医用物理学-第九章 激光及其医学应用

第九章激光及其医学应用学习目的掌握激光的基本原理激光的特性熟悉激光的生物效应了解激光的医学应用医用激光器激光的危害与安全的防护

光与激光束都是磁的辐射形式，它们涉及从伽马射线到无线电波。光在空间的传播可通过波动理论或粒子理论来描述的波长。光的性质

频率(uor¦)µ(Hz)

无波长1波长——纳米nm或微米短波长高频率长波长低频率

每个光子都携带了一个“量子”能量的（E）:E=hu

(h–普郎克常数)

短波长

高频率

高能光子长波

低频率

低能光子

粒子理论光粒子——“光子”经典电磁理论

经典电磁理论认为：电子绕核作匀速圆周运动,绕核运动的电子将不断向外辐射电磁波。由于原子不断地向外辐射能量，能量逐渐减小，电子绕核旋转的频率也逐渐改变，原子的发射光谱应是连续谱。由于原子总能量减小，电子将最终逐渐接近原子核，而使原子变得不稳定。++经典电磁理论与现代物理学的矛盾

事实上：氢原子发射的光谱是不连续的光谱，而核外的电子总是不停地绕核运动。表明：

从宏观现象总结出来的经典电磁理论跟原子微粒产生的微观现象出现了矛盾。玻尔理论的基本假设现象：氢原子光谱是分立(线状)的，原子是稳定的.设想：原子内部的能量也是不连续的。1913年丹麦物理学家玻尔在卢瑟福核模型基础上，结合普朗克量子假设和原子光谱的分立性，提出假设：定态假设：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量。这些状态叫定态玻尔理论的基本假设轨道能级化假设：原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形轨道绕核运动相对应。原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道的分布也是不连续的。跃迁假设:

当原子从一个能量为En的定态跃迁到另一个能量为Em的定态时，就要发射或吸收一个频率为

m-n的光子.Em>En

发射光子，Em<En

吸收光子能级结构猜想能级：原子内部不连续的能量称为原子的能级。

数值上等于原子在定态时的能量值。跃迁：原子从一个能级变化到另一个能级的过程。在跃迁的过程中，原子辐射(或吸收)光子的能量为:

hv=Em-En

Em和En分别为跃迁前后的能级(1)处于高能级的原子会自发地向低能级跃迁，并且在这个过程中辐射光子。(2)反之，原子吸收了特定频率的光子或者通过其他途径获得能量时便可以从低能级向高能级跃迁。hvEmEmhvEmEn原子的能级基态：在正常状态下，原子处于最低的能级E1

(n=1),这个最低能级对应的定态称为基态。激发态：当电子受到外界激发时，可从基态跃迁到较高的能级E2，E3…上，这些能级对应的定态称为激发态。

处于激发态的原子是不稳定的，它会向较低的能级跃迁，跃迁时释放出来的能量以光子的形式向外辐射，这就是氢原子发光的现象。原子辐射出的光子的能量等于两能级间的能量差。能量差

电子只能处于分立的能级，电磁辐射与物质的相互作用将导致物质中电子能级的变化，当吸收或辐射能量时，可在特定的能级间跃迁；该能量为这两个能级的能量差，并且该能量差唯一地决定了电磁辐射的频率：∆E=E2-E1=hn与其他原子相碰撞电磁辐射的吸收与发射

原子吸收、释放能量的方法

能级结构非常复杂，二能级系统电子轨道能级基态激发态１２３４５n∞以无穷远处为参考位置0eV10.2eV12.1eV12.8eV吸收能量放出能量氢原子能级结构En-3.4eV-1.51eV-0.85eV-0.54eV0eV-13.6eV高能级低能级高能级低能级

