光的量子特性与激光及其医学应用

光的量子特性与激光及其医学应用第一页，共三十页，2022年，8月28日电磁波光子或光量子光的波动性光的粒子性

波长l频率n波速cm

动质量e能量p动量波的干涉波的衍射横波偏振有波动参量如：有波的行为特性如：有粒子参量如：有粒子的行为特性如：黑体辐射光电效应激光,光的这种双重特性,称为光的波粒二象性。既具有波动性又具有粒子性光第二页，共三十页，2022年，8月28日物质的发光原理及光源光发射的本质实际上就是原子或分子能级跃迁的结果。产生光的方法有很多：第三页，共三十页，2022年，8月28日一.热辐射现象任何物体在任何温度下都能辐射出电磁波。这种与温度有关的辐射称为热辐射。热辐射不透明体发射各种波长的热辐射能TT一处于某温度温度越高，辐射出的总能量越大，短波成分越多。热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从0直至∞，一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线传播。第四页，共三十页，2022年，8月28日

利用红外线检测人体的健康状态；本图片是人体的背部热图，可根据不同颜色判断病变区域。人体辐射红外线-----

医学临床诊断中的人体红外热像图:第五页，共三十页，2022年，8月28日黑体辐射实验规律

不透明的材料制成带小孔的空腔,可近似看作黑体。黑体模型

研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础。黑体如果一个物体在任何温度下，对任何波长的电磁波都完全吸收，而不反射和透射，这种物体就叫做黑体。（黑体是理想模型）第六页，共三十页，2022年，8月28日

黑体的辐射强度与黑体绝对温度的四次方成正比：（1）斯特藩-玻耳兹曼定律（如右图）同一物体，温度越高，辐射电磁波的能力就越大，表现在高温物体的辐射曲线整个都在低温物体辐射曲线的上方。通过黑体辐射实验，总结出两条实验规律斯特藩—玻尔兹曼常量0100020001.00.5

可见光区3000K6000K第七页，共三十页，2022年，8月28日2000K()MBTM

(T)0l黑体的单色辐出度1750K()MBT1500K()MBT1000K()MBT10m-6123456波长

l0lm

对于给定温度T，黑体的单色辐出度都有一最大值,其对应波长为，称为峰值波长。（2）维恩位移定律物体温度越高，峰值波长越短，成反比。当温度很低时，主要辐射出远红外、红外线，基本不辐射可见光。人体表面温度约300K，从人体辐射的电磁波最大波长则为9600nm，位于远红外区太阳表面温度约6000K，因而辐射出的波长正好在可见光范围。当然还有大量的红外线和紫外线第八页，共三十页，2022年，8月28日

能量量子化假说：辐射黑体中分子、原子的振动可看作线性谐振子。但是这些谐振子的能量只能是某一最小能量ε（称为量子）的整数倍，不能连续变化，即：ε,1ε,2ε,3ε,...nε。n为正整数，称为量子数。对于频率为ν的谐振子的能量最小单元，称为量子：能量量子经典

振子从一个状态跃迁到另一个状态时，辐射出或吸收的能量也是量子化的，是不连续的。而经典的热力学和电磁场理论的观点则认为，振子的能量变化是连续的，可以是任意值。普朗克假说使得多种微观线性得以正确的解释。普朗克常量第九页，共三十页，2022年，8月28日第二节光电效应一.光电效应的基本规律U+G++加速电势差U光电流i光电子石英窗K阴极金属板A阳极外接极性反向测遏止电势差Ua光强I光频率n

适当频率的光束照射到金属表面使电子从金属中脱出的现象称为光电效应。i0U21光强较强光强较弱频率相同nHI1HI2aU第十页，共三十页，2022年，8月28日U0e应与光强有关m120v2max电子从具有一定振幅的光波中吸收与光强无关I不论什么频率，只要光足够强，总可连续供给电子足够的能量而逸出。nn0金属材料的截止频率时，无论多强，均无电子逸出。I初动能与光强有关无红限有红限光电子的最大初动能与遏止电压U有关，与光强无关瞬时响应响应快慢取决光强光强越弱，电子从连续光波中吸收并累积能量到逸出所需的时间越长。只要不论光强多弱，nn0几乎同时观察到光电效应。（小于）s019能量而逸出其初动能光的波动理论光电效应实验规律光的波动理论与光电效应实验规律相矛盾第十一页，共三十页，2022年，8月28日二.爱因斯坦的光子假设

1.不仅在发射和吸收时辐射能是量子化的，而且辐射能在传递过程中也是量子化的。

2.

