医用物理学(光谱与激光)

1、第五章第五章光谱与激光在医学中的应用光谱与激光在医学中的应用 教学内容教学内容（3 3学时）学时） 光谱光谱、原子光谱的分类原子光谱的分类、红外、红外线和紫外线线和紫外线, ,激光产生的条件激光产生的条件、 激光的分类和特性激光的分类和特性、激光的生物激光的生物作用作用。第五章第五章光谱与激光在医学中的应用光谱与激光在医学中的应用第一节第一节 可见可见光谱光谱第二节第二节 红外线和紫外线红外线和紫外线第三节第三节激激 光光第四节第四节 激光的应用激光的应用第五章第五章光谱与激光在医学中的应光谱与激光在医学中的应用用 教学内容教学内容（3 3学时）学时） 光谱光谱、原子光谱的分类原子光谱的分类、

2、红外、红外线和紫外线线和紫外线, ,激光产生的条件激光产生的条件、 激光的分类和特性激光的分类和特性、激光的生物激光的生物作用作用。本次作业1、习题、习题1、2、 3第一节第一节 可见可见光谱光谱（ Optical spectrum )1 1、定义、定义复合光通过三棱镜或光栅等把不同的光波的波长或频率按一定顺复合光通过三棱镜或光栅等把不同的光波的波长或频率按一定顺序依次排列而形成的图样称为序依次排列而形成的图样称为光谱光谱。是物质内部（原子和分子）的是物质内部（原子和分子）的宏观表现。宏观表现。2、分类、分类（1）按光源性质分按光源性质分（a）发射光谱：发射光谱：物体发光直接产生的光谱。物体发

3、光直接产生的光谱。（b）吸收光谱：吸收光谱：当连续光波通过物质时，某些波长被吸收后所产当连续光波通过物质时，某些波长被吸收后所产生的光谱。生的光谱。（2）按波长分布按波长分布（a）连续光谱连续光谱（b）线状线光谱线状线光谱连续光谱是连续分布的包含从红光到紫光各种色连续光谱是连续分布的包含从红光到紫光各种色光的光谱。光的光谱。明线光谱的亮线叫做谱线。明线光谱的亮线叫做谱线。 各条谱线对应于不同波长的光。各条谱线对应于不同波长的光。 不连续的亮线的光谱称为线状光谱也称不连续的亮线的光谱称为线状光谱也称明线光谱。明线光谱。（3）按物质性质分按物质性质分（a）原子光谱原子光谱（b）分子光谱分子光谱由游

4、离态的原子发射的，所以又由游离态的原子发射的，所以又叫叫原子光谱原子光谱（atomic spectrum） 明线光谱也是由游离态的原子明线光谱也是由游离态的原子发射的。发射的。稀薄气体或金属蒸气的发射光谱是明线光谱，即原子光谱。稀薄气体或金属蒸气的发射光谱是明线光谱，即原子光谱。 分子光谱（分子光谱（molecularmolecularspectrumspectrum）即）即带状光谱带状光谱（band spectrum）, ,它是由许多谱线密集形成的光谱带，若干个光谱带它是由许多谱线密集形成的光谱带，若干个光谱带又形成一组，在分子光谱中可以有若干个组（由谱线组成谱带，又形成一组，在分子光谱中可

5、以有若干个组（由谱线组成谱带，由谱带组成带组）。由于高温物体发出的白光。由谱带组成带组）。由于高温物体发出的白光。二、二、 原子光谱原子光谱（ atomic spectrum )1 1、定义、定义 光学光谱光学光谱和和标识伦琴射线谱标识伦琴射线谱线状光谱线状光谱。 由由原子中的电子在能级之间的跃迁产生的。在能级之间的跃迁产生的。、分类、分类 、表现特征、表现特征三、三、 分子光谱分子光谱（ molecular spectrum )1 1、定义、定义 由分子的能级结构所产生的光谱。由分子的能级结构所产生的光谱。2 2、特征：带、特征：带状光谱状光谱3 3、性质、性质 （1 1）分子的总能量分子的

6、总能量=电子能电子能+ +转动能转动能+ +振动能振动能 = = Ee+ Er+ Ev （2 2）分子光谱）分子光谱 f f =E/hE/h = = Ee/h+ Er /h + Ev /h 研究分子光谱，对阐明分子结构非常有用，它已成为现代研究分子光谱，对阐明分子结构非常有用，它已成为现代结构化学中一个重要的组成部分。结构化学中一个重要的组成部分。 一、原子的光学光谱一、原子的光学光谱原子光学光谱由于是原子光学光谱由于是最外层价电子最外层价电子能级之间跃迁产生的。能级之间跃迁产生的。能级间的能量差小，产生的光子频率较低。能级间的能量差小，产生的光子频率较低。Ehf由于光谱线的波长在可见光或邻近

7、的红外和紫外区域，由于光谱线的波长在可见光或邻近的红外和紫外区域，在光学光谱范围，所以又称为原子光学光谱在光学光谱范围，所以又称为原子光学光谱 。分类分类（）（）原子发射光谱原子发射光谱（）（）原子吸收光谱原子吸收光谱利用气体放电或在电极间引起电弧、电火花等方法，可以使原利用气体放电或在电极间引起电弧、电火花等方法，可以使原子受到激发，原子闭合壳层以外的价电子被激发到外部空能级子受到激发，原子闭合壳层以外的价电子被激发到外部空能级后，在外部各个空能级间跃迁或回到原先能级时发生的光谱。后，在外部各个空能级间跃迁或回到原先能级时发生的光谱。大量同类原子中的电子受到激发由较高能级跃迁到较低能级时大量

