激光及其医学应用ppt课件

1、第十八章 激光及其医学应用第十八章 激光及其医学应用教学根本要求教学根本要求 掌握激光的根本原理与特性。掌握激光的根本原理与特性。 了解激光的生物作用。了解激光的生物作用。 了解激光在根底医学研讨与临床中的运用、了解激光在根底医学研讨与临床中的运用、医用激光器、激光的危害与防护等方面的医用激光器、激光的危害与防护等方面的知识。知识。第十八章 激光及其医学应用 激光laser是受激辐射光放大light amplification by stimulated emission of radiation的简称，爱因斯坦在1916年提出了“受激辐射的实际假设，预言受激辐射stimulated radi

2、ation的存在和光放大的能够。汤斯于1954年制成受激辐射微波放大器，梅曼于1960年制成世界上第一台激光器红宝石激光器。1961年9月我国第一台红宝石激光器在中国科学院长春光学精细机械研讨所诞生，1964年12月著名科学家钱学森给laser起了中文名字“激光。第十八章 激光及其医学应用第一节第一节 激光的根本原理激光的根本原理一、粒子的能级与辐射跃迁一、粒子的能级与辐射跃迁1 能级能级: 构成物质的粒子构成物质的粒子分子、原子、离子等的不分子、原子、离子等的不同的能量形状，称能级形状，同的能量形状，称能级形状，简称能级或能态。简称能级或能态。2基态与激发态：粒子最基态与激发态：粒子最低的能

3、级称为基态，其他的低的能级称为基态，其他的能级形状称为激发态。能级形状称为激发态。1. 粒子的能级与平均寿命粒子的能级与平均寿命E1E2E3E4 En第十八章 激光及其医学应用3 平均寿命与亚稳态：大量粒子在某激发态平均寿命与亚稳态：大量粒子在某激发态停留时间的平均值称为该激发态的平均寿命，普停留时间的平均值称为该激发态的平均寿命，普通约通约10-9s10-7s。某些粒子的激发态平均寿命较。某些粒子的激发态平均寿命较长，约长，约10-3s10-2s，这种激发态称为亚稳态。，这种激发态称为亚稳态。第十八章 激光及其医学应用2. 粒子间的能级跃迁粒子间的能级跃迁1 1跃迁：粒子的能级变化统称为跃迁

4、。粒子在跃迁：粒子的能级变化统称为跃迁。粒子在能级之间实现跃迁必然伴随与外界交换能量的过程。能级之间实现跃迁必然伴随与外界交换能量的过程。 跃迁只在满足跃迁只在满足“选择定那么的能级之间才干实现，选择定那么的能级之间才干实现，各能级之间跃迁的概率并不一致。各能级之间跃迁的概率并不一致。2辐射跃迁：以光能方式吸收或释放称为辐射跃辐射跃迁：以光能方式吸收或释放称为辐射跃迁或光辐射。迁或光辐射。3无辐射跃迁：以非光能方式吸收或释放称为无无辐射跃迁：以非光能方式吸收或释放称为无辐射跃迁。辐射跃迁。第十八章 激光及其医学应用4受激吸收：当光经受激吸收：当光经过物质时，处于低能级过物质时，处于低能级E1的

5、粒子吸收一个能量的粒子吸收一个能量hv=E2-E1的光子而向高能的光子而向高能级级E2跃迁的过程。跃迁的过程。5自发辐射：自发地自发辐射：自发地从激发态向较低能态跃迁从激发态向较低能态跃迁同时释放出光子的过程。同时释放出光子的过程。E1E2hv=E2-E1E1E2hv=E2-E1第十八章 激光及其医学应用6受激辐射：一个处受激辐射：一个处于高能级于高能级E2的粒子遭到的粒子遭到一个能量一个能量hv =E2-E1的光的光子子“诱发而跃迁到低能诱发而跃迁到低能级级E1，同时释放一个与，同时释放一个与“诱发光子特性完全一诱发光子特性完全一样的光子的过程。样的光子的过程。 在光与粒子系统相互作用所实践

6、发生的辐射跃迁中，以上三种根本过程总是不可分割地同时存在。然而在不同的条件下它们各自发生的概率不同，因此总的宏观效果也不同。终究哪一种跃迁占优势?这要由系统中各能级上分布的粒子数情况决议。 E1E2hv=E2-E1hvhv第十八章 激光及其医学应用二、粒子数反转分布二、粒子数反转分布1. 粒子数按能级分布粒子数按能级分布 在温度为T的热平衡态，系统中粒子数按能级服从玻耳兹曼能量分布定律。 设处于高能级E2与低能级E1的粒子数密度分别为N2与N1，而在两能级间跃迁时，各自变化N2与N1，有: N2N1，N2/N11的分布。的分布。 这种分布在辐射跃迁中将使受激辐射占优势，系统对入射光将有光放大的

