Qi-激光原理应用(初稿).ppt

激光原理及应用,什么叫激光,英文名字Laser-组合名词LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation“受激辐射的光放大”1964年钱学森建议改叫“激光”-一种特殊的光,梅曼（THMaiman，I927-2007）,5,激光的特点,激光,普通光,(1)激光的单色性好；单色性最好的氪灯Kr86=4.710-3nm稳频HeNe激光器=1.010-9nm,6,激光的特点,激光,普通光,(2)激光的方向性好；一束激光射到38万km的月球上，光斑的直径只有2km,手电筒的光射到m处，扩展成很大的光斑。,7,激光的特点,(3)激光的相干性好,激光的特点,(4)激光具有亮度高,高能量；太阳表面的亮度几百倍于白炽灯；普通的激光器的亮度10亿倍于太阳表面亮度；激光是当今世界上亮度最高的光源!,9,光认识的初级阶段,电磁波谱图,10,量子理论的创立及受激辐射的提出,1916年,爱因斯坦提出黑体辐射中存在着原子的受激辐射的可能性。,“Weintroducethefollowingquantum-theoreticalhypothesis.UndertheinfluenceofaradiationdensityamoleculecanmakeanupwardtransitionfromstatentostatembyabsorbingradiationenergyWesimilarlyassumethatadownward*transitionmtonassociatedwithaliberationofradiationenergyispossibleundertheinfluenceoftheradiationfield,andthatitsatisfiesthesameprobabilitylaw“,(AlbertEinstein，1879-1955)1921年诺贝尔物理奖,-激光产生的物理基础,11,激光器的诞生,1960July，Ruby激光出光（休斯实验室HughesResearchLabs，梅曼Maiman、兰姆Lamb）,梅曼（THMaiman，I927-2007）,12,激光器的诞生,激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展；激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现；激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。,激光器的诞生,激光原理,激光产生理论介绍激光在产生过程中始终伴随着以下三种状态：a.受激吸收（简称吸收）：处于较低能级的粒子在受到外界的激发，吸收了能量时，跃迁到与此能量相对应的较高能级。,E2,E1,自发辐射光子,自发辐射跃迁,b.自发辐射：粒子受到激发而进入的激发态，不是粒子的稳定状态，如存在着可以接纳粒子的较低能级，即使没有外界作用，粒子也有一定的概率，自发地从高能级激发态（E2）向低能级基态（E1）跃迁，同时辐射出能量为（E2-E1）的光子。,受激吸收跃迁,E2,E1,E2,E1,入射光子,c.受激辐射（激光）:当频率为=（E2-E1）/h的光子入射时，会引发粒子以一定的概率，迅速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子。,受激辐射跃迁,粒子数反转要想使受激辐射占优势，必须使处在高能级E2的粒子数大于处在低能级E1的粒子数，这种分布正好与平衡态时的粒子分布相反，称为粒子数反转分布，简称粒子数反转，实现粒子数反转是产生激光的必要条件。,E2,E1,入射光子,晶体腔：工作物质，谐振腔，激发源工作物质：使受激辐射成为介质中的主导过程，必要条件是在介质中造成离子数反转分布，即使介质激活。例如：掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）YAG激光晶体。谐振腔：加强介质中的受激辐射，通常由两块与工作介质轴线垂直的平面或凹球面反射镜构成。工作介质实现了粒子数反转后就能产生光放大。谐振腔的作用是选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大，把其它频率和方向的光加以抑制。激发源：要是工作物质成为激活态，需要外界激励作用。一般有光泵式，电激励式，化学式。