8、同类原子中的电子受到激发由较高能级跃迁到较低能级时发射的光子发射的光子，在黑暗背景中形成的若干条明亮谱线称为原子发在黑暗背景中形成的若干条明亮谱线称为原子发射光谱，即明线光谱。射光谱，即明线光谱。（）原子发射光谱（）原子发射光谱原子吸收光谱原子吸收光谱是由于一个价电子吸收一个光子后被激发到高能级是由于一个价电子吸收一个光子后被激发到高能级时所形成的。时所形成的。当具有连续光谱的白炽灯从气体或蒸气中通过时，在光子被大当具有连续光谱的白炽灯从气体或蒸气中通过时，在光子被大量吸收的波长处形成一系列暗线，形成量吸收的波长处形成一系列暗线，形成原子吸收光谱原子吸收光谱，即暗线，即暗线光谱（光谱（dark

9、 line spectrum）。）。原子吸收光谱原子吸收光谱中通常只有原子中的价电子从基态跃迁到激发中通常只有原子中的价电子从基态跃迁到激发态的谱线，而没有在各个激发态之间跃迁的谱线。态的谱线，而没有在各个激发态之间跃迁的谱线。 （）原子吸收光谱（）原子吸收光谱2.2.性质性质(1)(1)同一种元素暗线光谱的波长与明线光谱的波长相同同一种元素暗线光谱的波长与明线光谱的波长相同, ,但暗线光但暗线光谱的谱线数少于明线光谱谱的谱线数少于明线光谱. .(2)每一种元素都有自己特定的明线光谱和暗线光谱每一种元素都有自己特定的明线光谱和暗线光谱-光谱分光谱分析方法的基本原理析方法的基本原理()比化学分析

10、方法灵敏度高比化学分析方法灵敏度高(10-9g).在实际工作中要鉴定某种元素时，并不需要测定它的全部在实际工作中要鉴定某种元素时，并不需要测定它的全部谱线，只要找出几条最明显且具有代表性的谱线就可以确谱线，只要找出几条最明显且具有代表性的谱线就可以确定这种元素的存在。利用原子吸收光谱也可以鉴定液态样定这种元素的存在。利用原子吸收光谱也可以鉴定液态样品中的某些金属元素。品中的某些金属元素。 例如检查工人有无铅中毒时，用受检者的血或尿作为吸收体，它的吸收光谱可以确定其中是否有铅。 二、标识伦琴射线谱二、标识伦琴射线谱当重金属原子的内层电子在内层能级间跃迁时，会产生与该当重金属原子的内层电子在内层能

11、级间跃迁时，会产生与该金属材料有关的线状光谱，这种谱线频率很高，称为金属材料有关的线状光谱，这种谱线频率很高，称为标识伦标识伦琴射线谱。琴射线谱。 它的发光机制是：用高能电子撞击金属靶（伦琴射线管的阴它的发光机制是：用高能电子撞击金属靶（伦琴射线管的阴极），将原子的内层电子轰击出原子之外，即使原子电离，极），将原子的内层电子轰击出原子之外，即使原子电离，于是原子的内壳层上出现了一个于是原子的内壳层上出现了一个“空位空位”，这样，邻近壳层，这样，邻近壳层上的电子就可以来填充它，从而形成了内壳层之间的电子跃上的电子就可以来填充它，从而形成了内壳层之间的电子跃迁，产生了标识伦琴射线谱。迁，产生了标识

12、伦琴射线谱。 标识伦琴射线谱为研究各种元素的原子结构，提供了重要的标识伦琴射线谱为研究各种元素的原子结构，提供了重要的实验依据。实验依据。 第二节第二节 红外线和紫外线红外线和紫外线( (infrared ray and ultraviolet ray)infrared ray and ultraviolet ray)一、一、 红外线红外线（18001800年英国物理学家赫谢尔发现）年英国物理学家赫谢尔发现）1、波长范围、波长范围:760nm-500um(可见光可见光400760nm）2、光波特征、光波特征（1）任何物体都将向外发射红外线，而且温度越高，其）任何物体都将向外发射红外线，而且温度

13、越高，其能量越大。能量越大。（2）在生物组织中主要产生热效应（促使细胞活力增强）在生物组织中主要产生热效应（促使细胞活力增强）红外线在生物组织中主要产生热效应。红外线在生物组织中主要产生热效应。 mT=b 维恩位移定律维恩位移定律 b为维恩常数为维恩常数2.89810-3mK促进新陈代谢促进新陈代谢：红外线照射在人体上引起局部温度升高，使局：红外线照射在人体上引起局部温度升高，使局部或全身的血管扩张，增强皮下脂肪层中血液的流通，血液速度部或全身的血管扩张，增强皮下脂肪层中血液的流通，血液速度加快，加强血液与人体组织之间的代谢，加速毒素的排出。加快，加强血液与人体组织之间的代谢，加速毒素的排出。

14、3.医学应用医学应用用于治疗用于治疗：红外线通过血液和神经系统的作用，对腺功能和总：红外线通过血液和神经系统的作用，对腺功能和总物质代谢发生影响，在临床上用来治疗淋巴系统疾病、关节炎、物质代谢发生影响，在临床上用来治疗淋巴系统疾病、关节炎、神经痛、脓肿及创伤等；神经痛、脓肿及创伤等；用于诊断用于诊断：利用红外线照相来诊断静脉曲张、表面肿瘤和：利用红外线照相来诊断静脉曲张、表面肿瘤和皮肤癌、表皮血管的血栓等。皮肤癌、表皮血管的血栓等。 利用热象图（利用热象图（thermograph）可快速、正确诊断乳腺、肺、）可快速、正确诊断乳腺、肺、淋巴腺、副鼻窦、四肢的肿瘤和其它病变。淋巴腺、副鼻窦、四肢的

