医用物理学：12 激光

1、1第12章 激光(laser)及其医学应用 曹会英12.1 激光基础激光基础12.2 激光的生物效应激光的生物效应2一、激光的特性一、激光的特性（1）方向性好）方向性好 利用激光准直仪可使长为利用激光准直仪可使长为2.5km的隧道掘的隧道掘进偏差不超过进偏差不超过16nm. .用于定向、导向、测距等。用于定向、导向、测距等。3（2）亮度高、强度大）亮度高、强度大空间高度集中：亮度比太阳表面高空间高度集中：亮度比太阳表面高1010亿倍。亿倍。窄脉冲激光窄脉冲激光4（3）单色性好）单色性好激光的单色性比普通光高激光的单色性比普通光高 倍倍. .10105（4 4）相干性好）相干性好普通光源（如钠灯

2、、汞灯等）其相干长度只有普通光源（如钠灯、汞灯等）其相干长度只有几个厘米，而激光的相干长度则可以达到几十几个厘米，而激光的相干长度则可以达到几十公里，比普通光源大几个数量级。因此也可以公里，比普通光源大几个数量级。因此也可以说激光具有非常好的相干性。用激光做光源进说激光具有非常好的相干性。用激光做光源进行光的干涉、衍射实验，可以得到非常好的效行光的干涉、衍射实验，可以得到非常好的效果。另外，激光问世以来，推动了全息光学技果。另外，激光问世以来，推动了全息光学技术、激光光谱技术的发展。术、激光光谱技术的发展。6一、光的受激辐射概念的产生一、光的受激辐射概念的产生普朗克普朗克1900年，年，辐射量

3、子化假设辐射量子化假设；波尔波尔1913年年,原子中电子运动状态的量子化假设；原子中电子运动状态的量子化假设；爱因斯坦爱因斯坦1917年，年，提出受激辐射概念提出受激辐射概念。二、二、激光的理论基础激光的理论基础电子处于一些电子处于一些分立的能级分立的能级碳原子示意图碳原子示意图7 二、二、 自发辐射、自发辐射、 受激吸收、受激吸收、 受激辐射受激辐射8.1E2E发光前发光前.。2E1Eh发光后发光后自自发发辐辐射射hEE121.自发辐射自发辐射92 受激吸收受激吸收吸收后吸收后。.2E1Eh吸收前吸收前.1E2E受受激激吸吸收收103 受激辐射受激辐射（stimulated radiatio

4、n） 由受激辐射得到的放大了的光是相干光由受激辐射得到的放大了的光是相干光,称之为激光称之为激光. 原子中处于高能级原子中处于高能级 的电子的电子, 会在外会在外来光子来光子 ( (其频率恰好满足其频率恰好满足 ) ) 的诱的诱发下向低能级发下向低能级 跃迁跃迁, 并发出与外来光子并发出与外来光子一样特征的光子一样特征的光子, 这叫受激辐射这叫受激辐射.2E1E12EEh11.1E2E.。2E1E 发光前发光前 发光后发光后hhh 受激辐射的光放受激辐射的光放 大示意图大示意图3、受激辐射、受激辐射12二、激光的产生条件二、激光的产生条件（1 1）实现粒子数反转分布）实现粒子数反转分布 （2

5、2）设有光学谐振腔）设有光学谐振腔 抑制光的受激吸收和自发辐射，尽可能抑制光的受激吸收和自发辐射，尽可能 加强受激辐射加强受激辐射。13粒子数的正常分布粒子数的正常分布1E2E. .。 。1N2N12EE 粒子数反转分布粒子数反转分布2E1E.。 。2N1N12EE （1）实现粒子数反转分布）实现粒子数反转分布 12NN ， 处于低能级的电子数大于高能处于低能级的电子数大于高能级的电子数，级的电子数， 这种分布叫做粒子数的正常这种分布叫做粒子数的正常分布分布. ，叫做粒子数反转分布。叫做粒子数反转分布。 21NN 14要获得光放大，必须使受激辐射占优势。要获得光放大，必须使受激辐射占优势。吸收