原子数按能级分布热平衡时，单位体积内处于各个能级上的原子数分布玻尔兹曼分布律:课堂练习1.下面关于玻尔理论的解释中,正确的说法是()A.原子只能处于一系列不连续的状态中，每个状态都对应一定的能量；B.原子中，虽然核外电子不断做加速运动，但只要能量状态不改变，就会向外辐射能量；C.原子从一种定态跃迁到另一种定态时，一定要辐射一定频率的光子；D.原子的每一个能量状态都对应一个电子轨道，并且这些轨道是不连续的。AD光辐射及其3种基本形式自发辐射：无外电磁场作用时,粒子自发地从E2跃迁到E1发射光子hv，光子的相位，方向是随机的，所以非相干。受激吸收：原处于低能级E的粒子,受到能量恰为E=hv=E2-E1的光子照射而吸收该光子的能量,跃迁到高能级E2受激辐射：原处于高能级E的粒子,受到能量恰为E=hv=E2-E1的光子的激励,发射出与入射光子相同的一个光子而跃迁到低能级E1能级跃迁：原子中任何一个电子能量变化，原子就由一个能级过渡到另一个能级。原子的能级跃迁实际上是与外界进行能量交换的过程。hv=EH-EL自发辐射自发辐射：无外电磁场作用时，原子也能够自发地从激发态向低能级跃迁，同时将多余的能量以光的形式释放出来。跃迁时释放能量转换为热能，称为自发无辐射跃迁自发辐射的特点：光源中各原子的跃迁是彼此独立、互不相干的，因此所发出的光波的振动方向、传播方向、相位等也是各自独立的、互不相干的。普通光源：普通光源的发光机制：（1）普通光源的发光机理除激光源之外的各种发光物体；其发光机制是自发辐射处在基态的电子处在激发态的电子原子模型普通光源P21原子能级及发光跃迁基态激发态跃迁自发辐射波列波列长L2)随机性：1)间歇性：各原子发光是断断续续的，平均发光时间

t

约为10-8s，所发出的是一段长为

L=c

t

的光波列。每次发光是随机的，所发出各波列的振动方向和振动初相位都不相同。（2）普通光源的发光特点3)独立(不同原子发的光)3.结论：两独立光源发出的两束光不产生干涉现象。普通光源不是相干光源。

★把同一波列设法分成两部分所获得的两列光波才是相干光如何获得相干光？？？复制相干光独立(同一原子先后发的光)tS讨论受激吸收受激吸收：处于较低能级的原子在受到外界的激发（与外界进行能量交换），吸收了能量时，跃迁到与此能量相对应的较高能级。受激吸收的特点：受激吸收需在外来光子的“激励”下才发生，不是自发产生的，并且外来光子的能量严格等于原子跃迁前后的能量差，即hv=EH-ELhv=EH-EL是受激吸收必要条件受激辐射受激辐射：原处于高能级E的粒子,受到能量恰为E=hv=E2-E1的光子的激励,发射出与入射光子相同的一个光子而跃迁到低能级E1受激吸收的特点：受激辐射必须有外来光子“诱发”才能发生；辐射出的光子与诱发光子的特征完全相同，是相干光；受激辐射不吸收诱发光子能量。由于受激辐射而得到放大的光称为激光E2E1N2N1全同光子h

Light光振幅;放大率AmplificationbytheStimulated刺激放射EmissionofRadiation辐射

受激辐射光放大基础于以下原理:激光（LASER）1、激光产生的基本条件：（1）激励装置：能使激活介质产生粒子数反转的泵浦装置；（2）工作物质：能实现粒子数反转而使入射光强放大；（3）光学谐振腔：放置激活介质的谐振腔，它增加放大并实施发射频率的选择。三、激光的产生

一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而且它也能引起受激吸收，所以只有当处在高能级的原子数目比处在低能级的还多时，受激辐射跃迁才能超过受激吸收，而占优势。由此可见，为使光源发射激光，而不是发出普通光的关键是发光原子处在高能级的数目比低能级上的多，这种情况，称为粒子数反转。但在热平衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态）。因此，如何从技术上实现粒子数反转则是产生激光的必要条件。（1）采用激励装置，建立粒子数反转E1E3E2(亚稳态)

实现反转分布的两个条件

①介质有两个以上与反转分布有关且有亚稳态的能级结构，这种能实现粒子数反转分布的介质称为激活介质；②有外界能源供给能量，使在正常分布下处于低能态的大量粒子尽快被激发或抽运到较高能态。

hv=E2-E1激励抽运无辐射跃迁激光的产生必须选择合适的工作物质，这种物质必须具有适当的频率，能实现粒子数反转。工作物质的原子（分子或离子）常是具有亚稳态能级，使物质能受激发射而使入射光强放大。（2）选择合适的工作物质工作物质：能实现粒子数反转而产生激光的物质。亚稳态：对于一些物质，除有基态和激发态之外，还有一种能级状态叫亚稳态。亚稳态E1激发态E2基态E0约10-8秒10-3秒~1秒外界激发E1跃迁到E3，E3的寿命很短(10^-9s)E3上粒子很快非辐射弛豫到E2上E2上积聚大量粒子(由于E2为亚稳态，寿命10^-3s，)E2上达到一半以上粒子数时

粒子数反转。但是，发光过程中下能级的粒子数一直保存有相当的数量,对抽运的要求很高。所以，不易实现粒子数反转.四能级系统能级示意图外界激发E1跃迁到E4，E4的寿命很短E4上粒子很快非辐射弛豫到E3上E3上积聚大量粒子(由于E3为亚稳态)，且E2上留不住粒子，即使有，也会很快非辐射弛豫到E1上

E3和E2之间很容易实现粒子数反转。因此，现在激光器绝大多数都是四能级结构.