15、肿瘤和其它病变。红外线太强或长期照射红外线对眼睛有损害作用，如引起水红外线太强或长期照射红外线对眼睛有损害作用，如引起水晶体混浊、红外线白内障，所以不能用眼睛直接看太阳，对晶体混浊、红外线白内障，所以不能用眼睛直接看太阳，对玻璃工、司炉工都应戴防护眼镜。玻璃工、司炉工都应戴防护眼镜。 二二. .紫外线紫外线（18011801年发现）年发现）1.1.波长范围波长范围:400:4006 6nmnm2.光波特征光波特征（1）可使照相底片感光，高温物体将向外发射紫外线；）可使照相底片感光，高温物体将向外发射紫外线；（2）除了产生热效应外，）除了产生热效应外，引起分子或原子的电离或激发产生光引起分子或原

16、子的电离或激发产生光化学反应、光生物作用、荧光作用等化学反应、光生物作用、荧光作用等 。如：太阳、电弧光以及温度较低的紫外线等，都能向外辐如：太阳、电弧光以及温度较低的紫外线等，都能向外辐射紫外线。射紫外线。 紫外线在医学上的应用主要有：紫外线在医学上的应用主要有： 杀菌作用：杀菌作用：低压水银灯的辐射光低压水银灯的辐射光7070以上为以上为250nm250nm紫外线。紫外线。250nm250nm紫外线紫外线杀菌能力最强。许多病菌受紫外线照射几秒钟后，由于病菌杀菌能力最强。许多病菌受紫外线照射几秒钟后，由于病菌体内蛋白分子受到光作用的破坏而死亡。故医院手术室、病体内蛋白分子受到光作用的破坏而死

17、亡。故医院手术室、病房等均可用紫外线照射消毒。衣物、被盖可适时放在日光下房等均可用紫外线照射消毒。衣物、被盖可适时放在日光下照射以达到消毒灭菌的目的。照射以达到消毒灭菌的目的。 抗佝偻作用：抗佝偻作用：太阳光中本来含有丰富的紫外线，但通过大气层时大部分被太阳光中本来含有丰富的紫外线，但通过大气层时大部分被吸收掉，到达地面只剩下少量紫外线，再通过玻璃就几乎全吸收掉，到达地面只剩下少量紫外线，再通过玻璃就几乎全被吸收掉了。婴儿若不直接晒太阳，则易患佝偻病。紫外线被吸收掉了。婴儿若不直接晒太阳，则易患佝偻病。紫外线的的照射可促进骨骼钙的吸收（皮肤中的的的照射可促进骨骼钙的吸收（皮肤中的7去氢胆固醇分

18、子去氢胆固醇分子受照射后变成维生素受照射后变成维生素D3，D3可促进骨骼钙化）。可促进骨骼钙化）。 诊断作用：诊断作用： 紫外线的荧光作用能使荧光物质发出荧光。动物的许多组织紫外线的荧光作用能使荧光物质发出荧光。动物的许多组织在紫外线照射下均可发出荧光，而且随组织不同，荧光的颜在紫外线照射下均可发出荧光，而且随组织不同，荧光的颜色也不同。色也不同。 如肝脏，在普通光照射下，肝细胞和癌细胞颜色差不多，很如肝脏，在普通光照射下，肝细胞和癌细胞颜色差不多，很难区分。而在紫外光照射下，正常肝细胞发黄绿色荧光，癌难区分。而在紫外光照射下，正常肝细胞发黄绿色荧光，癌细胞发桔红色荧光，二者成鲜明对比。细胞发

19、桔红色荧光，二者成鲜明对比。 医学上利用紫外线的荧光作用特性，制成各种癌组织诊断仪，医学上利用紫外线的荧光作用特性，制成各种癌组织诊断仪，以提高对癌的确诊率和诊断速度。以提高对癌的确诊率和诊断速度。 治疗作用：治疗作用：利用高压水银灯发出的紫外线，对骨结核、皮肤病、脚气病、炎症（如盆腔炎、蜂窜组织炎）、风湿等有很好的治疗作用并对伤口、创面，既可杀菌又有促进坏死组织尽早剥离，加快伤口愈合的作用。 生物组织对紫外线强烈吸收，生物组织对紫外线强烈吸收，280280300nm300nm紫外线在皮肤表紫外线在皮肤表面即被完全吸收。面即被完全吸收。紫外线过强时，在紫外线过强时，在290330nm之间，能引

20、起带有弥漫性的红之间，能引起带有弥漫性的红斑、浮肿、皮炎等症。斑、浮肿、皮炎等症。紫外线对眼睛有刺激作用，能使角膜受到损害，引起急性角膜紫外线对眼睛有刺激作用，能使角膜受到损害，引起急性角膜炎，如电焊工需戴玻璃防护镜。需要注意的是，水晶不能阻挡炎，如电焊工需戴玻璃防护镜。需要注意的是，水晶不能阻挡紫外线通过，所以水晶眼镜不可作紫外线防护镜，劣质太阳镜紫外线通过，所以水晶眼镜不可作紫外线防护镜，劣质太阳镜不仅不能阻挡紫外线通过，相反它把大量可见光减弱，使人眼不仅不能阻挡紫外线通过，相反它把大量可见光减弱，使人眼瞳孔大开，让大量紫外线透入眼内损伤晶状体。瞳孔大开，让大量紫外线透入眼内损伤晶状体。一

