第八章红外及激光

1、第八章第八章 红外线成像与激光在医学中的应用红外线成像与激光在医学中的应用第一节第一节 可见光光谱可见光光谱 第二节第二节 紫外线和红外线成像紫外线和红外线成像 第三节第三节 激激 光光教学目的要求教学目的要求 一、掌握原子光谱、紫外线和红外线辐一、掌握原子光谱、紫外线和红外线辐射的基本规律，及其黑体辐射规律、激光产射的基本规律，及其黑体辐射规律、激光产生的原理。生的原理。 二、熟悉红外线成像和激光的特性。二、熟悉红外线成像和激光的特性。 三、了解分子光谱，激光的医学应用。三、了解分子光谱，激光的医学应用。 第一节第一节 可见光光谱可见光光谱光谱光谱 在物质所辐射的电磁波中，一般包含着在物质所

2、辐射的电磁波中，一般包含着许多不同的波长成分，经光学分光仪分光后，形成许多不同的波长成分，经光学分光仪分光后，形成一系列按波长（或频率）顺序排列的谱线。一系列按波长（或频率）顺序排列的谱线。 通过光谱分析，可以检验物质成分及其含量，通过光谱分析，可以检验物质成分及其含量，其精确度高、样品用量极少，可以鉴定其精确度高、样品用量极少，可以鉴定10-9g的痕量的痕量元素。元素。一、光谱的分类一、光谱的分类（一）按光源发射方式（一）按光源发射方式 1.发射（明线）光谱发射（明线）光谱 物体发光直接产生的光谱。物体发光直接产生的光谱。原子中的电子由高能级向低能级跃迁时，辐射出一个原子中的电子由高能级向低

3、能级跃迁时，辐射出一个光子，大量同类原子发射的光子就形成在黑暗背景中光子，大量同类原子发射的光子就形成在黑暗背景中明亮的谱线。明亮的谱线。2.2.吸收（暗线）光谱吸收（暗线）光谱 当连续光谱物质时，如气当连续光谱物质时，如气体或某物质的蒸汽，某些波长的光被物质吸收，在强体或某物质的蒸汽，某些波长的光被物质吸收，在强烈吸收的波长上形成一系列暗线形成的光谱。烈吸收的波长上形成一系列暗线形成的光谱。 （二）按波长分布特点（二）按波长分布特点 1.连续光谱；连续光谱；2.线状光谱线状光谱 （三）按光源物质的结构（三）按光源物质的结构 1.原子光谱原子光谱 光谱物质以原子结构所产生的光谱。光谱物质以原子

4、结构所产生的光谱。当原子中的电子受到激发在较高能级跃迁到到较低能当原子中的电子受到激发在较高能级跃迁到到较低能级时发射的，原子光谱的表现特征是线状光谱。级时发射的，原子光谱的表现特征是线状光谱。 2.分子光谱分子光谱 光谱物质以分子结构所产生的光谱。光谱物质以分子结构所产生的光谱。它是由许多谱线密集形成的光谱带，若干个光谱带形它是由许多谱线密集形成的光谱带，若干个光谱带形成一个组，在分子光谱可以有若干个组（即由谱线形成一个组，在分子光谱可以有若干个组（即由谱线形成谱带，由谱带形成带组）。成谱带，由谱带形成带组）。二、原子光谱二、原子光谱发射光谱：发射光谱：当原子中的电子受到激发，在高能当原子中

5、的电子受到激发，在高能级向低能级间跃迁时发射某种单色光，大量原子同级向低能级间跃迁时发射某种单色光，大量原子同时发射的单色光在黑暗背景上形成若干明亮、分立时发射的单色光在黑暗背景上形成若干明亮、分立的谱线，也叫的谱线，也叫明线光谱明线光谱。吸收光谱吸收光谱: :用波长在一定范围且连续的光谱照用波长在一定范围且连续的光谱照射处于原子状态物质，如气体或某物质的蒸汽，射处于原子状态物质，如气体或某物质的蒸汽，原子吸收适当频率的光而跃迁到高能级，在强烈原子吸收适当频率的光而跃迁到高能级，在强烈吸收的波长上形成一系列暗线，也叫吸收的波长上形成一系列暗线，也叫暗线光谱暗线光谱。同一元素的明线光谱与暗线光谱

6、波长相同吗？同一元素的明线光谱与暗线光谱波长相同吗？同一元素的明线同一元素的明线光谱与暗线光谱谱线光谱与暗线光谱谱线相同吗？相同吗？暗线光谱谱线暗线光谱谱线较少。较少。二、原子光谱二、原子光谱1、发射（明线）光谱、发射（明线）光谱2、吸收（暗线）光谱、吸收（暗线）光谱二、分子光谱二、分子光谱( (一）分子能级一）分子能级 分子能级由组成分子的原分子能级由组成分子的原子的电子能级子的电子能级EeEe、原子振动的振动能级、原子振动的振动能级EvEv和分子和分子转动能级转动能级ErEr三部分组成。三部分组成。电子能级电子能级 由电子运动状态决定，电子能级由电子运动状态决定，电子能级间能量差最大，大约