激光器中开始产生的光子是自发辐射产生的，其频率和方向杂乱无章。要使频率单纯，方向集中，就必须有一个谐振腔。通信所用的半导体激光器就是利用半导体前后两个端面与空气之间的折射率不同，形成反射镜而组成振荡腔的。把光束不逸出腔外的谐振腔体称为稳定腔。若光束仅仅往返几次便逸出腔外，这种腔体称为不稳定腔。谐振腔的稳定条件是衡量谐振腔的特性的首要因素，特别是对于增益系数小的介质，希望光束能在腔内更多地来回传播，以便获得足够大的增益。（3）制备光学谐振腔，产生光学振荡光学谐振腔结构光学谐振腔作用：1、产生和维持光放大（受激辐射>受激吸收）3、选择输出光的波长2、选择输出光的方向全反射镜部分反射镜

光的自激振荡光学谐振腔光发大原理产生激光振荡的必要条件：增益大于损耗损耗：内损耗，由于介质对光的折射、散射、吸收等造成的损耗；镜损耗，由于反射镜产生的吸收、散射、衍射、透射(包括输出的激光)等造成的损耗。小结激光器：由激励装置、激活介质、光谐振腔组成激励装置:

向激活介质提供能量，使激活介质实现粒子数反转谐振腔工作物质全反射镜部分反射镜激励装置激光激活介质:

产生受激辐射光谐振腔:

受激辐射产生的偏离谐振腔轴线方向运动的光子逸出腔外，而轴线方向传播的光被放大，从而获得激光

四、激光的特性激光的特性可以概括为单色性，方向性，相干性和高亮度

。单色性

一个光源发射的光所包含的波长范围越窄，它的颜色越单纯，即光源的单色性越好。单色性最好的氪同位素Kr86灯：单色性∆λ/

λ=10-6数量级单模稳频氦氖激光器：单色性∆λ/λ=10-10~10-16数量级方向性一束激光射到38.6万千米的月球上，光斑的直径只有大约1千米。激光测量地月距离精度约为±15cm激光最小发散角

相干性

1.时间相干性描述沿光传播方向上各点的相位关系。

相干时间tc：指光束传播方向上某点处，可以使两个不同时刻的光波场之间有相干性的最大时间间隔，即光源所发出的有限长波列的持续时间。

相干长度Lc：可以使光束传播方向上两个不同点处的光波场具有相干性的最大空间间隔，即光源所发出的光波列长度。2.空间相干性:描述垂直于光束传播方向的波面上各点之间的位相关系。指光场中不同空间点在同一时刻光场的相干性，可用相干面积S来描述高亮度

光源的单色亮度定义为光源在单位面积、单位频带宽度和单位立体角内发射的光功率。

激光在各个技术领域中的有着广泛应用：激光通讯、激光测距、激光定向、激光准直、激光雷达、激光切削、激光手术、激光武器、激光显微光谱分析、激光受控热核反应等方面，主要是利用激光是定向强光束的特性；而激光全息、激光测长、激光干涉、激光测流速等领域，主要是利用激光是单色的相干光束的特性。练习题一、填空：

1、原子是由

和

组成的，其中

带

电，而

带

电，而整个原子是

的。

2、物质发光时有

辐射和

辐射两种情况。

辐射发出的光是自然光。

3、激光器主要由

、

、

组成。

4、激光的本质是

辐射，具有

、

、

、

等特性。二、选择题：1、从激发态跃迁到能量较低的轨道时，能量的差值：（1）用来产生一个光子；（2）变为系统热运动；（3）变为电子的动能；（4）被核吸收。2、激光的产生是：（1）自发辐射；（2）受激辐射；（3）自然光；（4）电子碰撞。3、关于激光的特性下列哪项是错误的？（1）方向性好；（2）高亮度；（3）荧光效应明显；（4）单色性好。

应用于医学领域的激光器一般可按工作物质形态（固体、液体、气体、半导体等）、发光粒子（原子、分子、离子、准分子等）、输出方式（连续、脉冲）等进行分类。常见激光器的种类：固体激光器（红宝石激光器）液体激光器（用在液体中能发出荧光的有机染料分子作为激活）气体激光器（氦—氖激光器）半导体激光器第二节医用激光器