光在真空中是以光速c运动的粒子流，这些粒子称为光量子(lightquantum),即光子(photon)。单个光子的能量为。

3.根据能量守恒，金属中一个电子吸收一个光子的能量hv，一部分用来克服电子的逸出功A，另一部分转换成光电子的初动能，即

爱因斯坦光电效应方程m120v2nhA+该方程可以全面地解释光电效应的实验规律。第十二页，共三十页，2022年，8月28日三光电效应在近代技术中的应用光控继电器、自动控制、自动计数、自动报警等.光电倍增管放大器接控件机构光光控继电器示意图第二节光电效应爱因斯坦的光量子论第十三页，共三十页，2022年，8月28日

第四节激光(Laser)

激光又名镭射,它的全名是:

“受激辐射的光放大”。(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)激光（钱学森教授建议得名）:

利用光能、热能、电能、化学能或核能等外部能量激励工作物质，使其发生受激辐射而产生的一种特殊的光。成为新的光源。爱因斯坦于1917年在光量子论的基础上发展了自发辐射和受激辐射理论，预言了原子产生受激辐射放大的可能性。第十四页，共三十页，2022年，8月28日激光输出的波长范围，可以从远红外直到紫外甚至到x光波段；波长可以是单一的，也可以是多种可调的；输出方式可以是连续的，也可以是脉冲的。激光的功率范围可以从mW到百kW，脉冲峰值可达1013W激光器的品种已达数百种，激光以其特殊的发光机制与激光器结构而具有普通光源发出的光所无可比拟的优点，激光技术已渗透到工业、通讯、生物、医学等领域，形成激光生物学、激光医学等边缘学科。第十五页，共三十页，2022年，8月28日（一）激光的基本原理当分子、原子或离子在处于较高能级E2时，是比较不稳定的，它会自动跃迁到较低能级E1上，并释放一定的能量。释放能量的方式有两种：一种是无辐射跃迁（非光能的形式），转变为热能被吸收或者释放；另一种是以光能的形式吸收或释放，辐射出一个光子，叫做辐射跃迁，辐射光子的频率满足：这种跃迁，每一个粒子的跃迁都是自发地独立地进行，因而它们所辐射的光的相位、方向以及偏振方向都是随机的，因此是非相干光。例如日光灯发出的光。第十六页，共三十页，2022年，8月28日按照原子的量子理论，光和原子的相互作用可能引起受激吸收、自发辐射和受激辐射三种跃迁过程。

受激吸收：原来处于低能态E1的原子，受到频率为，能量为的光子照射时，该原子就有可能吸收此光子的能量，向高能态E2跃迁，这种过程称为受激吸收，或称为原子的光激发。E1E2受激吸收第十七页，共三十页，2022年，8月28日自发辐射

原子受激后，处于高能态E2，是不稳定的，一般只能停留10-8S。在没有外界的作用下，会自发地回到低能态，同时向外辐射出一个能量为的光子，这称为自发辐射。普通光源的发光就属于自发辐射。由于发光物质中各个原子自发地、独立地进行辐射，因而各个光子的位相、偏振态和传播方向之间没有确定的关系。E1E2自发辐射第十八页，共三十页，2022年，8月28日

受激辐射

处于高能级E2的原子，如果在自发辐射以前受到能量为的外来光子的诱发作用，就有可能从高能态跃迁到低能态，同时发射一个与外来光子频率、相位、偏振态和传播方向都相同的光子，这一过程称为受激辐射。

