第十四章激光及其在生物医学中的运用课件

1、激光及其在生物医学中的应用返回激光及其在生物医学中的应用返回教学要求:重点掌握激光形成的原理;确切理解激光关键参数的物理意义;了解典型的激光生物效应和在医学检查、治疗中的典型应用.教学要求:重点掌握激光形成的原理;14.1 激光基本原理14.2 激光关键参数与特性14.3 激光生物效应与技术14.4 激光在临床医学中的应用14.1 激光基本原理14.2 激光关键参数14.1 激光基本原理14.1 激光基本原理14.1.1 光与物质的相互作用理论 物质由原子(或分子、离子)组成,原子具有一系列分立的运动状态,相应地有一系列分立的不连续的能量值,称为原子系统的能级,其中最低能级状态称为基态. 光与

2、物质相互作用有三个不同的基本过程,即自发辐射、受激辐射及受激吸收（简称为吸收）.14.1.1 光与物质的相互作用理论 1. 自发辐射 (spontaneous radiation)前后 若处于E2能级的原子密度为N2,则自发辐射过程可表示为1. 自发辐射 (spontaneous radiati由此可得式中A21是自发辐射系数由此可得式中A21是自发辐射系数2. 吸收 (absorption)式中B12是吸收系数2. 吸收 (absorption)式中B12是吸收系数3. 受激辐射 (stimulated radiation)式中B21是受激辐射系数3. 受激辐射 (stimulated ra

3、diatio第十四章激光及其在生物医学中的运用课件14.1.2 粒子数反转原理(population inversion principle) 物质系统在一个入射光子作用下,引起大量处于高能级的粒子产生受激发射,产生出大量特征完全相同光子的现象称为光放大.14.1.2 粒子数反转原理(population in 单位时间内吸收的光能量为 由于受激发射产生的光能量为 所以产生的净光能量是（这里B=B12=B21） 单位时间内吸收的光能量为 取物质横截面积为S,通过dz厚度后,在单位体积和单位时间产生的净光能量表示为zOI0dzII+dI 取物质横截面积为S,通过dz厚度后,在单位体利用光强与光能

4、量的关系因而上式写成带入,得到利用光强与光能量的关系因而上式写成带入,得到若令积分得到称为物质的增益系数k是玻耳兹曼常数;T是热力学温度.若令积分得到称为物质的增益系数k是玻耳兹曼常数;T是热力学 由上式看到,在通常情况下N2 N1 ,即高能级上的粒子数少于低能级上的粒子数.两式相比得 由上式看到,在通常情况下N2N1的粒子数分布叫粒子数反转.所以,只有在粒子反转的特定条件下,才能实现光放大. 将实现粒子数反转的物质叫做激光工作物质. 实现N2N1的粒子数分布叫粒子数反转.所以14.1.3 光学谐振腔 (optical harmonic oscillator)1.光学谐振腔的作用与结构 能够稳

5、定实现来回光反馈的装置称为光学谐振腔.M1M214.1.3 光学谐振腔 (optical harmoni2.光振荡的阈值条件 要产生激光振荡,必须满足一定条件,称之为阈值条件.有如下阈值条件式中L为谐振腔的长度,r1、r2是两反射镜的光强反射率.2.光振荡的阈值条件 要产生激光振荡,必须满足3.激光的纵模与横模激光的纵模O z L3.激光的纵模与横模激光的纵模O 腔内允许存在的波长和频率为 通常将由整数N所表征的腔内纵向场分布称为腔的纵模.腔内允许存在的波长和频率为 通常将由整数N所表征 普通Ne放电管中光波的中心频率0=4.741014Hz,线宽 ,在谐振腔中实际存在频率的范围为相邻两个纵模

