光与激光的特性

第一章光与激光的特性

一、光的基本特性

1、光在真空中的传播速度是：,但在媒质中，其速度为，其中n是媒质的折射率（仅取决于媒质

的物质构成和光的颜色）。

2、光具有波粒二象性。光是横波。

3、光被汲取时，它的能量一般转化为热——红外加热。

——有些物质在紫外作用下可发出烫光，荧光的强弱和颜色取决于紫外光的波长和荧光物质的化学成分。

4、光在全部物质的表面或多或少有反肘。

一一反射：漫反射（光在粗糙表面对四面八方的散射）；镜面反射。

5、光在通过介质时，若介质具有光学不匀称的结构（介质的各向异性；局部的密度与平均密度的统计偏离造成的密度

起伏），就会发生散射。

——瑞利散射：散射光波K与入射此波K相同的散射。

一一喇曼散射：散射光波长与入射光波长不同的散射，形成双散射谱线

——布•里渊散射：散射光波长与入射光波长不同的散射，形成双散射谱线

二、激光的产生与特性

1、一般光源发光特点

1）一般光源中处「激发态的原子数总是少丁基态的原子数，而且受激原子的总数也有限，所以只能发出低强度的光;

2）自发辐射光子的方向是杂乱地随机分布，因此所发出光线的方向性很差；

3）一般光源发光，有可能从不同的高能级原子向不同的低能级跃迁，因此产生光子的频率便会有多种不同，导致其

辐射的光是广谱的。

2、激光产生的条件

1）形成受激辐射：受激辐射所放射出的光子等于入射光子的两倍，使光子数量增多，能量增大；

2）实现粒子数的反转：前提是有合适的具有亚稳态的工作物质，有强大的激励能源。

——激励能源将物质中低能级的粒子抽运到高能级上，处于激发态的粒子不稳定，但由于物质具有亚稳态，故粒

子会再跃迁到亚稳态上，亚稳态的寿命相对较长，从而使该物质中处于高能级的粒子数可能会多于低能级的粒子

数，实现粒子数反转。

一光激励，电激励（用于气体激光器，通过AC,DC等）

3）光学谐振腔：能不断地从电源获得能量以补充被物质所汲取的光能量，并进行光的放大；只对某一方向传播的光

才起放大作用。

一一由两块严格相互平行的光学反射镜组成（法布里・珀罗装置），一块是反射镜，反射率99%以上，一块部分反射

镜，小部分投射，大部分反射。

-原理：工作物质置于中间，沿镜面共法线方向来回的光，被镜面反射后可以多次通过工作物质，逐次放大、

增加，使光子数量获得雪崩式的增加。而和轴线不平行的光就从侧面逃逸了。因此，当这种光波增加到足以抵抗

谐振腔内各种损耗时，就可以在谐振腔内形成持续的震荡。这时，从部分反射镜透射出来的那部分振荡光就形成

了激光。

——最终在端面上出射的激光便具有相同的位相、传播方向、偏振频率。

总结：工作物质，激励源，谐振腔是产生激光最基本的三个条件。

3、激光的特性

1）单色性好

一一谱线宽度是衡显光源单色性好坏的标记。

——单色性最好的是氯（Kr）灯.

