治疗类仪器设计基础课件

第九章治疗类仪器

设计基础

9.1概述现代临床医学对疾病的治疗方法主要有以下几种：药物治疗手术治疗仪器治疗心理治疗人工器官

第九章治疗类仪器

设1

治疗类仪器的设计原理是基于各种物理因子对人体不同的生理和生物效应。除超声属非电磁波谱外，其他物理因子大多分布在电磁波谱上。

电磁波谱的不同频段对人体会产生不同的生理效应：在1000Hz以下主要是刺激效应；1000Hz～3×1015Hz主要是热效应；而在3×1015Hz以上主要是生物效应。

2

电磁波谱。

电磁波谱。3

9.2电治疗仪频率小于1KHz时的电流对人体细胞组织的作用主要是以刺激效应为主（哺乳动物神经纤维的绝对不应期大约为1ms，因此每秒最多只能产生1000次兴奋，而当频率大于1kHz时，组织细胞将不再产生相应反应）。所以这一波段的电磁波被用来设计出各种电刺激治疗仪。从小电流的周期刺激器（如心脏起搏器）到大电流单脉冲刺激器（如除颤器）。

9.24治疗类仪器设计基础课件5治疗类仪器设计基础课件6

1.电刺激系统的组成：电刺激系统通常由三部分组成：①脉冲发生器，产生使神经去极化的脉冲序列；②导联线，把脉冲传输到刺激位置；③电极，把刺激脉冲安全、有效地传输到可兴奋组织。1.电刺激系统的组成：7

2．电刺激类型

按照电刺激部位，刺激类型可划分为：（1）表面刺激电刺激的三部分都在体外，电极放在皮肤上或要刺激的肌肉的运动点附近。（2）经皮刺激电极放在体内，并靠近要刺激的部位。导联线穿过皮肤连接外部脉冲发生器。（3）植入式刺激植入式刺激是指将刺激器的三部分通过外科手术永久植入人体，植入完成后皮肤完全缝合。植入部分和体外部分的联系是通过非接触方式进行的。2．电刺激类型8

9.2.4人工心脏起搏器心脏传导系统：由一系列特殊心脏细胞联结组成的传导系统，这些细胞组织既有自动产生兴奋的功能，又有较一般心肌细胞为快的传导功能，这样使兴奋有节律地按一定顺序传播，使心脏保持正常的有节律的收缩和舒张，以维持血液循环。

9.2.4人工心脏起搏器9

10当心脏传导系统出现问题时（总称为心脏传导阻滞）心脏便不能保持正常的有节律的收缩和舒张。人工心脏起搏器产生周期性电脉冲，这些脉冲加到放在心脏表面或心肌内或心腔里的电极，这些刺激通过电极传到心脏上，引起心脏的收缩，就可以使心脏恢复正常的有节律的收缩和舒张。人工心脏起搏器可分为非同步心脏起搏器和同步心脏起搏器。根据起博器的放置位置又可分为体外起搏器和植入式起博器。

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（1）非同步心脏起搏器非同步心脏起搏器是一种自由振荡的起博器，它不管人体心脏的实际情况，总是给出一定频率的电刺激。下图为非同步心脏起搏器的方框图。

电源振荡器脉冲输出电路引线电极（1）非同步心脏起搏器电源振荡器脉冲引线电极12

1）电源对植入式心脏起搏器，使用的电源主要有三种：原电池、经皮射频感应电源和原子能电源。①原电池植入式心脏起搏器最常使用的电源是原电池。最早使用的原电池是水银电池，使用寿命约2年；现在开始使用锂电池，使用寿命可达10年左右。

1）电源13

②经皮射频感应电源植入式心脏起搏器也可用经皮射频感应电源供电。②经皮射频感应电源14

③原子能电源能保证有更长的寿命和更高的可靠性。

辐射源吸收器热电堆DC/DC变换器起博器③原子能电源辐射源吸收器热电堆DC/DC变换器起博器15

2）定时电路非同步心脏起搏器是最简单的一种起博器，它不管心脏的实际功能情况而只是提供一串恒定重复频率的刺激脉冲。这种情况下，振荡器可以采用自由振荡的间歇振荡器或多谐振荡器。设计的要点是：低耗电和受电源波动影响小。

