激光的原理与特性

激光的原理与特性第一页，共五十二页，编辑于2023年，星期日§1.1激光基本原理光吸收和辐射原理激光产生条件激光的特点激光对生物组织的作用第二页，共五十二页，编辑于2023年，星期日1、原子的自发辐射：满足条件：h=E2-E1吸收：光通过物质时，一部分光子将被原子吸收，使它们跃迁到较高能级，称为光的吸收。自发辐射：处在高能级的粒子是不稳定的，很快就会跃迁到低能级，多余的能量以光子的形式发射出来，这种发射称自发辐射。自发辐射一、光吸收和辐射原理第三页，共五十二页，编辑于2023年，星期日特点：大量独立粒子自发辐射，发光是频率、相位、偏振状态、传播方向等均不相同的非相干光，如：普通光源发光即属于自发辐射。2、受激辐射

处在高能级E2的原子，受到能量为h=E2-E1的外来光子的激励，由高能级E2受激跃迁到低能级E1，同时辐射出一个与激励光子全同(即频率、相位、偏振状态、传播方向等均同)的光子。第四页，共五十二页，编辑于2023年，星期日E2E1hE2E1hh受激辐射满足条件：h=E2-E1光放大特点：必须先有一个入射光子的作用，才能诱发得到两个特征相同的光子。这两个光子再引发其他原子受激辐射，实现光放大。第五页，共五十二页，编辑于2023年，星期日受激辐射当物质受到强烈激励时，使某一能级的粒子数大量积聚，当积聚数多于基态或下一能级的粒子数时，发生反分布。物质处于反分布状态时，如有光束射入，入射光子的能量正好等于反分布状态的两能级能量之差，则会发生光子与粒子的完全弹性碰撞，使粒子从激发态跃迁到基态或某下一能级，同时发射一个光子，此光子的能量与入射光子的能量相同，有一致的方向和恒定的位相关系。此称受激辐射。简单的讲：频率适当的光子诱发高能级的原子发射光子而跃迁到低能级。第六页，共五十二页，编辑于2023年，星期日3、受激吸收（共振吸收,光的吸收）处在低能级E1的原子受到能量等于h=E2-E1的光子的照射时，吸收这一光子跃迁到高能级E2的过程。光减弱过程E2E1h第七页，共五十二页，编辑于2023年，星期日激光产生的条件：粒子数反转光学谐振腔合适的激励能源具有亚稳态的工作物质二、激光的产生条件第八页，共五十二页，编辑于2023年，星期日1、粒子数反转分布激光是受激幅射的光，但还存在自发辐射和吸收，要使受激辐射超过吸收和自发辐射才能实现光放大根据玻尔兹曼能量分布律：

热动平衡下，

N2N1，即处于高能级的原子数大大少于低能级的原子数——粒子数的正常分布受激辐射占支配地位粒子数反转高能级上的粒子数超过低能级上的粒子数第九页，共五十二页，编辑于2023年，星期日粒子数正常分布是：为了有效地产生激光，要改变这种分布，形成粒子数反转的状态。E1E2E3E4能量N1N2粒子数反转状态E1E2N1N2第十页，共五十二页，编辑于2023年，星期日2、实现粒子数反转的条件：要有实现粒子数反转分布的物质，这种物质具有适当的能级结构；必须从外界输入能量，使工作物质中尽可能多的粒子处于激发态。（激励或泵浦）激励方法：光激励、电激励、化学激励、核激励工作物质的能级结构：具有亚稳态(寿命较长)只有具有亚稳态的工作物质才能实现粒子数反转第十一页，共五十二页，编辑于2023年，星期日①、适当的激励系统组成激光器的第一部分是激励系统。实现这种作用的方式有光子激励（光泵），即利用强光照射工作物质。光激励的第一种方式：用激光激励另种激光器；光激励的第二种方式：用气体放电激励；光激励的第三种方式：用电流激励。第十二页，共五十二页，编辑于2023年，星期日②、具有亚稳态的工作物质粒子数反转：利用外来激发打破热平衡使高能级的原子数多于低能级的原子数的这种情况亚稳态：寿命比较长一点的激发态第十三页，共五十二页，编辑于2023年，星期日三能级结构四能级结构第十四页，共五十二页，编辑于2023年，星期日光学谐振腔的作用：

