医用物理学 第2版 课件 第16章激光及其医学应用

爱因斯坦于1917年在他的辐射理论中提出了受激辐射的概念1924年R.C.Tolman(托尔曼)提出了具有粒子数反转的工作物质具有光学增益。(产生激光的基本条件之一)1960年T.Maiman（梅曼）研制世界第一台激光器。laser，lightamplificationofstimulatedemissionofradiation又名：镭射受激辐射光放大，简称激光。目前激光技术已经广泛应用在工业、信息、通讯、生物、医学等各个领域，并形成激光生物学、激光医学等学科，在医学领域的应用尤其广泛和活跃。每一种原子、分子或离子都有自己的一系列可能的能级。不同原子。分子或离子的能级是不相同。一、粒子能级与辐射跃迁

物质由原子（分子、离子）组成，原子、分子和离子统称为粒子。本课以原子为例介绍能级概念，所得结论同样适合分子和离子。1、粒子能级与平均寿命由于原子中的电子只能处于一系列不连续的轨道，因此电子能量也只能取一系列不连续的数值，称为能量的量子化。由于原子中所有电子的能量之和就是原子的能量。所以原子的能量也是量子化的。将原子可能的能量取值称为原子能级。对于给定的原子来说，尽管存在一系列的能级，但某一时刻，原子只能处于其中的一个能级上。基态激发态基态和激发态亚稳态：是一激发态，平均寿命10-2~10-3s处在基态的粒子是稳定的，处在激发态的粒子是不稳定的，其平均停留时间即平均寿命为激发态平均寿命

研究发现某些物质存在一个寿命较长的激发态，称为亚稳态。处在激发态的粒子是不稳定的，总是辐射出一定的能量回低能级。粒子在各个能级分布的正常规律：处于低能级上的原子数总是比处于高能级上的原子数多，能级越高，分布在这个能级上的原子数就越少。自发辐射E2E1（1）自发辐射2、光与物质相互作用的理论三种基本过程：自发辐射、受激吸收和受激辐射一般情况下，粒子几乎都处在基态。但是处在基态的粒子通过某种方式（如加热、光照等）获取一定能量后，就会跃迁到较高能量状态,由于粒子在激发态是不稳定的，就会自发从较高的能量状态跃迁的低能量状态（低能级）同时释放出一定的能量。有两种方式：自发辐射和无辐射跃迁。处在高能级的粒子自发地从高能级跃迁到低能级并放出一个光子的过程称为自发辐射。释放光子的能量等于粒子跃迁能级之间的差值。注意：E1不一定是基态大量粒子独立自发辐射时，各自发出光子的传播方向、振动方向、相位以及频率各不相同，是非相干光。就是同一个粒子先后发出的光，频率、相位、传播方向等也不相同。自发辐射是普通光源的发光机制。自发辐射的特点E2E1E1E0E2E3E4钨丝发光示意图（白炽灯）E1E0E2E3E4钨原子处于基态钨原子吸收电能跃迁高能级E1E0E2E3E4（2）受激吸收(共振吸收）E2E1处在低能级E1上的粒子受到能量为h

=E2-E1

的光子照射时，吸收这个光子跃迁到E2能级的过程称为受激吸收。受激吸收不会自发进行，必须有外来光子的激励才能发生。对外来光子传播方向、相位、振动方向无要求，只要外来光子的能量满足受激吸收就会发生。受激吸收的结果是外来光子被吸收。（3）受激辐射E2E1处在高能级E2上的粒子，在没有自发辐射之前，受到能量为h

