第十八章激光及其医学应用

1、第十八章第十八章 激光及其医学应用激光及其医学应用一、激光的基本原理一、激光的基本原理(1)粒子的能级、基态、激发态、平均寿命、亚稳态粒子的能级、基态、激发态、平均寿命、亚稳态能级：构成物质的粒子（分子、原子、离子等）的能能级：构成物质的粒子（分子、原子、离子等）的能量状态。量状态。基态：最低的能级。基态：最低的能级。激发态：非基态的能级。激发态：非基态的能级。平均寿命：大量粒子在某激发态停留时间的平均值。平均寿命：大量粒子在某激发态停留时间的平均值。亚稳态：平均寿命较长的激发态，约亚稳态：平均寿命较长的激发态，约10 -310 -2 s。(2)辐射跃迁的三种方式辐射跃迁的三种方式受激吸收：当

2、光通过物质时，处受激吸收：当光通过物质时，处于低能级于低能级E1的粒子吸收一个能量的粒子吸收一个能量为为hv=E2-E1的光子而向高能级的光子而向高能级E2跃迁的过程。跃迁的过程。辐射跃迁辐射跃迁受激吸收受激吸收自发辐射自发辐射受激辐射受激辐射特点：特点：是与外界无关的自发过程；是与外界无关的自发过程；辐射光子的能量等于辐射光子的能量等于hv=E2-E1；对于不同粒子或同一粒子在不同时刻自发辐射的光子，其特性对于不同粒子或同一粒子在不同时刻自发辐射的光子，其特性即频率、相位、行进方向、偏振状态都各不相同，是非相干光；即频率、相位、行进方向、偏振状态都各不相同，是非相干光；是一随机过程。是一随机

3、过程。自发辐射：处于高能级自发辐射：处于高能级E2的粒子自发地向低能级的粒子自发地向低能级E1跃迁，同时释放一个能量跃迁，同时释放一个能量等于等于hv=E2-E1的光子的过的光子的过程。程。受激辐射：一个处于高能级受激辐射：一个处于高能级E2的粒子受到一个能量等于的粒子受到一个能量等于hv=E2-E1的光子的光子“诱发诱发”而而跃迁跃迁到低能级跃迁跃迁到低能级E1，同时释，同时释放一个与放一个与“诱发诱发”光子特性完光子特性完全相同的光子的过程。全相同的光子的过程。特点：特点：必须有外界必须有外界“诱发诱发”光子的作用；光子的作用； “诱发诱发”光子的能量必须满足条件光子的能量必须满足条件hv

4、=E2-E1 ；辐射光子与辐射光子与“诱发诱发”光子特性完全相同，是相干光；光子特性完全相同，是相干光；具有光放大作用。具有光放大作用。(3)粒子数反转分布：设处粒子数反转分布：设处于高能级于高能级E2与低能级与低能级E1的的粒子数密度分别为粒子数密度分别为N2和和N1，粒子数在能级上粒子数在能级上N2/N11的分布称为粒子数反转分的分布称为粒子数反转分布。布。实现条件：实现条件：必有外界能源供给能量，是正常分布下处于低能级的大量必有外界能源供给能量，是正常分布下处于低能级的大量粒子被激发到较高能态；粒子被激发到较高能态；介质具有两个以上与反转分布有关，且有亚稳态的能级结介质具有两个以上与反转

5、分布有关，且有亚稳态的能级结构，即应是激活介质。构，即应是激活介质。(4)激光：受激辐射光放大。激光：受激辐射光放大。激光产生的基本思想：激光产生的基本思想：要产生激光，必须实现光的受激辐射放大，并使受要产生激光，必须实现光的受激辐射放大，并使受激辐射能持续进行。激辐射能持续进行。(5)光学谐振腔的主要作用：光学谐振腔的主要作用：使受激辐射光放大过程能在有限体积的激活介质中持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；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；对输出激光束的方向给予限定；有选频作用；有选频作用；

6、调整激光的模式；调整激光的模式；通过调通过调Q、锁模等技术以改善激光的输出波形。、锁模等技术以改善激光的输出波形。(6)激光器的基本组成：由激励装置，工作物质，光学谐振激光器的基本组成：由激励装置，工作物质，光学谐振腔等三个基本部分组成。腔等三个基本部分组成。激励装置用于提供能量。激励装置用于提供能量。工作物质中的激活介质用于实现粒子数反转分布与受激辐射工作物质中的激活介质用于实现粒子数反转分布与受激辐射光放大过程，辅助物质用于提高受激辐射效率。光放大过程，辅助物质用于提高受激辐射效率。光学谐振腔用于实现持续、稳定的光振荡并输出激光。光学谐振腔用于实现持续、稳定的光振荡并输出激光。二、激光的特