21、般普通玻璃能透过可见光和中短波红外线以及一小部分长一般普通玻璃能透过可见光和中短波红外线以及一小部分长波紫外线。蓝玻璃可防红外线通过，但不能完全阻止紫外线波紫外线。蓝玻璃可防红外线通过，但不能完全阻止紫外线通过。所以它们都不能作防护镜片。而绿玻璃可阻止全部红通过。所以它们都不能作防护镜片。而绿玻璃可阻止全部红外线和紫外线，故防护镜应用绿玻璃制成。外线和紫外线，故防护镜应用绿玻璃制成。第三节第三节 激激 光光( (laser)laser) laserlaser是受激辐射光放大器（是受激辐射光放大器（Light amplification by Light amplification by sti

22、mulated emission of radiationstimulated emission of radiation）的简称。的简称。激光是受激辐射使光不断放大而获得的一种光，也称为镭射。激光是受激辐射使光不断放大而获得的一种光，也称为镭射。世界上第一台激光器诞生于世界上第一台激光器诞生于1960年，而第二年就马上被应用于年，而第二年就马上被应用于眼科的视网膜焊接，现已深入到医学的各方面的应用，激光医眼科的视网膜焊接，现已深入到医学的各方面的应用，激光医学已成为现代医学的一个新分之。学已成为现代医学的一个新分之。 一、一、产生原理产生原理二、二、氦氖激光器氦氖激光器三、三、红宝石激光器红

23、宝石激光器五、五、常见医用激光器常见医用激光器六、六、激光的特点激光的特点第三节第三节 激激 光光( (laser)laser)四、四、激光的主要组成部分激光的主要组成部分七、七、 激光的生物作用激光的生物作用一、产生原理一、产生原理1 1、基本概念、基本概念（1）受激吸收受激吸收粒子吸收外界能量从基态粒子吸收外界能量从基态跃迁到激发态的过程。跃迁到激发态的过程。处于高能级（处于高能级（E2）上的原子因停留的时间极短（约为）上的原子因停留的时间极短（约为108秒），秒），很快自发地、独立地向低能级（很快自发地、独立地向低能级（E1）跃迁，同时向外辐射一个）跃迁，同时向外辐射一个能量为能量为h=

24、E2E1的光子的这个过程称为的光子的这个过程称为自发辐射自发辐射。（2)自发辐射（自发辐射（spontanous emmision）特点特点：自发辐射的光子，其传播方向、振动方向、初位相都：自发辐射的光子，其传播方向、振动方向、初位相都彼此无关，形成自然光。彼此无关，形成自然光。 频率适当的光子还可以诱发高能级（频率适当的光子还可以诱发高能级（E2）的原子跃迁到低能级并）的原子跃迁到低能级并发射一个与诱发光子完全相同的光子，这种辐射叫做发射一个与诱发光子完全相同的光子，这种辐射叫做受激辐射受激辐射。（）受激辐射（）受激辐射（stimulated emmision）特点：受激辐射的光子，其传播方

25、向、振动方向、初位相都和诱特点：受激辐射的光子，其传播方向、振动方向、初位相都和诱发光子相同。因此，受激辐射可以使光放大，获得相干光。发光子相同。因此，受激辐射可以使光放大，获得相干光。 （）亚稳态（）亚稳态（metastablemetastable state state） 但某些原子或分子具有一种特殊能级，处于这些特殊能级上的但某些原子或分子具有一种特殊能级，处于这些特殊能级上的激发态原子停留时间很长（约为激发态原子停留时间很长（约为10103 3秒），比普通能级上停留秒），比普通能级上停留时间（时间（10108 8秒秒）长）长1010万倍左右。在此时间内原子不易进行自发万倍左右。在此时间

26、内原子不易进行自发跃迁，我们把这种比较稳定的激发态叫做跃迁，我们把这种比较稳定的激发态叫做亚稳态亚稳态. .（）粒子数反转（）粒子数反转（population inversion） 如果原子有两个激发态如果原子有两个激发态E2和和E1，其中较高能级，其中较高能级E2是亚稳态，是亚稳态，较低能级较低能级E1是寿命很短的激发态。把处于基态的原子大量是寿命很短的激发态。把处于基态的原子大量激发到亚稳态激发到亚稳态E2上，处于高能级上，处于高能级E2的原子数就大大超过处的原子数就大大超过处于低能级于低能级E1的原子数，这种状态叫做的原子数，这种状态叫做粒子数反转粒子数反转 实现粒子数反转的过程实现粒子

27、数反转的过程叫做激励叫做激励 如果有一个能量恰好是如果有一个能量恰好是h=E2E1的光子射入，就发生受激辐的光子射入，就发生受激辐射，辐射出一个与入射光子没有任何区别的光子，这两个光子射，辐射出一个与入射光子没有任何区别的光子，这两个光子再引起其他原子发生受激辐射，就会产生越来越多的全同光子，再引起其他原子发生受激辐射，就会产生越来越多的全同光子，使光得到不断加强。我们把由于受激辐射而得到不断放大的光使光得到不断加强。我们把由于受激辐射而得到不断放大的光叫叫激光，激光， 通常我们把能在某两个能级间呈现粒子数反转的物质，叫做通常我们把能在某两个能级间呈现粒子数反转的物质，叫做工工作物质作物质 。

28、工作物质可以是气体、固体或液体。气体可以是原子、复杂工作物质可以是气体、固体或液体。气体可以是原子、复杂或离子气体。或离子气体。 为了使受激辐射持续下去获得激光输出，还必须用光学谐振为了使受激辐射持续下去获得激光输出，还必须用光学谐振腔（腔（resonant cavityresonant cavity）去实现光放大。）去实现光放大。 2 2、产生条件、产生条件（1）粒子数反转）粒子数反转（2）谐振腔的光放大谐振腔的光放大 激光稳定阶段：增益激光稳定阶段：增益损耗损耗激光器内受激辐射光来回传播时，并存着：增益与损耗激光器内受激辐射光来回传播时，并存着：增益与损耗两种因素。两种因素。增益增益光的放

