第一章 激光的原理与特性

1、第一章 激光的产生原理及特点1.1 激光基本原理光吸收和辐射原理光吸收和辐射原理激光产生条件激光产生条件激光的特点激光的特点激光对生物组织的作用激光对生物组织的作用1 1、原子的自发辐射：、原子的自发辐射：满足条件：满足条件：h = E2 - E11E 2E h 1E2E吸收：吸收：光通过物质时，一部分光子将被原子吸收，使光通过物质时，一部分光子将被原子吸收，使它们跃迁到较高能级，称为光的吸收。它们跃迁到较高能级，称为光的吸收。自发辐射：自发辐射：处在高能级的粒子是不稳定的，很快就会处在高能级的粒子是不稳定的，很快就会跃迁到低能级，多余的能量以光子的形式发射出来，跃迁到低能级，多余的能量以光子

2、的形式发射出来，这种发射称自发辐射。这种发射称自发辐射。 自发辐射自发辐射一、光吸收和辐射原理一、光吸收和辐射原理特点：特点：大量独立粒子自发辐射，发光是频率、相位、大量独立粒子自发辐射，发光是频率、相位、偏振状态、传播方向等均不相同的非相干光，如：普偏振状态、传播方向等均不相同的非相干光，如：普通光源发光即属于自发辐射。通光源发光即属于自发辐射。2 2、受激辐射、受激辐射 处在高能级处在高能级E2的原子，的原子，受到能量为受到能量为h =E2-E1的的外来光子外来光子的的激励激励，由高能级，由高能级E E2 2受激受激跃迁跃迁到低能级到低能级E E1 1，同时辐射出一个同时辐射出一个与激励光

3、子全同与激励光子全同( (即频率即频率、相位相位、偏振状态偏振状态、传播方向等均同传播方向等均同) )的光子。的光子。E2E1h E2E1h h 受激辐射受激辐射满足条件：满足条件：h = E2 - E1光放大光放大特点：特点：必须先有一个入射光子的作用，才能诱发得到必须先有一个入射光子的作用，才能诱发得到两个特征相同的光子。这两个光子再引发其他原子受两个特征相同的光子。这两个光子再引发其他原子受激辐射，实现光放大。激辐射，实现光放大。受激辐射受激辐射 当物质受到强烈激励时，使某一能级的粒子数大量积聚，当积聚数多于基态或下一能级的粒子数时，发生反分布。 物质处于反分布状态时，如有光束射入，入射

4、光子的能量正好等于反分布状态的两能级能量之差，则会发生光子与粒子的完全弹性碰撞，使粒子从激发态跃迁到基态或某下一能级，同时发射一个光子，此光子的能量与入射光子的能量相同，有一致的方向和恒定的位相关系。此称受激辐射。 简单的讲：频率适当的光子诱发高能级的原子发射简单的讲：频率适当的光子诱发高能级的原子发射光子而跃迁到低能级。光子而跃迁到低能级。3 3、受激吸收受激吸收 （共振吸收（共振吸收, 光的吸收）光的吸收）处在低能级处在低能级E1的原子受到能量等于的原子受到能量等于h = E2 - E1的光子的光子的照射时，吸收这一光子跃迁到高能级的照射时，吸收这一光子跃迁到高能级E2的过程。的过程。光减

5、弱过程光减弱过程E2E1h 激光产生的条件：激光产生的条件：粒子数反转粒子数反转光学谐振腔光学谐振腔合适的激励能源合适的激励能源具有亚稳态的工作物质具有亚稳态的工作物质二、激光的产生条件二、激光的产生条件 1、 粒子数反转分布粒子数反转分布激光是受激幅射的光，但还存在自发辐射和吸收，激光是受激幅射的光，但还存在自发辐射和吸收，要使受激辐射超过吸收和自发辐射才能要使受激辐射超过吸收和自发辐射才能实现光放大实现光放大根据玻尔兹曼能量分布律：根据玻尔兹曼能量分布律：kTEEeNN)(1212 热动平衡下，热动平衡下， N2N1，即即处于处于高能级的原子数大大少于低能级的原高能级的原子数大大少于低能级

6、的原子数子数粒子数的正常分布粒子数的正常分布受激辐射占支配地位受激辐射占支配地位粒子数反转粒子数反转高能级上的粒高能级上的粒子数超过低能子数超过低能级上的粒子数级上的粒子数粒子数正常分布是：粒子数正常分布是：为了有效地产生激光，要改变这种分布，形成为了有效地产生激光，要改变这种分布，形成粒子数反转的状态。粒子数反转的状态。E1E2E3E4能能量量N1N2粒子数反转状态粒子数反转状态E1E2N1N22 2、实现粒子数反转的条件：、实现粒子数反转的条件：要有实现粒子数反转分布的物质，这种物质具有要有实现粒子数反转分布的物质，这种物质具有 适当的能级结构；适当的能级结构；必须从外界输入能量，使工作物

