电磁场与物质的相互作用

电磁场与物质的相互作用,激光在医疗上的应用,应用一、激光在皮肤科的应用激光在皮肤科主要应用于激光治疗红斑、激光除皱、激光除痣和文身及对损伤皮肤的修复等等。据报道，德国慕尼黑的科学家们经过大量的试验发现，308nm的激光在治疗牛皮癣和白癜风方面，较传统的方法取得了满意的成果和减少了正常皮肤的老化。正在美国和澳大利亚进行的临床试验表明，用脉冲式高能量的固体激光器，可消除脸部的皱纹、疤痕及其它皮肤缺陷，在900人参加的试验中，90的人消除了脸部75的皱纹。,应用二、激光在眼科中的应用激光手术是理想的治疗近视的高科技手段，其集计算机、激光、生物医学工程技术于一体，利用准分子激光束能量高，穿透性极弱，切削准确，重复性好的特点，准确地切削角膜前层组织，降低屈光度以达到矫正近视的目的，该手术对周围组织及深层眼内结构无影响，具有切削整齐光洁、精确性高、预测性强、稳定性好、合并症极少等特点，患者手术中无痛苦，不需住院，不影响正常的工作、生活，是治疗近视理想的手术方法。全世界已经有几百万近视患者通过手术摘掉了眼镜。,应用三、激光在中医治疗学中的应用传统的中医学与激光技术和其它先进科学技术相结合，形成一门新兴的交叉学科光子中医学。根据激光对生物组织的弱刺激作用和生物组织的超微发光特性，在利用激光针灸、激光血管内照射和对生物超微发光的检测来诊断和治疗疾病方面，已经取得了许多的成果。此外，激光碎石技术在生物医学领域的应用也日趋成熟。目前，很多的医疗机构采用YAG激光器输出的532nm激光为光源，通过光纤将其传导入人的鼻咽管中，利用激光较强的功率密度将其中的结石等堵塞物破碎以及气化，从而顺利实现腔道的疏通与清理，该技术也可应用于尿道结石的治疗。与传统的手术治疗方法相比，该技术简单易行，对病人的创伤较小，越来越收到人们的重视和广泛的应用。,应用四、激光在肿瘤中的应用利用激光的光动力学法来治疗肿瘤是世界各国科学家研究的一个热门课题，在英国已经获得初步的成功。它是将病人先注入某种光敏药物，它与癌细胞亲合力强，而与正常细胞亲合力弱，当激光一遇到药物，即被吸收引起药物光化学反应，生出单质氧，是肿瘤组织内的细胞产生强烈的氧化反应，使生物分子链发生断裂，切断肿瘤供血并将其分裂成碎片气化。此方法可以大大减少正常细胞遭破坏的危险。,应用五、光镊及细胞手术系统80年代中期，贝尔实验室的ArthurAshkin发现一束连续波低功率（1W以下）激光能“捕捉”单个细胞和原生动物。对于特定频率的激光，足够小的透明物体会折射入射的光束，使路径偏折，折射的结果是动量从激光传递给了目标。如果激光光束与目标的几个关系布置正确，传递给目标的动量就会把目标向着入射的光束拉动，从而激光就能把目标移动。这束微小光束如同一把极细微的镊子，将细微颗粒捏住，因此形象地称之为激光光镊。在使用激光光镊的同时，第二束激光作为解剖刀或剪刀，则可以在细胞器上进行精细的外科手术。应用六、激光在心血管中的应用激光在心血管中的应用主要体现在两个方面，即血管的选择性破坏和血管重建术。激光用于血管的选择性破坏在理论和应用方面已经取得一些突破性进展，美国激光于血管曲张治疗中心研究得知940nm的激光具有较深的穿透性，以及对血红素较好的吸收特性，对水的最佳吸收特性以及对黑色素最小的吸收。利用该波长的激光器对血管曲张的治疗达到了很好的疗效。激光心肌血管重建术是目前替代常规方法治疗心脏病的一种有效手段，它利用激光于心肌组织作用产生的热效应，用高强度激光束在缺血的心区域内打数个微孔，通过这些微孔把心腔中的血液引向缺血的心肌区域，改善心肌血液微循环以达到治疗的目的。,2005-2008年我国激光医疗器械市场规模与增长,激光脱毛,激光治疗眼睛,高斯光束的自在现变换,1、定义：高斯光束通过透镜后其结构不发生变化，即参数或者f不变,满足：,w0,利用透镜实现自在现变换,高斯光束在透镜表面上的波面的曲率半径,结论：,激光光束质量的描述方法,激光光束质量的评价参数,以高阶高斯光束为例讲解！