世界上第一台激光器就是红宝石激光器。红宝石是在Al2O3中掺有少量（0.05%）Cr2O3的红色晶体。其中的铬离子参与产生激光的过程。基态上的离子吸收光子被激发到4F带，离子在4F能级上的寿命很短，迅速通过无辐射跃迁降落到2E能级，2E能级的寿命较长，它和基态之间很容易形成粒子数反转。2E能级分裂为两个能级，但其间有着极快的热弛豫过程，多数离子处于下能级，因而会产生694.3nm激光。一、红宝石激光器

红宝石激光器是一个三能级激光器。因为基态是通常情况下粒子数布居最多的能态，所以要想在高能级和基态之间形成粒子数反转就需要非常有效的泵浦。

闪光灯大约打开1ms，大约0.5ms后受激发射从红宝石棒一端射出。一般观察到的输出为一个尖峰序列，每个尖峰宽度大约为1微秒。这种尖峰序列的输出一般是应该避免的。通常采用Q调制的方法。开始，通过一个放置在激光介质和反射镜之间的器件将光的通路阻断，此时，损耗很大，光无法产生振荡尽管已经产生足够的粒子数反转。如果阻断被迅速去除，则光得到放大，并产生一个巨脉冲。一般使用偏振的改变来阻断光路。巨脉冲功率可超过108W，脉宽为ns量级。

He-Ne激光器是最早研制成功的气体激光器。激光介质为He和Ne（比例为5:1），压强大约为1torr。通过放电来泵浦。在放电过程中，快速电子与He原子碰撞，将He原子激发。由于He原子的两个激发态与Ne原子4s和5s能级的能量几乎相同，所以Ne通过与He的碰撞而被激发的几率很大。从而在4s,5s和3p,4p之间形成粒子数反转。由于p态相对于s态的寿命很短，所以粒子数反转可以维持，从而产生连续的激光发射。究竟哪条谱线形成激光振荡依赖于两侧反射镜对波长的选择。有时需要在腔内加入吸收室对某一波长进行吸收。He-Ne激光器的输出功率在毫瓦量级。二、氦-氖激光器医疗上常用的是输出功率5~50mw的连续激光，主要波长是632.8nm，用作“光针”和照射的工具，对溃疡的治疗有较好的疗效。He-Ne激光器的结构

二氧化碳激光器是最有效地气体激光器，功率转换率达到30%。工作波长位于10mm附近，很多工作用的是固定波长的二氧化碳激光器。三、二氧化碳激光器

因为与加入的N2分子的碰撞，(001)模式充分布居。由放电使得氮分子布居于第一振动能级。由此形成与低能级(100),(020)之间的粒子数反转。激光发射可能在子转动能级间发生，并形成位于10.2~10.8mm和9.2~9.7mm的几个光谱带。其中最强的谱线为10.59mm。可以使用光栅来选择其一为输出波长。如果使用同位素分子13CO2，则可以增加可选的波长。

二氧化碳激光器也可以工作于高气压（1个大气压到10个大气压）。在较高气压下，谱线加宽，不同的振转谱线溶和在一起，从而可以在该波段范围内连续调谐激光。工业上使用的二氧化碳激光器输出功率最高可以达到几十千瓦的量级。四、准分子激光器

准分子是一种在激发态结合为分子，在基态离解为原子的不稳定缔合物。跃迁发生在束缚的激发态和排斥的基态之间。准分子跃迁到基态以后立即解离。意味着只要激发态存在分子，就处于粒子数反转状态。由于下能级不是确定的能级，跃迁是宽带的，所以准分子激光器常常可以调谐运转。准分子可由异类或者同类原子构成。

常见准分子激光器如：KrF氟化氪,249nm；XeCl氯化氙,308nm。准分子激光器普遍采用电子束或者快速放电泵浦。准分子激光器中常加入He,Ne等惰性气体，其作用是降低电子温度，以便产生更多的激发态粒子，避免产生过多离子。与缓冲气体的碰撞还可以使高振动能级的准分子向低振动能级弛豫。准分子激光器脉冲能量可以达到几百mJ，平均输出功率可以超过100W。一、激光的生物作用

