激光技术基础讲座课件

1、激光技术基础许松林上海交通大学医学院激光推进了世界的技术革命激光通讯解决了电通讯拥挤的难题 激光存储大大扩充了音像存储介质的存储容量激光加工提高了加工的精度和自动化程度激光武器最快、最准（摧毁导弹和卫星）激光提供了治疗和诊断有力的武器光的基本性质光既是具有波动特性的波又是粒子流光的波动特性光有干涉和衍射特性；在不同界面上发生反射与折射折射率n=c/v波长不同光的颜色各异可见光 400nm-760nm紫外光 400nm以下红外光 760nm以上光的微粒特性光子的能量 =h h=6.6241034 JS光子的质量 m=/c2=h/c2,静止质量为“0”光子的动量 p=mc=h/c=h/光子的振动

2、有两种独立的偏振状态光子的自旋 自旋量子数为整数，是玻色子物质的层次结构自然界的物质，其结构都是分层次的，如原子：物质中粒子数按能级的分布正常分布：常温时多数粒子处于基态反分布：高能级的粒子数多于低能级的 粒子数亚稳态：与其它激发态比较寿命较长的状态光与物质作用的三种过程自发辐射：粒子从各激发态随机地过渡到基态，发射能量和位相不相同的光子受激吸收：光子将物质中粒子激发到某一上能级，光子消失，粒子能量增加受激发射：当物质中多数粒子处于高能级，受到适当光子的激发时，发射一个同能量的光子回到基态，产生光的放大作用受激发射hnhE0E1放大倍数=nh/h LASER Light Amplificati

3、on by StimulatedEmission of Radiation受激发时的光子为全同粒子：光子的能量、动量、位相和传播方向都相同Cr3+ (Al2O3) :Ruby Laser2E: =3ms4A2 2EE2A4F1 4F2694.3nmNd:YAG激光原理 光泵4F 3/21.06m激光F 11/24F 9/2激发态寿命230-250s激光器的结构工作物质：固体、液体、气体、半导体激励能量系统：光泵、放电激励、电流激励激光谐振腔：全反镜和输出窗口的部分反射镜组成工作物质工作物质工作物质的条件：能级结构有亚稳态，能透光、散热。固体工作物质：Cr3+:Al2O3Nd:YAG,Ho:YA

4、G,Er:YAG,Nd:YAP气体工作物质：CO2,HeNe,N 2,Ar+,Kr+，Xe等分子、原子、离子气体及准分子气体ArF、XeCl、KrF 等液体工作物质：无机或有机染料，如若丹明、荧光素、香豆素、吖啶橙等半导体工作物质：AlGaAs,InGaAlP,InGaAsP,InGaN 激励能源系统工作物质获得激活能的方式 光泵：氪灯、氙灯是常用光源，现在半导体激光用作光泵源，体积小，效率高气体放电：气体工作物质在电压作用下放电，在碰撞下使微粒能级发生变化。电流激励：半导体的PN结通过大电流时形成能量转换。激光束的特性高斯光束：TEM00模振荡状态产生的光束强度分布为 I=I0e-2r2/2

5、发散角：很小，常用激光器在10mrad以下光束的三大特点：方向性好：优于任何其它光源，因此亮度大，亮度B=p/s,p:光功率，S=发射面积，：发射立体角单色性好：频带极窄因是固定能级间的跃迁相干性好：因是受激发射，光子的产生是相关的，空间相干性和时间相干性好。激光的模式激光器可能的振荡状态有多种，基态时产生 基模，即TEM00模，此时光束质量最好，激光器也可能以其它状态振荡，产生其它模式的激光束.如TEM00、TEM01 .TEM0n.TEM10、 TEM20TEMn0.等模。这些模式的发散角大，光束截面上有多个光斑激光的能量和功率光能与其它能量一样，计量单位为焦耳和尔格 1焦耳=107尔格脉

6、冲激光的参数有单脉冲能量、峰值功率和平均功率 单脉冲能量：一个光脉冲的能量，常以mj计 峰值功率：光脉冲最大处的功率 平均功率：每秒内脉冲能量之和连续激光用光功率表示光的强弱 光功率：每秒钟发射的光能，单位为瓦（w）能量密度和功率密度表示受照面受照的程度 能量密度：受照面积上每平方厘米接受到的 光能功率密度：受照面积上每平方厘米接受到的 光功率能量密度和功率密度是衡量组织受照程度的 物理量 激光的能量密度和功率密度CO2激光CO2激光的波长为10.6m.医学上使用0.5w100w的激光器,常用连续激光,但脉冲CO2激光光点周围的损伤小,做整形与美容手术时常使用毫微秒级的脉冲激光器.CO2激光常