29、大光的放大损耗损耗光的吸收、散射、衍射、透射等光的吸收、散射、衍射、透射等激光形成阶段：增益激光形成阶段：增益损耗损耗二、二、氦氖激光器氦氖激光器氦氖激光器是气体激光器，激光管的氦氖激光器是气体激光器，激光管的外壳用玻璃制成，中间有一毛细管作外壳用玻璃制成，中间有一毛细管作为放电管。壳中氦氖比例为为放电管。壳中氦氖比例为5：1到到 10：1，压强，压强250400Pa。管两端的。管两端的反射镜组成光学谐振腔。为使气体放反射镜组成光学谐振腔。为使气体放电，两极间加有几千伏高压电，两极间加有几千伏高压 。氦氖激光器输出功率不大，氦氖激光器输出功率不大，25的激光管输出的激光管输出1mW，50的输出

30、的输出310mW。氦氖激光单色性最好，常用。氦氖激光单色性最好，常用于精密测量。氦氖激光器结构简单、使用方便、成于精密测量。氦氖激光器结构简单、使用方便、成本低廉，在医学上被普遍应用本低廉，在医学上被普遍应用。三、红宝石激光器三、红宝石激光器红宝石激光器是最先制成的激光器，工作物质是一根红宝石棒红宝石激光器是最先制成的激光器，工作物质是一根红宝石棒（Al2O3晶体），其中掺有重量比为晶体），其中掺有重量比为0.035%的铬离子（的铬离子（Cr3+）,它它们替代了晶格中的部分铝离子（们替代了晶格中的部分铝离子（Al3+）。棒的两端精密磨光，平）。棒的两端精密磨光，平行度极高，一端镀银成为全反射面

31、，另一端镀薄银层，透射率行度极高，一端镀银成为全反射面，另一端镀薄银层，透射率约为约为110，由此引出激光。棒外是螺线管形的氙闪光灯，由此引出激光。棒外是螺线管形的氙闪光灯，它每次闪光数毫秒，输出强烈黄绿光和紫蓝光的光能使铬离子它每次闪光数毫秒，输出强烈黄绿光和紫蓝光的光能使铬离子达到适当的激发能量。波长为达到适当的激发能量。波长为694.3nm的红色激光的红色激光 ，只适于脉只适于脉冲式工作冲式工作 四、激光器的组成部分四、激光器的组成部分（1）工作物质）工作物质（2）光学谐振腔）光学谐振腔（3）激励能源）激励能源维持光振荡维持光振荡激励能源：供给能量，使粒子数反转。激励能源：供给能量，使粒

32、子数反转。五、常见医用激光器五、常见医用激光器激光器的种类很多，输出的激光波长、功率都不一样；输出激光器的种类很多，输出的激光波长、功率都不一样；输出的方式有连续输出、脉冲输出。的方式有连续输出、脉冲输出。根据工作物质的形态可分为：根据工作物质的形态可分为：固体激光器固体激光器 气体激光器气体激光器 半导体激光器半导体激光器 液体激光器液体激光器 工作物质工作方式波长（m）输出能量或功率主要用途发散角红宝石脉冲0.69430.05500J眼科、临床实验研究生物效应研究21钕玻璃脉冲1.060.11000J低能量：眼科高能量：肿瘤治疗生物效应研究21Nd:YAG脉冲、连续1.0630100W外科

33、手术、照射230CO2连续10.615300W皮肤科、妇产科、内科、骨科手术、肿瘤治疗、照射或烧灼218HeNe连续0.6328170nW光针、外科、皮肤科、妇产科、照射或全息照相203HeCd连续0.4416912mW体腔表面、肿瘤荧光诊断2Ar+连续1.48800.51450.510W眼科、外科手术、光针、全息照相310N2脉冲0.3370.41mJ五官科、皮肤科、基础研究六、激光的特点六、激光的特点 方向性好方向性好从地球发射，在月球上反射回来，再被探测到。激光束通过从地球发射，在月球上反射回来，再被探测到。激光束通过透镜后能够会聚成小于透镜后能够会聚成小于1m的光斑，用于细胞内部手术的

34、研究。的光斑，用于细胞内部手术的研究。 强度大强度大一台数毫瓦的小型氦氖激光器的亮度比太阳光的亮度高数百一台数毫瓦的小型氦氖激光器的亮度比太阳光的亮度高数百倍。脉冲式工作的激光器，峰值功率可达倍。脉冲式工作的激光器，峰值功率可达109W/cm2。 单色性好单色性好一般氦氖激光器的谱线相对宽度只有一般氦氖激光器的谱线相对宽度只有1011。 相干性好相干性好一般的光源只能在数十厘米的路程内保持相干性，而一般的光源只能在数十厘米的路程内保持相干性，而激光发生干涉现象的路程差可以达到数十公里。激光发生干涉现象的路程差可以达到数十公里。脉冲式反射的激光，峰值功率通常比连续式脉冲式反射的激光，峰值功率通常

35、比连续式发射的激光大，但连续式激光的方向性、单发射的激光大，但连续式激光的方向性、单色性和相干性都比脉冲式激光更好色性和相干性都比脉冲式激光更好。在医学应用中，目前主要是利用激光的方向在医学应用中，目前主要是利用激光的方向性和高强度，而它的单色性和相干性还没有性和高强度，而它的单色性和相干性还没有发挥很大作用。发挥很大作用。七、七、 激光的生物作用激光的生物作用激光的生物效应，是激光医用的基础，其效应取决于激光激光的生物效应，是激光医用的基础，其效应取决于激光和肌体组织两方面和肌体组织两方面 。就激光辐射而言，主要与波长、能量、功率密度、振荡方就激光辐射而言，主要与波长、能量、功率密度、振荡方