7、相当于可见光的光子能量。间能量差最大，大约相当于可见光的光子能量。 分子的这三种能级都是量子化的。分子的这三种能级都是量子化的。转动能级转动能级 由整个分子绕某一轴线转动的状由整个分子绕某一轴线转动的状态决定。转动能级间能量差最小，大约相当于远态决定。转动能级间能量差最小，大约相当于远红外区和微波区的光子能量。红外区和微波区的光子能量。振动能级振动能级 由原子之间相对振动的状态决定由原子之间相对振动的状态决定, , 振动能级间能量差次之，大约相当于近红外和中振动能级间能量差次之，大约相当于近红外和中红外区的光子能量。红外区的光子能量。（二）分子光谱（二）分子光谱 由若干由若干光光谱带谱带构成构

8、成的的光谱光谱带组带组, ,再由若干带再由若干带组形成整个光谱。组形成整个光谱。电电振振 转转光谱分析基本原理光谱分析基本原理 物质的原子或分子的物质的原子或分子的光谱都是由其能级结构所决定的光谱都是由其能级结构所决定的, ,从光谱的结构从光谱的结构情况可以判断光源或吸收体（即样品物质）中元情况可以判断光源或吸收体（即样品物质）中元素的成份；根据谱线强度还可以确定元素的含量。素的成份；根据谱线强度还可以确定元素的含量。第二节第二节 紫外线和红外线成像紫外线和红外线成像一、紫外线（波长小于紫外线（波长小于400nm)（一）来源来源（二）紫外线的生物效应紫外线的生物效应1、太阳；太阳；2、人工光源

9、（水银蒸汽灯）、人工光源（水银蒸汽灯）1、灭菌作用灭菌作用2、抗佝偻作用、抗佝偻作用3、红斑作用、红斑作用4、对眼睛的刺激作用、对眼睛的刺激作用二、红外线红外线(波长介于波长介于760nm-3mm)（一）（一）红外线的产生红外线的产生 任何物体只要温度在绝对零度（任何物体只要温度在绝对零度（-273）以）以上，都能向周围发射红外线。温度越高，辐射能上，都能向周围发射红外线。温度越高，辐射能量越大。量越大。（二）热辐射的基本概念热辐射的基本概念 物体内部的原子和分子都在不停地做热运动，物体内部的原子和分子都在不停地做热运动，在剧烈的碰撞中，总是不断地有原子吸收能量进入激在剧烈的碰撞中，总是不断地

10、有原子吸收能量进入激发态，再以电磁波的形式将多余的能量辐射出去。这发态，再以电磁波的形式将多余的能量辐射出去。这种由于热运动引起的辐射现象称为种由于热运动引起的辐射现象称为。 500 500C C以下以下 辐射波红外区域辐射波红外区域 500500C C以上以上 辐射波在可见光辐射波在可见光 紫外光紫外光 人体人体 310 K310 K，辐射波长，辐射波长 9380 nm9380 nm，在红外区。，在红外区。 当某物体所吸收的辐射能恰好等于同一时间内当某物体所吸收的辐射能恰好等于同一时间内所发出去的的辐射能量时，该物体即达到热平衡。所发出去的的辐射能量时，该物体即达到热平衡。这时这时 可用可用

11、 来表示。来表示。 1 1、辐射本领（又称辐射出射度）辐射本领（又称辐射出射度） 物体在单位时间内从单位表面积辐射出去的能物体在单位时间内从单位表面积辐射出去的能量（量（j /m2s) ，称单色辐射本领或单色辐射强度，称单色辐射本领或单色辐射强度，与波长与波长 和温度和温度T有关，记作有关，记作M(T)。ddM)T(M 对于某一波长为的单色光，其单色辐射本领表对于某一波长为的单色光，其单色辐射本领表示为示为（单位是（单位是 W m -2）2 2、单色吸收率、单色吸收率物体在单位时间内从单位表面积吸收的辐射物体在单位时间内从单位表面积吸收的辐射能量与入射总辐射能量的比值，称为该物体的能量与入射总

