激光的原理與特性

關于激光的原理與特性第1頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五§1.1激光基本原理光吸收和輻射原理激光產(chǎn)生條件激光的特點激光對生物組織的作用第2頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五1、原子的自發(fā)輻射：滿足條件：h=E2-E1吸收：光通過物質(zhì)時，一部分光子將被原子吸收，使它們躍遷到較高能級，稱為光的吸收。自發(fā)輻射：處在高能級的粒子是不穩(wěn)定的，很快就會躍遷到低能級，多余的能量以光子的形式發(fā)射出來，這種發(fā)射稱自發(fā)輻射。自發(fā)輻射一、光吸收和輻射原理第3頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五特點：大量獨立粒子自發(fā)輻射，發(fā)光是頻率、相位、偏振狀態(tài)、傳播方向等均不相同的非相干光，如：普通光源發(fā)光即屬于自發(fā)輻射。2、受激輻射

處在高能級E2的原子，受到能量為h=E2-E1的外來光子的激勵，由高能級E2受激躍遷到低能級E1，同時輻射出一個與激勵光子全同(即頻率、相位、偏振狀態(tài)、傳播方向等均同)的光子。第4頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五E2E1hE2E1hh受激輻射滿足條件：h=E2-E1光放大特點：必須先有一個入射光子的作用，才能誘發(fā)得到兩個特征相同的光子。這兩個光子再引發(fā)其他原子受激輻射，實現(xiàn)光放大。第5頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五受激輻射當物質(zhì)受到強烈激勵時，使某一能級的粒子數(shù)大量積聚，當積聚數(shù)多于基態(tài)或下一能級的粒子數(shù)時，發(fā)生反分布。物質(zhì)處于反分布狀態(tài)時，如有光束射入，入射光子的能量正好等于反分布狀態(tài)的兩能級能量之差，則會發(fā)生光子與粒子的完全彈性碰撞，使粒子從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)或某下一能級，同時發(fā)射一個光子，此光子的能量與入射光子的能量相同，有一致的方向和恒定的位相關系。此稱受激輻射。簡單的講：頻率適當?shù)墓庾诱T發(fā)高能級的原子發(fā)射光子而躍遷到低能級。第6頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五3、受激吸收（共振吸收,光的吸收）處在低能級E1的原子受到能量等于h=E2-E1的光子的照射時，吸收這一光子躍遷到高能級E2的過程。光減弱過程E2E1h第7頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五激光產(chǎn)生的條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)光學諧振腔合適的激勵能源具有亞穩(wěn)態(tài)的工作物質(zhì)二、激光的產(chǎn)生條件第8頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五1、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布激光是受激幅射的光，但還存在自發(fā)輻射和吸收，要使受激輻射超過吸收和自發(fā)輻射才能實現(xiàn)光放大根據(jù)玻爾茲曼能量分布律：

熱動平衡下，

N2N1，即處于高能級的原子數(shù)大大少于低能級的原子數(shù)——粒子數(shù)的正常分布受激輻射占支配地位粒子數(shù)反轉(zhuǎn)高能級上的粒子數(shù)超過低能級上的粒子數(shù)第9頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五粒子數(shù)正常分布是：為了有效地產(chǎn)生激光，要改變這種分布，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的狀態(tài)。E1E2E3E4能量N1N2粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)E1E2N1N2第10頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五2、實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件：要有實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的物質(zhì)，這種物質(zhì)具有適當?shù)哪芗壗Y構；必須從外界輸入能量，使工作物質(zhì)中盡可能多的粒子處于激發(fā)態(tài)。（激勵或泵浦）激勵方法：光激勵、電激勵、化學激勵、核激勵工作物質(zhì)的能級結構：具有亞穩(wěn)態(tài)(壽命較長)只有具有亞穩(wěn)態(tài)的工作物質(zhì)才能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)第11頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五①、適當?shù)募钕到y(tǒng)組成激光器的第一部分是激勵系統(tǒng)。實現(xiàn)這種作用的方式有光子激勵（光泵），即利用強光照射工作物質(zhì)。光激勵的第一種方式：用激光激勵另種激光器；光激勵的第二種方式：用氣體放電激勵；光激勵的第三種方式：用電流激勵。第12頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五②、具有亞穩(wěn)態(tài)的工作物質(zhì)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：利用外來激發(fā)打破熱平衡使高能級的原子數(shù)多于低能級的原子數(shù)的這種情況亞穩(wěn)態(tài)：壽命比較長一點的激發(fā)態(tài)第13頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五三能級結構四能級結構第14頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五光學諧振腔的作用：