7、质中尽可能多的必须从外界输入能量，使工作物质中尽可能多的 粒子处于激发态。（粒子处于激发态。（激励激励或或泵浦泵浦）激励方法：激励方法：光激励、电激励、化学激励、核激励光激励、电激励、化学激励、核激励工作物质的能级结构：工作物质的能级结构：具有亚稳态具有亚稳态( (寿命较长寿命较长) )只有具有亚稳态的工作物质才能实现粒子数反转只有具有亚稳态的工作物质才能实现粒子数反转、适当的激励系统、适当的激励系统 组成激光器的第一部分是激励系统。组成激光器的第一部分是激励系统。 实现这种作用的方式有光子激励（光泵），实现这种作用的方式有光子激励（光泵）， 即利用强光照射工作物质。即利用强光照射工作物质。光

8、激励的第一种方式：用激光激励另种激光器；光激励的第一种方式：用激光激励另种激光器；光激励的第二种方式：用气体放电激励；光激励的第二种方式：用气体放电激励；光激励的第三种方式：用电流激励。光激励的第三种方式：用电流激励。、具有亚稳态的工作物质、具有亚稳态的工作物质 粒子数反转：利用外来激发打破热平衡使高能级粒子数反转：利用外来激发打破热平衡使高能级的原子数多于低能级的原子数的这种情况的原子数多于低能级的原子数的这种情况 亚稳态：寿命比较长一点的激发态亚稳态：寿命比较长一点的激发态三能级结构三能级结构四能级结构四能级结构光学谐振腔的作用：光学谐振腔的作用： 1 1）使受激辐射光放大过程能在有限长）

9、使受激辐射光放大过程能在有限长 度的工作物质中持续进行，且在满度的工作物质中持续进行，且在满 足阈值条件下形成光振荡，产生激光。足阈值条件下形成光振荡，产生激光。 2 2）对输出激光的方向性给予限定。）对输出激光的方向性给予限定。 3 3）有选频作用。）有选频作用。 3 3、激光谐振腔、激光谐振腔( (激光器的第二大部分激光器的第二大部分) )b b、激光谐振腔的结构：、激光谐振腔的结构：基本激光系统基本激光系统部分反射镜部分反射镜全反射镜全反射镜激发能源激发能源激光束激光束激活激光介质激活激光介质激光器结构原理图激光器结构原理图光学谐振腔光学谐振腔输出输出全反射镜全反射镜（100%100%反

10、射镜）反射镜）部分透光反射镜部分透光反射镜（98%98%反射）反射）光光学学谐谐振振腔腔激发态激发态原子原子基基态态实现粒子数反转实现粒子数反转分布的激活介质分布的激活介质辐射的光的位相、偏辐射的光的位相、偏振状态、频率、传播振状态、频率、传播方向是随机的。方向是随机的。He-NeHe-Ne激光器的能级图激光器的能级图电子碰撞电子碰撞扩散扩散共振转移共振转移3=1152.3nm2= 632.8nm2P1= 3391nm3S2SE3E1能量能量（W）E00212019181716151S3PHe+Ne + He+Ne +基态基态R2 ：629.9nmR1 ：694.3nm2E4F24F1400n

11、m（蓝蓝）550nm（绿绿）=310-3s50nm红宝石中红宝石中Cr3+能级能级4A2激光波长范围宽：激光波长范围宽：远红外远红外-X-X射线射线波长特点：波长特点：单一或可调单一或可调发光方式：发光方式：脉冲或连续脉冲或连续功率范围：功率范围：1010-3-3-10-105 5W, ,脉冲峰值可达脉冲峰值可达10101313W激光器激光器种类种类繁多：按工作物质可分为：繁多：按工作物质可分为：气体激光器气体激光器，如：，如：He-NeHe-Ne激光器激光器固体激光器固体激光器，如：红宝石激光器，如：红宝石激光器半导体激光器半导体激光器，如：，如：GaAsGaAs激光器激光器染料激光器染料激

