激光技术基础讲座

激光技术基础许松林上海交通大学医学院激光推进了世界的技术革命激光通讯解决了电通讯拥挤的难题激光存储大大扩充了音像存储介质的存储容量激光加工提高了加工的精度和自动化程度激光武器最快、最准（摧毁导弹和卫星）激光提供了治疗和诊断有力的武器光的基本性质光既是具有波动特性的波又是粒子流光的电磁波特性光是电磁波，是电场和磁场在空间周期性变化的传播电场、磁场和传播方向三者相互垂直，在空气中的传播速度为30万公里/秒速度V=

：光的波长

：光的频率

光的波动特性光有干涉和衍射特性；在不同界面上发生反射与折射折射率n=c/v波长不同光的颜色各异可见光400nm--760nm

紫外光400nm以下

红外光760nm以上光的微粒特性光子的能量

=hh=6.624×10–34J•S光子的质量m=/c2=h/c2,静止质量为“0”光子的动量p=mc=h/c=h/光子的振动有两种独立的偏振状态光子的自旋自旋量子数为整数，是玻色子物质的层次结构自然界的物质，其结构都是分层次的，如原子：物质的能级结构

物质的结构是非连续的，由原子、分子等组成物质的能级结构是非连续的：基态和一系列激发态。基态：常温时处于最低的能量状态E0激发态：E1,E2…En…E2

量物质中粒子数按能级的分布正常分布：常温时多数粒子处于基态反分布：高能级的粒子数多于低能级的粒子数亚稳态：与其它激发态比较寿命较长的状态光与物质作用的三种过程自发辐射：粒子从各激发态随机地过渡到基态，发射能量和位相不相同的光子受激吸收：光子将物质中粒子激发到某一上能级，光子消失，粒子能量增加受激发射：当物质中多数粒子处于高能级，受到适当光子的激发时，发射一个同能量的光子回到基态，产生光的放大作用E1E0E1E0吸收自发辐射受激辐射hhhhhABC光与物质作用三过程受激发射hnhE0E1放大倍数=nh/h

LASER

Light

AmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation受激发时的光子为全同粒子：光子的能量、动量、位相和传播方向都相同Cr3+

(Al2O3)

:RubyLaser2E:

=3ms4A22EE2A4F1

4F2694.3nmNd:YAG激光原理

光泵4F3/21.06m激光４F11/24F9/2激发态寿命230--250s激光器的结构工作物质：固体、液体、气体、半导体激励能量系统：光泵、放电激励、电流激励激光谐振腔：全反镜和输出窗口的部分反射镜组成工作物质泵源全反镜半反镜工作物质激光激光器的结构工作物质工作物质的条件：能级结构有亚稳态，能透光、散热。固体工作物质：Cr3+:Al2O3Nd:YAG,Ho:YAG,Er:YAG,Nd:YAP气体工作物质：CO2,HeNe,N2,Ar+,Kr+，Xe等分子、原子、离子气体及准分子气体ArF、XeCl、KrF等液体工作物质：无机或有机染料，如若丹明、荧光素、香豆素、吖啶橙等半导体工作物质：AlGaAs,InGaAlP,InGaAsP,InGaN

激励能源系统工作物质获得激活能的方式光泵：氪灯、氙灯是常用光源，现在半导体激光用作光泵源，体积小，效率高气体放电：气体工作物质在电压作用下放电，在碰撞下使微粒能级发生变化。电流激励：半导体的PN结通过大电流时形成能量转换。激光谐振腔谐振腔由二块反射镜组成：一块全反镜，另一块部分反射镜，相对放置且与激光器共轴。医用激光器中用得最多的是平行平面腔与平凹腔激光束的特性高斯光束：TEM00模振荡状态产生的光束强度分布为I=I0e-2r2/

2发散角：很小，常用激光器在10mrad以下光束的三大特点：方向性好：优于任何其它光源，因此亮度大，亮度B=p/s,p:光功率，S=发射面积，：发射立体角单色性好：频带极窄因是固定能级间的跃迁相干性好：因是受激发射，光子的产生是相关的，空间相干性和时间相干性好。激光的模式激光器可能的振荡状态有多种，基态时产生基模，即TEM00模，此时光束质量最好，激光器也可能以其它状态振荡，产生其它模式的激光束.如TEM00、TEM01….TEM0n….TEM10、TEM20…TEMn0….等模。这些模式的发散角大，光束截面上有多个光斑激光的能量和功率光能与其它能量一样，计量单位为焦耳和尔格

1焦耳=107尔格脉冲激光的参数有单脉冲能量、峰值功率和平均功率单脉冲能量：一个光脉冲的能量，常以mj计峰值功率：光脉冲最大处的功率平均功率：每秒内脉冲能量之和连续激光用光功率表示光的强弱光功率：每秒钟发射的光能，单位为瓦（w）能量密度和功率密度表示受照面受照的程度能量密度：受照面积上每平方厘米接受到的光能功率密度：受照面积上每平方厘米接受到的光功率能量密度和功率密度是衡量组织受照程度的物理量

激光的能量密度和功率密度氦氖激光治疗机氦氖激光治疗机的波长632.8nm,治疗用功率在1mw—100mw之间。激光发散角2mrad左右。用在外照射时以30mw以上为好，常用在消炎止痛，关节疼痛等，内照射时规定在5mw以下，如照射静脉管流动的血液时，一般在1.5mw—4.5mw之间。用在光动力学治疗时，将数根激光管联合起来使用。0.1—0.2w的激光可产生光化作用治疗肿瘤。CO2激光CO2激光的波长为10.6

m.医学上使用0.5w—100w的激光器,常用连续激光,但脉冲CO2激光光点周围的损伤小,做整形与美容手术时常使用毫微秒级的脉冲激光器.CO2激光常用作手术刀,气化和照射.激光对组织的穿透深度仅0.23mm,切割手术时比较细微.CO2激光的传输仅能用导光关节臂,但也发明了传送CO2激光的光纤,目前仅能传送15w以下的激光,耗损在50%以上.射频激励超短脉冲CO2激光器高能量短脉冲CO2激光器对作用点周围组织的热损伤小，现代的激光手术刀广泛使用射频激励CO2激光器，此种激光器由全金属腔组成，由四片长条形金属片组成放电管，充以CO2气体，安上金膜、硒化锌谐振腔片，以50-100MHZ的射频激励，产生微秒级的光脉冲。Nd:YAG激光Nd:YAG激光的波长1.06

m.治疗用1-100w功率.此种波长激光穿透深度3.8mm左右.因透入组织内很深,有很好的体积治疗效应,对血管瘤和痔疮有很好的疗效.因其波长在石英光纤传输的范围内,可将激光导入内腔进行治疗.如胃内出血止血,肝脏手术,前列腺手术等等.Ho:YAG和Er:YAG二种激光器是新型固体激光器.其波长分别为2.1

m和2.94

m.分别处于组织水二个吸收峰值.因此热损伤较小.是很有发展前途的激光治疗机.1.5

m左右的固体激光处于水吸收的小峰上,也有广泛的应用.水的吸收系数与波长的关系近红外激光器Nd：YAGLASER1.06µmYb:YAG1.029µmNd:YAP1.34µmTm:YVO4