7、效果。 E1E2第十八章 激光及其医学应用E1E3E2 (亚稳态亚稳态)2 2实现反转分布的两个条件实现反转分布的两个条件 介质有两个以上与反转分布有关且有亚稳态介质有两个以上与反转分布有关且有亚稳态的能级构造，这种能实现粒子数反转分布的介质称的能级构造，这种能实现粒子数反转分布的介质称为激活介质；为激活介质； 有外界能源供应能量，使在正常分布下处于有外界能源供应能量，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。低能态的大量粒子尽快被激发或抽运到较高能态。 hv=E2-E1鼓励抽运无辐射跃迁第十八章 激光及其医学应用全全反反射射镜镜半半反反射射镜镜 经光学谐振腔输出的光才是激

8、光。 激激光光输输出出任务物质任务物质三、光学谐振腔三、光学谐振腔 1. 光学谐振腔光学谐振腔1光学谐振腔：使受激辐射在有限体积的激活介光学谐振腔：使受激辐射在有限体积的激活介质中能继续进展，光可被反复放大最终构成稳定振质中能继续进展，光可被反复放大最终构成稳定振荡的安装。荡的安装。第十八章 激光及其医学应用2损耗要素损耗要素 内损耗，由于介质对光的折射、内损耗，由于介质对光的折射、散射、吸收等呵斥的损耗；镜损耗，由于反射镜散射、吸收等呵斥的损耗；镜损耗，由于反射镜产生的吸收、散射、衍射、透射产生的吸收、散射、衍射、透射(包括输出的激光包括输出的激光)等呵斥的损耗。等呵斥的损耗。3质量因数质量

9、因数Q PEQ2式中v 为谐振腔内电磁波振荡频率， E为谐振腔内储存的能量，P是单位时间损耗的能量。第十八章 激光及其医学应用2. 激光的方式电磁场在腔内的振荡方式激光的方式电磁场在腔内的振荡方式1纵向方式纵模：纵向方式纵模： 电磁场沿谐振腔轴向电磁场沿谐振腔轴向z轴方向的振荡方式。轴方向的振荡方式。 光在腔中来回反射构成相关叠加，只需满足特定相位差条件的光才干构成稳定的驻波，因此腔中只能允许某些特定频率的光在其中继续振荡。不同的纵模表达光波在腔内轴向不同的驻波场分布。第十八章 激光及其医学应用 每一种分布称为一个横模. 常用TEMmn来表示激光横模，TEM表示电磁波，m、n为正整数横模指数，

10、m和n分别表示在x和y方向上轴对称情况光场为零的次数。2横模：电磁场沿谐振腔径向横模：电磁场沿谐振腔径向x、y轴方向轴方向的稳定分布，即激光束在其横截面上的光强或光的稳定分布，即激光束在其横截面上的光强或光斑分布。斑分布。激光横模表示图第十八章 激光及其医学应用 使受激辐射光放大过程能在有限体积的激活介质中继续进展，且在满足阈值条件下构成光振荡，输出激光； 对输出激光束的方向给予限定； 有选频作用； 调整激光的方式； 经过调Q、锁模等技术以改善激光的输出波形。3. 光学谐振腔的主要作用光学谐振腔的主要作用第十八章 激光及其医学应用四、激光器的根本构造四、激光器的根本构造 1. 任务物质任务物质

11、任务物质任务物质: : 激活介激活介质与一些辅助物质。质与一些辅助物质。任务能级任务能级: : 激活介质内激活粒子的能级中参与激活介质内激活粒子的能级中参与受激辐射，即与出现反转分布有关的能级称为受激辐射，即与出现反转分布有关的能级称为任务能级。任务能级。谐振腔谐振腔任务物质任务物质全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜鼓励安装鼓励安装激光激光第十八章 激光及其医学应用“三能级三能级 系统红宝石激光器为例系统红宝石激光器为例第十八章 激光及其医学应用Cr3+的能级图 4A24F14F22ER2R1A2E 能量能量eV) Y吸吸收收谱谱跃跃迁迁U吸吸收收谱谱跃跃迁迁0123第十八章 激光及其医学应

12、用E1E4E3E2“四能级四能级 系统系统 四能级系统实现粒子数反转图 鼓励抽运无辐射跃迁自发辐射受激辐射吸收第十八章 激光及其医学应用 鼓励安装也称泵浦源，其作用就是向任务物质提供能量，使激活介质中的粒子被抽运到高能态上以便实现粒子数反转分布。 由于供能方式不同，鼓励安装可有电子注入、光学泵浦、气体放电泵浦、粒子束泵浦、化学泵浦、热泵、核泵以及用一种激光器去泵浦另一种激光器等等之分。2.鼓励安装鼓励安装第十八章 激光及其医学应用 1951年莫茨Motz提出运动速度接近于光速的电子称相对论电子经过周期性变化的磁场或电场时会产生相关辐射,辐射的频率取决于电子的速率。自在电子激光器以真空中的相对论