12、光器，如：乙醇，苯类、丙酮、二甲基等，如：乙醇，苯类、丙酮、二甲基等本节介绍激光的产生、特性，对生物组织的作用本节介绍激光的产生、特性，对生物组织的作用及医学应用及医学应用一、激光的基本特性一、激光的基本特性1、单色性好、单色性好2、方向性好、方向性好3、亮度高强度大、亮度高强度大4、相干性好、相干性好1 1、单色性好、单色性好单色性的好坏反映了光能量在频谱上分布的单色性的好坏反映了光能量在频谱上分布的集中性。集中性。光谱线宽度是衡量单色性好坏的标志光谱线宽度是衡量单色性好坏的标志 KrKr灯：灯：605.7nm, 605.7nm, 谱线宽度谱线宽度=4.7=4.7* *1010-4-4nmn

13、mHe-NeHe-Ne激光：激光：632.8nm, 632.8nm, 谱线宽度谱线宽度=4.7=4.7* *1010-8-8nmnm原因原因: : 受激辐射受激辐射, ,光子一致光子一致; ; 谐振腔选频谐振腔选频. .应用应用: : 光的生物效应强烈地依赖于光的波长光的生物效应强烈地依赖于光的波长, ,因此激光良好的单色性在医学上具有重要因此激光良好的单色性在医学上具有重要的应用价值的应用价值. .2、高度准直性、高度准直性(方向性好方向性好-激光的发散角小。激光的发散角小。)=25mrad（毫弧度）（毫弧度）lr (1km时光斑直径时光斑直径10m)激光器激光器LaserHe-Ne激光经纬

14、仪激光经纬仪测月红宝石激光器测月红宝石激光器 =4 10-5mradD=1.6kmr l 方向性的好坏方向性的好坏反映了光能量在空间分布的集中性。反映了光能量在空间分布的集中性。发散角是衡量光束方向性好坏的标志发散角是衡量光束方向性好坏的标志. .探照灯：探照灯：3838万公里远月亮上，光斑直径万公里远月亮上，光斑直径10001000公里公里. .单模激光：单模激光：=122/D , =122/D , 发散角发散角1 1毫弧度毫弧度(mrad), (mrad), 光斑直径光斑直径1 1公里公里. .原因原因: : 受激辐射一致受激辐射一致; ; 谐振腔选模谐振腔选模. .应用应用: :激光的方

15、向性好就意味着可以把光束传播到激光的方向性好就意味着可以把光束传播到很远的距离而仍然确保足够的强度。很远的距离而仍然确保足够的强度。 在医用范围内在医用范围内，如不考虑空气的吸收，激光的强度，如不考虑空气的吸收，激光的强度几乎和距离无关。激光在空间的高度集中几乎和距离无关。激光在空间的高度集中, , 可聚焦可聚焦成激光手术刀成激光手术刀; ; 加上单色性好加上单色性好, , 聚焦时无色散象差聚焦时无色散象差, , 可聚焦成微米可聚焦成微米级的激光微束。例如国内已经制成激光微手术刀，级的激光微束。例如国内已经制成激光微手术刀，可使激光束细到只有可使激光束细到只有1m1m，可方便的对细胞施行切，可

16、方便的对细胞施行切割或焊接手术。割或焊接手术。3 3、亮度高强度大、亮度高强度大 亮度是光源在单位面积上，向某一方向的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单位立体角内发射的功率. . 1 1米长的米长的40W40W日光灯日光灯, ,与与1 1米长的米长的40W CO40W CO2 2激光器激光器 相比亮度相差相比亮度相差10101010=100=100亿倍亿倍. .红宝石脉冲激光器红宝石脉冲激光器1016KW/cm21016KW/cm2比太阳高比太阳高100100亿倍亿倍. . 可用于制造微光武器，在千分之几秒内可用于制造微光武器，在千分之几秒内将钢板击穿，也可用于控核聚

17、变，触发氢弹。将钢板击穿，也可用于控核聚变，触发氢弹。激光碎石术正是利用此特性。激光碎石术正是利用此特性。 激光的输出功率虽然有激光的输出功率虽然有个限度，但由于其光束细个限度，但由于其光束细( (发发散特别小散特别小) )，功率密度特别大，功率密度特别大，因而其亮度也特别大因而其亮度也特别大. .把分散把分散在在180180范围内的光集中到范围内的光集中到0.180.18范围，亮度提高范围，亮度提高100100万万倍倍. .通过调通过调Q Q等技术，压缩脉等技术，压缩脉冲宽度，还可以进一步提高冲宽度，还可以进一步提高亮度亮度. . 注意：注意： 亮度亮度是描述光源的参量，医学应用更关是描述光