6、和受激辐射是相互矛盾的吸收和受激辐射是相互矛盾的 粒子数的正常分布粒子数的正常分布1E2E. .。 。1N2N12EE 粒子数反转分布粒子数反转分布2E1E.。 。2N1N12EE 15红宝石中铬离子能级示意图红宝石中铬离子能级示意图1E2E.。基态基态亚稳态亚稳态激发态激发态3E. 从外界输入能量从外界输入能量, ,使尽可能多的电子吸收能使尽可能多的电子吸收能量后跃迁到高能态量后跃迁到高能态 , , 这个过程叫做这个过程叫做激励激励。激励和亚稳态方法 激励装置和具有亚稳态能级结构的激活介质激励装置和具有亚稳态能级结构的激活介质16（2）光学谐振腔）光学谐振腔 激光的形成和输出激光的形成和输出

7、 光在粒子数反转的工作物质中往返传播光在粒子数反转的工作物质中往返传播,使谐振腔内的光子数不断增加使谐振腔内的光子数不断增加,从而获得很从而获得很强的光强的光, 这种现象叫做这种现象叫做光振荡光振荡.17.激光光束激光光束全反射镜全反射镜l光学谐振腔示意图光学谐振腔示意图部分透光反射镜部分透光反射镜光学谐振腔光学谐振腔18三三 医学激光器医学激光器 1 氦氖气体激光器氦氖气体激光器 氦和氖的原子能级示意图氦和氖的原子能级示意图基态基态亚稳态亚稳态氦氦氖氖632.8 nm231氦氖激光器氦氖激光器全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜AK基本结构：工作物质、激励装置、光学谐振腔基本结构：工作物质、

8、激励装置、光学谐振腔192 红宝石激光器红宝石激光器晶体晶体,它发出的激它发出的激光是脉冲激光，光是脉冲激光，波长为波长为694.3 nm.红宝石激光器的工作物质是棒状红宝石红宝石激光器的工作物质是棒状红宝石 。 全全反反射射镜镜半半透透射射镜镜红宝石棒红宝石棒。脉冲灯脉冲灯0UU红宝石激光示意图红宝石激光示意图。2012.2 12.2 激光的生物效应激光的生物效应 激光的生物效应：激光与生物组织作用后所引起的生物组织方面的任何改变 热效应、压力效应、光化效应、电磁效应热效应、压力效应、光化效应、电磁效应 生物刺激作用生物刺激作用21激光的热效应激光的热效应n 激光热作用主要应用之一是切割和激

9、光汽化。激光切割和激光汽化的主要不同是所用光斑的大小，切割用的小得多，可以说激光切割是线状汽化。医院里有激光打痣，激光焊接视网膜等。激光的热作用，还可以用来杀菌，若如射激光功率密度小但不能切割或汽化组织，可让它热凝组织。就局部热杀癌组织来说，有着非常的意义，因为癌组织细胞比正常细胞对人更敏感。22激光的压力效应激光的压力效应n二次压强 激光手术刀23激光的光化效应n生物大分子吸收激光的能量并被激活，产生受激原子、分子和自由基，引起机体的一系列化学反应。 光动力学疗法24激光的电磁效应n激光也是一种电磁波。强的电磁场将会对生物体产生一些变化，如强激光能击穿透明的汽、液、固体，它们不吸收激光，则击穿显然是来源于激光的电场。激光 产生等离子体。 强电磁场与生物分子的直接作用会产生激发、振动、热和自由基等效应，从而引起组织损伤。用电子自旋共振可测得激光束辐照黑色皮肤和黑瘤等组织所产生的自由基 25激光的生物刺激作用n弱的激光，特别是He-Ne激光，另有一种作用，叫做生物刺激作用。He-Ne激光照射全身会产生消炎、止痒和扩散血管的作用此外，激光还能机体的代谢、增殖、机能