1）使受激辐射光放大过程能在有限长度的工作物质中持续进行，且在满足阈值条件下形成光振荡，产生激光。

2）对输出激光的方向性给予限定。

3）有选频作用。

3、激光谐振腔(激光器的第二大部分)第十五页，共五十二页，编辑于2023年，星期日b、激光谐振腔的结构：基本激光系统部分反射镜全反射镜激发能源激光束激活激光介质激光器结构原理图第十六页，共五十二页，编辑于2023年，星期日光学谐振腔输出全反射镜（100%反射镜）部分透光反射镜（98%反射）光学谐振腔激发态原子基态实现粒子数反转分布的激活介质辐射的光的位相、偏振状态、频率、传播方向是随机的。第十七页，共五十二页，编辑于2023年，星期日He-Ne激光器的能级图电子碰撞扩散共振转移λ3=1152.3nmλ2=632.8nm2Pλ1=3391nm3S2SE3E1能量（W）E00212019181716151S3PHe+Ne+He+Ne+第十八页，共五十二页，编辑于2023年，星期日基态R2：629.9nmR1：694.3nm2E4F24F1400nm（蓝）550nm（绿）τ=3×10-3s50nm红宝石中Cr3+能级4A2第十九页，共五十二页，编辑于2023年，星期日激光波长范围宽：远红外----X射线波长特点：单一或可调发光方式：脉冲或连续功率范围：10-3----105W,脉冲峰值可达1013W激光器种类繁多：按工作物质可分为：气体激光器，如：He-Ne激光器固体激光器，如：红宝石激光器半导体激光器，如：GaAs激光器染料激光器，如：乙醇，苯类、丙酮、二甲基等本节介绍激光的产生、特性，对生物组织的作用及医学应用第二十页，共五十二页，编辑于2023年，星期日一、激光的基本特性1、单色性好2、方向性好3、亮度高强度大4、相干性好第二十一页，共五十二页，编辑于2023年，星期日1、单色性好单色性的好坏反映了光能量在频谱上分布的集中性。光谱线宽度是衡量单色性好坏的标志Kr灯：605.7nm,谱线宽度=4.7*10-4nmHe-Ne激光：632.8nm,谱线宽度=4.7*10-8nm原因:受激辐射,光子一致;谐振腔选频.应用:光的生物效应强烈地依赖于光的波长,因此激光良好的单色性在医学上具有重要的应用价值.第二十二页，共五十二页，编辑于2023年，星期日第二十三页，共五十二页，编辑于2023年，星期日2、高度准直性(方向性好---激光的发散角小。)=2~5mrad（毫弧度）(1km时光斑直径10m)激光器LaserHe--Ne激光经纬仪测月红宝石激光器=410-5mradD=1.6km第二十四页，共五十二页，编辑于2023年，星期日方向性的好坏反映了光能量在空间分布的集中性。发散角是衡量光束方向性好坏的标志.探照灯：38万公里远月亮上，光斑直径1000公里.单模激光：α=122λ/D,发散角1毫弧度(mrad),光斑直径1公里.原因:

受激辐射一致;谐振腔选模.应用:激光的方向性好就意味着可以把光束传播到很远的距离而仍然确保足够的强度。在医用范围内，如不考虑空气的吸收，激光的强度几乎和距离无关。激光在空间的高度集中,可聚焦成激光手术刀;加上单色性好,聚焦时无色散象差,可聚焦成微米级的激光微束。例如国内已经制成激光微手术刀，可使激光束细到只有1μm，可方便的对细胞施行切割或焊接手术。第二十五页，共五十二页，编辑于2023年，星期日3、亮度高强度大

亮度是光源在单位面积上，向某一方向的单位立体角内发射的功率.1米长的40W日光灯,与1米长的40WCO2激光器相比亮度相差1010=100亿倍.红宝石脉冲激光器1016KW/cm2比太阳高100亿倍.

可用于制造微光武器，在千分之几秒内将钢板击穿，也可用于控核聚变，触发氢弹。激光碎石术正是利用此特性。第二十六页，共五十二页，编辑于2023年，星期日

激光的输出功率虽然有个限度，但由于其光束细(发散特别小)，功率密度特别大，因而其亮度也特别大.把分散在180°范围内的光集中到0.18°范围，亮度提高100万倍.通过调Q等技术，压缩脉冲宽度，还可以进一步提高亮度.第二十七页，共五十二页，编辑于2023年，星期日

注意：

亮度是描述光源的参量，医学应用更关心的是被光辐射处的强度。强度与亮度成正比关系。核聚变，激光碎石机。

辐射亮度,与人眼对不同波长的感觉无关.YAG激光看不见,但可以切割骨骼、肿瘤等，He-Ne激光能看见，但只能做理疗。第二十八页，共五十二页，编辑于2023年，星期日相干性好