18、源的参量，医学应用更关心的是被光辐射处的强度。强度与亮度成心的是被光辐射处的强度。强度与亮度成正比关系。核聚变，激光碎石机。正比关系。核聚变，激光碎石机。 辐射亮度辐射亮度, ,与人眼对不同波长的感觉无关与人眼对不同波长的感觉无关. . YAGYAG激光看不见激光看不见, ,但可以切割骨骼、肿瘤等，但可以切割骨骼、肿瘤等，He-NeHe-Ne激光能看见，但只能做理疗。激光能看见，但只能做理疗。相干性好相干性好 若频率相同、振动方向相同的两列波，在相若频率相同、振动方向相同的两列波，在相遇处位相差恒定，这两列波就是相干的。遇处位相差恒定，这两列波就是相干的。 激光是受激辐射，受激辐射的光子其频激

19、光是受激辐射，受激辐射的光子其频率和振动方向均相同，且光子之间又相互关联，率和振动方向均相同，且光子之间又相互关联，所以在较长时间内位相差可保持恒定的。因此，所以在较长时间内位相差可保持恒定的。因此，激光具有很好的相干性。激光具有很好的相干性。 KrKr灯：相干长度几十厘米灯：相干长度几十厘米 单模稳频单模稳频HeNeHeNe激光：相干长度几十公里。激光：相干长度几十公里。 主要用于医学基础研究和临床疾病的诊断。主要用于医学基础研究和临床疾病的诊断。4 4、高度相干性、高度相干性相干性是指光波场中光振动之间的相关程度。相干性是指光波场中光振动之间的相关程度。相干性越好则光场中任取两点作光源相干

20、性越好则光场中任取两点作光源所产生的干涉和衍射的条纹越清晰。所产生的干涉和衍射的条纹越清晰。杨氏杨氏双缝干涉双缝干涉2 xpx ph 由德布罗意关系式由德布罗意关系式(谱线宽度越窄谱线宽度越窄)xpx 2越越小小 越越小小p 又由海森伯不确定关系式又由海森伯不确定关系式越大越大x 即激光光波有很好的相干长度即激光光波有很好的相干长度Ir圆孔衍射圆孔衍射注意：光的单色性越好，则其相干性也越好。注意：光的单色性越好，则其相干性也越好。 二者是统一的二者是统一的.激光的基本特性激光的基本特性 激光的上述几个特性都是相互激光的上述几个特性都是相互关联的，单色性好、方向性好导致关联的，单色性好、方向性好

21、导致亮度高强度大。亮度高强度大。1 1、影响激光生物效应的激光参量、影响激光生物效应的激光参量 激光的波长、频率、光量子能量、颜色激光的波长、频率、光量子能量、颜色 激光的能量、功率和功率密度激光的能量、功率和功率密度 激光的聚焦光斑、扩束光斑和原光斑激光的聚焦光斑、扩束光斑和原光斑 激光的连续和脉冲工作方式激光的连续和脉冲工作方式 激光的摸式激光的摸式 激光的相干和偏振激光的相干和偏振四、激光对生物组织的作用及医学应用四、激光对生物组织的作用及医学应用2 2、激光生物作用机理、激光生物作用机理 光致发光作用光致发光作用 光致发热作用光致发热作用 光敏压强作用光敏压强作用 光致化学反应光致化学

22、反应 光的电磁场作用光的电磁场作用 光致生物刺激作用光致生物刺激作用3 3、激光治疗的基本方法及其原理、激光治疗的基本方法及其原理a.a.激光外科手术激光外科手术切割切割: :激光光刀激光光刀( (热光刀、冷光刀热光刀、冷光刀) )止血止血: :激光光凝激光光凝缝合缝合: :激光焊接粘合激光焊接粘合激光外科术激光外科术 激光理疗术激光理疗术激光针灸术激光针灸术 激光内镜术激光内镜术激光光动力学术激光光动力学术 激光手术的分类激光手术的分类激光手术按作用机理来分成热光刀和冷光刀，激光手术按作用机理来分成热光刀和冷光刀，热光刀机理热光刀机理: :光致发热作用、热致二次压强作用光致发热作用、热致二次

23、压强作用冷光刀机理冷光刀机理: :光致化学分解作用光致化学分解作用按手术功能分类：按手术功能分类：激光打孔、激光止血、激光焊接、激光切割激光打孔、激光止血、激光焊接、激光切割按激光作用后组织反应水平分类：按激光作用后组织反应水平分类：激光凝固、激光汽化、激光切分激光凝固、激光汽化、激光切分按激光器所附属导光系统不同分为：按激光器所附属导光系统不同分为：激光显微手术刀、光纤光刀、关节臂光刀激光显微手术刀、光纤光刀、关节臂光刀激光手术的原理激光手术的原理热致坏死性凝固热致坏死性凝固 热致汽化热致汽化热作用切割热作用切割 冷光刀冷光刀激光手术的特点激光手术的特点与传统的手术比较激光手术有如下特点：与