12、辐射能量的比值，称为该物体的吸吸收本领，收本领，与波长与波长 和温度和温度T T有关，记作有关，记作 ( ( T)T)。 d)T ,(M)T(M0在某温度下所有波长的辐射本领为在某温度下所有波长的辐射本领为（三）黑体辐射和黑体辐射定律（三）黑体辐射和黑体辐射定律 红外线辐射的基本机制主要是黑体辐射，具体红外线辐射的基本机制主要是黑体辐射，具体某种物质的辐射只需做少许修正。某种物质的辐射只需做少许修正。 通常把通常把=1的物体称为绝对黑体，简称黑体。的物体称为绝对黑体，简称黑体。 关于黑体辐射的两条重要定律关于黑体辐射的两条重要定律 (1)斯蒂芬斯蒂芬-玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律 1879年德国物

13、理学家斯蒂芬，用黑体模型测定了年德国物理学家斯蒂芬，用黑体模型测定了单位时间内从单位表面积辐射的总能量与黑体温度的单位时间内从单位表面积辐射的总能量与黑体温度的关系。关系。1884年德国物理学家玻尔兹曼根据斯蒂芬的实年德国物理学家玻尔兹曼根据斯蒂芬的实验导出公式：验导出公式： M（T) = T4式中式中 =5.67010-8W. m-2.k-4,称为斯蒂芬称为斯蒂芬-玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律常数。常数。温度的微小变化会引起辐出度发生较大变化。温度的微小变化会引起辐出度发生较大变化。（2）维恩位移定律维恩位移定律 1896年德国物理学家维恩在实验研究的基础年德国物理学家维恩在实验研究的基础上由电

14、磁理论和热力学理论得到如下公式：上由电磁理论和热力学理论得到如下公式： mT=b 式中式中b=2.89810-3m.k，称为维恩常数。，称为维恩常数。 在一定温度下，辐射度最强的波长在一定温度下，辐射度最强的波长 m与绝对温与绝对温度的乘积是一个常数。意即随温度升高，度的乘积是一个常数。意即随温度升高，辐射度最辐射度最强的波长强的波长往短波方向移动，往短波方向移动，提供了测高温的方法。提供了测高温的方法。 （四）普朗克的能量量子化假说和黑体辐射公式（四）普朗克的能量量子化假说和黑体辐射公式 （1）维恩公式）维恩公式 维恩公式维恩公式(式式8-5)，在短波范围内与实验相符，在短波范围内与实验相符

15、，在长波范围与偏离严重。在长波范围与偏离严重。 （2）瑞利）瑞利-金斯公式金斯公式 瑞利瑞利-金斯公式金斯公式(式式8-6)，在长波范围内与实验，在长波范围内与实验相符，在短波波范围与偏离严重。相符，在短波波范围与偏离严重。 1、黑体辐射实验的研究进程、黑体辐射实验的研究进程（2 2）普朗克推导得出黑体的辐射公式，即）普朗克推导得出黑体的辐射公式，即普朗克公式普朗克公式 上式与实验曲线完全符合，是热辐射理论中最上式与实验曲线完全符合，是热辐射理论中最基本的公式，并打开了量子力学的大门。基本的公式，并打开了量子力学的大门。)e(hc)T,(eTkhc12520 （8-7） 普朗克的量子假说普朗克

16、的量子假说:辐射和吸收的能量是一个最辐射和吸收的能量是一个最小单位的整数倍，这个最小的能量单位称为量子。小单位的整数倍，这个最小的能量单位称为量子。即即 E=nh (n=1、2、3 ）称为称为能量量子化。能量量子化。 从黑体辐射公式可得，对于常见的低温物体，从黑体辐射公式可得，对于常见的低温物体，辐射的电磁波以红外辐射为主。由于红外辐射的敏辐射的电磁波以红外辐射为主。由于红外辐射的敏感性，正好可以用于区分不同区域的温差而对物体感性，正好可以用于区分不同区域的温差而对物体成像。成像。三、红外线的探测与红外成像三、红外线的探测与红外成像 红外探测是把入射红外辐射能转变为其他形式红外探测是把入射红外

17、辐射能转变为其他形式的能量，进而把辐射能量变成另一种可测量的物理的能量，进而把辐射能量变成另一种可测量的物理量（如电流、电压等）进行探测。量（如电流、电压等）进行探测。 （一）热探测（一）热探测-如热敏电阻、温差电偶等等。如热敏电阻、温差电偶等等。属无选择性的探测器，只能探测总功率，与辐射分属无选择性的探测器，只能探测总功率，与辐射分布无关。布无关。 （二）光子探测（二）光子探测-如光电效应，入射的辐射波如光电效应，入射的辐射波长必须小于某一极限值。长必须小于某一极限值。FLIR I5小型红外热像仪小型红外热像仪（三）红外成像（三）红外成像手持警用红外热像仪手持警用红外热像仪/探测仪探测仪Th