,M2因子仪,提纲,四种近似理论电解质的极化谱线加宽和线型函数的定义谱线加宽的分类,均匀加宽非均匀加宽,四种近似理论,经典理论半经典理论量子理论速率方程理论,激光的物理基础：光频电磁场与物质的相互作用，特别是共振相互作用。,电介质的极化,4.3谱线加宽和线型函数,基本概念均匀加宽自然加宽碰撞加宽晶格振动加宽非均匀加宽多普勒加宽晶格缺陷加宽,由于各种因素的影响，自发辐射并不是单色的，即光谱不是单一频率的光波，而包含有一个频率范围，称为谱线加宽。P()是描述自发辐射功率按频率分布的函数。在总功率P中，分布在+d范围内的光功率为P()d，数学表示为,P()的物理意义？,谱线加宽与线型函数基本概念,引入谱线的线型函数满足归一化条件线型函数在=0时有最大值，并在时下降到最大值的一半，即按上式定义的称为谱线宽度。,(0表示线型函数的中心频率),加宽机制之一均匀加宽homogeneousbroadening,如果引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的，则这种加宽称作均匀加宽。每个原子都以整个线型发射，不能把线型函数上的某一特定频率和某些特定原子联系起来，即每一发光原子对光谱线内任一频率都有贡献。自然加宽、碰撞加宽和晶格振动加宽属于均匀加宽,1自然加宽（naturalbroadening）,在不受外界影响时，受激原子并非永远处于激发态，会自发地向低能级跃迁，因而受激原子在激发态上具有有限的寿命。这一因素造成原子跃迁谱线的自然加宽。,洛仑兹线型（Lorentzianlineshape）当=0时，自然线宽N=1/(2s)，唯一地由原子在能级E2的自发辐射寿命s决定。自然加宽线型函数表示为原子谱线的宽度以及辐射持续时间都反映了原子能级的性质。,原子在能级上的有限寿命所引起的均匀加宽也是量子力学测不准原理的直接结果。设原子在能级上的寿命为，可理解为原子的时间测不准，原子的能量测不准量E为若跃迁上、下能级的寿命分别为2与1，则原子发光具有频率不确定量或谱线宽度,当下能级为基态时，1为无穷大，有前述的表达式中线宽只与上能级寿命有关，与下能级寿命无关，这是经典模型的局限性带来的结果。,2碰撞加宽（collisionbroadening),大量原子（分子）之间的无规“碰撞”是引起谱线加宽的另一重要原因。由于粒子之间的碰撞（相互作用）引起的谱线加宽称为碰撞加宽。在气体工作物质中：大量原子（分子）处于无规则热运动状态，当两个原子相遇而处于足够接近的位置时（或原子与器壁相碰时），原子间的相互作用足以改变原子原来的运动状态。认为两原子发生了碰撞,在晶体中：虽然原子基本是不动的，但每个原子也受到相邻原子的偶极相互作用，因而一个原子也可能在无规的时刻由于这种相互作用而改变自己的运动状态，也称为“碰撞”碰撞过程：分为弹性碰撞和非弹性碰撞弹性碰撞：A*+AA+A*,A*+B属于横向弛豫过程，虽不会使激发态原子减少，却会使原子发出的自发辐射波列发生无规的相位突变，相位突变引起的波列时间的缩短等效于原子寿命的缩短。,由于碰撞的发生完全是随机的，只能了解它们的统计平均性质。设任一原子与其它原子发生碰撞的平均时间间隔为L，它描述碰撞的频繁程度并称为平均碰撞时间。可以证明，平均长度为cL的波列可以等效为振幅呈指数变化的波列，其衰减常数为L。碰撞过程和自发辐射过程同样引起谱线加宽。,洛仑兹线型函数，L=1/(L)-碰撞线宽对于气体工作物质，在气压不太高时，实验证明L与气压p成正比：L=p。,从物理概念出发预见到碰撞加宽的线型函数和自然加宽一样,在气体工作物质中，均匀加宽来源于自然加宽和碰撞加宽，合并后，得到均匀加宽线型函数对于一般气体激光介质，均匀加宽主要由碰撞加宽决定。只有当气压极低时，自然加宽才会显示出来。,固体工作物质中，若激发态自发辐射跃迁寿命为s，无辐射跃迁寿命为nr，则激发态的寿命激发态的有限寿命导致谱线的均匀加宽，可用洛伦兹线型函数描述,3晶格振动加宽,对于固体激光物质，均匀加宽主要是由晶格热振动引起的，自发辐射和无辐射跃迁造成的谱线加宽是很小的。固体工作物质中，激活离子镶嵌在晶体中，周围的晶格场将影响其能级的位置。由于晶格振动使激活离子处于随时间变化的晶格场中，激活离子的能级所对应的能量在某一范围内变化，因而引起谱线加宽。