6、之间的频率间隔为 普通Ne放电管中光波的中心频率0=4.7激光的横模 激光束在横截面上光强的分布常成一系列有规则的图样,这种稳定分布的图样,称为激光的横模.TEM00称为基横模, TEM10 ,TEM11称为高阶横模.一种稳定的横向光场分布对应一个横模.激光的横模 激光束在横截面上光强的分布常成一 激励装置也称泵浦源,是指向工作物质供给能量的能源.电子注入光学泵浦气体放电泵浦离子束泵浦化学泵浦14.1.4 激励装置 激励装置也称泵浦源,是指向工作物质供给能量的能14.2 激光关键参数与特性14.2 激光关键参数与特性14.2.1 激光关键参数代表增益系数分贝(dB)单位：1. 增益 (gain

7、) 频率为 的光强 随z变化的规律,可用下式表示.14.2.1 激光关键参数代表增益系数分贝(dB)单位：1 在受激辐射产生后,要经历各种损耗,如工作物质的内部吸收、衍射、散射,以及腔壁、腔面的各种损耗,此外还要向外输出激光.激光器的总损耗等于上述各项损耗之和.2. 损耗 在受激辐射产生后,要经历各种损耗,如工作物3. 阈值 (threshold) 在刚好进入振荡状态时,即增益等于总损耗时的激光器状态,称为阈值状态.这时泵浦源提供给激光材料的能量、功率、电流,就称为阈值能量、阈值功率、阈值电流.3. 阈值 (threshold) 在刚好进入4. 输出功率在方形脉冲的情况下P平均=P峰值脉冲宽度

8、重复4. 输出功率在方形脉冲的情况下P平均=P峰值脉冲宽度5. 效率光-光效率,这是指在光学泵浦时,输出的激光与工作物质所接收到的光能之比; 电-光效率,通常是指输出激光功率与输给泵浦源的总电功率之比;量子效率,是指工作物质所产生的激光光子能量与泵浦的光子能量之比;斜率效率,是指在阈值之后,输出激光功率增量与泵浦源功率增量之比.5. 效率光-光效率,这是指在光学泵浦时,输出的激光与工作6. 模式 激光模式或称激光波型.从光的波动观点看,模式是指电磁波的某种型式,实际上就是能够存在于激光腔中的各种形式的驻波;从光的粒子观点看,模式代表了可以相互区分的光子态.6. 模式 激光模式或称激光波型.从光

9、的波动观14.2.2 激光的特性1. 单色性好和波长范围很宽 一个光源发射的光所包含的波长范围越窄,那么它的颜色就越单纯,即光源的单色性好.激光是世界上发光颜色最单纯的光源.14.2.2 激光的特性1. 单色性好和波长范围很宽2.高亮度 高亮度是激光器最突出的优点.光源单色亮度P为光功率, 为光辐射的频谱宽度, 为光束发散角.2.高亮度P为光功率, 为光辐射的频谱宽度, 3. 方向性好4.相干性好 激光的谱宽比普通光源小得多,因此激光的相干性要比普通光源高得多.5. 高功率 激光器能在极短的时间(如10-12,10-15s)内,可以产生极高的峰值功率.3. 方向性好4.相干性好5. 高功率6.

10、 高能量7. 高速调制8. 明显的光压效应6. 高能量7. 高速调制8. 明显的光压效应14.2.3 典型激光器1. 固体激光器 一般讲,固体激光器具有器件小、坚固、使用方便、输出功率大的特点.14.2.3 典型激光器1. 固体激光器2. 气体激光器 气体激光器具有结构简单、造价低、操作方便;工作介质均匀,光束质量好;以及能长时间较稳定地连续工作的优点.2. 气体激光器3. 半导体激光器4. 液体激光器 常用的是染料激光器,采用有机染料作为工作介质.3. 半导体激光器4. 液体激光器14.3 激光生物效应与技术14.3 激光生物效应与技术14.3.1 激光生物效应 生物组织因受激光照射而出现的