1）使受激輻射光放大過程能在有限長度的工作物質(zhì)中持續(xù)進行，且在滿足閾值條件下形成光振蕩，產(chǎn)生激光。

2）對輸出激光的方向性給予限定。

3）有選頻作用。

3、激光諧振腔(激光器的第二大部分)第15頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五b、激光諧振腔的結構：基本激光系統(tǒng)部分反射鏡全反射鏡激發(fā)能源激光束激活激光介質(zhì)激光器結構原理圖第16頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五光學諧振腔輸出全反射鏡（100%反射鏡）部分透光反射鏡（98%反射）光學諧振腔激發(fā)態(tài)原子基態(tài)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的激活介質(zhì)輻射的光的位相、偏振狀態(tài)、頻率、傳播方向是隨機的。第17頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五He-Ne激光器的能級圖電子碰撞擴散共振轉(zhuǎn)移λ3=1152.3nmλ2=632.8nm2Pλ1=3391nm3S2SE3E1能量（W）E00212019181716151S3PHe+Ne+He+Ne+第18頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五基態(tài)R2：629.9nmR1：694.3nm2E4F24F1400nm（藍）550nm（綠）τ=3×10-3s50nm紅寶石中Cr3+能級4A2第19頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五激光波長范圍寬：遠紅外----X射線波長特點：單一或可調(diào)發(fā)光方式：脈沖或連續(xù)功率范圍：10-3----105W,脈沖峰值可達1013W激光器種類繁多：按工作物質(zhì)可分為：氣體激光器，如：He-Ne激光器固體激光器，如：紅寶石激光器半導體激光器，如：GaAs激光器染料激光器，如：乙醇，苯類、丙酮、二甲基等本節(jié)介紹激光的產(chǎn)生、特性，對生物組織的作用及醫(yī)學應用第20頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五一、激光的基本特性1、單色性好2、方向性好3、亮度高強度大4、相干性好第21頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五1、單色性好單色性的好壞反映了光能量在頻譜上分布的集中性。光譜線寬度是衡量單色性好壞的標志Kr燈：605.7nm,譜線寬度=4.7*10-4nmHe-Ne激光：632.8nm,譜線寬度=4.7*10-8nm原因:受激輻射,光子一致;諧振腔選頻.應用:光的生物效應強烈地依賴于光的波長,因此激光良好的單色性在醫(yī)學上具有重要的應用價值.第22頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五第23頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五2、高度準直性(方向性好---激光的發(fā)散角小。)=2~5mrad（毫弧度）(1km時光斑直徑10m)激光器LaserHe--Ne激光經(jīng)緯儀測月紅寶石激光器=410-5mradD=1.6km第24頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五方向性的好壞反映了光能量在空間分布的集中性。發(fā)散角是衡量光束方向性好壞的標志.探照燈：38萬公里遠月亮上，光斑直徑1000公里.單模激光：α=122λ/D,發(fā)散角1毫弧度(mrad),光斑直徑1公里.原因:

受激輻射一致;諧振腔選模.應用:激光的方向性好就意味著可以把光束傳播到很遠的距離而仍然確保足夠的強度。在醫(yī)用范圍內(nèi)，如不考慮空氣的吸收，激光的強度幾乎和距離無關。激光在空間的高度集中,可聚焦成激光手術刀;加上單色性好,聚焦時無色散象差,可聚焦成微米級的激光微束。例如國內(nèi)已經(jīng)制成激光微手術刀，可使激光束細到只有1μm，可方便的對細胞施行切割或焊接手術。第25頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五3、亮度高強度大

亮度是光源在單位面積上，向某一方向的單位立體角內(nèi)發(fā)射的功率.1米長的40W日光燈,與1米長的40WCO2激光器相比亮度相差1010=100億倍.紅寶石脈沖激光器1016KW/cm2比太陽高100億倍.

可用于制造微光武器，在千分之幾秒內(nèi)將鋼板擊穿，也可用于控核聚變，觸發(fā)氫彈。激光碎石術正是利用此特性。第26頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五

激光的輸出功率雖然有個限度，但由于其光束細(發(fā)散特別小)，功率密度特別大，因而其亮度也特別大.把分散在180°范圍內(nèi)的光集中到0.18°范圍，亮度提高100萬倍.通過調(diào)Q等技術，壓縮脈沖寬度，還可以進一步提高亮度.第27頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五

注意：

亮度是描述光源的參量，醫(yī)學應用更關心的是被光輻射處的強度。強度與亮度成正比關系。核聚變，激光碎石機。

輻射亮度,與人眼對不同波長的感覺無關.YAG激光看不見,但可以切割骨骼、腫瘤等，He-Ne激光能看見，但只能做理療。第28頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五相干性好

若頻率相同、振動方向相同的兩列波，在相遇處位相差恒定，這兩列波就是相干的。激光是受激輻射，受激輻射的光子其頻率和振動方向均相同，且光子之間又相互關聯(lián)，所以在較長時間內(nèi)位相差可保持恒定的。因此，激光具有很好的相干性。