13、电子束为任务物质，经过泵浦场周期磁场或电磁场的相互作用产生激光。自在电子激光器可以同时具备高功率、高效率、宽波长可调谐范围等优点。 中国科学院高能物理研讨所于1993年制成我国第一台红外自在电子激光安装。 自在电子激光的产活力制不同于前述激光。与普通激光器基于分子、原子能级间跃迁产生激光不同，自在电子激光是利用自在电子受激辐射产生激光。第十八章 激光及其医学应用第二节第二节 激光的特性激光的特性一、方向性好一、方向性好 发散角是衡量光束方向性好坏的标志，方向性阐明光能量在空间分布上的集中性。 激光束的发散角普通在10-2rad10-4rad，与普通光束比相差10倍104倍。 普通光源发出的自然

14、光射向四面八方，经常运用聚光安装来改善它的方向性。 第十八章 激光及其医学应用二、亮度高、强度大二、亮度高、强度大 亮度是衡量光源发光强弱程度的标志，阐明光源发射的光能量对时间与空间方向的分布特性。 激光器由于其输出端发光面积小，光束发散角小，输出功率大，而使其亮度高，尤其是超短脉冲激光的亮度可比普通光源高出1012倍1019倍。因此，激光器是目前世界上最亮的光源。第十八章 激光及其医学应用三、单色性好三、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，那么单色性越好。单色性阐明光能量在频谱分布上的集中性。 普通光源发出自然光的光子频率各异，含有各种颜色。 激光那么由于受激辐

15、射的光子频率(或波长)一样与谐振腔的选频作用而使其具有很好的单色性。第十八章 激光及其医学应用四、相关性好四、相关性好 自发辐射产生的普通光是非相关光，而受激辐射光子的特性使激光具有良好的相关性。光的时间相关光的时间相关 同一地点、不同时辰发出的光相关。同一地点、不同时辰发出的光相关。 光的空间相关光的空间相关 同一时辰、不同地点发出的光相关。同一时辰、不同地点发出的光相关。 激光的时间相关性很好 ,空间相关性也很好。 激光器的问世，促使相关技术获得飞跃开展，全息摄影才得以实现。第十八章 激光及其医学应用五、偏振性好五、偏振性好 受激辐射的特点阐明激光束中各个光子的偏振形状一样。利用谐振腔输出

16、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经过，可输出偏振光，并可对其调整。因此，激光具有良好的偏振性。 激光的特性可概括为两大方面: 与普通光源相比，激光器所输出的光能量的特别之处不在于其大小而在于分布特性，即光能量在空间、时间以及频谱分布上的高度集中，使激光成为极强的光。 激光是单色的相关光，而普通光是非相关光。第十八章 激光及其医学应用第三节第三节 激光的医学运用激光的医学运用一、激光的生物作用一、激光的生物作用 激光的生物作用激光的生物作用 激光对生物组织所施加的作用，激光对生物组织所施加的作用，并存在于由此引发的一系列理化过程之中，称为激并存在于由此引发的一系列理化过程之中，

17、称为激光的生物作用。光的生物作用。激光的生物效应激光的生物效应 生物组织因受激光照射而出现的生物组织因受激光照射而出现的各种应对性反响、效果或变化称为激光的生物效应。各种应对性反响、效果或变化称为激光的生物效应。强激光与弱激光强激光与弱激光 在医学领域，激光对被其照射之在医学领域，激光对被其照射之生物组织，假设能直接呵斥不可逆性损伤的激光者生物组织，假设能直接呵斥不可逆性损伤的激光者称其为强激光；假设不能直接呵斥不可逆性损伤者称其为强激光；假设不能直接呵斥不可逆性损伤者称其为弱激光。称其为弱激光。第十八章 激光及其医学应用1.热作用热作用 生物组织在激光照射下吸收光能转化为热能，温度升高，这即

18、是热作用。 低能量光子(红外激光)可使组织直接生热，高能量光子(可见与紫外激光)那么多需经过一些中间过程而使组织生热。2.机械作用机械作用 激光照射生物组织，可直接或间接产生对组织的压强称为激光的机械作用，也称为激光的压强作用。第十八章 激光及其医学应用 生物大分子吸收激光光子的能量受激活而引起生物组织内一系列的化学反响称之为光化反响。激光照射直接引起机体发生光化反响的作用称为光化作用。3.光化作用光化作用4.电磁场作用电磁场作用 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。 普通以为这一作用主要是电场所致。 第十八章 激光及其医学应用5.生物刺激作用生物刺激作用 生物刺激作