24、传统的手术比较激光手术有如下特点：多功能多功能 出血少或不出血出血少或不出血手术中可防止肿瘤细胞扩散转移手术中可防止肿瘤细胞扩散转移手术质量高手术质量高 手术中无机械接触手术中无机械接触手术中疼痛轻，术后反应小手术中疼痛轻，术后反应小配合内镜技术不必剖胸剖腹配合内镜技术不必剖胸剖腹b b、激光理疗、激光理疗理疗理疗是利用各种物理因子对人体的刺激作用，引起人体是利用各种物理因子对人体的刺激作用，引起人体的各种反应，以调节、促进、维持、恢复或代偿各种生的各种反应，以调节、促进、维持、恢复或代偿各种生理功能，影响病理过程，达到防治疾病与康复目的理功能，影响病理过程，达到防治疾病与康复目的激光理疗分为

25、：激光理疗分为：原光束照射、散焦扩束照射、光纤照射原光束照射、散焦扩束照射、光纤照射c c、激光穴位治疗、激光穴位治疗用弱激光的生物刺激作用代替传统的针和灸的刺激进用弱激光的生物刺激作用代替传统的针和灸的刺激进行治疗称之为行治疗称之为激光穴位治疗激光穴位治疗。激光穴位治疗对人体作用的基础实验激光穴位治疗对人体作用的基础实验研究研究He-NeHe-Ne激光穿透能力的实验研究激光穿透能力的实验研究穴位的特异性实验研究穴位的特异性实验研究热效应实验研究热效应实验研究对皮肤电阻影响实验研究对皮肤电阻影响实验研究对神经系统及肌肉组织的影响实验研究对神经系统及肌肉组织的影响实验研究激光穴位治疗循经传导实验

26、研究激光穴位治疗循经传导实验研究对免疫功能影响的实验研究对免疫功能影响的实验研究镇痛作用实验研究镇痛作用实验研究激发经络隐性传感实验研究激发经络隐性传感实验研究d d、激光治疗眼科疾病、激光治疗眼科疾病 19601960年红宝石激光年红宝石激光694.3694.3治疗视网膜脉络膜炎治疗视网膜脉络膜炎, , 19681968年氩离子激光治疗视网膜血管性疾病年氩离子激光治疗视网膜血管性疾病 19731973年调年调Q Q红宝石激光房角穿刺术、激光小梁成型术红宝石激光房角穿刺术、激光小梁成型术 19771977年经瞳孔激光环灼术年经瞳孔激光环灼术 19801980年氪离子激光年氪离子激光647.16

27、47.1治疗黄斑疾病治疗黄斑疾病 19801980年年Q Q开关和锁模开关和锁模Nd:YAGNd:YAG击穿切割浑浊的晶体后囊膜击穿切割浑浊的晶体后囊膜及玻璃体条索及玻璃体条索, ,还用于虹膜周边切除术、粘连分离术、还用于虹膜周边切除术、粘连分离术、晶体碎裂术等晶体碎裂术等 19811981年染料激光开始光动力学疗法治疗眼内恶性肿瘤年染料激光开始光动力学疗法治疗眼内恶性肿瘤 19851985年准分子激光切割角膜年准分子激光切割角膜激光医学在眼科的应用的现状激光医学在眼科的应用的现状 视网膜血管系统的疾病视网膜血管系统的疾病 周边部视网膜结构异常周边部视网膜结构异常 黄斑病黄斑病 青光眼青光眼

28、白内障白内障 屈光性角膜手术屈光性角膜手术 其它其它e e、激光在外科领域的应用的现状与展望、激光在外科领域的应用的现状与展望 有止血功能的手术刀有止血功能的手术刀 与内窥镜结合治疗内腔疾病的手术工具与内窥镜结合治疗内腔疾病的手术工具 光敏治疗肿瘤光敏治疗肿瘤 组织焊接组织焊接 弱激光用于外科的理疗与康复弱激光用于外科的理疗与康复自然光照自然光照蓝光照蓝光照滤光片观察滤光片观察激光荧光图像诊断激光荧光图像诊断鲜红斑痣鲜红斑痣激光皮肤美容机激光皮肤美容机多波长激光美容机多波长激光美容机半导体激光器半导体激光器激光泪道治疗机激光泪道治疗机氩离子激光器氩离子激光器多功能激光治癌机多功能激光治癌机红宝石激光器红宝石激光器同激光有关的部分诺贝尔物理