光生物物理激光基本知識(shí)與應(yīng)用

光生物物理激光基本知識(shí)與應(yīng)用第一頁，共八十四頁，2022年，8月28日本章的主要內(nèi)容第一節(jié)光學(xué)的基本知識(shí)要點(diǎn)：根據(jù)光學(xué)的各個(gè)不同發(fā)展時(shí)期講述每個(gè)時(shí)期產(chǎn)生的光學(xué)知識(shí)與理論。第二節(jié)激光的基本知識(shí)與應(yīng)用要點(diǎn)：主要講述激光的發(fā)展史，激光的概念特點(diǎn)應(yīng)用，重點(diǎn)講述激光產(chǎn)生的原理。第三節(jié)激光的生物學(xué)效應(yīng)及在生物學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用要點(diǎn)：重點(diǎn)講述激光的生物學(xué)效應(yīng)，激光器的主要類型，舉例介紹激光在農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。第二頁，共八十四頁，2022年，8月28日第一節(jié)光學(xué)的基本知識(shí)光學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史——五大時(shí)期一、萌芽時(shí)期二、幾何光學(xué)時(shí)期三、波動(dòng)光學(xué)時(shí)期四、量子光學(xué)時(shí)期五、現(xiàn)代光學(xué)時(shí)期第三頁，共八十四頁，2022年，8月28日光學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史-萌芽時(shí)期對(duì)光的直線傳播的認(rèn)識(shí)早在春秋戰(zhàn)國時(shí)《墨經(jīng)》已記載了小孔成像的實(shí)驗(yàn)。對(duì)視覺和顏色的認(rèn)識(shí)《墨經(jīng)》中記載：“目以火見”。光的反射和鏡的利用銅鏡在公元前2000年夏初的齊家文化時(shí)期已經(jīng)出現(xiàn)。對(duì)大氣光學(xué)現(xiàn)象的探討

大氣光學(xué)現(xiàn)象是中國古代光學(xué)最有成效的領(lǐng)域之一，早在周代由于占卜的需要，已建立了官方的觀測(cè)機(jī)構(gòu)，對(duì)暈、虹、海市蜃樓、北極光等大氣光學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行了長期、系統(tǒng)而又深入細(xì)致的觀測(cè)與記載。關(guān)于成影現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)

日晷、中國古代歷法器具第四頁，共八十四頁，2022年，8月28日光學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史-幾何光學(xué)時(shí)期

這一時(shí)期可以稱為光學(xué)發(fā)展史上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在這個(gè)時(shí)期建立了光的反射定律和折射定律，奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)。

光的反射定律光的折射定律第五頁，共八十四頁，2022年，8月28日光學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史-波動(dòng)光學(xué)時(shí)期

19世紀(jì)初，波動(dòng)光學(xué)初步形成，其中托馬斯·楊圓滿地解釋了“薄膜顏色”和雙狹縫干涉現(xiàn)象。菲涅耳于1818年以楊氏干涉原理補(bǔ)充了惠更斯原理，由此形成了今天為人們所熟知的惠更斯-菲涅耳原理，用它可圓滿地解釋光的干涉和衍射現(xiàn)象，也能解釋光的直線傳播。注：當(dāng)波行進(jìn)時(shí)，波前上的每一點(diǎn)都可視為新的點(diǎn)波源，以其為圓心或球心，各自發(fā)出圓形波或球面波。在某一時(shí)刻和這些圓形波或球面波相切的線或面形成新的波前，稱為惠更斯原理。第六頁，共八十四頁，2022年，8月28日光學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史-量子光學(xué)時(shí)期19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，光學(xué)的研究深入到光的發(fā)生、光和物質(zhì)相互作用的微觀機(jī)制中。1900年，普朗克從物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)理論中借用不連續(xù)性的概念，提出了輻射的量子論。1905年，愛因斯坦運(yùn)用量子論解釋了光電效應(yīng)。

第七頁，共八十四頁，2022年，8月28日光學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史-現(xiàn)代光學(xué)時(shí)期從20世紀(jì)中葉起，隨著新技術(shù)的出現(xiàn)，新的理論也不斷發(fā)展，已逐步形成了許多新的分支學(xué)科或邊緣學(xué)科，光學(xué)的應(yīng)用十分廣泛。利用光的干涉設(shè)計(jì)精密測(cè)量儀衍射光柵則是重要的分光儀器利用光譜認(rèn)識(shí)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)(如原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)等)激光在精密測(cè)量、通訊、測(cè)距、全息檢測(cè)、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)的應(yīng)用第八頁，共八十四頁，2022年，8月28日原子能（核能）二十世紀(jì)以來的重大發(fā)明1946年2月14日世界第一臺(tái)計(jì)算機(jī)誕生，由莫奇來和愛克特發(fā)明