7、性二、激光的特性(1)方向性好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。空间分布上的集中性。由于激光器输出端造成光的衍射。使激光束的发散角以其衍由于激光器输出端造成光的衍射。使激光束的发散角以其衍射角为极限而不能无限减小。射角为极限而不能无限减小。(2)亮度高、强度大亮度高、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。量对时间与空间方向的分布特性。对同一光束，强度与亮度成正比。对同一光束，强度与亮度成正比。在临

8、床治疗中，激光这一特性被用作手术刀和体内碎石。在临床治疗中，激光这一特性被用作手术刀和体内碎石。(3)单色性好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。纯，则单色性越好。(4)相干性好相干性好(5)偏振性好偏振性好三、激光的医学应用三、激光的医学应用(1)医学领域中的强弱激光医学领域中的强弱激光强激光：对被其照射的生物组织，能直接造成不可逆强激光：对被其照射的生物组织，能直接造成不可逆性损伤。性损伤。弱激光：不能造成不可逆性损伤。弱激光：不能造成不可逆性损伤。(2)激光的生物作用激光的生物作用热作用热作用机

9、械作用机械作用涉及的压强：光压、气流反冲压、内部汽化压、体膨胀超声压、涉及的压强：光压、气流反冲压、内部汽化压、体膨胀超声压、等离子体膨胀压、电致伸缩压。等离子体膨胀压、电致伸缩压。光化作用光化作用基本规律：光化学第一定律（吸收定律）、光化学第二定律基本规律：光化学第一定律（吸收定律）、光化学第二定律（量子定律）。（量子定律）。光化反应类型：光致分解、光致氧化、光致聚合、光致异构、光化反应类型：光致分解、光致氧化、光致聚合、光致异构、光致敏化等。光致敏化等。电磁场作用电磁场作用临床应用中，强激光主要表现为机械作用、电磁场临床应用中，强激光主要表现为机械作用、电磁场作用和光化作用；弱激光主要表现

10、为生物刺激作用作用和光化作用；弱激光主要表现为生物刺激作用与光化作用；耳热作用则在各类激光中普遍被利用与光化作用；耳热作用则在各类激光中普遍被利用。生物刺激作用生物刺激作用弱激光刺激作用规律：剂量小时起兴奋作用，剂量大时起弱激光刺激作用规律：剂量小时起兴奋作用，剂量大时起抑制作用；刺激作用有积累效应，最终效果取决于总剂量；抑制作用；刺激作用有积累效应，最终效果取决于总剂量；刺激作用强弱与刺激次数（等间隔、等剂量）的关系呈现刺激作用强弱与刺激次数（等间隔、等剂量）的关系呈现出抛物线特征。出抛物线特征。(3)影响激光与生物组织相互作用的因素影响激光与生物组织相互作用的因素激光的性能参量：波长、作用

11、于靶组织的激光能量与能量密激光的性能参量：波长、作用于靶组织的激光能量与能量密度、激光功率与功率密度、作用时间及间隔。度、激光功率与功率密度、作用时间及间隔。生物组织的性质：组织的物理性质、生物特性、生物剂量。生物组织的性质：组织的物理性质、生物特性、生物剂量。(4)激光在基础医学中的应用激光在基础医学中的应用研究激光对生物分子、细胞、组织的作用与效应。研究激光对生物分子、细胞、组织的作用与效应。用于基础医学研究的激光技术：激光微光束技术、用于基础医学研究的激光技术：激光微光束技术、激光流式细胞计、激光拉曼光谱技术、激光多普勒技激光流式细胞计、激光拉曼光谱技术、激光多普勒技术、激光全息显微技术、激光扫描共聚焦显微镜。术、激光全息显微技术、激光扫描共聚焦显微镜。(5)激光的临床应用激光的临床应用激光诊断方法激光诊断方法激光治疗方法：激光手术治疗、弱激光治疗、激光激光治疗方法：激光手术治疗、弱激光治疗、激光光动力学疗法、激光内镜术治疗。光动力学疗法、激光内镜术治疗。(7)激光的危害与防护激光的危害与防护直接危害：超阈值的激光照射对眼睛、皮肤、神经直接危害：超阈值的激光照射对眼睛、皮肤、神经系统以及内脏造成损伤。系统以及内脏