7、用作手术刀,气化和照射.激光对组织的 穿透深度仅0.23mm,切割手术时比较细微.CO2激光的传输仅能用导光关节臂,但也发明了传送CO2激光的光纤,目前仅能传送15w以下的激光,耗损在50%以上.射频激励超短脉冲CO2激光器高能量短脉冲CO2激光器对作用点周围组织的热损伤小，现代的激光手术刀广泛使用射频激励CO2激光器，此种激光器由全金属腔组成，由四片长条形金属片组成放电管，充以CO2气体，安上金膜、硒化锌谐振腔片，以50-100MHZ的射频激励，产生微秒级的光脉冲。Nd:YAG激光Nd:YAG激光的波长1.06m.治疗用1-100w功率.此种波长激光穿透深度3.8mm左右.因透入组织内很深,

8、有很好的体积治疗效应,对血管瘤和痔疮有很好的疗效.因其波长在石英光纤传输的范围内,可将激光导入内腔进行治疗.如胃内出血止血,肝脏手术,前列腺手术等等.Ho:YAG和Er:YAG二种激光器是新型固体激光器.其波长分别为2.1m和2.94m.分别处于组织水二个吸收峰值.因此热损伤较小.是很有发展前途的激光治疗机.1.5m左右的固体激光处于水吸收的小峰上,也有广泛的应用.水的吸收系数与波长的关系近红外激光器Nd：YAG LASER 1.06mYb:YAG 1.029mNd:YAP 1.34mTm:YVO4 1.44mCr:YaEr 1.54mTm:YAG 2.02mHo:Tm:YAG 2.09mHo

9、:YAG 2.1mEr:YAG 1.65/2.94m半导体激光半导体激光器是P型半导体与N型半导体复合组成的PN结结构.在PN结上加上正电压时,N型半导体中的电子经过PN结注入P型半导体,P型半导体中的空穴(相当于正电荷)通过PN结注入N型半导体.许多电子和空穴在PN结中复合时释放光能.如果注入电流足够大,在PN结中就发生受激辐射,产生激光.由于半导体激光器体积小,重量轻,寿命长,电光能量转换效率高,得到广泛应用.将为医用激光器的微型化提供最佳光源.半导体激光器的发展 780-980nm是最早发展的半导体激光器.材料多为GaAlAs,功率可达10w,列阵可达数百瓦,医学上使用15w,30w,6

10、0w的大功率半导体激光器已有多年,用在五官科,妇科和外科.InGaAlP激光:630nm,650nm,670nm,690nm等波长的激光已用于医学.InGaAsP激光器:1.1m-1.6m.其中1.48m到1.55m处于水的一吸收小峰.很适合医学上使用.InGaN 激光器:420nm-550nm波长的激光,绿光已用作指示,蓝光的功率尚小.扩大功率的方法是将许多激光器集成在一块基片上组成阵列.这种方法已使红光达到瓦级水平.近红外激光达百瓦水平.准分子激光器某些卤化物混合气体在高频强电场作用下引起一系列化学和物理学变化,产生转瞬即逝的准分子.其寿命仅有几十个毫微秒.在此过程中分子系统从基态跃进到某

11、一受激态,并立即产生受激辐射形成激光.医学上使用308nm的XeCl激光作心血管成形术,用193nm的ArF激光作角膜成形术以矫正近视和远视.超短脉冲激光器光脉冲的宽度为皮秒（10-12秒）、飞秒（10-13秒）的激光器为超短脉冲激光器。此种光脉冲作用于组织时，对作用点周围组织的热损伤很小，已在角膜成形术和面部整形术上使用。X线激光器X线激光器的波长在1-100nm,产生的方法是:强激光泵浦和过滤小型核瀑炸产生的强光.1984年美国利夫莫尔实验室用后一种方法获得6.4nm的X线激光,并于1992年摄取到中国仓鼠精细胞的全息图.成像分辩率50nm.水窗波段X光激光上海光源:同步辐射光 能透过水层

12、的X线激光称为水窗波段X线激光,约2.5-4.0nm,由于能透过生命组织,可以进行生命体内的全息摄影,成像分辩率远高于现有的各种方法. 同步辐射光源的波长范围很广.其波长范围从红外到硬X线,能提供水窗波段X线准激光.其相干性好,分辩率很高,又能透人体内,是生命体内全息摄影的最好工具.医用激光器的导光系统导光关节臂:在转动的导光关节上装上45角的全反射镜,每经一次反射改变传输方向90.一般一根导光关节装3节,5节,或7节关节,带3块,5块或7块反射镜,可将激光向任何立体角方位传送.关节数越多,操作越是灵活.但调整的精度和光能损耗也大.导光关节的参数:7关节的光损耗应小于20%,光在出口中心偏移不大于0.5mm.光导纤维医用光导纤维的直径在100m-250m之间.大多数为石英纤维.能承受比较大的功率密度.能传送近紫外到红外的激光.光纤传光的主要原理为全反射,阶梯光纤由二种介质组成.中心为石英.石英的包层为折射率较小的介质,当激光从端面进入光纤之后,以全反射方式在纤维内部传播，从另一端面射出。现在的光纤传输损耗很小,但改变了激光的平行性和相干性.350nm以上的紫外激光,可见光激光,2.5m以下的红外激光都能用