18、inkPad T500 机身底部机身底部 红外线热成像照片红外线热成像照片 红外成像即将直接感知的温度的信号进行编红外成像即将直接感知的温度的信号进行编码，如用码，如用“亮亮”表示温度高，用表示温度高，用“暗暗”表示温度表示温度低；或用暖色表示温度高，用冷色表示温度低。低；或用暖色表示温度高，用冷色表示温度低。 在医学上，可以利用红外成像来发现由于疾病在医学上，可以利用红外成像来发现由于疾病带来的温度变化，提前发现疾病。带来的温度变化，提前发现疾病。第三节第三节 激激 光光 一、激光产生的原理一、激光产生的原理激光（激光（laser)laser)是受激辐射光放大（是受激辐射光放大（light

19、light amplification by stimulated emission of amplification by stimulated emission of ratiation )ratiation )的简称。曾经直译为的简称。曾经直译为“莱塞莱塞”，19641964年钱学森教授建议改名为激光。年钱学森教授建议改名为激光。（一）自发辐射（一）自发辐射 处于高能态的粒子自发地辐射出光子而跃迁到处于高能态的粒子自发地辐射出光子而跃迁到低能态的过程。各粒子发出的光的频率、相位、传低能态的过程。各粒子发出的光的频率、相位、传播方向和振动方向都彼此无关。播方向和振动方向都彼此无关。（二）受

20、激辐射（二）受激辐射 处于高能处于高能态态E En n的粒子如果受到能量恰为的粒子如果受到能量恰为 h h = E = En n-E-Em m的外来光子激发，就会的外来光子激发，就会辐射出一辐射出一个与外来光子同样的光子而跃迁个与外来光子同样的光子而跃迁到低能态到低能态E Em m的过程。的过程。受激辐射的受激辐射的光子和激发光子的频率、相位、光子和激发光子的频率、相位、传播方向、振动方向完全相同。传播方向、振动方向完全相同。h h h h E En nE Em mh h 因此，一个入射光子由于引起受激辐射而因此，一个入射光子由于引起受激辐射而得到两个同样的光子。继续下去，就得到越来得到两个同

21、样的光子。继续下去，就得到越来越多的特征相同的光子。越多的特征相同的光子。受激辐射发出的光就受激辐射发出的光就是激光。是激光。 （三）亚稳态（三）亚稳态 某些原子或分子中具有一些特殊能级，处于这某些原子或分子中具有一些特殊能级，处于这些特殊能级上的激发态原子停留的时间要比普通的些特殊能级上的激发态原子停留的时间要比普通的能级长能级长1010万倍左右。万倍左右。通常情况下，工作物质中处于低能级上的粒子数通常情况下，工作物质中处于低能级上的粒子数目多，这种正常分布使得光的吸收占优势。通过外界目多，这种正常分布使得光的吸收占优势。通过外界能源的激励，把具有亚稳态的物质粒子大量地从低能能源的激励，把具

22、有亚稳态的物质粒子大量地从低能级激发到高能级上，使得处于高能态的粒子数多于处级激发到高能级上，使得处于高能态的粒子数多于处于低能态的粒子数，使受激辐射占优势。这种情况称于低能态的粒子数，使受激辐射占优势。这种情况称为粒子数的反转分布，简称粒子数反转。为粒子数的反转分布，简称粒子数反转。（二）粒子数反转（二）粒子数反转（一）红宝石激光器（一）红宝石激光器红宝石激光器是最早制成的激光器，激光工作红宝石激光器是最早制成的激光器，激光工作物质是物质是AlAl2 2O O3 3晶体的红宝石棒（如图晶体的红宝石棒（如图8-78-7所示）。棒所示）。棒外面的螺旋管形氙闪光灯使棒中处于基态的铬离子外面的螺旋管

23、形氙闪光灯使棒中处于基态的铬离子激发到激发态，产生受激辐射而发射出激发到激发态，产生受激辐射而发射出694.3nm694.3nm的的红色激光。红宝石激光器只适合于脉冲式工作。红色激光。红宝石激光器只适合于脉冲式工作。 二二 常见的激光器常见的激光器1 1、构造、构造2 2、激光工作物质：氦气和氖气按、激光工作物质：氦气和氖气按5:15:110:110:1混合，受激辐射的是氖原子，氦原子传递能量。混合，受激辐射的是氖原子，氦原子传递能量。（二）氦氖激光器（二）氦氖激光器全反全反射镜射镜部分反部分反射镜射镜毛细管毛细管氦氖气体氦氖气体直流电源直流电源3 3、工作过程：、工作过程：加直流高压产生辉光放电加直流高压产生辉光放电, ,使氦原子激发使氦原子激发, ,通通过碰撞使氖原子粒子数反转过碰撞使氖原子粒子数反转, ,氖原子受激辐射产氖原子受激辐射产