1947年肖克利發(fā)明晶體管第九頁，共八十四頁，2022年，8月28日激光激光是在有理論準(zhǔn)備和生產(chǎn)實(shí)踐迫切需要的背景下應(yīng)運(yùn)而生的，它一問世，就獲得了異乎尋常的飛快發(fā)展，激光的發(fā)展不僅使古老的光學(xué)科學(xué)和光學(xué)技術(shù)獲得了新生，而且導(dǎo)致整個(gè)一門新興產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)。第十頁，共八十四頁，2022年，8月28日第二節(jié)激光的基本知識(shí)與應(yīng)用

激光的概念激光的發(fā)展簡(jiǎn)史激光的特點(diǎn)激光產(chǎn)生的基本原理激光器的種類激光的使用方法和基本用途第十一頁，共八十四頁，2022年，8月28日普通光源普通光源是光的自發(fā)輻射。特點(diǎn)：多波長、任意方向、不相干。普通光源向四面八方輻射,光線分散到4p球面度的立體角內(nèi).第十二頁，共八十四頁，2022年，8月28日激光激光：LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation（Laser）。激光是光的受激輻射。激光的特點(diǎn)：?jiǎn)紊院?方向性好；相干性好；亮度高。基本沿某一條直線傳播,通常發(fā)散角限制在10-6球面度量級(jí)的立體角內(nèi).第十三頁，共八十四頁，2022年，8月28日激光發(fā)展簡(jiǎn)史1917年愛因斯坦提出“受激輻射”的概念，奠定了激光的理論基礎(chǔ)。1958年肖洛和湯斯提出“激光原理”，受激輻射可以得到一種單色性、亮度又很高的新型光源。1958年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的湯斯和肖洛發(fā)表了關(guān)于激光器的經(jīng)典論文，奠定了激光發(fā)展的基礎(chǔ)。1960年，美國人梅曼發(fā)明了世界上第一臺(tái)紅寶石激光器。1965年，第一臺(tái)可產(chǎn)生大功率激光的器件—二氧化碳激光器誕生。1967年，第一臺(tái)Ｘ射線激光器研制成功。1997年，美國麻省理工學(xué)院的研究人員研制出第一臺(tái)原子激光器。

第十四頁，共八十四頁，2022年，8月28日中國第一臺(tái)激光器（1961）第十五頁，共八十四頁，2022年，8月28日激光的特點(diǎn)激光的高亮度

光源的亮度，就是指光源在單位面積上，向某一個(gè)方向的單位立體角內(nèi)所發(fā)出的光的功率。

太陽的亮度>>>>電燈的亮度>>>>蠟燭的亮度

激光器的輸出亮度≈10億倍×太陽表面的亮度二氧化碳激光器

60KW

氟化氫化學(xué)激光器4500KW

第十六頁，共八十四頁，2022年，8月28日激光的特點(diǎn)激光的方向性單一（單向性）激光是世界上方向性最好的光，激光的方向性好，就是說激光光源的發(fā)散角小。因?yàn)榧す馐谴罅吭佑捎谑芗ぽ椛渌a(chǎn)生的發(fā)光行為。激光在傳播中始終像一條筆直的細(xì)線，發(fā)散的角度極小。用途：定位、導(dǎo)向、測(cè)距等。用激光測(cè)定地球與月球的距離，精度已達(dá)到1.5m。第十七頁，共八十四頁，2022年，8月28日激光的單色性好發(fā)出的光占有的波段很窄。通常把波長范圍小于幾埃的一段輻射，稱為單色光。單色性最好的激光是氦氖激光（波長為6328×10-8cm），譜線范圍寬度在室溫下為1×10-15cm。太陽光經(jīng)過三棱鏡后，太陽光被分成紅橙黃綠青藍(lán)紫，各種不同的顏色。激光經(jīng)過三棱鏡后，光源顏色不發(fā)生改變激光的特點(diǎn)第十八頁，共八十四頁，2022年，8月28日激光輻射躍遷：受激吸收；自發(fā)輻射；受激輻射第十九頁，共八十四頁，2022年，8月28日激光粒子數(shù)反轉(zhuǎn)激光原理就是要研究光的受激輻射是如何在激光器內(nèi)產(chǎn)生并占主導(dǎo)地位而抑制自發(fā)輻射！第二十頁，共八十四頁，2022年，8月28日激光產(chǎn)生的原理受激吸收