36、式（连续、脉冲、式（连续、脉冲、Q Q开关、锁模）、偏振、模式、相干性、作开关、锁模）、偏振、模式、相干性、作用时间等密切相关；用时间等密切相关； 就生物肌体组织而言，主要决定于生物组织的机械性质就生物肌体组织而言，主要决定于生物组织的机械性质（密度、弹性等）、光学性质（反射、透射、吸收、漫射）、（密度、弹性等）、光学性质（反射、透射、吸收、漫射）、热学性质（比热、热导率、热扩散等）、电学性质（阻抗、热学性质（比热、热导率、热扩散等）、电学性质（阻抗、极化率等）、声学性质（声阻、声吸收率）以及生物特性极化率等）、声学性质（声阻、声吸收率）以及生物特性（色素、含水量、血流量、各向异性、不均匀性、

37、层次结构（色素、含水量、血流量、各向异性、不均匀性、层次结构等）等） 激光照射生物组织后，若直接造成了生物组织的不可逆性激光照射生物组织后，若直接造成了生物组织的不可逆性损伤，则此受照面处的激光称为损伤，则此受照面处的激光称为强激光强激光；若不会造成不可逆性损伤，则称为若不会造成不可逆性损伤，则称为弱激光弱激光。激光的生物效应的研究尚不成熟，一般认为有五种：激光的生物效应的研究尚不成熟，一般认为有五种：(1) 热效应热效应(2) 压强效应压强效应(3) 光化效应光化效应(4) 电磁效应电磁效应(5) 弱激光刺激效应弱激光刺激效应二、激光医学应用二、激光医学应用（二）（二）激光治疗激光治疗（一）

38、（一）激光诊断与检测激光诊断与检测 一、一、激光的应用激光的应用（补充内容）（补充内容）第四节第四节 激光的应用激光的应用一、激光的应用一、激光的应用（五）（五）军事军事（三）（三）激光通信激光通信（二）（二）精密测量精密测量(一）一）激光加工激光加工（六）（六）科学研究科学研究（四）（四）激光信息处理激光信息处理主要用于焊接、打孔、切割、表面热处理等主要用于焊接、打孔、切割、表面热处理等（一）、激光加工（一）、激光加工激光加工与其它方法比较主要有以下一些优越性：激光加工与其它方法比较主要有以下一些优越性：（）光点小、能量集中、加工位置以外的热影响小。（）光点小、能量集中、加工位置以外的热影响

39、小。（）无接触加工，不污染工件。（）无接触加工，不污染工件。（）能穿过透光外壳对被密封的内部材料进行加工。（）能穿过透光外壳对被密封的内部材料进行加工。（4）加工精度高，适用于自动化。）加工精度高，适用于自动化。1、焊接、焊接主要有精密加工的微型点焊和一般加工的缝焊。主要有精密加工的微型点焊和一般加工的缝焊。如：钟表的游丝的焊接、微电子器件的封装焊接。如：钟表的游丝的焊接、微电子器件的封装焊接。可以把两种完全不同的金属入铜和钽焊接好。可以把两种完全不同的金属入铜和钽焊接好。2、打孔打孔可以在直径为可以在直径为10cm的喷头上打上一万多个直径为的喷头上打上一万多个直径为60um的孔。的孔。钟表的

40、宝石轴承等精密打孔。钟表的宝石轴承等精密打孔。3、切割切割对金属和非金属的切割，其切割速度快，且非常方便切割异对金属和非金属的切割，其切割速度快，且非常方便切割异形，便于数控。形，便于数控。如：利用激光切割几厘米厚的钢板，其速度是一般线切割速度如：利用激光切割几厘米厚的钢板，其速度是一般线切割速度的的100倍；衣服的裁边，裁剪的边是光的，不需拷边；微型电倍；衣服的裁边，裁剪的边是光的，不需拷边；微型电路板的切割。路板的切割。4、激光热处理、激光热处理主要是激光淬火和激光退火主要是激光淬火和激光退火。激光淬火主要是用于金属：迅速加热，自行冷却。激光淬火主要是用于金属：迅速加热，自行冷却。激光退火

41、主要晶格的修复。经激光退火后的太阳能电池的效激光退火主要晶格的修复。经激光退火后的太阳能电池的效率增加。率增加。5、激光光刻、激光光刻可以利用激光直接刻出所需电路。可以利用激光直接刻出所需电路。（二）激光精密测量（二）激光精密测量、激光干涉测长、激光干涉测长、激光准直、激光准直4、激光测距、激光测距如开凿隧道，铺设管道等。如开凿隧道，铺设管道等。、激光电流测量、激光电流测量2、激光测速、激光测速利用法拉第磁光效应，测量高压电线中的电流，可测定几利用法拉第磁光效应，测量高压电线中的电流，可测定几个微秒的脉冲电流，可测个微秒的脉冲电流，可测10万伏以下万伏以下1200的强电流。的强电流。（三）（三

42、）激光通信通信是指将信息从一处传到另一处。通信是指将信息从一处传到另一处。无线电通信无线电通信的载体是无线电波。的载体是无线电波。Hz1081010无无线线电电载载波波频频率率为为光纤通信（或激光通信）光纤通信（或激光通信）是将声音、图像或其它是将声音、图像或其它 信息调制到激光载波上发送出去。信息调制到激光载波上发送出去。Hz15131010载载波波频频率率为为激光通信分为：激光通信分为：地面大气通信、宇宙空间通信、光纤（缆）通信地面大气通信、宇宙空间通信、光纤（缆）通信二、光纤通信的工作原理二、光纤通信的工作原理直接检波系统：在发送端直接把信号调制到光波直接检波系统：在发送端直接把信号调制

