测和测量。红宝石激光器是最早应用于医疗上的激光器：在眼科中用于视网膜的焊接，治疗青光眼，进行虹膜的切除等，在皮肤科中用于照射治疗，在生物学方面，用于细胞的研究等等。红宝石属于三能级结构。为了实现粒子数反转，至少需要把半数以上的工作粒子激励到激光跃迁的高能级，因此产生激光所要求的阈值激励功率较高。此外，当晶体升温时(大于50)，荧光量子效率显著下降，谱线宽度增大，使激光输出水平下降，甚至停振，故一般应采取冷却措施。红宝石激光器的效率较低，对脉冲式激光器，输出能量可达几焦耳到几十焦耳以上，器件总效率大约为0.20.5%左右。此外，红宝石激光器的输出发散角较大，一般约为310毫弧度。2.掺钕钇铝石榴石激光器掺钕钇铝石榴石晶体的化学表示式Nd3：Y3Al5O12，简写为为Nd:YAG。它是在钇铝石榴石基质中掺入1%浓度(重量比)左右的氧化钕(Nd2O3)，以取代部分钇而制成的。其中Nd是激活离子，激光就是通过这些离子受激辐射而得到的。Nd:YAG晶体为淡粉紫色，硬度高，机械性能好，导热性及化学稳定性都较好。在滤掉紫外辐射的情况下，其抗光照性也较好。激光输出波长为1.064微米(室温)的激发，谱线宽度为0.71nnm，采用倍频技术可获得0.532微米的绿色可见光。Nd:YAG晶体为四能级结构，因此实现激光振荡所需光泵的功率较小。同时，良导热性使它在室温条件下能连续运转或以较高重复频率运转，这是它的两个主要特点。与红宝石激光器相同，Nd:YAG激光器也由激光棒、谐振腔、聚光器及光源组成。激光棒的直径一般为47毫米，光学均匀性好，二端面磨成平面，平面度为/4，局部平面误差/10，并镀以增透膜(透过率99.5%)，端面的光洁度优于P，平行度为10左右。为了防止寄生振荡，圆棒的侧面必须磨毛。连续工作的Nd：YAG激光器，光泵通常用连续氪弧灯，因为它的线光谱图中位于750nm和800nm处的极强发射谱线正好与Nd的强吸收带相匹配，所以效率很高。例如7114毫米的激光棒，用氪灯激励，波长为1.064微米的激光输出功率可大于100瓦。目前Nd:YAG连续激光器的最大输出功率已超过1000瓦，每秒30次的重复频率调Q激光器的峰值功率已达150兆瓦。连续工作的激光器，要求用流动水冷却。对大功率Nd：YAG激光器，光泵常采用脉冲氙灯，而卤素灯则常用于小功率输出激光器中。Nd：YAG激光器在医疗上可作手术刀，它比CO2气体激光器止血效果好，切骨骼速度快，切缝细。特别是倍频后的0.532微米激光，在胃止血、血管瘤治疗及显微外科手术上有广阔的前途。钕玻璃激光器钕玻璃是在玻璃基质中掺入少量氧化钕(重量比约25%)制成的。最常用的玻璃基质为钡冕玻璃、钙冕玻璃等。激光离子为Nd3，激光输出波长为1.064微米。由于光学玻璃的熔制工艺比较成熟，较易获得比晶体材料大得多的玻璃工作物质，因此钕玻璃激光器成本较低而质量较高。钕玻璃属于四能级结构。它的阈值低，输出功率较大(脉冲能量大于1万焦耳)，发散角小，激光器效率较高(最高67%)，因此得到广泛的应用。但是，由于它的热导率低(比YAG晶体低一个量级)，在光泵抽运过程中玻璃工作物质吸收的热量不能很快放出去，因此不宜用于连续运转或高重复脉冲运转。钕玻璃激光的单色性较差。随激发水平增高而变宽。钕玻璃激光器一般主要用于单脉冲或较低重复率(10次/秒以下)的运转，在医疗上已用于皮肤科、外科等方面的汽化、照射治疗等。以Tm3、Ho3和Er3为激活粒子的激光器最近在红外激光器中还采用Tm3、Ho3和Er3作为激活粒子。象Nd3一样将它们掺入石榴石基质点阵。由于考虑良好的光热性，多数选用钇铝石榴石(YAG)作基质。这几种激光器的参数如下。固体激光器的结构大同小异，此处不再赘述。几种红外固体激光器激活离子Tm3、Ho3、Er3，激光波长2.01、2.12、2.082.94m。水中的1/e射入深度(m)20048014HJ1BG)FHJ用普通的氙灯或氪灯作宽频带光源激发时，稀土离子普遍存在的缺点是吸收带窄。