處于較低能級(jí)的粒子在受到外界的激發(fā)（即與其他的粒子發(fā)生了有能量交換的相互作用，如與光子發(fā)生非彈性碰撞），吸收了能量時(shí)，躍遷到與此能量相對(duì)應(yīng)的較高能級(jí)。這種躍遷稱為受激吸收。自發(fā)輻射粒子受到激發(fā)而進(jìn)入的高能態(tài)，不是粒子的穩(wěn)定狀態(tài)，如存在著可以接納粒子的較低能級(jí)，既使沒有外界作用，粒子也有一定的概率，自發(fā)地從高能級(jí)（E2）向低能級(jí)（E1）躍遷，同時(shí)輻射出能量為（E2-E1）的光子，光子頻率=（E2-E1）/h。這種輻射過程稱為自發(fā)輻射。眾多原子以自發(fā)輻射發(fā)出的光，不具有相位、偏振態(tài)、傳播方向上的一致，是物理上所說的非相干光。受激吸收自發(fā)輻射第二十一頁，共八十四頁，2022年，8月28日受激輻射、激光

1917年愛因斯坦從理論上指出：除自發(fā)輻射外，處于高能級(jí)E2上的粒子還可以另一方式躍遷到較低能級(jí)。他指出當(dāng)頻率為=（E2-E1）/h的光子入射時(shí)，也會(huì)引發(fā)粒子以一定的概率，迅速地從能級(jí)E2躍遷到能級(jí)E1，同時(shí)輻射一個(gè)與外來光子頻率、相位、偏振態(tài)以及傳播方向都相同的光子，這個(gè)過程稱為受激輻射。受激輻射第二十二頁，共八十四頁，2022年，8月28日粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

當(dāng)頻率一定的光射入工作物質(zhì)時(shí)，受激輻射和受激吸收兩過程同時(shí)存在，受激輻射使光子數(shù)增加，受激吸收卻使光子數(shù)減小。物質(zhì)處于熱平衡態(tài)時(shí)，粒子在各能級(jí)上的分布，遵循平衡態(tài)下粒子的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律。按統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，處在較低能級(jí)E1的粒子數(shù)必大于處在較高能級(jí)E2的粒子數(shù)。這樣光穿過工作物質(zhì)時(shí)，光的能量只會(huì)減弱不會(huì)加強(qiáng)。要想使受激輻射占優(yōu)勢(shì)，必須使處在高能級(jí)E2的粒子數(shù)大于處在低能級(jí)E1的粒子數(shù)。這種分布正好與平衡態(tài)時(shí)的粒子分布相反，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，簡(jiǎn)稱粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。粒子數(shù)正常分布粒子數(shù)翻轉(zhuǎn)分布第二十三頁，共八十四頁，2022年，8月28日下面以紅寶石為例加以說明。紅寶石是在人工制造的剛玉，即三氧化二鋁（Al2O3），摻入少量的鉻離子（Cr3+）而構(gòu)成晶體。在紅寶石中，起發(fā)光作用的是鉻離子。當(dāng)紅寶石受到強(qiáng)光照射時(shí)，鉻離子受到強(qiáng)光照射時(shí)，鉻離子被激勵(lì)，處于基態(tài)E1的大量鉻離子吸收光能而躍遷到激發(fā)態(tài)E3，如圖。被激發(fā)的鉻離子在能級(jí)E3上停留時(shí)間很短，很快地以輻射躍遷的方式轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)E2，這種躍遷放出的能量只使紅寶石發(fā)熱。鉻離子在亞穩(wěn)態(tài)E2上停留時(shí)間較長，因而不立即以自發(fā)輻射的方式返回基態(tài)，加上外界強(qiáng)光的不斷激勵(lì)，使亞穩(wěn)態(tài)E2上的粒子數(shù)不斷積累，這樣就在亞穩(wěn)態(tài)E2和基態(tài)E1之間形成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。第二十四頁，共八十四頁，2022年，8月28日光學(xué)諧振腔示意圖光學(xué)諧振腔：在工作物質(zhì)的兩側(cè)，放上兩塊反射鏡，兩塊反射鏡是相互平行的，其中一塊是全反射鏡，另一塊是部分反射鏡，這樣就形成了最簡(jiǎn)單的光學(xué)諧振腔。“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布”僅僅是實(shí)現(xiàn)光放大的條件，要獲得激光輸出，還必須把光的放大轉(zhuǎn)化為光的振蕩。利用反饋的概念，把放大了的光反饋一部分回來進(jìn)一步放大，即可產(chǎn)生振蕩。這就需要一個(gè)光學(xué)諧振腔(Opticalresonancecavity)第二十五頁，共八十四頁，2022年，8月28日激光產(chǎn)生：光在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)中傳播時(shí)，得到光放大，當(dāng)光到達(dá)反射鏡時(shí)，又反射回來穿過工作物質(zhì)，近一步得到光放大，這樣往返地傳播，使諧振腔內(nèi)的光子數(shù)不斷增加。凡是不沿著諧振腔軸線傳播的光子將很快地從腔體逸出而被淘汰，只有沿著諧振腔軸線傳播的光不斷加強(qiáng)，從而獲得能量極大的光輸出。但是光在工作物質(zhì)中傳播時(shí)還有損耗（包括光輸出，工作物質(zhì)對(duì)光的吸收等）。當(dāng)光的放大作用克服了光的損耗作用時(shí)，就形成穩(wěn)定的光振蕩。此時(shí)，從部分反射鏡端透射出很強(qiáng)的光，這就是輸出的激光。激光產(chǎn)生的示意圖第二十六頁，共八十四頁，2022年，8月28日（2）選擇一個(gè)適當(dāng)結(jié)構(gòu)的光學(xué)諧振腔。對(duì)所產(chǎn)生受激輻射光束的方向、頻率等加以選擇并放大，從而產(chǎn)生單向性、單色性、強(qiáng)度等極高的激光束；（3）外部的工作環(huán)境必須滿足一定的閾值條件，以促成激光的產(chǎn)生。這些閾值條件大體包括：減少損耗，加快抽運(yùn)速度，促進(jìn)（粒子數(shù)）反轉(zhuǎn)等。像工作物質(zhì)的混合比、氣壓、激發(fā)條件、激發(fā)電壓等等。