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3）输出电路输出电路对电脉冲进行放大并耦合到电极上去。输出电路由一个工作在开关状态的晶体管和到电极去的一个合适的耦合电路所组成。

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4）引线和电极在大多数起搏器的设计中，脉冲输出电路都是位于远离心脏的某一位置上，所以必须有合适的引线把电刺激传到心脏并且加到合适的部位。对引线的要求：①引线必须是良导体；②机械性能必须很结实；③必须保持良好的绝缘。为了满足以上要求，引线通常都是由弹簧丝合金互相盘绕的一些螺旋线圈浇铸在硅橡胶筒内制成的。

4）引线和电极20

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电极心脏起博器有单极型电极和双极型电极。用单极型电极时，此电极放在心脏上，负向脉冲加到此电极上，另外有一个大的无关电极放在身体的其它部位。用双极型电极时，两个电极都放在心脏上，刺激脉冲加在两个电极之间。电极可放在心脏表面（心外电极）、埋在心壁里面（心肌内电极）或紧贴在心脏内表面（心内膜电极或腔内电极）。

电极22

对电极的要求：①电极必须能够经受住由于心脏的机械运动使它们受到的反复弯曲，并且必须保持在有效起搏位置上；②必须在长期植入过程中不被溶解，对邻近的组织不能产生过度刺激；③在加上刺激信号后不会产生电解反应。最常用的材料是铂。对电极的要求：23

5）外壳

外壳是起博器的一个很重要的组成部分，对外壳的要求是：①具有好的生物相容性；②对内部电路提供必要的保护，以确保电路的正常工作；③体积小、重量轻。植入式起博器通常密封在铸制环氧树脂中，外包一层硅橡胶。

5）外壳24

（2）同步心脏起搏器

通常病人只需要断续地对心脏进行起搏，因为在间歇期间病人自身能形成正常心律。对于这些病人，不需要连续地刺激心脏。在有些情况下，如果连续刺激甚至还会引起一系列严重的并发症。解决的最好办法是采用同步心脏起搏器。

有两种通用型式的同步心脏起搏器：按需式同步心脏起搏器和心房同步心脏起搏器。

（2）同步心脏起搏器25

按需式同步心脏起搏器方框图

定时电路输出电路电极复位电路放大器按需式同步心脏起搏器方框图定时电路输出电路电极复位电26

心房同步心脏起搏器方框图

心房电极放大器单稳多谐振荡器120ms单稳多谐振荡器2ms输出电路心室电极心房同步心脏起搏器方框图心房放大器单稳多谐单稳27

9.2.5心脏除颤器心脏纤颤是由各个心肌细胞的不同步收缩引起的，心脏纤颤可导致心功能的完全丧失。通过对心脏的电击可以恢复正常心律。实现这种功能的电器装置称为除颤器。除颤器是一种对病人提供强电击，把过快、无效的心律失常恢复为正常心律的仪器。除颤器有四种类型：交流除颤器、电容放电除颤器、电容放电延时线除颤器和方波除颤器。

9.2.5心脏除颤器28

（1）交流除颤器

（1）交流除颤器29

（2）电容放电除颤器

（2）电容放电除颤器30治疗类仪器设计基础课件31治疗类仪器设计基础课件32

（3）电容放电延时线除颤器

（3）电容放电延时线除颤器33

（4）方波除颤器

（4）方波除颤器34

（5）除颤电极①电极必须同身体保持很好的接触，以便能量从除颤器到达心脏，而在电极/皮肤界面上没有损耗。②除颤电极的第二个重要性能是必须使用安全。除颤器使用两种电极：体内除颤电极和体外除颤电极。体内除颤电极是一种匙形的金属电极，可以直接放在心脏上。体外除颤电极由一个大的金属圆盘放在直径约为100mm的绝缘圆盘上所构成。

（5）除颤电极35（5）除颤电极

（5）除颤电极36

（6）同步

对于在胸部使用的大多数除颤器都有同步的功能，这是一种电子传感和触发电路，旨在确保在ECG的QRS波期间施加电击，因为在ECG的T波常常会引起心室颤动。（6）同步37治疗类仪器设计基础课件38