然而，只要基质晶格里掺加Cr3离子，就能使激发效率得到改善。Cr离子的宽频带将有效地吸收泵浦光，同时为了使激发能迅速无辐射地传输，要注意Cr 的发射和激活粒子能级很好地重叠，在Tm作为激活粒子的激光器中，常掺入Cr，称为Cr：Tm：YAG激光器。Ho离子不能有效地由Cr离子直接激发，然而可由Tm离子直接激发，因为它能将吸收的激发能直接向上面的Ho激光能级传递。通过Tm离子中的交叉弛豫，Ho激光器与Tm激光器以同样高的量子效率抽运，工作物质掺有Cr、Tm、Ho的激光器称CrTmHoYAG激光器。Tm3、Ho3激光器都是准三能级系统，而Er激光器却是一个四能级系统，它能很好地被闪光灯中可见光谱中的一系列多重谱线激发。Er：YAG激光器的效率与CrTm和CrTmHoYAG激光器相比，具有相同的数量级，但由于是四能级系统，阈值较低。5242输出特性这几种激光的波长已在表31中列出。目前多为脉冲输出，例如现有一种用于外科手术的Ho：YAG激光器输出脉冲能量12J，脉宽250350s，脉冲重复频率20Hz，平均输出功率为20W。这些激光器的性能在某些专门用途中可实现最佳化，且能在室温下稳定运行，并可能经光纤传输。不仅在医学上，在多种应用中具有明显的优越性。上述三种激光器在医学中有重要应用。我们知道，生物组织中含有很多水分。去离子水的吸收和渗透深度在13m波长范围内改变4、5个数量级。因此，对于医学应用，选择正确的波长将有决定性意义。如212m波长的Ho激光被组织中的水分强烈吸收，形成对组织很合适的浅穿进，在大多数软和硬组织外科手术中精度同CO2激光差不多，在多数组织中能较好止血，它在医学上应用很有前途。53其它激光器1、染料激光器HT各种类型激光器所输出的波长，已几乎覆盖了真空紫外至远红外波段，还出现了X射线激光器。但是，一般激光器输出的波长都是固定单一的，至多也只有几个波长，这在应用上有一定的局限性。在某些应用场合下，必须有可调的辐射才能满足需要。目前已有多种可调谐激光器，如染料激光器、半导体激光器，光参量振荡器，TEACO2激光器(横向激励CO2激光器)等。用的最广的还是染料激光器。这是因为在光谱的可见区与近紫外区，要数染料激光器最简单最方便。有机染料分子中含有很多个原子，且在一个电子能级上还有很多个振动能级，而每一个振动级又有一组转动能级。由于染料分子中各原子的振动，分子整体的转动及分子与周围溶剂分子的频繁碰撞等原因，致使每个能态是由许多能量差极小的分裂能级组成，所以可以看成是准连续谱的能带，吸收和发射亦呈准连续谱。染料分子的这种能级结构是染料激光器的输出波长在一定范围内连续可调的根本原因。染料溶液被电磁辐射泵浦时，染料分子吸收合适频率的光子能量，从基态跃迁到各振动能级，并很快通过无辐射跃迁到最低振动能级。由于在室温热平衡分布状态下，处于基态S0的各较高振动能级上几乎没有粒子存在，所以形成S1中的最低能级对S0的某些较高振动能级的粒子数反转，产生激光输出。而S0的各振动能级的准连续性，使S1的最低能级到S0的各发射谱线也是准连续的，同时具有一定的宽度。最后处于S0各较高振动能级上的粒子又以无辐射跃迁返回S0的最低能态。可见染料激光形成过程，经历了两次无辐射跃迁，这就使激光波长比吸收波长向长波方向移动。染料激光器的结构与固体激光器有许多相似之处。一般由激光工作物质、激励光源、聚光系统和谐振腔及波长选择装置组成。由于激励方式和调谐的方法不同，具体结构各异。染料激光波长分布在紫外到近红外的波段内。由于输出激光的中心波长随腔长、染料浓度及腔镜反射率的变化而变化，这就便于使用各种方法改变和控制染料激光器输出激光的中心波长，从而得到波长连续可调的激光。连续染料激光器的输出功率为几百毫瓦至几十瓦，脉冲器件每脉冲输出能量从零点几焦耳到几个焦耳用光栅或多个棱镜调谐能达到的谱线宽度为105m数量级。染料激光器用于眼科治疗比用其他激光器结构简单，体积小，使用方便。由于其波长连续可调，使其可能把激光输出波长调至适合于眼科治疗范围。