43、到光波上，而在接受端用光电检波管直接把调制光波检上，而在接受端用光电检波管直接把调制光波检波为原信号的系统。波为原信号的系统。电端机电端机(发送发送)光端机光端机(发送发送)电端机电端机(接收接收)光端机光端机(接收接收)LD管管PIN管管光导光导纤维纤维三、光纤通信的优势三、光纤通信的优势1、通信容量大、通信容量大2、传输距离远，能量损耗低、传输距离远，能量损耗低是通常无线电通信容量的是通常无线电通信容量的104105倍倍3、重量轻、原材料丰富、铺设简便、重量轻、原材料丰富、铺设简便4、抗干扰能力强，使用安全、抗干扰能力强，使用安全有能耗为有能耗为0.2dB/km以下的光纤以下的光纤无线电波

44、的频率范围为：无线电波的频率范围为：10108 8HzHz到到10101010HzHz即带宽约为即带宽约为10101010HzHz，若传输一道，若传输一道语言需要语言需要4KHz4KHz，则最多可以同时传输，则最多可以同时传输250250道，彩色电视以道，彩色电视以10MHz10MHz计算，计算，最多可以同时传输最多可以同时传输1 1路，若采用激光则可同时传输路，若采用激光则可同时传输250250亿道，电视可同亿道，电视可同时传输时传输10001000多万路电视。多万路电视。（四）激光信息处理（四）激光信息处理、激光印刷、激光印刷2 全息照相全息照相1948年全息照相术诞生。年全息照相术诞生。

45、全息照相全息照相的优点：可再现物体的立体形象、具有的优点：可再现物体的立体形象、具有可分性、可重叠多个图像。可分性、可重叠多个图像。普通照相普通照相全息照相全息照相只只记录物体所发记录物体所发光波的振幅光波的振幅以干涉、衍射为基础的以干涉、衍射为基础的无透镜摄影，记录物体无透镜摄影，记录物体所发光波的振幅和位相所发光波的振幅和位相（全全部光信部光信息息）全息底片没有物体的影像，而是记录了物体所发全息底片没有物体的影像，而是记录了物体所发光波的全部信息的干涉条纹。光波的全部信息的干涉条纹。、全息照片的拍摄和再现、全息照片的拍摄和再现记录物体上各点发出的光波的频率、振幅、位相记录物体上各点发出的光

46、波的频率、振幅、位相物光和参考光在物光和参考光在感光胶片处相干感光胶片处相干叠加、感光。叠加、感光。（）、全息记录（）、全息记录激光器激光器反射镜反射镜分光镜分光镜反射镜反射镜感光胶片感光胶片参参考考光光物光物光振幅不同使条纹变黑程度不同，振幅不同使条纹变黑程度不同，相位不同则使条纹的密度、形状各异。相位不同则使条纹的密度、形状各异。相位的记录（参考光为平面波）相位的记录（参考光为平面波）设设a、b为某相邻的两条暗纹为某相邻的两条暗纹参考光在参考光在a、b两处相位相同两处相位相同物光在物光在a、b两处光程差为两处光程差为 参考光参考光rba物光物光 ddxOx D dxsin xrsindx

47、在在底片同一处底片同一处，来自，来自物体上不同发光点物体上不同发光点的点，由于它的点，由于它们的们的 或或r不相同不相同，与参考光形成的，与参考光形成的干涉条纹间距不同干涉条纹间距不同。底片上的干涉条纹间距及条纹走向反映了物体上各底片上的干涉条纹间距及条纹走向反映了物体上各发光点的位置差别。发光点的位置差别。（）全息图像的观察（）全息图像的观察用拍摄照片时所用的同一波长的照明光沿原参考方用拍摄照片时所用的同一波长的照明光沿原参考方向照射底片，在照片背面向照片看就可看到物体。向照射底片，在照片背面向照片看就可看到物体。底片上各处透射率不同（相当于衍射屏），照明光底片上各处透射率不同（相当于衍射屏

48、），照明光透射后发生衍射，衍射光波再现物光波。透射后发生衍射，衍射光波再现物光波。照明光照明光rba dO1位位置置人人眼眼 （）全息技术的应用（）全息技术的应用1）全息显微镜）全息显微镜2）全息信息储存）全息信息储存3）全息干涉计量）全息干涉计量拍摄全息照片，改变参考光束方向，可将不同物体拍摄全息照片，改变参考光束方向，可将不同物体摄在同一张底片上。摄在同一张底片上。用短脉冲激光在一张底片上记录粒子的运动。用短脉冲激光在一张底片上记录粒子的运动。再现粒子的运动状态及瞬时分布。再现粒子的运动状态及瞬时分布。再现时偏转照明光束，物体将互不干扰地显现。再现时偏转照明光束，物体将互不干扰地显现。两次

49、曝光或连续曝光，可记录物体的微小、高速运动。两次曝光或连续曝光，可记录物体的微小、高速运动。再现时得到多个相互交叠而略有差异的物体光波的像。再现时得到多个相互交叠而略有差异的物体光波的像。3、激光存储、激光存储1）光盘存储）光盘存储2）全息存储）全息存储可在硬币大小的体积内存储万亿个字节。可在硬币大小的体积内存储万亿个字节。（四）激光的军事应用（四）激光的军事应用、激光测距激光测距一般利用一般利用CO2激光器，其波长为激光器，其波长为10.6um在空气中的衰在空气中的衰减比较小，受烟雾的影响小减比较小，受烟雾的影响小。2、激光雷达、激光雷达测量精度高，距离可达米、分米，甚至厘米，速度可测量精度