（7）自动体外除颤

（7）自动体外除颤39

9.2.6高频电刀

高频电刀是一种取代机械手术刀进行组织切割的电外科器械。它通过电极尖端发出的高频高压电流与肌体接触时对组织进行加热，实现对肌体组织的分离和凝固，从而起到切割和止血的目的。

最早的高频电刀的高频电能是采用火花塞放电式高频振荡器所产生，后来发展为采用大功率电子管、大功率晶体管、大功率MOS管。

9.2.6高频电刀40治疗类仪器设计基础课件41

1.高频电刀的设计原理1.高频电刀的设计原理42

高频电刀输出的典型波形：

高频电刀输出的典型波形：43

（1）电凝射频频率：250KHz～2.0MHz；调制（波镞）：120个/S左右；输出电压（开路）：300～2000V；输出功率（500Ω负载）：80～200W。（2）电切射频频率：500KHz～2.5MHz；调制：直接输出或经调幅处理；输出电压（开路）：9000V左右；输出功率（500Ω负载）：100～750W。

（1）电凝44

9.3激光治疗仪9.3.1激光产生原理

激光（laser）是受激辐射光放大的缩写。

9.3激光治疗仪45

（1）受激吸收（2）自发辐射（3）受激辐射

46治疗类仪器设计基础课件47

（4）粒子数反转粒子数反转的两个条件：①工作物质的结构，应具有寿命较长的较高能级，受激状态的寿命可达千分之几秒，即激发态为亚稳态；②施加外来能源对工作物质进行激励，将大多数粒子由基态激发到高能级。

（4）粒子数反转48

（5）光放大实现粒子反转后，处于亚稳态的粒子虽可受特定光子激励产生受激辐射，但仅靠光子一次通过工作物质的增益作用是极有限的，为实现激光输出，还需要光学反馈装置，这就是光学谐振腔。

（5）光放大49

9.3.2激光的基本特性（1）方向性强（2）单色性好（3）亮度高（4）相干性好

9.3.2激光的基本特性50

9.3.3激光器的类型和基本组成激光器的主要构件是谐振腔和激励源。谐振腔由腔内的激光媒介物（也称为工作物质）和反射镜构成。

激光媒介物：谐振腔内的激光媒介物的特性决定了激光的输出波长。激光媒介物可以是：①气体；②有机染料；③掺杂质的透明晶体棒；④半导体的PN结。

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激励源：①气体激光一般用直流或射频电流激发；②染料激光和固体激光一般用另一激光器或闪光灯的强光激发。③半导体激光用电流在PN结附近产生电子－空穴对来激发。

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9.3.4生物医学激光束的传输激光器输出镜的激光束是通过光束传输系统引导到组织的作用点。所有的生物医学激光器都有一个同轴瞄准束照射组织上的入射点，同轴瞄准束一般由He－Ne激光器产生。1．光束引导方式通常有两种光束引导方式：①激光束波长在2.1μm～400nm之间使用弹性的SiO2光导纤维，光导纤维长度限制在1～3m；②波长超过2.1μm采用带有光束引导镜的关节臂状连接物引导。

53治疗类仪器设计基础课件54

9.3.5激光的生物效应生物组织吸收激光能量会产生一系列生物效应。通常认为直接效应有五种：热效应、光化效应、压强效应、电磁效应和生物刺激效应。激光的直接生物效应，既与激光的物理特征有关，也和机体组织的生物物理特征有关。

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（1）热效应激光作用到生物组织会使生物组织发热，导致组织温度升高。产热量的多少、温升的高低同激光的类型、激光的功率密度和组织的特性有关。不同的温度对组织的效应为：①38～40℃：温热感；②42～50℃：热致水泡；③55～60℃：热致凝固；④100℃：热致沸腾；⑤300～400℃：热致炭化；⑥530℃：热致燃烧；⑦5730℃：热致汽化。临床上应用激光的热效应可进行治疗。用弱激光的热量可改善局部细胞组织的功能；用强激光的热效应可破坏病变细胞、组织块凝固性坏死、防止活动性出血、去除部分表面组织、进行切割及分离等。

