第十六章 激光及其在医学中的应用

第十六章

激光及其在医学中的运用

激光就是由受激辐射产生的被放大了的相干光。激光的英文名为“lightamplificationbystimulatedemissionofradiation”第一个字母的缩写。激光是20世纪60年代初发展起来的，并制成了世界上第一台红宝石激光器。由于它具有方向性好、亮度高、单色性好和相干性好等特性，还具有普通光不同的生物效应，因而在医学上得到了广泛的应用。一、激光的产生原理1、玻尔的原子理论(1)原子只能处于一系列不连续的能量状态，在这些状态原子是稳定的。原子的各个定态的能量值，叫原子能级。其中能量最低的原子能级叫做基态(groundstate)。其余的原子能级叫做激发态(excitedstate),处于激发态的原子寿命很短，约为10-8s。(2)原子从一种能级跃迁到另一种能级时，它辐射(吸收)一定频率的光子，光子的能量由两种能级差决定。2、受激吸收：处于基态的原子在外界作用下(光照、撞击、加热)，受到满足频率条件相当的光的激励，将吸收一个光子从基态跃迁到激发态，这种现象叫做受激吸收(stimulatedabsorption)。受激吸收3、光的辐射(emission)(1)自发辐射(spontanousemission)处于高能态的原子自发、独立的向低能级跃迁，同时向外辐射一个h=E2-E1光子，这个过程叫做自发辐射。特点：不能人为控制，光色复杂(振动方向、初位相等彼此无关)方向各异，形成自然光。

没有外界作用，原子自发地由高能态跃迁到低能态，并辐射一个光子。射。

各个原子自发辐射的光是非相干光(2)受激辐射(stimulatedemission)频率适当的光子(照射光)可迫使(诱发)处于高能级的原子发射光子而跃迁到低能级。特点：受激辐射发生的光子其频率、传播方向、振动方向、初位相都和诱发光子相同。因此，它可以实现光放大，获得强的相干光。各个原子受激辐射的光是相干光E2E1

在通常状态下，三种跃迁同时存在，受激吸收使光子数减少，受激辐射使光子数增加。哪种跃迁占优势取决于高低能级的原子数。

在通常情况下，原子在各能级上的分布服从玻尔兹曼分布定律，即在低能级上的原子数较多,光通过物质时，受激吸收占优势。要获得强大的相干光，使受激辐射占优势，就必须抑制吸收和自发辐射，尽可能加强受激辐射。为了达到这一目的，必须使处在高能级的粒子数多于低能级的粒子数，这种分布与正常分布相反，称为粒子数反转。4、粒子数反转(populationinversion)(1)热平衡状态：玻尔兹曼分布要求原子尽可能处于低能级n1>n2。(2)粒子数反转：为了加强受激辐射，要利用外来激发，打破热平衡，使原子内处于高能级的粒子数大大超过处于低能级的粒子数，这种状态叫做粒子数反转。怎样实现粒子数的反转？(3)亚稳态(metastablestate)一般原子激发态寿命很短10-8s，某些特殊原子激发态寿命很长10-1~10-3s在此时间内原子不易自发跃迁，常将这种比较稳定的激发态叫做亚稳态。利用亚稳态可实现粒子数反转：A吸收光子、碰撞、放电CB自发跃迁A基态C激发态B亚稳态CBA10-8s10-3s激励跃迁辐射

存在粒子数反转分布的物质称为激活介质。粒子数反转二、激光器的组成1、激光材料；2、激励源；3、谐振腔：由放电管中的激光材料和粘牢在激光管两端的反射镜组成。

在激活介质的两端安置两块反射镜面，一个是全反射镜，一个是部分反射镜，这对反射镜面及其间的空间称为光学谐振腔。

谐振腔的作用：a、光的受激辐射放大器；b、获得方向性好的光束；c、获得单色性好的光束L=n/2。99.9%90%

最初的受激辐射源于自发辐射，只有与反射镜轴向平行的一定波长的光能在激活介质内来回反射，雪崩式地放大，在一定条件下形成稳定的强光光束，从部分反射镜面输出，得到激光。氦氖激光器工作物质He、Ne（5：1）；几千伏高压，氦原子只起传递能量的作用，氖原子受激辐射，发射632.8nm的红色激光。氦氖激光器输出功率不大：25cm光管输出1mW；50cm的输出3~10mW。梅曼和第一只激光器气体激光器亚稳态基态HeNe123632.8nm气体放电激发氦碰撞氖原子氦氖原子的能级及辐射过程固体激光器液体激光器半导体激光器三、激光的特点

1、方向性好；2、亮度高、强度大；3、单色性好；4、相干性好；5、偏振性好。激光定位、导向、测距等就利用了方向性好的特点。1、方向性好

发散角是衡量光束方向性好坏的标志激光束的发散角很小，一般为10-2～10-4rad。2、亮度高、强度大亮度是光源在单位面积上，向某一方向的单位立体角内发射的功率。激光的输出功率虽然有个限度，但由于其光束细（发散特别小），功率密度特别大，因而其亮度也特别大。把分散在180°范围内的光集中到0.18°范围，亮度提高100万倍。通过调Q等技术，压缩脉冲宽度，还可以进一步提高亮度。

激光能量在时间和空间上高度集中，能在极小区域产生几百万度的高温。

激光加工、激光手术、激光武器等就利用了高亮度的特点。激光打孔激光切割低能激光武器高能激光武器3、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，颜色越纯，则单色性越好。激光由于受激辐射的光子频率(或波长)相同与谐振腔的选频作用而使其具有很好的单色性。在普通光源中，单色性最好的是作为长度基准器的氪灯（K186）；它的谱线宽度为4.7×10-3纳米，而激光谱线宽为10-9纳米，为氪灯谱线宽度的5万分之一。采用稳频等技术还可以进一步提高激光的单色性。

计量工作的标准光源、激光通讯等利用了单色性好的特点。光缆激光通讯4、相干性好激光具有很好的相干性。普通光源的相干长度约为1毫米至几十厘米，激光可达几十公里。

全息照相、全息存储等就利用了相干性好的特点。全息照相5、偏振性好受激辐射的特点表明激光束中各个光子的偏振状态相同。利用谐振腔输出端的布鲁斯特窗在临界角时只允许与入射面平行的光振动通过，可输出偏振光，并可对其调整。因此，激光具有良好的偏振性。

四、激光的医学应用（一）、激光的生物作用1、热作用2、机械作用3、光化作用4、电磁场作用5、生物刺激作用在临床应用上：对强激光主要表现为机械作用、电磁场作用与光化作用；对弱激光主要表现为生物刺激作用与光化作用；而热作用则在各类激光对生物组织的作用中普遍存在。(二)影响激光生物作用的因素1.激光本身的性能2.生物组织的性质①生物组织的物理性质②生物组织的生物性质3.激光与生物组织作用的时间和方式（三）、激光在基础医学研究中的应用1、激光照射生物组织的温升分布的分析与计算。2、激光对生物分子、细胞、组织的作用与效应。3、用于