50、高，距离可达米、分米，甚至厘米，速度可达厘米每秒级。达厘米每秒级。3、激光制导、激光制导导弹导弹沿着激光反射的方向，飞行目标。沿着激光反射的方向，飞行目标。4、激光实战模拟演习、激光实战模拟演习各种武器发射激光，同时具有接收的功能，一旦被击各种武器发射激光，同时具有接收的功能，一旦被击中，便自动放出烟，并发出声音。中，便自动放出烟，并发出声音。5、激光报警、激光报警利用不可见激光，设置各种防线。利用不可见激光，设置各种防线。6、激光武器激光武器激光武器主要有两种：一种作为激光武器主要有两种：一种作为战术武器战术武器，用于常规，用于常规战争中直接伤亡人员、击毁坦克、飞机、战术导弹；战争中直接伤亡

51、人员、击毁坦克、飞机、战术导弹；一种是战略武器，用于对付远程导弹、洲际导弹、空一种是战略武器，用于对付远程导弹、洲际导弹、空间武器等。间武器等。（五）激光的在科研中的应用（五）激光的在科研中的应用、核能的利用、核能的利用利用激光进行同位数分离。（利用激光照射电离，然后利用激光进行同位数分离。（利用激光照射电离，然后利用磁场分离）利用磁场分离）2、激光照拍快速运动、激光照拍快速运动分辨率可以达到分辨率可以达到10-15s3、激光光谱分析、激光光谱分析、利用激光使卫星改道。、利用激光使卫星改道。利用光压可以在利用光压可以在1cm2的面积上产生，相当于几十万吨的面积上产生，相当于几十万吨的力。的力。

52、5、激光加速器激光加速器产生极大的瞬间电磁场产生极大的瞬间电磁场（一）激光诊断与检测（一）激光诊断与检测激光光谱技术激光光谱技术 具有高时间（高达具有高时间（高达1013s），高空间分辨率（），高空间分辨率（105m）、高光）、高光谱分辨率（谱分辨率（1012m）的优点。常用的光谱法有以下几种：）的优点。常用的光谱法有以下几种： 激光喇曼光谱分析激光喇曼光谱分析 已用在对物质分子结构分析和定性测定。其灵敏度和测定范围已用在对物质分子结构分析和定性测定。其灵敏度和测定范围随着可调激光器的发展而提高和扩展。随着可调激光器的发展而提高和扩展。 激光荧光光谱激光荧光光谱借助可调及高峰值功率脉冲激光，广

53、泛用于各种生化样品分借助可调及高峰值功率脉冲激光，广泛用于各种生化样品分析及诊断病变与正常组织。析及诊断病变与正常组织。 激光热透镜光谱法：激光热透镜光谱法： 通过提高激光功率，已成为测量热吸收和痕量物质的高灵通过提高激光功率，已成为测量热吸收和痕量物质的高灵敏技术。敏技术。 激光电离光谱：激光电离光谱： 用激光照射分析火焰，所得到的火焰碰撞电离电流信号与待用激光照射分析火焰，所得到的火焰碰撞电离电流信号与待测原子的浓度成定量关系，可对生物医学组织作痕量和超痕测原子的浓度成定量关系，可对生物医学组织作痕量和超痕量物质分析，是一种具有极高灵敏度和选择性的分析技术。量物质分析，是一种具有极高灵敏度

54、和选择性的分析技术。 激光光声光谱：激光光声光谱： 其基本原理是：当周期性的光脉冲作用到样品上时，吸收了其基本原理是：当周期性的光脉冲作用到样品上时，吸收了光能的分子可在无辐射跃迁中很快地（一般为光能的分子可在无辐射跃迁中很快地（一般为108量级）将量级）将其激发能转为热能。此热能周期性地传给周围的介质分子，其激发能转为热能。此热能周期性地传给周围的介质分子，再由介质分子的动能触发微音器，而产生一个频率与光脉冲再由介质分子的动能触发微音器，而产生一个频率与光脉冲频率相同的声信号。将入射光进行扫频时，所记录的变化声频率相同的声信号。将入射光进行扫频时，所记录的变化声信号就是样品的光声光谱。信号就

55、是样品的光声光谱。 其特点是只与样品的吸收有关而与散射无关，不必考虑散射对其特点是只与样品的吸收有关而与散射无关，不必考虑散射对谱线的影响，对样品无须进行复杂的预处理便可直接用于分析谱线的影响，对样品无须进行复杂的预处理便可直接用于分析鉴定。此法已用于对全血、人的各种肿瘤等病变组织进行测定，鉴定。此法已用于对全血、人的各种肿瘤等病变组织进行测定，其灵敏度比一段吸收光谱方法高出几个数量级。其灵敏度比一段吸收光谱方法高出几个数量级。 激光荧光显微技术激光荧光显微技术激光借助显微镜的光学系统可以聚焦成能量密度很高，光斑激光借助显微镜的光学系统可以聚焦成能量密度很高，光斑直径达微米数量级的光束，并以高灵敏度和高分辨率的激光直径达微米数量级的光束，并以高灵敏度和高分辨率的激光荧光检测技术，测出荧光强度、激光光谱、辐射光谱、荧光荧光检测技术，测出荧光强度、激光光谱、辐射光谱、荧光寿命和荧光偏振度的数据，探测细胞体内的核酸、酶、蛋白、寿命和荧光偏振度的数据，探测细胞体内的核酸、酶、蛋白、膜受体等极微量的生命物质及其空间分布。从而可以研究活膜受体等极微量的生命物质及其空间分布。从而可以研究活的单个细胞或细胞器的生物物理和生物化学过程，如新陈代的单个细胞或细胞器的生物物理和生物化学过程，如新陈代谢、识别、繁殖等细胞功能，以便在