（1）热效应56

（2）光化效应生物组织接受激光光能后发生了某些化学变化，可导致一系列光生物效应。在生物医学领域，光化学反应的主要类型有：光致分解、光致氧化、光致聚合、光致异构和光致敏化等。

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（3）压强效应高功率密度的压强效应应用于激光手术刀可迫使生物组织分离，可用于给房角打孔以减低眼压治疗青光眼；给晶状体打孔治疗白内障，给虹膜打孔代替虹膜切除术等。

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（4）电磁效应高电场强度的激光束进入机体可导致生物组织电系统的剧烈变化，出现生物效应：①电场强度达到105V/㎝时，可破坏组织的结合力使组织离化；②电场强度达到108V/㎝时，可使生物偶极子发出二次或三次谐波，当谐波处于蛋白、核酸的吸收峰，使这些大分子变性受损；③电场强度达到109V/㎝时，可致生物大分子产生相当活泼的自由基，从而明显地损伤细胞；④激光电场引起的效应，如拉曼效应和电致伸缩，均会引起组织损伤。（4）电磁效应59

（5）生物刺激效应刺激是生物机能学的一个概念，指能引起机体出现反应的各种环境变化。弱激光对机体的刺激包括了光化效应后的化学刺激、光热效应后的热刺激、光压强效应后的机械刺激等。生物接受上述刺激的应答性反应可有两种形式：兴奋或抑制，取决于激光的相对剂量和反应类型。

60第九章治疗类仪器

设计基础

9.1概述现代临床医学对疾病的治疗方法主要有以下几种：药物治疗手术治疗仪器治疗心理治疗人工器官

第九章治疗类仪器

设61

治疗类仪器的设计原理是基于各种物理因子对人体不同的生理和生物效应。除超声属非电磁波谱外，其他物理因子大多分布在电磁波谱上。

电磁波谱的不同频段对人体会产生不同的生理效应：在1000Hz以下主要是刺激效应；1000Hz～3×1015Hz主要是热效应；而在3×1015Hz以上主要是生物效应。

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电磁波谱。

电磁波谱。63

9.2电治疗仪频率小于1KHz时的电流对人体细胞组织的作用主要是以刺激效应为主（哺乳动物神经纤维的绝对不应期大约为1ms，因此每秒最多只能产生1000次兴奋，而当频率大于1kHz时，组织细胞将不再产生相应反应）。所以这一波段的电磁波被用来设计出各种电刺激治疗仪。从小电流的周期刺激器（如心脏起搏器）到大电流单脉冲刺激器（如除颤器）。

9.264治疗类仪器设计基础课件65治疗类仪器设计基础课件66

1.电刺激系统的组成：电刺激系统通常由三部分组成：①脉冲发生器，产生使神经去极化的脉冲序列；②导联线，把脉冲传输到刺激位置；③电极，把刺激脉冲安全、有效地传输到可兴奋组织。1.电刺激系统的组成：67

2．电刺激类型

按照电刺激部位，刺激类型可划分为：（1）表面刺激电刺激的三部分都在体外，电极放在皮肤上或要刺激的肌肉的运动点附近。（2）经皮刺激电极放在体内，并靠近要刺激的部位。导联线穿过皮肤连接外部脉冲发生器。（3）植入式刺激植入式刺激是指将刺激器的三部分通过外科手术永久植入人体，植入完成后皮肤完全缝合。植入部分和体外部分的联系是通过非接触方式进行的。2．电刺激类型68

9.2.4人工心脏起搏器心脏传导系统：由一系列特殊心脏细胞联结组成的传导系统，这些细胞组织既有自动产生兴奋的功能，又有较一般心肌细胞为快的传导功能，这样使兴奋有节律地按一定顺序传播，使心脏保持正常的有节律的收缩和舒张，以维持血液循环。

9.2.4人工心脏起搏器69

70当心脏传导系统出现问题时（总称为心脏传导阻滞）心脏便不能保持正常的有节律的收缩和舒张。人工心脏起搏器产生周期性电脉冲，这些脉冲加到放在心脏表面或心肌内或心腔里的电极，这些刺激通过电极传到心脏上，引起心脏的收缩，就可以使心脏恢复正常的有节律的收缩和舒张。人工心脏起搏器可分为非同步心脏起搏器和同步心脏起搏器。根据起博器的放置位置又可分为体外起搏器和植入式起博器。