同时它能在最有效的生物光谱灵敏区内对生物样品进行分析和观察，在临床诊断和治疗中发挥作用。染料激光器目前还广泛用作临床治疗深部恶性肿瘤的PDT中的有效光源。2、半导体激光器半导体激光器在所有激光器中是最小巧的，而且它结构简单坚固，又便于直接调制，所以在光通讯、测距、信息存贮与处理等方面有着重要的应用。此外，在激光技术的一个重要方面可调谐激光器的研究中，半导体激光器也占有一定的地位。最简单的半导体激光器是由一个PN结构成的。我们所熟悉的半导体二极管、三极管等许多半导体器件也是由一个或几个PN结构成的。PN结的一个重要特性是具有整流作用。PN结还有一个特性，当正向通过电流时，电子从N区通过PN结注入P区，空穴从P区通过PN结注入N区，有一部分电子和空穴在结区复合，复合的结果要释放出能量。这种能量可以用光子的形式释放出来，称为复合辐射，这就是发光二极管的原理。在制成半导体激光器之前，人们就已制了发光二极管。目前制造发光二极管的材料通常是GaAs。像普通光源一样，这里也有自发辐射、受激辐射和受激吸收三个过程。在发光二极管中自发辐射占绝对优势。如果注入电流足够大，受激辐射就会超过受激吸收。当电流达到阈值使受激辐射的增益超过损耗时就可以形成激光。当然，为了产生激光还必须有光学谐振腔。可以利用GaAs晶体的天然解理面来作谐振腔的两个反射面。P型与N型的基质都是GaAs，这样形成的PN结叫同质结。同质结半导体激光器在室温下的阈值电流高达5104安/厘米2，所以不能连续工作。现在已经发展了异质结的半导体激光器，所谓异质结就是指由不同材料构成的结。这种激光器在室温下的阈值电流已降到2000安/厘米2，可以连续工作。输出功率高达200毫瓦，寿命达几百万小时，功率效率可达1020%。同质结GaAs激光器的波长约为904nm，异质结GaAs半导体激光器的波长约为810nm。如果在GaAs中掺入磷，则波长可移向可见光。如果掺入铟，可以将波长移到1.1微米左右，这对于光通讯有很大的意义。因为光通讯中是依靠玻璃纤维来传输光讯号的。当波长为1.1微米时，光讯号在玻璃纤维中损耗极小，可以传播很长有距离。半导体激光器的种类很多。不同类型的工作物质，不同方式的激励，以及提供振荡的不同结构，都可构成不同类型的激光器。半导体激光器一般是多模振荡，方向性较差，水平方向光束发散角半宽度约5，垂直方向约30；此外半导体激光的光谱结构也比较复杂，单色性差，但有体积小，重量轻、耗电省的优点，在医学上可作为激光理疗和激光针灸，大功率的也可用于手术。3、准分子激光器准分子激光器是七十年代发展起来的一种脉冲激光器。它的主要特点是波长短功率高，其工作物质为稀有气体卤化物和稀有气体氧化物，输出波长从真空紫外到可见光区域。第一个获得激光的工作物质是稀有气体氙，1971年由前苏联科学家巴索夫用一高强度相对论电子束泵浦液氙获得激光。之后，氙又在高气压的气体状态下产生激光。但是目前技术发展最成熟、应用最广泛的是稀有气体卤化物准分子激光。此类激光器之所以冠以“准分子”，是因为它不是稳定的分子。实际上，它是在激光混合气体受到外来能量源激发所引起的一系列物理的和化学的反应中曾经形成但转瞬即逝的分子，其寿命仅为几十个毫微秒。了解了准分子能级结构后就可理解这一点。Rg代表稀有气体原子，X代表卤素原子，通常条件下，它们混合在一起并不发生反应。但在特殊的混合条件下(一定的气压和比分)，用外加能量源激发此混合气体，如电子束轰击，高压电激励等，就会引起气体原子从基态跃迁到激发态甚至被电离，而处于激发态的原子或电离出来的离子就很容易结合成分子。激发态RgX*分子数远多于基态RgX分子数，形成粒子数反转，产生激光。即准分子从激发态RgX*跃迁到RgX。特别值得注意的是此基态位能曲线没有凹陷(或凹陷很浅)，即不存在足以使两原子继续结合在一起的约束势阱。因此基态准分子RgX迅速离解成两个原子，即RgX，准分子不再存在。从激发态准分子形成到离解成RgX，整个过程仅几十个毫微秒。基态的不稳定具有很重要的意义，因为只有基态迅速地排空，才易实现粒子数反转