凡激光和生物组织相互作用后所引起的生物组织方面的任何改变，都称为激光的生物效应。第三节激光的特点及医学应用(一)激光的热效应

激光照射生物组织后，光能转化为热能而使组织温度升高。产生热效应的波段主要在红外线波段。当功率足够大时，数毫秒内即可使组织温度升高到200～1，000°C，使蛋白变性、凝固，甚而碳化、气化，这是激光刀和切割的基础。（二）激光的机械效应（压力效应）

激光的能量密度极高，可产生很强的辐射压力，加之由热效应引起组织急剧地热膨胀产生“次生冲击波”的压力效应共同合成总压力可以使生物组织破坏，蛋白质分解和组织分离。（三）激光的光化学效应

光可以激发大分子的组织产生荧光或磷光等现象，一些物质可以在激光的辐照下辅助治疗疾病。

生物组织的光学特性：生物组织对激光的辐射作用的反应与激光波长的吸收过程有关。在近紫外、可见光和近红外光谱区，生物组织的颜色对激光具有选择性吸收的特性。激光作用皮肤：受到皮肤的反射、吸收、散射和透过。300～1000nm激光传入皮肤的辐射能中的99％被组织的外3.6mm层吸收。（四）电磁场效应

激光是电磁波，激光对生物组织的作用就是电磁场对生物组织的作用，一般认识这种作用是电场所致。强激光可在组织内形成106~109V.cm-1的高强电场，引起或改变生物组织分子及原子的量子化运动，生成自由基，破坏细胞，改变组织的电化学特性等。（五）弱激光的生物刺激效应

较高能量的激光会产生热效应和其它一些非热效应损伤组织，但在较低能量的激光辐照下能促进一些疾病的康复。在生物场理论分析中认为，机体是一个巨大的晶体，是结构复杂的导电区，膜电导区中的代谢过程，能维持一定的自由电荷密度。激光的共振作用下将使生物等离子体恢复稳定，使之回到正常能层。这个理论尚无定论，但临床效果明显。二、激光的医学应用1.激光对生物分子、细胞组织的作用与效应（1）生物分子：激光作为刺激源可在分子水平上调整蛋白质与核酸的合成与活性；影响DNA的复制、各种酶的活性与功能、氨基酸的变化等。（2）细胞：激光通过对细胞的作用而影响细胞的增殖、分化、遗传、发育、凋亡、代谢以及免疫等过程或功能。而且这种影响往往还有双向作用，其含义有两层：一是照射剂量小则兴奋，大则抑制；二是可使细胞功能从不同方向的偏离恢复正常。（3）组织：激光照射组织，当剂量足够大时将造成对组织的损伤直至完全破坏。这种损伤分为热损伤与非热损伤两大类。热损伤

由于热作用导致组织的凝固、汽化（包括炭化、燃烧）、气化所造成的。非热损伤

机械作用导致的冲击波对组织的损伤，甚至远距离损伤；强电场作用导致的光击穿或产生等离子体；光化作用导致的光化激活组织，发生光化反应造成对组织的损伤等。2.用于基础医学研究的激光技术（1）激光微光束技术

激光经透镜或显微镜光学系统聚焦后可形成强度很高而光斑直径在微米量级的微光束。利用此微光束可进行细胞水平的研究，形成激光的光镊术、显微照射术、细胞打孔术、细胞融合术等以实现对细胞进行俘获、转移、穿孔、移植、融合及切断等微操作。激光微光束还可用于激光微探针分析术，即标本的微区在激光微光束照射下被汽化，同时用摄谱仪或质谱仪记录，进行微量和痕量元素的定性或定量分析。让染色细胞在稳定的液体流动中排队成行，逐个依次恒速通过激光束的焦斑区。用探测器检测细胞被激光照射后所发出的荧光与散射光并经计算机处理而自动显示结果。它可对细胞逐个进行定量分析与分选，其特点是分析速度快、灵敏度高、分选纯度高、可对一个细胞同时定量测定多种参数（如DNA、RNA含量、细胞体积等）等。（2）激光流式细胞计拉曼散射的频率与瑞利散射的频率之差称为拉曼频移，由于拉曼频移与物质分子的振动、转动能级结构有关，而与入射光频率无关，故可用拉曼光谱对生物分子进行结构分析。因拉曼散射的强度只有瑞利散射的万分之一，一般不易观测到。只有用高强度、高单色性以及谱线范围宽广的激光作激发光源，才使激光拉曼光谱具有实用意义。（3）激光拉曼光谱技术当光子与物质分子相互作用时，除有与入射光频率相同的瑞利散射线外，还有由于非弹性碰撞而在其谱线两侧对称分布的散射光，这种散射称为拉曼