温度越高，振动越剧烈，谱线越宽。由于晶格振动对于所有激活离子的影响基本相同，所以这种加宽属于均匀加宽。,加宽机制之二非均匀加宽,特点：原子体系中不同原子向谱线的不同频率发射，或者说，每个原子只对谱线内与它的表观中心频率相应的部分有贡献，因而可以区分谱线上的某一频率范围是由哪一部分原子发射的。气体工作物质中的多普勒加宽固体工作物质中的晶格缺陷加宽,1、多普勒加宽,多普勒加宽是由于作热运动的发光原子（分子）所发出的多普勒频移引起的。光学多普勒效应：当光源与光接收器作相对运动时，光接收器接收到的光波频率将随光源与接收器相对运动速度的不同而改变。,光源向着光接收器运动时，Z取“+”号，光源离开光接收器运动时，Z取“-”号。,光学多普勒示意图,发光原子的中心频率为0。原子相对于接收器静止时，接收器收到的光波频率为0。当原子相对于接收器以Z的速度运动，接收器收到的光频率为,把单色光波看作是由某一假想光源发出的，而把原子看作是感受这个光波的接收器。当原子静止（Z=0）时，它感受到的光波频率为，并在=0处有最大的共振相互作用（最大的受激跃迁几率）。这意味着原子表现出的中心频率为0。当原子沿着z方向以Z运动时，相当于它离开假想光源运动，于是原子感受到的光波频率变为,讨论原子和光波场的相互作用，即中心频率为0的运动原子和沿z轴传播的频率为的单色光相互作用。,只有当时才有最大的相互作用，即,意味着，当运动原子与光相互作用时，原子表现出来的中心频率变为。只有当光波频率时才有最大相互作用。,结论：沿z方向传播的光波与中心频率为0并具有速度z的运动原子相互作用时，原子表现出来的中心频率为0=0(1+z/c)。当z沿光波传播时，z0；当反向时，z0。,0称为运动原子的表观中心频率。,考虑包含大量原子（分子）的气体工作物质中原子数按中心频率的分布由于气体原子的无规则热运动，各个原子具有不同方向、不同大小的热运动速度设单位体积工作物质内的原子数为n，根据分子运动论，它们的热运动速度服从麦克斯韦统计分布规律：在温度为T的热平衡状态下，单位体积内具有z方向速度分量zz+dz的原子数为,ComparisonofGaussianandLorentzianlineshapeshavingthesamelinewidthandthesametotalarea,2、晶格缺陷加宽,固体工作物质中，不存在多普勒加宽，但有一系列引起非均匀加宽的其他物理因素。在晶格缺陷部位的晶格场和无缺陷部位的理想晶格场不同，处于缺陷部位的激活离子的能级将发生位移，导致处于晶体不同部位的激活离子的发光中心频率不同，即产生非均匀加宽。在玻璃基质中，由于玻璃结构的无序性，各个激活离子处于不等价的配位场中，导致了与晶格缺陷类似的非均匀加宽。,加宽机制之三综合加宽,气体工作物质的综合加宽线型函数He-Ne激光器二氧化碳（CO2）激光器氩离子激光器和金属蒸气激光器详见书本数据固体激光工作物质的谱线加宽一般情况下，固体激光工作物质的谱线加宽主要是晶格热振动引起的均匀加宽和晶格缺陷引起的非均匀加宽。一般通过实验求得。,实验测出，红宝石晶体在低温时主要是晶格缺陷引起的非均匀加宽，与温度无关；在常温时则是晶格热振动引起的均匀加宽为主，随温度的升高而加大。对Nd:YAG晶体，在整个温度范围内都以均匀加宽为主。在钕玻璃中，配位场不均匀性引起的非均匀加宽和玻璃网络体热振动引起的均匀加宽是主要的加宽机构。二者的比例因材料而异。掺铒光纤在常温下的谱线加宽属于均匀加宽。,液体工作物质溶于液体中的发光分子与周围其它分子碰撞而导致自发辐射的碰撞加宽。因密度高，平均碰撞时间间隔较短，碰撞加宽很大，使液体有机染料激光工作物质自发辐射的带状分子光谱变成准连续光谱，线宽可达数十纳米。有机染料激光器的输出波长连续可调。,小结,end,激光器的速率方程,激光在广告中的应用,三维激光扫描在医疗、多媒体中的成型应用,激光的应用举例,提要,单模振荡的速率方程三能级的速率方程四能级的速率方程多模振荡速率方程,三能级系统的速率方程,表征激光器腔内光子数和工作物质各有关能级上的原子数随时