激光光源发光的机制..。

发光前发光后

受激辐射光放大结果是，出射光比入射光增加一倍，而且是相干光。如果能将这个过程持续下去，就能获得大量的状态相同的光子，即形成了光放大。第十九页，共三十页，2022年，8月28日（二）激光产生的条件及激光器的构成光与物质的相互作用时，总是同时存在受激吸收、自发辐射以及受激辐射，到底哪一方占主导，取决于粒子在两个能级上的分布多少。低能态的原子数目多，则受激吸收占主导，观察不到光的放大现象；若高能态的原子数目多，则受激辐射总体上占优势，能观察到持续的光放大。通常情况下，原子是处于热平衡态，即能量越高的粒子的数目越少，所以常温下，原子几乎全部都处于基态。这样，即使有满足能级差的光子能量到来，也几乎全部被低能级的原子吸收，而很少被高能级原子吸收而产生受激辐射，无法产生持续的光放大。所以，为了实现光放大，必须使得高能态的原子数目多于低能态，即“粒子数反转”的状态。第二十页，共三十页，2022年，8月28日粒子数的正常分布.....。。。。。。。。。。。。。粒子数反转分布...............。。。。。条件一：要求介质有适当的能级结构，即存在亚稳态能级的介质能实现粒子数反转，这种介质称为激活介质，或者工作物质。可以是固体、液体或是气体。亚稳态基态激发态(10-8S)(10-3S）2.粒子数反转第二十一页，共三十页，2022年，8月28日不同类型的激光器，常见的工作物质有：气体激光器：He-Ne气体，CO2气体，气态的Ar+，Kr+固体激光器：红宝石，钕玻璃，掺钕钇铝石榴石Nd:YAG半导体激光器：砷化镓GaAs，硫化镉CdS，磷化铟InP，硫化锌ZnS液体激光器：若丹明染料第二十二页，共三十页，2022年，8月28日条件二

必须有外界能源提供能量，使激活介质有尽可能多的原子吸收能量后跃迁到高能态。这一能量供应过程称为“激励”，又称为“抽运”或“泵浦”。激励的方法一般有光激励、气体放电激励、化学激励、核能激励等。基态E1E3E2激发态亚稳态抽运无辐射跃迁（能量转移给晶格）三能级系统第二十三页，共三十页，2022年，8月28日实现了粒子数反转分布的激活介质尽管能够对光进行放大，但是还不可能得到方向性和单色性很好的激光。激发态原子

基态自发辐射受激辐射

在实现了粒子数反转分布的激活介质内，但是受激辐射最初是由自发辐射或其他形式来激励的，所辐射的光的相位、偏振态、频率和传播方向都是互不相关，也是随机的。无谐振腔时受激辐射的方向是随机的

条件三.光学谐振腔第二十四页，共三十页，2022年，8月28日M1M2M1M2M1M2全反射镜100%反射部分反射镜90%以上反射谐振腔对光束方向的选择性沿光轴方向运动的光子，反复多次反射产生雪崩式放大，从部分反射镜射出形成激光。偏离轴线方向的光子逸出腔外

沿轴线方向的光子，在腔内来回反射，产生连锁式放大

在一定条件下，从部分反射镜射出很强的光束—--激光光学谐振腔:第二十五页，共三十页，2022年，8月28日部分反射镜激励能源全反射镜激光输出工作物质

光学谐振腔——工作物质——激励能源——光学谐振腔产生激光必要条件1.实现粒子数反转２.使原子被激发３.要实现光放大L

4.激光器的结构基本组成部分第二十六页，共三十页，2022年，8月28日激光器的分类

（按工作物质分类）

激光器气体激光器固体激光器半导体激光器染料激光器

气体激光器，按工作物质的性质又分为原子激光器、分子激光器和离子激光器。波谱范围广，能连续输出，单色性、方向性比其它类型的激光器好。且制造方便、成本低、可靠性高。常用的固体激光器为红宝石、钕玻璃、掺钕钇铝石榴石。体积小、功率大、使用方便，但工作物质较贵，结构制造复杂。半导体激光器的种类很多。不同类型的工作物质，不同方式的激励，以及提供振荡的不同结构，都可构成不同类型的激光器。光谱结构复杂，单色性差，但其重量轻、耗电省。利用有机染料分子独特的光谱结构，可以得到在一定范围内连续可调的激光。第二十七页，共三十页，2022年，8月28日5.激光的特点1）方向性好

激光束发散角很小(10-4