產(chǎn)生激光的必要條件（1）選擇具有適當(dāng)能級(jí)結(jié)構(gòu)的工作物質(zhì)，在工作物質(zhì)中能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，為受激輻射的發(fā)生創(chuàng)造條件；第二十七頁，共八十四頁，2022年，8月28日激光：某些物質(zhì)的原子中的粒子受光或電刺激，使低能級(jí)的原子變成高能級(jí)原子，而輻射出相位、頻率、方向等完全相同的光，這種光叫作激光。第二十八頁，共八十四頁，2022年，8月28日激光器的種類由工作物質(zhì)（產(chǎn)生激光的激活物質(zhì)）、激發(fā)能源和光學(xué)諧振腔以一定的方式結(jié)合起來的裝置。按激光器工作物質(zhì)分類：固體激光器、氣體激光器、染料激光器和半導(dǎo)體激光器。按工作波段分類：紅外和遠(yuǎn)紅外激光器、可見光激光器、紫外和真空紫外激光器、X射線激光器。按運(yùn)轉(zhuǎn)方式分類：連續(xù)激光器、脈沖激光器、超短脈沖激光器。氦-氖激光器的構(gòu)造氬離子激光器的構(gòu)造第二十九頁，共八十四頁，2022年，8月28日氣體激光器GasLaser工作物質(zhì)是氣體或金屬蒸氣。常用的氦-氖激光器，是通過氣體放電使Ne原子產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，輸出激光的波長為632.8nm（紅光）。另一種典型代表是氬離子激光器

Ar+(488

nm,514.5

nm)，另外還包括有N2(337.1nm,

357.7nm,

315.9nm)/CO2(10.6

μm)氣體激光器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、操作方便、光束質(zhì)量好、激光輸出波長范圍較寬。能長時(shí)間較穩(wěn)定連續(xù)工作的特點(diǎn)，是目前品種最多應(yīng)用最廣泛的激光器。激光器的種類-按工作物質(zhì)分類第三十頁，共八十四頁，2022年，8月28日二氧化碳激光器，發(fā)出的激光波長為10.6微米，“身”處紅外區(qū)，肉眼不能覺察，它的工作方式有連續(xù)、脈沖兩種。連接方式產(chǎn)生的激光功率可達(dá)20千瓦以上。脈沖方式產(chǎn)生的波長10.6微米激光也是最強(qiáng)大的一種激光。它產(chǎn)生的激光是看不見的，在磚上足以把磚頭燒到發(fā)出耀眼的白光。做實(shí)驗(yàn)時(shí)，一不小心就會(huì)把自己的衣服燒壞，裸露的皮膚碰到了也要燒傷，所以這種激光器上都貼著“危險(xiǎn)”的標(biāo)記，操作時(shí)要特別留神。能變色，只要轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)激光器上的旋鈕，就可以獲得紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫各種顏色的激光。“隱身”和“變色”激光器第三十一頁，共八十四頁，2022年，8月28日分子激光器：以CO2激光器為代表，因紅外波長激光的熱效應(yīng)高，故多用于激光刀，醫(yī)療，機(jī)械加工方面，還用于測(cè)距，通信。準(zhǔn)分子激光器：特點(diǎn)—發(fā)光都在紫外波段。用途—多用于微細(xì)加工，光刻及醫(yī)學(xué)。原理—不是分子固有能級(jí)躍遷發(fā)光，而是當(dāng)兩種元素的原子被高能量的電脈沖激勵(lì)時(shí)，兩種元素的原子在瞬態(tài)結(jié)合成的準(zhǔn)分子的能級(jí)間躍遷產(chǎn)生的受激發(fā)光。發(fā)光后，分子很快分解成原子。第三十二頁，共八十四頁，2022年，8月28日