19、用主要是弱激光的作用。弱激光对生物过程、对神经、经过体液或神经-体液反射而对全身、对机体免疫功能等都有刺激作用，可产生促进血红蛋白的合成，糜蛋白酶的活性，细菌的生长，白细胞的噬菌作用，肠绒毛的运动，毛发的生长，皮肤、黏膜的再生，创伤、溃疡的愈合，烧伤皮片的长合，骨折再生，消炎等生物效应。第十八章 激光及其医学应用二、激光在根底医学研讨中的运用二、激光在根底医学研讨中的运用 1. 激光对生物分子、细胞组织的作用与效应激光对生物分子、细胞组织的作用与效应1 1生物分子：激光作为刺激源可在分子程度上生物分子：激光作为刺激源可在分子程度上调整蛋白质与核酸的合成与活性；影响调整蛋白质与核酸的合成与活性；

20、影响DNADNA的复制、的复制、各种酶的活性与功能、氨基酸的变化等。各种酶的活性与功能、氨基酸的变化等。2 2细胞：激光经过对细胞的作用而影响细胞的细胞：激光经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：一是照射剂量小那么兴奋，大那么抑含义有两层：一是照射剂量小那么兴奋，大那么抑制；二是可使细胞功能从不同方向的偏离恢复正常。制；二是可使细胞功能从不同方向的偏离恢复正常。第十八章 激光及其医学应用 3 3组织：激光照射组织，当剂

21、量足够大时将组织：激光照射组织，当剂量足够大时将呵斥对组织的损伤直至完全破坏。呵斥对组织的损伤直至完全破坏。 这种损伤分为这种损伤分为热损伤与非热损伤两大类。热损伤与非热损伤两大类。热损伤热损伤 由于热作用导致组织的凝固、汽化包由于热作用导致组织的凝固、汽化包括炭化、熄灭、气化所呵斥的。括炭化、熄灭、气化所呵斥的。非热损伤非热损伤 机械作用导致的冲击波对组织的损伤，机械作用导致的冲击波对组织的损伤，甚至远间隔损伤；强电场作用导致的光击穿或产甚至远间隔损伤；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，发生等离子体；光化作用导致的光化激活组织，发生光化反响呵斥对组织的损伤等。

22、生光化反响呵斥对组织的损伤等。第十八章 激光及其医学应用2.用于根底医学研讨的激光技术用于根底医学研讨的激光技术 1 1激光微光束技术激光微光束技术 激光经透镜或显微镜光学系统聚焦后可构成强度激光经透镜或显微镜光学系统聚焦后可构成强度很高而光斑直径在微米量级的微光束。利用此微光束很高而光斑直径在微米量级的微光束。利用此微光束可进展细胞程度的研讨，构成激光的光镊术、显微照可进展细胞程度的研讨，构成激光的光镊术、显微照射术、细胞打孔术、细胞交融术等以实现对细胞进展射术、细胞打孔术、细胞交融术等以实现对细胞进展俘获、转移、穿孔、移植、交融及切断等微操作。俘获、转移、穿孔、移植、交融及切断等微操作。

23、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，进展微量和痕量元素的定性或定量分析。 第十八章 激光及其医学应用 让染色细胞在稳定的液体流动中排队成行，逐个依次恒速经过激光束的焦斑区。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置而自动显示结果。它可对细胞逐个进展定量分析与分选，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 2激光流式细胞计激光流式细胞计第十八章 激光及其医学应用 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、

24、转动能级构造有关，而与入射光频率无关，故可用拉曼光谱对生物分子进展构造分析。因拉曼散射的强度只需瑞利散射的万分之一，普通不易观测到。只需用高强度、高单色性以及谱线范围广大的激光作激发光源，才使激光拉曼光谱具有实意图义。3 3激光拉曼光谱技术激光拉曼光谱技术 当光子与物质分子相互作用时，除有与入射光频率一样的瑞利散射线外，还有由于非弹性碰撞而在其谱线两侧对称分布的散射光，这种散射称为拉曼散射。第十八章 激光及其医学应用 激光多普勒血流计可用于对人体甲皱、口唇、舌尖微循环与视网膜微血管等的血流速度进展检测。 激光多普勒电泳是运用激光多普勒效应与电泳技术结合的一种分析、检测新技术，可快速自动准确地丈量生物细胞及大分子的电泳迁移率、外表电荷、分散系数等重要参量。 激光多普勒技术还用于对巨细胞质流、精子活力、眼球运动、耳听力等的测定。4 4激光多普勒技术激光多普勒技术 利用激光照射运动物体所发生的光多普勒效应进展检测的技术。第十八章 激光及其医学应用 激光具有高度的时间与空间相关性，以它作光源才使全息术得以实现。激光全息显微技术是激光全息术与光学显微系统结合的产物。