Kr燈：相干長度幾十厘米單模穩(wěn)頻HeNe激光：相干長度幾十公里。主要用于醫(yī)學基礎研究和臨床疾病的診斷。第29頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五4、高度相干性相干性是指光波場中光振動之間的相關程度。相干性越好則光場中任取兩點作光源所產(chǎn)生的干涉和衍射的條紋越清晰。楊氏雙縫干涉由德布羅意關系式(譜線寬度越窄)又由海森伯不確定關系式即激光光波有很好的相干長度第30頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五Ir圓孔衍射注意：光的單色性越好，則其相干性也越好。二者是統(tǒng)一的.第31頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五激光的基本特性

激光的上述幾個特性都是相互關聯(lián)的，單色性好、方向性好導致亮度高強度大。第32頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五1、影響激光生物效應的激光參量激光的波長、頻率、光量子能量、顏色激光的能量、功率和功率密度激光的聚焦光斑、擴束光斑和原光斑激光的連續(xù)和脈沖工作方式激光的摸式激光的相干和偏振四、激光對生物組織的作用及醫(yī)學應用第33頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五2、激光生物作用機理光致發(fā)光作用光致發(fā)熱作用光敏壓強作用光致化學反應光的電磁場作用光致生物刺激作用第34頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五3、激光治療的基本方法及其原理a.激光外科手術切割:激光光刀(熱光刀、冷光刀)止血:激光光凝縫合:激光焊接粘合激光外科術激光理療術激光針灸術激光內(nèi)鏡術激光光動力學術第35頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五激光手術的分類激光手術按作用機理來分成熱光刀和冷光刀，熱光刀機理:光致發(fā)熱作用、熱致二次壓強作用冷光刀機理:光致化學分解作用按手術功能分類：激光打孔、激光止血、激光焊接、激光切割按激光作用后組織反應水平分類：激光凝固、激光汽化、激光切分按激光器所附屬導光系統(tǒng)不同分為：激光顯微手術刀、光纖光刀、關節(jié)臂光刀第36頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五激光手術的原理熱致壞死性凝固熱致汽化熱作用切割冷光刀激光手術的特點與傳統(tǒng)的手術比較激光手術有如下特點：

①多功能②出血少或不出血

③手術中可防止腫瘤細胞擴散轉(zhuǎn)移

④手術質(zhì)量高⑤手術中無機械接觸

⑥手術中疼痛輕，術后反應小

⑦配合內(nèi)鏡技術不必剖胸剖腹

第37頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五b、激光理療理療是利用各種物理因子對人體的刺激作用，引起人體的各種反應，以調(diào)節(jié)、促進、維持、恢復或代償各種生理功能，影響病理過程，達到防治疾病與康復目的激光理療分為：原光束照射、散焦擴束照射、光纖照射c、激光穴位治療用弱激光的生物刺激作用代替?zhèn)鹘y(tǒng)的針和灸的刺激進行治療稱之為激光穴位治療。第38頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五激光穴位治療對人體作用的基礎實驗研究He-Ne激光穿透能力的實驗研究穴位的特異性實驗研究熱效應實驗研究對皮膚電阻影響實驗研究對神經(jīng)系統(tǒng)及肌肉組織的影響實驗研究激光穴位治療循經(jīng)傳導實驗研究對免疫功能影響的實驗研究鎮(zhèn)痛作用實驗研究激發(fā)經(jīng)絡隱性傳感實驗研究第39頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五d、激光治療眼科疾病1960年紅寶石激光694.3治療視網(wǎng)膜脈絡膜炎,1968年氬離子激光治療視網(wǎng)膜血管性疾病1973年調(diào)Q紅寶石激光房角穿刺術、激光小梁成型術1977年經(jīng)瞳孔激光環(huán)灼術1980年氪離子激光647.1治療黃斑疾病1980年Q開關和鎖模Nd:YAG擊穿切割渾濁的晶體后囊膜及玻璃體條索,還用于虹膜周邊切除術、粘連分離術、晶體碎裂術等1981年染料激光開始光動力學療法治療眼內(nèi)惡性腫瘤1985年準分子激光切割角膜第40頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五激光醫(yī)學在眼科的應用的現(xiàn)狀視網(wǎng)膜血管系統(tǒng)的疾病周邊部視網(wǎng)膜結構異常黃斑病青光眼白內(nèi)障屈光性角膜手術其它第41頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五e、激光在外科領域的應用的現(xiàn)狀與展望有止血功能的手術刀與內(nèi)窺鏡結合治療內(nèi)腔疾病的手術工具光敏治療腫瘤組織焊接弱激光用于外科的理療與康復第42頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五自然光照藍光照濾光片觀察激光熒光圖像診斷第43頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五鮮紅斑痣第44頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五激光皮膚美容機第45頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五多波長激光美容機第46頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五半導體激光器第47頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五激光淚道治療機第48頁，共55頁，2022年，5月20日，7點7分，星期五氬離子激光器第49頁，共55頁，2022年，5月20日，