,工作介质（YAG晶体）,光源泵,电源,全反射镜,半反射镜,激光束,激光的产生过程可归纳为：,激光产生,工作物质,光子放大及振荡,其它粒子的受激辐射,偶然的自发辐射,粒子数反转,外界激励,光学谐振腔,固体工作物质：一些半导体稀土元素；掺钕钇铝石榴石（Nd：YAG）；红宝石；钕玻璃；气体工作物质：CO2分子气体；He-Ne原子气体；氩离子气体；,工作物质被激励后能发生粒子数反转的活性物质,激励装置能使激活介质发生粒子数反转分布的能源,光激励：用脉冲光源来照射工作介质（闪光灯、LD）；电激励：用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子；化学激励：应用化学反应方法；热激励：超音速绝热膨胀法；注入式激励：采用向半导体物质注入大电流的方法。,激光器内部机构（P4）,晶体腔：产生最原始的激光（包含YAG晶体，LED光源，电源）；全反光镜：使光完全反射回去，增大光强度；半反射镜：反射75%的光，只有满足一定直线性，能量和波长的光才能通过，大约25%；Q-Switch：分X轴和Y轴，控制激光输出能量，得到能量较强，持续时间较长的光束；功率计：量测输出的激光能量大小；Shutter：控制激光输出的一个开关。,全反光镜,反光镜：（越75%）,Q-Switch,晶体腔,功率计,Shutter,接光纤,激光器外形,激光器内部分解图（P4）,Q-Switch,晶体腔,半反镜,光纤耦合器,激光效应,热效应电磁效应光化学效应压强效应生物学效应,激光的应用,激光的应用,激光的医学应用,激光医学是激光技术和医学相结合的一门新兴的边缘学科。1960年，Maiman发明第一台红宝石激光器，1961年，Campbell首先将红宝石激光用于眼科的治疗，从此开始了激光在医学临床的应用。1963年，Goldman将其应用于皮肤科学。,激光的医学应用,1970年，Nath发明了光导纤维1973年通过内镜技术成功地将激光导入动物的胃肠道，自此实现了无创导入技术的飞速发展。1976年，Hofstetter首先将激光用于泌尿外科。,激光在生物医学领域应用中的特点,做为能量的载体治疗利用激光的单色性高能量做为信息的载体成像,测量,诊断利用激光的单色性相干性光纤技术及各种光电子技术的应用与多领域技术的交叉与应用,激光的医学应用分类,激光分析,诊断激光肿瘤分析、激光全息显微镜激光治疗外科激光刀、激光动力治疗激光分子技术激光衍射测量技术、激光流式细胞计、激光喇曼光谱技术等）,激光与生物组织相互作用原理图,激光组织吸收率穿透特性,激光临床生物学效应,热效应包括：温热效应：42C-60C凝固效应：60C-100C汽化效应：100C-200C碳化效应：200C-300C气化效应：300C适用：外科手术消融切割凝固眼底病、血管性皮损,电离效应(爆破效应)虹膜切开术色素性皮损：太田痣、纹身化学效应准分子激光：屈光不正、牛皮癣、白癜风光动力激光肿瘤、口腔,2020/5/31,31,适应性,一个激光对某一目的（凝固、切割和气化）是否适用，主要取决于激光的功率和发射的波长；其次在波长范围内生物组织的主要光学特性：1、吸收能力：吸收系数指组织中单位程长上一个光子被吸收的几率。2、散射特性：散射系数指组织中单位程长上一个光子被散射的几率。3、穿透深度：热扩散和热传导。,2020/5/31,32,激光热效应在医学上应用1、凝固生物体吸收激光以后，由热效应引起的温度上升导致蛋白质变质的现象。因为凝固是光引起的，所以叫光凝固。当温度超过56C时，可以观测到蛋白质的变质现象。例如：在+61C卵白脱在几秒钟内凝固，血红朊在63C时凝固。凝固可以破坏病理组织（坏死），也可以封闭血管止血。这种方法最早用于眼科，如视网膜脱落的焊接。至今这种方法还在应用。,2020/5/31,33,2、切割用聚焦的激光在组织上运动，通过快速燃烧从而分离组织。这时在切口的两边组成一个坏死区，它封住了血管。因此激光切口的失血最少。激光刀的优点不接触被切物、无压力，术后的疼痛比其他外科手术刀做的手术要轻。,2020/5/31,34,3、汽化组织完全变成烟和蒸气，这时由于物体强烈地吸收了激光引起的。这样就可以无接触地将有病的组织破坏掉，而临近的健康组织则不受损伤。,十大外科应用,手术方式的演进,锐性器械,电刀,超声刀,激光,微创手术时代,随着腔内技术的突飞猛进,以腔镜为代表的微创技术正快速代替开放手术,而激光结合腔镜的手术模式也越来越受到医生和患者的青睐,激光在微创外科手术中的优势,最显著的治疗效果对周边组织最小损伤方便，灵活，易于操作基本没有交叉感染,人类的治疗需求和激光的性能决定了激光必将取代其他一般手术手段,医用治疗激光的前景,多个波长的融合德国佰礼激光已经取得突破,创造性地将980nm和1470nm融合,取得理想的效果逐渐取代手术刀功能全,易操作,风险小,激光的安全防护,激光在医学上的应用领域不断扩大，在应用过程中不注意对激光的安全