若频率相同、振动方向相同的两列波，在相遇处位相差恒定，这两列波就是相干的。激光是受激辐射，受激辐射的光子其频率和振动方向均相同，且光子之间又相互关联，所以在较长时间内位相差可保持恒定的。因此，激光具有很好的相干性。

Kr灯：相干长度几十厘米单模稳频HeNe激光：相干长度几十公里。主要用于医学基础研究和临床疾病的诊断。第二十九页，共五十二页，编辑于2023年，星期日4、高度相干性相干性是指光波场中光振动之间的相关程度。相干性越好则光场中任取两点作光源所产生的干涉和衍射的条纹越清晰。杨氏双缝干涉由德布罗意关系式(谱线宽度越窄)又由海森伯不确定关系式即激光光波有很好的相干长度第三十页，共五十二页，编辑于2023年，星期日Ir圆孔衍射注意：光的单色性越好，则其相干性也越好。二者是统一的.第三十一页，共五十二页，编辑于2023年，星期日激光的基本特性

激光的上述几个特性都是相互关联的，单色性好、方向性好导致亮度高强度大。第三十二页，共五十二页，编辑于2023年，星期日1、影响激光生物效应的激光参量激光的波长、频率、光量子能量、颜色激光的能量、功率和功率密度激光的聚焦光斑、扩束光斑和原光斑激光的连续和脉冲工作方式激光的摸式激光的相干和偏振四、激光对生物组织的作用及医学应用第三十三页，共五十二页，编辑于2023年，星期日2、激光生物作用机理光致发光作用光致发热作用光敏压强作用光致化学反应光的电磁场作用光致生物刺激作用第三十四页，共五十二页，编辑于2023年，星期日3、激光治疗的基本方法及其原理a.激光外科手术切割:激光光刀(热光刀、冷光刀)止血:激光光凝缝合:激光焊接粘合激光外科术激光理疗术激光针灸术激光内镜术激光光动力学术第三十五页，共五十二页，编辑于2023年，星期日激光手术的分类激光手术按作用机理来分成热光刀和冷光刀，热光刀机理:光致发热作用、热致二次压强作用冷光刀机理:光致化学分解作用按手术功能分类：激光打孔、激光止血、激光焊接、激光切割按激光作用后组织反应水平分类：激光凝固、激光汽化、激光切分按激光器所附属导光系统不同分为：激光显微手术刀、光纤光刀、关节臂光刀第三十六页，共五十二页，编辑于2023年，星期日激光手术的原理热致坏死性凝固热致汽化热作用切割冷光刀激光手术的特点与传统的手术比较激光手术有如下特点：

①多功能②出血少或不出血

③手术中可防止肿瘤细胞扩散转移

④手术质量高⑤手术中无机械接触

⑥手术中疼痛轻，术后反应小

⑦配合内镜技术不必剖胸剖腹

第三十七页，共五十二页，编辑于2023年，星期日b、激光理疗理疗是利用各种物理因子对人体的刺激作用，引起人体的各种反应，以调节、促进、维持、恢复或代偿各种生理功能，影响病理过程，达到防治疾病与康复目的激光理疗分为：原光束照射、散焦扩束照射、光纤照射c、激光穴位治疗用弱激光的生物刺激作用代替传统的针和灸的刺激进行治疗称之为激光穴位治疗。第三十八页，共五十二页，编辑于2023年，星期日激光穴位治疗对人体作用的基础实验研究He-Ne激光穿透能力的实验研究穴位的特异性实验研究热效应实验研究对皮肤电阻影响实验研究对神经系统及肌肉组织的影响实验研究激光穴位治疗循经传导实验研究对免疫功能影响的实验研究镇痛作用实验研究激发经络隐性传感实验研究第三十九页，共五十二页，编辑于2023年，星期日d、激光治疗眼科疾病1960年红宝石激光694.3治疗视网膜脉络膜炎,1968年氩离子激光治疗视网膜血管性疾病1973年调Q红宝石激光房角穿刺术、激光小梁成型术1977年经瞳孔激光环灼术1980年氪离子激光647.1治疗黄斑疾病1980年Q开关和锁模Nd:YAG击穿切割浑浊的晶体后囊膜及玻璃体条索,还用于虹膜周边切除术、粘连分离术、晶体碎裂术等1981年染料激光开始光动力学疗法治疗眼内恶性肿瘤1985年准分子激光切割角膜第四十页，共五十二页，编辑于2023年，星期日激光医学在眼科的应用的现状视网膜血管系统的疾病周边部视网膜结构异常黄斑病青光眼白内障屈光性角膜手术其它第四十一页，共五十二页，编辑于2023年，星期日e、激光在外科领域的应用的现状与展望有止血功能的手术刀与内窥镜结合治疗内腔