《激光及其医学应用》PPT课件.ppt

激光及其医学应用 第十八章 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 激光 laser 是受激辐射光放大 lightamplificationbystimulatedemissionofradiation 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 stimulatedradiation 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 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 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 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 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 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 N2 N1 N2 N1 1 在正常状态下 受激辐射总是被湮没 宏观上得不到光放大的效果 2 粒子数反转分布 1 粒子数反转分布 粒子数在能级上能实现N2 N1 1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 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 经光学谐振腔输出的光才是激光 激光输出 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 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 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 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 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 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 三能级 系统 红宝石激光器为例 四能级 系统 四能级系统实现粒子数反转图 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 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 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 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 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 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组织 若能直接造成不可逆性损伤的激光者称其为强激光 若不能直接造成不可逆性损伤者称其为弱激光 1 热作用 生物组织在激光照射下吸收光能转化为热能 温度升高 这即是热作用 低能量光子 红外激光 可使组织直接生热 高能量光子 可见与紫外激光 则多需经过一些中间过程而使组织生热 生物大分子吸收激光光子的能量受激活而引起生物组织内一系列的化学反应称之为光化反应 激光照射直接引起机体发生光化反应的作用称为光化作用 3 光化作用 5 生物刺激作用 生物刺激作用主要是弱激光的作用 弱激光对生物过程 对神经 通过体液或神经 体液反射而对全身 对机体免疫功能等都有刺激作用 可产生促进血红蛋白的合成 糜蛋白酶的活性 细菌的生长 白细胞的噬菌作用 肠绒毛的运动 毛发的生长 皮肤 黏膜的再生 创伤 溃疡的愈合 烧伤皮片的长合 骨折再生 消炎等生物效应 二 激光在基础医学研究中的应用 1 激光对生物分子 细胞组织的作用与效应 1 生物分子 激光作为刺激源可在分子水平上调整蛋白质与核酸的合成与活性 影响DNA的复制 各种酶的活性与功能 氨基酸的变化等 2 细胞 激光通过对细胞的作用而影响细胞的增殖 分化 遗传 发育 凋亡 代谢以及免疫等过程或功能 而且这种影响往往还有双向作用 其含义有两层 一是照射剂量小则兴奋 大则抑制 二是可使细胞功能从不同方向的偏离恢复正常 3 组织 激光照射组织 当剂量足够大时将造成对组织的损伤直至完全破坏 这种损伤分为热损伤与非热损伤两大类 热损伤由于热作用导致组织的凝固 汽化 包括炭化 燃烧 气化所造成的 非热损伤机械作用导致的冲击波对组织的损伤 甚至远距离损伤 强电场作用导致的光击穿或产生等离子体 光化作用导致的光化激活组织 发生光化反应造成对组织的损伤等 2 用于基础医学研究的激光技术 1 激光微光束技术激光经透镜或显微镜光学系统聚焦后可形成强度很高而光斑直径在微米量级的微光束 利用此微光束可进行细胞水平的研究 形成激光的光镊术 显微照射术 细胞打孔术 细胞融合术等以实现对细胞进行俘获 转移 穿孔 移植 融合及切断等微操作 激光微光束还可用于激光微探针分析术 即标本的微区在激光微光束照射下被汽化 同时用摄谱仪或质谱仪记录 进行微量和痕量元素的定性或定量分析 让染色细胞在稳定的液体流动中排队成行 逐个依次恒速通过激光束的焦斑区 用探测器检测细胞被激光照射后所发出的荧光与散射光并经计算机处理而自动显示结果 它可对细胞逐个进行定量分析与分选 其特点是分析速度快 灵敏度高 分选纯度高 可对一个细胞同时定量测定多种参数 如DNA RNA含量 细胞体积等 等 2 激光流式细胞计 拉曼散射的频率与瑞利散射的频率之差称为拉曼频移 由于拉曼频移与物质分子的振动 转动能级结构有关 而与入射光频率无关 故可用拉曼光谱对生物分子进行结构分析 因拉曼散射的强度只有瑞利散射的万分之一 一般不易观测到 只有用高强度 高单色性以及谱线范围宽广的激光作激发光源 才使激光拉曼光谱具有实用意义 3 激光拉曼光谱技术 当光子与物质分子相互作用时 除有与入射光频率相同的瑞利散射线外 还有由于非弹性碰撞而在其谱线两侧对称分布的散射光 这种散射称为拉曼散射 激光多普勒血流计可用于对人体甲皱 口唇 舌尖微循环与视网膜微血管等的血流速度进行检测 激光多普勒电泳是应用激光多普勒效应与电泳技术结合的一种分析 检测新技术 可快速自动准确地测量生物细胞及大分子的电泳迁移率 表面电荷 扩散系数等重要参量 激光多普勒技术还用于对巨细胞质流 精子活力 眼球运动 耳听力等的测定 4 激光多普勒技术 利用激光照射运动物体所发生的光多普勒效应进行检测的技术 激光具有高度的时间与空间相干性 以它作光源才使全息术得以实现 激光全息显微技术是激光全息术与光学显微系统结合的产物 它具有分辨率高 像差小 景深大 能对活标本进行动态观察等优点 被用于对细胞的观测分析 5 激光全息显微技术 全息术利用光的干涉在底片上记录被摄物体反射光的频率 强弱与相位信息 再利用光的衍射重现被摄物体的三维空间图像的技术 除上述外 激光扫描共焦显微术 镜还有激光荧光显微技术 激光漂白荧光恢复测量技术 激光扫描细胞计等激光技术用于基础医学研究 三 激光的临床应用 1 激光诊断方法 激光光谱分析法 荧光光谱 微区光谱 拉曼光谱等 激光干涉分析法 全息术 干涉条纹视力测定 视觉对比敏感度测量 散斑技术等 激光散射分析法 多普勒技术 静态和动态散射