11、各种应答性反应、效果或变化称之为激光的生物效应.14.3.1 激光生物效应 生物组织因受激 光热作用 生物组织在激光照射下吸收光能转化为热能,温度升高,这即是光热作用.蛋白变性蛋白退化凝固效应蒸发 光热作用 生物组织在激光照射下吸收光能转光致机械作用 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.光致机械作用 激光照射生物组织,可直接或间 光化作用 生物大分子吸收激光光子的能量,因激活而引起生物组织内一系列的化学作用. 光化作用 生物大分子吸收激光光子的能量,光化作用的基本规律由如下两个定律表达:光化学第一定律(吸收定律)只有被分子吸收了的光子才能引起

12、光化反应.光化学第二定律(量子定律)在光化反应中,每个分子只吸收一个单色光的光子而成为光化激活分子.光化作用的基本规律由如下两个定律表达:光化学第一定律(吸收定光电磁场作用 激光是一种高能量的电磁波,伴随着激光的出现必然产生一个电磁场.激光对生物组织的作用就是电磁场对生物组织的作用,一般认为这一作用主要是电场所致.光电磁场作用 激光是一种高能量的电磁波,伴随 光致激活作用主要通过弱激光实现.弱激光对生物过程、对神经、通过体液或神经-体液而对全身、对机体免疫功能等都有刺激作用.光致激活作用 光致激活作用主要通过弱激光实现.弱激光对生物 在利用激光进行医疗时,要特别注意影响激光与生物组织相互作用的

13、两方面因素:要明确所采用的激光器的性能参数生物组织的性质 在利用激光进行医疗时,要特别注意影响激光与生设激光的发散角为,光斑的直径为d,透镜的焦距为f,则因为很小,所以14.3.2 激光生物技术1.激光微光束技术dff设激光的发散角为,光斑的直径为d,透镜的焦距为f,则因为假定输出激光的功率为P,那么光斑的功率密度为假定输出激光的功率为P,那么光斑的功率密度为例如,P=103W, f=20mm,=10-3rad, 光斑的面积和功率密度为这时光斑的直径约为20um.例如,P=103W, f=20mm,=10-3rad, 光激光莱曼光谱技术激光荧光光谱技术激光原子吸收光谱技术激光微区光谱技术2.激

14、光光谱分析技术激光莱曼光谱技术激光荧光光谱技术激光原子吸收光谱技术3.激光多普勒技术3.激光多普勒技术14.4 激光在临床医学中的应用14.4 激光在临床医学中的应用1.癫痫病灶区的检查诊断2.婴儿脑细胞氧含量激光监视仪3.光学层析干涉仪4.光致荧光内窥镜系统14.4.1 激光诊断方法1.癫痫病灶区的检查诊断14.4.1 激光诊断方法14.4.2 激光治疗方法2.激光在眼科中的应用1.激光在皮肤科中的应用热凝激光切除激光打空热致膨胀激光剥离14.4.2 激光治疗方法2.激光在眼科中的应用1.激光在3.激光在耳鼻喉科中的应用4.激光在内科中的应用5.激光在外科中的应用6.激光在治疗肿瘤中的应用3

15、.激光在耳鼻喉科中的应用14.4.3 激光的其它临床应用1.激光验血划痕器2.光学镊及人工受精14.4.3 激光的其它临床应用1.激光验血划痕器历史岳麓版第13课交通与通讯的变化资料精品课件欢迎使用历史岳麓版第13课交通与通讯的变化资料精品课件欢迎使用第十四章激光及其在生物医学中的运用课件第十四章激光及其在生物医学中的运用课件第十四章激光及其在生物医学中的运用课件自读教材填要点 一、铁路，更多的铁路 1地位 铁路是 建设的重点，便于国计民生，成为国民经济发展的动脉。 2出现 1881年，中国自建的第一条铁路唐山 至胥各庄铁路建成通车。 1888年，宫廷专用铁路落成。交通运输开平自读教材填要点