一一激光单色性好的缘由：

激光是受激辐射光的放大，只有频率满意肯定的能级跃迁的光才能得到放大，即受到荧光谱线宽度的限制；

受到激光器选频作用的限制：由于在某一条荧光谱线之内不是全部频率都能起振的，只有那些落在荧光谱线之

内的共振频率（即不同的纵模或驻波）才能起振，而每个共振频率的振荡谱线宽度比荧光谱线宽度要窄得多。

——脉冲宽度和激光线宽成反比关系：

2）方向性好

——激光的发光面枳仅限于0.2cm9,并且局限在很小的发散角内发光。

一一工业上用于准直测量与指示；医用激光刀

3）高亮度

——10A14-17W/（cmA2*Sr）

----激光亮度高是因为方向性好

-激光亮度（每球面度的功率，W/sr）,光束的强度可用透镜增大，但亮度不会。在运用焦点透镜对激光聚焦的

时候，可使输出光束的强度大于输入光束强度，然而输出光束的发散度也因此而大于输入光束的发散度，因此亮度

保持不变

一一亮度才是反映激光本身特性指标的参数。

4）相干性（振动方向、频率相同，恒定相位差）好

一一分为空间（横向）相干性和时间（纵向）相干性

——空间相干性：同时间内发光面上不同两点辐射的相干性。相干面积越大空间相干性越好；

一一时间相干性：光源中统一辐射元在不同时间辐射出的光束之间的相干性。

——光源的单色性越好，谱线宽度越窄，相干时间越长。

——激光的谱线宽度与激光在其共振腔内沿轴方向形成的每一种稳定驻波形式的光振荡方式（即纵模）有关，对于

多模振荡的激光器，单色性取决于纵模数，所以激光的时间相干性与纵模有关。

——单色性好，发散角窄，时间空间相干性好

一一时间相干性归纳为单色性，激光全息术测定牙的材料性质和应变，骨的应力等。

5）激光的偏振性

----全部激光都是偏振光

——激光工作物质本身会导致电矢量在某一方向上有优先取向。多数固体工作物质化略高于阈值水平_L作时，具辐

射几乎只在一个平面振动；很多气体激光器都以布儒斯特窗作为输出窗以削减某一振动面的损失。一一激光高度平

面偏振。

其次章激光器的种类和激光的特性参数与测量

一、激光器的分类

1、按发光粒子分：原子，粒子，分子，自由电子

2、按工作物质分：

优点缺点工作物质

气体激光器单色性高，波长分布输出功率小（因为气体He-Ne,二氧化碳

广，工作物质有原子，密度低），体积大，能

分子，离子量转换率低

液体激光器波长可调谐，可在肯相干性差，染料溶液易有机染料溶液和含有稀土金属

定波长范围内连续变老化离子的无机化合物

更

固体激光器能量高，功率大谱线分布窄，单色性差将能够产生受激辐射作用的金

属离子按肯定比例人工掺入到

晶体或玻璃基质中制成的晶体

棒货玻璃棒

半导体激光体积小，重量轻，效相干性差

器率高，速度快，波长

范围宽，结构简洁

准分子激光波长短，功率高，输毒性大，消耗气体要加由受激的稀有气体原子和卤素

器出波长从真空紫外到气原子结合成的准分子

可见光区

自由电子涉较大范围内连续变更装置大，运作困难高能自由电子束

光器波长输出高强度高功

率激光

3、按工作方式分类：

1）连续激光器：对工作物质连续激励从而能长时间连续产生激光辐射

2）脉冲激光器：较短时间内施加较强激励，使激光工作物质获得较大程度的粒子数反转，然后在万分之几秒至亿分之

几秒内输出一个较强的激光脉冲。

——单脉冲激光器，重复脉冲激光器

一一激光打孔，临床视网膜凝聚，虹膜切除。

3）巨脉冲激光器：提高激光输出功率，一亿份之几秒至十亿分之一秒内释放

总结：

1）氮敏激光器（方向性，单色性，相干性最好）最早用，检测，止血，针灸。糖尿病末期眼角膜出血，小腿溃疡，用

此治疗。

2）二氧化碳去痣

3）Ar离子检测分析,喇曼

4）氮气光剪

三、激光的参数与测量

1、能量

测量能量的方法按激光束在接受元件上所产生的物理效应分类：

1）光热法：基于光的热效应，测量汲取体汲取光辐射后发生的温度变更。

一一汲取体+热电转换元件（前二者为探头）+显示器

——汲取体：反射率低，对各种波长的光辐射有广谱汲取的材料，结构特别以最大汲取激光能量

一一优点：灵敏度高（0.1PJ）,测量范围大（lmW-5kW）,重复性好。

一一缺点：两次测量之间必需使汲取体复原到环境温度，因此测量时间间隔大

2）光电法：依据光电效应中光能与物质产生的电流成正比

一一光电管，半导体光电元件两类

——对光的响应时间快（l（r-9s）,复原快，对波长有限制，量子效率不高有疲惫效应。

3）光压法

2、功率/光强度（光辐射通量密度）

1）光强就是光波的波印廷矢量的平均值：

例题：假定一输出功率为l.OmW的氮覆激光器其输出光束直径为2mm,且该光束的发散度可以忽视，求该光束的光

能量密度，光强度和光波电场强度。

3、脉宽与波形

1）用示波器测量脉宽，同时给出了输出的波形

2）Q开关激光脉宽的测量用光电倍增管或发光二极管作为转换元件，精度达10八-9s

3）对脉宽为Ps（皮秒，1OA-12S）的锁模激光脉冲持续时间的测量用条纹照相机

4、波长或光谱

1）测量可见光波长用光谱比较法

2）法布里-珀罗标准具，光学多道分析仪

5、方向性

1）打靶法，套孔法，光楔法，圆环法

6、激光输出模式