X射線激光器X射線是原子內(nèi)部殼層的電子躍遷產(chǎn)生的光子，其光子能量非常高。目前，最短的X射線波長已達(dá)到4.483nm水窗范圍（因?yàn)樗俏誜射線的，只有在4.483nm附近，水分子有個(gè)不吸收區(qū)，X射線可順利通過，損耗很小，故稱水窗），由于生物細(xì)胞活性組織內(nèi)均含有很多水份，因此這種波長的X射線激光用于生物學(xué)，醫(yī)學(xué)，生命科學(xué)的研究。已經(jīng)用波長4.483nmX射線激光制成了X射線顯微鏡，并成功地得到了老鼠精子內(nèi)核的圖象,用于DNA在精子細(xì)胞內(nèi)排列的研究。第三十三頁，共八十四頁，2022年，8月28日固體激光器SolidState(DopedInsulator)Laser工作物質(zhì)有紅寶石、釹玻璃、釔鋁石榴石（YAG）等，在作為基質(zhì)的材料的晶體或玻璃中均勻地?fù)饺肷倭侩x子，稱為激活離子?？勺鳛榧せ铍x子的有過渡族金屬離子如鉻離子(Cr3+)、稀土金屬離子如釹離子(Nd3+)Nd:YAG激光器，、錒系離子、鈦藍(lán)寶石（Ti:sapphire）660-1180nm等。一般來說固體激光器具有器件小而堅(jiān)固，使用方便，輸出功率大的特點(diǎn)。氣體激光器與固體激光器的比較固體激光器：密度大，粒子多，功率大；結(jié)構(gòu)緊湊；工作穩(wěn)定氣體激光器：較均勻，激光質(zhì)量較好激光器的種類-按工作物質(zhì)分類第三十四頁，共八十四頁，2022年，8月28日摻釹釔鋁石榴石Nd:YAG1064nm1047nm~1064nm:激光加工，切割，打孔，焊接等1540nm~2940nm:醫(yī)學(xué)和通信，釔鋁石榴石激光器或液體激光器中的染料激光器，對(duì)治療白內(nèi)障和青光眼十分有效。近年來，研制出摻鈦(Ti)藍(lán)寶石激光器670nm

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1100nm固體激光器常用于產(chǎn)生強(qiáng)激光，連續(xù)輸出~幾千瓦,脈沖輸出~幾萬焦耳第三十五頁，共八十四頁，2022年，8月28日在石英或玻璃光纖中摻入稀土離子，用半導(dǎo)體二極管或其他固體激光器作泵輔源也可產(chǎn)生可調(diào)諧激光。用摻鉺光纖作成的光纖激光器，是光纖通信中不可缺少的部分。摻鉺光纖激光器第三十六頁，共八十四頁，2022年，8月28日激光器的種類-按工作物質(zhì)分類液體激光器常用有機(jī)染料作工作物質(zhì)，大多數(shù)情況是把有機(jī)染料溶于乙醇、丙酮、水等，也有以蒸汽狀工作的。液體激光器的工作原理比較復(fù)雜，但輸出的波長連續(xù)可調(diào)，且覆蓋面寬。從紅外到紫外范圍調(diào)諧任意波長(幾十到幾百納米）的輸出光，譜線很窄，單色性好，適于光化學(xué)與光譜學(xué)方面的應(yīng)用。第三十七頁，共八十四頁，2022年，8月28日激光器的種類-按工作物質(zhì)分類半導(dǎo)體激光器SemiconductorLaser以半導(dǎo)體為工作物質(zhì)，產(chǎn)生激光的方法有p-n結(jié)注入式、電子束激發(fā)、光激發(fā)、雪崩式擊穿等。半導(dǎo)體激光器發(fā)展很快，在微型化方面進(jìn)展迅速。整個(gè)器件只有50mx150mx250m，比普通的米粒還小。體積?。ㄖ挥谢鸩窈写笮。?、重量輕、壽命長、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是一種微型激光器，輸出波長為人眼看不見的紅外線，在0.8～0.9微米之間。只要通以適當(dāng)強(qiáng)度的電流就有激光射出，再加上輸出波長在紅外線光范圍內(nèi)，所以保密性特別強(qiáng)，很適合用在飛機(jī)、軍艦、坦克、車輛和宇宙飛船上使用。用于：光通信，光盤，激光打印，光計(jì)算機(jī)，微量氣體探測(cè)等方面?，F(xiàn)在的光驅(qū)、VCD、DVD的激光頭都是一個(gè)小型半導(dǎo)體激光發(fā)射器。其它還有光纖激光器、化學(xué)激光器、單原子激光器、X射線激光器等。第三十八頁，共八十四頁，2022年，8月28日生物微腔激光器砷化鎵基底半導(dǎo)體反射鏡量子阱增益區(qū)液體中的細(xì)胞介質(zhì)膜反射鏡玻璃基底