16、一、铁路，更多的铁路交通运输开平 3发展 (1)原因： 甲午战争以后列强激烈争夺在华铁路的 。 修路成为中国人 的强烈愿望。 (2)成果：1909年 建成通车；民国以后，各条商路修筑权收归国有。 4制约因素 政潮迭起，军阀混战，社会经济凋敝，铁路建设始终未入正轨。修筑权救亡图存京张铁路 3发展修筑权救亡图存京张铁路 二、水运与航空 1水运 (1)1872年, 正式成立，标志着中国新式航运业的诞生。 (2)1900年前后，民间兴办的各种轮船航运公司近百家，几乎都是在列强排挤中艰难求生。 2航空 (1)起步：1918年，附设在福建马尾造船厂的海军飞机工程处开始研制 。 (2)发展：1918年，北洋

17、政府在交通部下设“ ”；此后十年间，航空事业获得较快发展。轮船招商局水上飞机筹办航空事宜处 二、水运与航空轮船招商局水上飞机筹办航空事宜处 三、从驿传到邮政 1邮政 (1)初办邮政： 1896年成立“大清邮政局”，此后又设 ，邮传正式脱离海关。 (2)进一步发展：1913年，北洋政府宣布裁撤全部驿站；1920年，中国首次参加 。邮传部万国邮联大会 三、从驿传到邮政邮传部万国邮联大会 2电讯 (1)开端：1877年，福建巡抚在 架设第一条电报线，成为中国自办电报的开端。 (2)特点：进程曲折，发展缓慢，直到20世纪30年代情况才发生变化。 3交通通讯变化的影响 (1)新式交通促进了经济发展，改变

18、了人们的通讯手段和 ， 转变了人们的思想观念。 (2)交通近代化使中国同世界的联系大大增强，使异地传输更为便捷。 (3)促进了中国的经济与社会发展，也使人们的生活 。台湾出行方式多姿多彩 2电讯台湾出行方式多姿多彩合作探究提认知 电视剧闯关东讲述了济南章丘朱家峪人朱开山一家，从清末到九一八事变爆发闯关东的前尘往事。下图是朱开山一家从山东辗转逃亡到东北途中可能用到的四种交通工具。合作探究提认知 电视剧闯关东讲述了济南章丘 依据材料概括晚清中国交通方式的特点，并分析其成因。 提示：特点：新旧交通工具并存(或：传统的帆船、独轮车， 近代的小火轮、火车同时使用)。 原因：近代西方列强的侵略加剧了中国的

19、贫困，阻碍社会发展；西方工业文明的冲击与示范；中国民族工业的兴起与发展；政府及各阶层人士的提倡与推动。 依据材料概括晚清中国交通方式的特点，并分析其成因。串点成面握全局串点成面握全局第十四章激光及其在生物医学中的运用课件 一、近代交通业发展的原因、特点及影响 1原因 (1)先进的中国人为救国救民，积极兴办近代交通业，促进中国社会发展。 (2)列强侵华的需要。为扩大在华利益，加强控制、镇压中国人民的反抗，控制和操纵中国交通建设。 (3)工业革命的成果传入中国，为近代交通业的发展提供了物质条件。 一、近代交通业发展的原因、特点及影响 2特点 (1)近代中国交通业逐渐开始近代化的进程，铁路、水运和航

20、空都获得了一定程度的发展。 (2)近代中国交通业受到西方列强的控制和操纵。 (3)地域之间的发展不平衡。 3影响 (1)积极影响：促进了经济发展，改变了人们的出行方式，一定程度上转变了人们的思想观念；加强了中国与世界各地的联系，丰富了人们的生活。 (2)消极影响：有利于西方列强的政治侵略和经济掠夺。 2特点1李鸿章1872年在上海创办轮船招商局，“前10年盈和，成为长江上重要商局，招商局和英商太古、怡和三家呈鼎立之势”。这说明该企业的创办()A打破了外商对中国航运业的垄断B阻止了外国对中国的经济侵略C标志着中国近代化的起步D使李鸿章转变为民族资本家1李鸿章1872年在上海创办轮船招商局，“前1