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（1）非同步心脏起搏器非同步心脏起搏器是一种自由振荡的起博器，它不管人体心脏的实际情况，总是给出一定频率的电刺激。下图为非同步心脏起搏器的方框图。

电源振荡器脉冲输出电路引线电极（1）非同步心脏起搏器电源振荡器脉冲引线电极72

1）电源对植入式心脏起搏器，使用的电源主要有三种：原电池、经皮射频感应电源和原子能电源。①原电池植入式心脏起搏器最常使用的电源是原电池。最早使用的原电池是水银电池，使用寿命约2年；现在开始使用锂电池，使用寿命可达10年左右。

1）电源73

②经皮射频感应电源植入式心脏起搏器也可用经皮射频感应电源供电。②经皮射频感应电源74

③原子能电源能保证有更长的寿命和更高的可靠性。

辐射源吸收器热电堆DC/DC变换器起博器③原子能电源辐射源吸收器热电堆DC/DC变换器起博器75

2）定时电路非同步心脏起搏器是最简单的一种起博器，它不管心脏的实际功能情况而只是提供一串恒定重复频率的刺激脉冲。这种情况下，振荡器可以采用自由振荡的间歇振荡器或多谐振荡器。设计的要点是：低耗电和受电源波动影响小。

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3）输出电路输出电路对电脉冲进行放大并耦合到电极上去。输出电路由一个工作在开关状态的晶体管和到电极去的一个合适的耦合电路所组成。

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4）引线和电极在大多数起搏器的设计中，脉冲输出电路都是位于远离心脏的某一位置上，所以必须有合适的引线把电刺激传到心脏并且加到合适的部位。对引线的要求：①引线必须是良导体；②机械性能必须很结实；③必须保持良好的绝缘。为了满足以上要求，引线通常都是由弹簧丝合金互相盘绕的一些螺旋线圈浇铸在硅橡胶筒内制成的。

4）引线和电极80

81

电极心脏起博器有单极型电极和双极型电极。用单极型电极时，此电极放在心脏上，负向脉冲加到此电极上，另外有一个大的无关电极放在身体的其它部位。用双极型电极时，两个电极都放在心脏上，刺激脉冲加在两个电极之间。电极可放在心脏表面（心外电极）、埋在心壁里面（心肌内电极）或紧贴在心脏内表面（心内膜电极或腔内电极）。

电极82

对电极的要求：①电极必须能够经受住由于心脏的机械运动使它们受到的反复弯曲，并且必须保持在有效起搏位置上；②必须在长期植入过程中不被溶解，对邻近的组织不能产生过度刺激；③在加上刺激信号后不会产生电解反应。最常用的材料是铂。对电极的要求：83

5）外壳

外壳是起博器的一个很重要的组成部分，对外壳的要求是：①具有好的生物相容性；②对内部电路提供必要的保护，以确保电路的正常工作；③体积小、重量轻。植入式起博器通常密封在铸制环氧树脂中，外包一层硅橡胶。

5）外壳84

（2）同步心脏起搏器

通常病人只需要断续地对心脏进行起搏，因为在间歇期间病人自身能形成正常心律。对于这些病人，不需要连续地刺激心脏。在有些情况下，如果连续刺激甚至还会引起一系列严重的并发症。解决的最好办法是采用同步心脏起搏器。

有两种通用型式的同步心脏起搏器：按需式同步心脏起搏器和心房同步心脏起搏器。

（2）同步心脏起搏器85

按需式同步心脏起搏器方框图

定时电路输出电路电极复位电路放大器按需式同步心脏起搏器方框图定时电路输出电路电极复位电86

心房同步心脏起搏器方框图

心房电极放大器单稳多谐振荡器120ms单稳多谐振荡器2ms输出电路心室电极心房同步心脏起搏器方框图心房放大器单稳多谐单稳87

9.2.5心脏除颤器心脏纤颤是由各个心肌细胞的不同步收缩引起的，心脏纤颤可导致心功能的完全丧失。通过对心脏的电击可以恢复正常心律。实现这种功能的电器装置称为除颤器。除颤器是一种对病人提供强电击，把过快、无效的心律失常恢复为正常心律的仪器。除颤器有四种类型：交流除颤器、电容放电除颤器、电容放电延时线除颤器和方波除颤器。