將一含有被測(cè)細(xì)胞的液體放在半導(dǎo)體激光器的發(fā)光表面，上面覆蓋鍍有反射膜的玻璃片。細(xì)胞置于激光共振腔中，當(dāng)激光在腔內(nèi)往返數(shù)百次后，細(xì)胞中的信息充分被激光發(fā)射帶出，通過這些信息的識(shí)別，由發(fā)射激光的脈沖形狀，模式，空間分布以及收集到的熒光圖象，就可知道細(xì)胞屬于那一類。是正常細(xì)胞還是癌細(xì)胞等。這種生物微腔激光器一般用波長850納米的半導(dǎo)體激光器來制作。一種研究活體生物細(xì)胞的手段和方法第三十九頁，共八十四頁，2022年，8月28日納米激光器問世據(jù)2001年美國《科學(xué)》雜志報(bào)道，美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的研究人員在僅有頭發(fā)絲千分之一的納米導(dǎo)線上制造出世界上最小的激光器——納米激光器。研究人員希望用電流來激活納米激光器，這樣就可用于電路。最終有可能被用于鑒別化學(xué)物質(zhì)，提高計(jì)算機(jī)磁盤和光子計(jì)算機(jī)的信息儲(chǔ)存量。第四十頁，共八十四頁，2022年，8月28日激光類型波長

典型脈沖持續(xù)時(shí)間激光類型波長典型脈沖持續(xù)時(shí)間氬離子氪離子氦－氖二氧化碳染料激光器二極管激光器紅寶石激光器Nd:YLFNd:YAGHo:YAGEr:YAG變頻晶體488/514nm531/568/647nm633nm10.6μm450~900nm670~900nm694nm1053nm1064nm2120nm2940nm720~800nm

連續(xù)連續(xù)連續(xù)連續(xù)或脈沖連續(xù)或脈沖連續(xù)或脈沖

1～250μs100ns～250μs100ns～250μs100ns～250μs100ns～250μs50ns～100μs

XeCIXeFKrFArFNd:YLFNd:YAG自由電子激光Ti:藍(lán)寶石

308nm351nm248nm193nm1053nm1064nm800~6000nm700~1000nm20~300ns10~20ns10~20ns10~20ns30~100ps30~100ps2~10ps10fs~100fs主要激光系統(tǒng)的部分特征注：Nd:YAG摻釹釔鋁石榴石Nd:YLF摻釹氟鋰釔第四十一頁，共八十四頁，2022年，8月28日我國激光器研究情況激光器的第一臺(tái)研制成功時(shí)間研制人紅寶石激光器（我國第一臺(tái))1961年11月鄧錫銘、王之江He-Ne激光器1963年7月鄧錫銘等摻釹玻璃激光器1963年6月干福熹GaAs同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器1963年12月王守武CO2分子激光器1965年9月王潤文等第四十二頁，共八十四頁，2022年，8月28日激光應(yīng)用技術(shù)信息技術(shù)方面的應(yīng)用：光通訊，光存儲(chǔ)，光放大，光計(jì)算，光隔離器檢測(cè)技術(shù)方面的應(yīng)用：測(cè)長，測(cè)距，測(cè)速，測(cè)角，測(cè)三維形狀激光加工：焊接，打孔，切割，熱處理，快速成型醫(yī)學(xué)應(yīng)用：外科手術(shù)，激光輻照（皮膚科、婦產(chǎn)科），眼科手術(shù)，激光血照儀，視光學(xué)測(cè)量科學(xué)研究方面的應(yīng)用：激光核聚變，重力場(chǎng)測(cè)量，激光光譜，激光對(duì)生物組織的作用，激光制冷，激光誘導(dǎo)化學(xué)過程等等第四十三頁，共八十四頁，2022年，8月28日光盤存儲(chǔ)器原理—激光刻蝕與讀出第四十四頁，共八十四頁，2022年，8月28日偏振光顯微鏡第四十五頁，共八十四頁，2022年，8月28日激光全息防偽人民幣（建國50周年紀(jì)念幣）第四十六頁，共八十四頁，2022年，8月28日激光控制核聚變第四十七頁，共八十四頁，2022年，8月28日天文臺(tái)（激光導(dǎo)航星）來自納層的反射光（高度約100km)最大高度約35km來自空氣分子的Rayleigh光第四十八頁，共八十四頁，2022年，8月28日激光測(cè)距與激光雷達(dá)第四十九頁，共八十四頁，2022年，8月28日長度測(cè)量第五十頁，共八十四頁，2022年，8月28日激光在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用激光診斷、手術(shù)和治療