=E2-E1

的光子诱导，从高能级E2跃迁到低能级E1，同时辐射出一个与外来光子性质完全相同光子的过程称为受激辐射。说明：①不会自发产生，须有外来光子诱导；②外来光子能量必须满足③辐射出来的光子与原来入射光子完全相同。传播方向、相位、频率、振动方向等全同。④出射光等于入射光的两倍，实现了光放大。⑤激光就是受激辐射得到的光。⑥受激辐射得到的光是相干光。要想获得激光必须使粒子发生受激辐射，那么，在外来光子作用下，能使受激辐射产生吗？二、粒子数按能级的分布1、玻尔兹曼分布规律E2E1在一个由大量粒子构成的体系中，热平衡时各能级粒子数分布温度恒定或变化极慢在一个由大量粒子构成的体系中，热平衡时处在低能级的粒子数多于处于高能级的粒子数。地球表面低处空气分子比高处多。从玻尔兹曼定律可以证明，热平衡时粒子几乎全都处在基态。粒子数的这种分布称为正常分布这样，当外来光子作用时，产生是受激吸收，而不会产生受激辐射。2、粒子数反转分布粒子数正常分布是：E1E2E3E4能量N1N2粒子数反转分布E1E2N1N2粒子数反转分布：在热平衡状态下，处于高能级的粒子数要超过处于低能级的粒子数，这种分布与粒子数正常分布相反，称为粒子数反转分布。实现粒子数反转分布，才可能使受激辐射占绝对优势，才有可能实现光放大而获得激光。那么如何实现粒子数反转分布呢？实现粒子数反转分布是产生激光的必要条件。3、粒子数反转分布的条件要实现粒子数反转分布，必须满足如下两个条件：①工作物质中必须具有亚稳态能级结构；②外界提供能量（即必须有激励装置）。红宝石激光器实现粒子数反转分布方法红宝石激光器中产生激光的工作物质是Cr3+，其能级结构如图：基态亚稳态第二激发态紫光照射激励无辐射跃迁因此产生激光的物质必须具有亚稳态。激励：外界提供能量，把处于低能级上的原子激发到高能级上去的过程。三、光学谐振腔部分反射镜全反射镜工作物质基态亚稳态第二激发态处在亚稳态的粒子自发辐射产生的光子是诱导受激辐射的外来光子。（100%反射镜）（90%反射）因自发辐射产生的沿光学谐振腔轴向传播的光子，经反射后，在工作介质传播不断诱发受激辐射，光子数量激增，形成光振荡。Laser光学谐振腔的作用：①使受激辐射光放大过程在实现了粒子数反转分布的工作物质中持续不断进行，产生激光；②对输出激光的方向给予限定；③有选频作用。四、激光器的基本结构激光器组成工作介质激励装置谐振腔气体、液体、固体或半导体光激励、电激励普通光源的光是自发辐射。激光是受激辐射光，具有单色性好，方向性好，相干性好，亮度高等特点。/video/BV1cv411W77t?p=2一、激光的特点1、方向性好激光光束的发散角很小，大约只有0.00001弧度量级，几乎就是平行光。D=1.6km=2~5mrad（毫弧度）(1km时光斑直径10m)2、亮度高、强度大大量全同光子集中在一个极小空间范围内，所以能量密度极高。40W的CO2激光器产生激光亮度比太阳表面的亮度高近100亿倍；中等强度的激光束照射物体可在物体表面产生数千度到数万度的高温。3、单色性好4、相干性好/video/BV1Gb4y187vy相干光就是频率＼偏振＼和传播方向相同的光波。激光的相干性可以分为空间相干性和时间相干性二种，分别表示空间不同位置光波场某些特性之间的相关性和空间点在不同时刻光波场之间的相关性。而通常我们定性地用杨氏双缝干涉实验的干涉条纹的清晰程度来判别光束的相干性程度。相干长度L越长，干涉条纹越清晰，表示相干性越好。二、激光的生物效应激光与生物组织相互作用后引起生物组织的任何变化，从生物组织角度来说称为激光的生物效应，从激光角度来说称为激光的生物作用。强激光：激光直接照射生物组织时，使生物组织产生不可逆的损伤，这样的激光称为强激光。弱激光：激光直接照射生物组织时，不会导致生物组织产生不可逆的损伤，这样的激光称为弱激光。

激光的生物作用

热作用

压强作用

光化作用

电磁场作用

生物刺激效应三、激光在医学中的应用1、激光治疗：1960年世界上第一台红宝石激光器研制成功，不久用于焊接视网膜脱落，每年可使数百万人免遭失明。到目前为止，临床上使用的激光医疗设备已有上百个品种，激光治疗所涉及的范围几乎包括了临床所有科室和专业，治疗的病种达数百种。基本方法有四大类：①激光手术：激光手术有出血少、无感染、伤口愈合快等优点，对于肿瘤组织可防止转移。②弱激光治疗：主要有三种方法：激光理疗、激光针灸和弱激光静脉照射治疗。弱激光的临床治疗几乎包括了常规针灸和理疗的全部病种，特别是对一些急、慢性炎症，疼痛，慢性溃疡及创伤的愈合等有显著疗效；激光血管内照射疗法对某些系统疾病，有增强体能，缓解症状的作用。③激光光动力学疗法：利用激光的光化学效应。

给人体静脉注射血扑啉（HpD）等光敏剂，它会进入人体各部分组织，并很快从正常组织中排出，但与肿瘤组织有较强的亲和力，停留在肿瘤组织时间较长。当用特定波长的激光照射时，HpD吸收激光产生光敏反应产生臭氧，有效地杀死肿瘤细胞或破坏肿瘤细胞中的微血管。或者用另外特定波长激光照射，HPD会发出荧光，可用于肿瘤的定位