21、0年盈和，成解析：李鸿章是地主阶级的代表，并未转化为民族资本家；洋务运动标志着中国近代化的开端，但不是具体以某个企业的创办为标志；洋务运动中民用企业的创办在一定程度上抵制了列强的经济侵略，但是并未能阻止其侵略。故B、C、D三项表述都有错误。答案：A解析：李鸿章是地主阶级的代表，并未转化为民族资本家；洋务运动 二、近代以来交通、通讯工具的进步对人们社会生活的影响 (1)交通工具和交通事业的发展，不仅推动各地经济文化交流和发展，而且也促进信息的传播，开阔人们的视野，加快生活的节奏，对人们的社会生活产生了深刻影响。 (2)通讯工具的变迁和电讯事业的发展，使信息的传递变得快捷简便，深刻地改变着人们的思

22、想观念，影响着人们的社会生活。 二、近代以来交通、通讯工具的进步对人们社会生活的影响2清朝黄遵宪曾作诗曰：“钟声一及时，顷刻不少留。虽有万钧柁，动如绕指柔。”这是在描写 ()A电话 B汽车C电报 D火车解析：从“万钧柁”“动如绕指柔”可推断为火车。答案：D2清朝黄遵宪曾作诗曰：“钟声一及时，顷刻不少留。虽第十四章激光及其在生物医学中的运用课件典题例析 例1上海世博会曾吸引了大批海内外人士利用各种交通工具前往参观。然而在19世纪七十年代，江苏沿江居民到上海，最有可能乘坐的交通工具是 () A江南制造总局的汽车 B洋人发明的火车 C轮船招商局的轮船 D福州船政局的军舰典题例析 例1上海世博会曾吸引

23、了大批海内外人 解析由材料信息“19世纪七十年代，由江苏沿江居民到上海”可判断最有可能是轮船招商局的轮船。 答案C 解析由材料信息“19世纪七十年代，由江苏沿江居题组冲关1中国近代史上首次打破列强垄断局面的交通行业是 ()A公路运输 B铁路运输C轮船运输 D航空运输解析：根据所学1872年李鸿章创办轮船招商局，这是洋务运动中由军工企业转向兼办民用企业、由官办转向官督商办的第一个企业。具有打破外轮垄断中国航运业的积极意义，这在一定程度上保护了中国的权利。据此本题选C项。答案：C题组冲关1中国近代史上首次打破列强垄断局面的交通行业是2. 右图是1909年民呼日报上登载的一幅漫画，其要表达的主题是(

24、 )A帝国主义掠夺中国铁路权益B西方国家学习中国文化C西方列强掀起瓜分中国狂潮D西方八国组成联军侵略中国2. 右图是1909年民呼日报上登载的解析：从图片中可以了解到各国举的灯笼是火车形状，20世纪初的这一幅漫画正反映了帝国主义掠夺中国铁路权益。B项说法错误，C项不能反映漫画的主题，D项时间上不一致。答案：A解析：从图片中可以了解到各国举的灯笼是火车形状，20世纪初的第十四章激光及其在生物医学中的运用课件典题例析 例2(2010福建高考)上海是近代中国茶叶的一个外销中心。1884年，福建茶叶市场出现了茶叶收购价格与上海出口价格同步变动的现象。与这一现象直接相关的近代事业是 () A电报业 B大众报业 C铁路交通业 D轮船航运业 解析材料主要反映了信息交流的快捷，故选A。 答案A典题例析 例2(2010福建高考)上海是近题组冲关3假如某爱国实业家在20世纪初需要了解全国各地商业信息，可采用的最快捷的方式是 ()A乘坐飞机赴各地了解 B通过无线电报输送讯息C通过互联网 D乘坐火车赴各地了解解析：本题考查中国近代物质生活的变迁。注意题干信息“20世纪初”“最快捷的方式”，因此应选B，火车速度远不及电报快。20世纪30年代民航飞机才在中国出现，互联网出现在20世