激光層析造影、激光熒光診斷、光動(dòng)力學(xué)治療（PDA）技術(shù)、激光心臟打孔、激光光纖內(nèi)窺鏡手術(shù)……激光穿心術(shù)第五十一頁，共八十四頁，2022年，8月28日激光手術(shù)第五十二頁，共八十四頁，2022年，8月28日生物和醫(yī)學(xué)應(yīng)用第五十三頁，共八十四頁，2022年，8月28日第五十四頁，共八十四頁，2022年，8月28日激光在工業(yè)中的應(yīng)用激光切割第五十五頁，共八十四頁，2022年，8月28日激光切割第五十六頁，共八十四頁，2022年，8月28日激光在工業(yè)中的應(yīng)用激光焊接汽車第五十七頁，共八十四頁，2022年，8月28日激光在工業(yè)中的應(yīng)用激光快速成型第五十八頁，共八十四頁，2022年，8月28日激光技術(shù)涉及的學(xué)科物理（光學(xué)）精密加工（光學(xué)諧振腔的制作）光學(xué)加工（光學(xué)鍍膜、光學(xué)裝調(diào)）電子技術(shù)（激光電源、控制電路）應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)學(xué)方法、誤差理論）第五十九頁，共八十四頁，2022年，8月28日各種激光器及應(yīng)用方面可參考有關(guān)書籍姚建銓編著，奇異的光——激光，清華大學(xué)、暨南大學(xué)出版社，2002年7月第2次印刷董克編，人類希望之光——激光，上海交通大學(xué)出版社，2004年7月（TN24-49/D65－深圳大學(xué)圖書編號(hào)）閻吉祥編著，神奇之光——無所不能的激光技術(shù)，科學(xué)出版社，1998年8月（TN24-49/Y17）第六十頁，共八十四頁，2022年，8月28日激光的效應(yīng)光效應(yīng)熱效應(yīng)壓力效應(yīng)電磁場(chǎng)效應(yīng)第六十一頁，共八十四頁，2022年，8月28日光效應(yīng)和普通光一樣，是植物通過葉綠素的光合作用以維持其正常生長的最基本條件。當(dāng)植物有機(jī)體在吸收激光的同時(shí)，同樣發(fā)生分解、電熱以及產(chǎn)生熒光二生熱等光化學(xué)反應(yīng)過程，而使有機(jī)體引起某種性狀上的變化。由于激光能量密度極高，可以導(dǎo)致有機(jī)體引起更大的突變效果。因此，對(duì)某一特定結(jié)構(gòu)與化學(xué)組分的有機(jī)體來說，同樣波長的激光與普通光所引起的光效應(yīng)就不盡相同。第六十二頁，共八十四頁，2022年，8月28日熱效應(yīng)激光具有良好的相干性。這引起有機(jī)體的熱效應(yīng)要比普通光顯著得多。在激光照射下，幾毫秒的短時(shí)間內(nèi)使有機(jī)體的局部溫度升到200～1000℃，而溫度下降的速度要比普通光加溫要慢得多，如45～50℃的有機(jī)體局部溫度能保持在1min左右?！亍?yīng)能使遺傳基因的原子發(fā)生位置的改動(dòng)而形成新的異構(gòu)分子。因此，‘激溫’效應(yīng)具有誘變突變的效果。第六十三頁，共八十四頁，2022年，8月28日壓力效應(yīng)光在照射表面形成的壓強(qiáng)及其微弱，但激光能量高，形成的壓強(qiáng)則不能忽視。例如，每平方厘米功率為10萬千瓦的激光束，其表面壓強(qiáng)每平方厘米可達(dá)40g。另外，因熱效應(yīng)引起的瞬間“激溫”效應(yīng)還會(huì)使有機(jī)體組織引起膨脹、變形甚至汽化，產(chǎn)生所謂的次生沖擊波壓力效應(yīng)。這樣，總的壓力效應(yīng)可能因此有機(jī)結(jié)構(gòu)與化學(xué)組分的改變，從而發(fā)生性狀上的變異。