1）纵模：输出波长的单色性问题，为光谱的测量；横模：激光输出能量的空间分布

2）干脆视察法：

3）扫描法，显色硅胶红外激光显示屏

第三章：光与生物组织的相互作用

一、光与生物组织和材料的相互作用方式（2种）

1、光的汲取

1）光在照耀生物组织时，当其光子的能量hv与组织的原子或分子的跃迁能级相同时，光能便被生物组织或材料所汲

取。一一大多数转化为热能

2）生物组织材料对不同波长（或频率）光波的汲取本事不同。选择性汲取一一用于识别某种元素或化合物的存在，对

特定生物组织材料的选择性作用。

3）当光源为高强度的脉冲激光时，会发生一个分子汲取多个光子的非线性汲取现象，为多光子汲取。

2、光的敌射（波长越短，散射越厉害）

1）当照耀到物质上的光远离该物质的汲取谱带时，物质的分子会被光的电磁波所极化，其电荷分布被光波的电场所位

移。光波正旋变更的电磁场会引起电子在分子内进行正旋振荡，这种振荡电荷使每个分子像一个小天线一样，会在非

入射光方向的方向上辐射能量，这就是散射现象。

2）瑞利放射（分子散射）特点：

a:散射光频率与入射光频率相同

b:散射强度随与r的平方削减

c:散射强度与入射光波长的四次方成反比

d:散射光强度随散射角变更

可通过测量散射光瑞利散射比来确定分子量，迪转半径和其次维里系数

3）布里渊散射：因为物质介质中存在弹性热波而在电磁波传播方向的介质空间引起随时间变更的密度涨落而引起

4）喇曼放射：由于物质的分子振动引起分子极化率随时间变更而产生

5）各种散射都是由于散射体的光学不匀称性产生的。

6）廷德尔散射假如物质的光不匀称性结构很大，数最级相当于光波长时，散射会相当强，使得物质呈现浑浊态

二、光对组织的生物作用机制（4利1）

1、热作用

1）定义：生物组织材料在汲取光能后，光能可转变为其分子的振动能和转动能，或通过热弛豫使四周的分子获得平移

能（包括振动能和转动能），从而产生热量使温度上升。

2）光的温热作用可使毛细血管犷张，使血流量增加，结果还可以使加热区改善供血和养分状态。

3）温度变更与反应

可引起温热感觉，作用相当理疗上的热敷，长时间照耀都不会引起热致损伤。

肿瘤细胞死亡，正常细胞没事

可引起热致红斑，但在温度回复正常时，可自行消退。

可在数秒钟之内产生热致水泡，出现灼热感和痛觉

组织蛋白质熔融

约10秒钟之内发生热致凝固

发生热致汽化

热致炭化现象，皮肤组织和细胞在热作用下立即发生干性坏死，快速呈棕黑色

的现象

热致燃烧，此时组织和细胞会燃烧，可见火光

热值气化，当皮肤温度在瞬时内骤升到超过此温度时，皮肤组织会由固体立即

变为气体

2、光化作用

1）光干脆引起化学反应的作用

2）过程：电子激发态分子干脆联系再一起的原初光化学反应，原初光化学反应生成不稳定产物后在有光或无光环境下

发生后继化学反应，直至生成稳定的最终产物。

3）特点：

a:光化作用具有波长选择性，只有适当量子能量的光子才会引起反应。350-700nm的近紫外光和可见光

一光化学第肯定律：只有被分子汲取的光子才能在系统中导致光化学反应。

b：对于询定波长的光，其光化效应则只确定与光的总能量

总能量=光强*时间

C:对高物度激光有非线性汲取效应（多光于汲取）

4）光化作用类型：

A:光致分解

因汲取光能而导致化学分解反应的过程

B：光致氧化

光作用下使反应物失去电子的过程

C：光致聚合

用光照使受照物形成二聚体或三聚体等简洁分子，或是促成链式反应而形成大分子

D：光致敏化

生物系统所特有的由光引起的在敏化剂帮助下发生的一种化学反应。

光动力学疗法：血吓咻类，用于进行肿瘤的识别和选择性治疗

光敏化剂特点：有精确的药理定义，化学稳定，水溶性，高度选择性，短时间低光能下便可光敏化，汲取波长长，可

快速消退皮肤光敏弱，治疗效果好

E：多光子红外光化反应

F：激光分别同位素

利用同位素在光谱中有微小的位移，以及激光的高度单色性来进行的，

3、机械作用

1）机械作用包括：

光辐射压强效应；电致伸缩；受激布里渊散射：电击穿；剥裂效应；因光学击穿引起的等离子体冲击波

4、激光生物刺激作用

1）定义：以低功率激光照耀生物组织上时所产生的一种可刺激蛋白合成，促进生物细胞生长分裂，提高能活性，并可

产生促进伤口愈合、骨折再生、消炎镇痛等效应的非热作用。

2）升温不超过0.5度，常用红外波段激光

3）特点：

A：累积效应：多次小剂量的辐射可引起与一次大剂量辐射大致一样的生物效应，只要两者总剂量一样。

B：抛物线效应：生物体对激光照耀的响应随照耀次数的增加先是渐渐增加，到10-17次达到最大值，再照耀下去响应

便会渐渐减弱，然后在超过某肯定值时会从刺激作用变成抑制作用。

C：时季效应：在不同季节和时段照耀，即使剂量相同，效应也不同。秋冬强。

第四章生物组织的光学特性

一、皮肤的光学特性

1、反射

1）是漫反射不是镜面反射

2）反射与光波长有关：

A:皮肤对红色光和近红外光之间的波长反射率较大

B：各种肤色皮肤对波长短于0.3um的紫外线和波长长于2um的远红外线反射率一样

C：可见光范围内白色皮肤的反射率大于黑色皮肤

D：白色皮肤对氨岚激光的反射率为二氧化碳的1