9.2.5心脏除颤器88

（1）交流除颤器

（1）交流除颤器89

（2）电容放电除颤器

（2）电容放电除颤器90治疗类仪器设计基础课件91治疗类仪器设计基础课件92

（3）电容放电延时线除颤器

（3）电容放电延时线除颤器93

（4）方波除颤器

（4）方波除颤器94

（5）除颤电极①电极必须同身体保持很好的接触，以便能量从除颤器到达心脏，而在电极/皮肤界面上没有损耗。②除颤电极的第二个重要性能是必须使用安全。除颤器使用两种电极：体内除颤电极和体外除颤电极。体内除颤电极是一种匙形的金属电极，可以直接放在心脏上。体外除颤电极由一个大的金属圆盘放在直径约为100mm的绝缘圆盘上所构成。

（5）除颤电极95（5）除颤电极

（5）除颤电极96

（6）同步

对于在胸部使用的大多数除颤器都有同步的功能，这是一种电子传感和触发电路，旨在确保在ECG的QRS波期间施加电击，因为在ECG的T波常常会引起心室颤动。（6）同步97治疗类仪器设计基础课件98

（7）自动体外除颤

（7）自动体外除颤99

9.2.6高频电刀

高频电刀是一种取代机械手术刀进行组织切割的电外科器械。它通过电极尖端发出的高频高压电流与肌体接触时对组织进行加热，实现对肌体组织的分离和凝固，从而起到切割和止血的目的。

最早的高频电刀的高频电能是采用火花塞放电式高频振荡器所产生，后来发展为采用大功率电子管、大功率晶体管、大功率MOS管。

9.2.6高频电刀100治疗类仪器设计基础课件101

1.高频电刀的设计原理1.高频电刀的设计原理102

高频电刀输出的典型波形：

高频电刀输出的典型波形：103

（1）电凝射频频率：250KHz～2.0MHz；调制（波镞）：120个/S左右；输出电压（开路）：300～2000V；输出功率（500Ω负载）：80～200W。（2）电切射频频率：500KHz～2.5MHz；调制：直接输出或经调幅处理；输出电压（开路）：9000V左右；输出功率（500Ω负载）：100～750W。

（1）电凝104

9.3激光治疗仪9.3.1激光产生原理

激光（laser）是受激辐射光放大的缩写。

9.3激光治疗仪105

（1）受激吸收（2）自发辐射（3）受激辐射

106治疗类仪器设计基础课件107

（4）粒子数反转粒子数反转的两个条件：①工作物质的结构，应具有寿命较长的较高能级，受激状态的寿命可达千分之几秒，即激发态为亚稳态；②施加外来能源对工作物质进行激励，将大多数粒子由基态激发到高能级。

（4）粒子数反转108

（5）光放大实现粒子反转后，处于亚稳态的粒子虽可受特定光子激励产生受激辐射，但仅靠光子一次通过工作物质的增益作用是极有限的，为实现激光输出，还需要光学反馈装置，这就是光学谐振腔。

（5）光放大109

9.3.2激光的基本特性（1）方向性强（2）单色性好（3）亮度高（4）相干性好

9.3.2激光的基本特性110

9.3.3激光器的类型和基本组成激光器的主要构件是谐振腔和激励源。谐振腔由腔内的激光媒介物（也称为工作物质）和反射镜构成。

激光媒介物：谐振腔内的激光媒介物的特性决定了激光的输出波长。激光媒介物可以是：①气体；②有机染料；③掺杂质的透明晶体棒；④半导体的PN结。

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激励源：①气体激光一般用直流或射频电流激发；②染料激光和固体激光一般用另一激光器或闪光灯的强光激发。③半导体激光用电流在PN结附近产生电子－空穴对来激发。