第六十四頁，共八十四頁，2022年，8月28日電磁場(chǎng)效應(yīng)激光是一種電磁波，因此伴隨著激光的存在就必然地產(chǎn)生電磁場(chǎng)。例如，每平方厘米功率為1000W的激光能量密度相當(dāng)于每平方厘米10萬V的電場(chǎng)強(qiáng)度。這種強(qiáng)電磁場(chǎng)由于量子與有機(jī)體原子或分子的直接作用下會(huì)產(chǎn)生離化、振動(dòng)、熱等效應(yīng)，因此也能使有機(jī)體結(jié)構(gòu)與化學(xué)組分發(fā)生改變，而引起性狀上的變異。第六十五頁，共八十四頁，2022年，8月28日弱激光的生物刺激作用弱激光（lowlevellaser）：照射不會(huì)對(duì)生物組織直接造成不可逆損傷的激光稱為弱激光。激光生物刺激作用具有如下特點(diǎn)：刺激或抑制：激光照射小劑量起刺激作用，而大劑量反而起抑制作用；大小劑量的劃分則隨生物的結(jié)構(gòu)和機(jī)能的不同而不同。積累作用：小劑量He-Ne激光有積累作用，即以一次大劑量照射或?qū)⒃搫┝糠殖尚┝慷啻握丈?，所起的生物效?yīng)一樣大。拋物線效應(yīng)：即照射次數(shù)有閥值，效應(yīng)不隨次數(shù)正比增大，有一極大值，達(dá)極大值后，再增加照射次數(shù)，刺激作用反而減弱，甚至變成抑制作用。第六十六頁，共八十四頁，2022年，8月28日弱激光生物效應(yīng)激光生物效應(yīng)光化學(xué)效應(yīng)熱作用光蝕除作用等離子體誘導(dǎo)蝕除作用光致破裂作用生物大分子吸收光子的能量受激活，產(chǎn)生受激原子、分子和自由基，引起體內(nèi)一系列化學(xué)反應(yīng)。（如光化學(xué)治癌、皮膚鮮紅癍痣的治療等）主要是利用激光的熱量達(dá)到溫?zé)?、凝結(jié)、汽化、碳化和熔融效應(yīng)。由紫外光產(chǎn)生的切除作用，它是高能量的紫外激光直接打斷分子鍵的作用。（準(zhǔn)分子激光治療屈光不正）高功率激光產(chǎn)生等離子蝕除的現(xiàn)象。高功率激光器產(chǎn)生的機(jī)械分裂和切割作用。激光醫(yī)學(xué)中主要應(yīng)用激光生物效應(yīng)中的光和熱作用。弱激光的刺激作用，有人認(rèn)為是光化學(xué)作用，其作用時(shí)間和功率密度與化學(xué)作用差不多。第六十七頁，共八十四頁，2022年，8月28日小功率的氦氖激光的生物學(xué)作用機(jī)理小功率的氦氖激光照射皮膚時(shí)，在光生物化學(xué)反應(yīng)的基礎(chǔ)上，可影響細(xì)胞膜的通透性，影響組織中一些酶的活性，如激化過氧化氫酶，進(jìn)而可調(diào)節(jié)或增強(qiáng)代謝，可加強(qiáng)組織細(xì)胞中核糖核酸的合成和活性，加強(qiáng)蛋白質(zhì)的合成；可使被照射的部位中糖原含量繒加；可使肝細(xì)胞線粒體合成三嵯佘眨TP）的功能增強(qiáng)。小功率的氦氖激光照射具有消炎、鎮(zhèn)痛、脫敏、止癢、收斂、消腫、促進(jìn)肉芽生長、加速傷口、潰瘍、燒傷的愈合等作用。第六十八頁，共八十四頁，2022年，8月28日小功率的氦氖激光的生物學(xué)作用機(jī)理小功率的氦氖激光照射可使成纖維細(xì)胞的數(shù)目增加，因而增加膠原的形成，可加快血管的新生和新生細(xì)胞的繁殖過程，基于其對(duì)代謝和組織修復(fù)過程的良好影響，可促進(jìn)傷口愈合，加快再植皮瓣生長，促進(jìn)斷離神經(jīng)再生，加速管狀骨骨折愈合，促進(jìn)毛發(fā)生長等。小功率的氦氖激光照射不能直接殺滅細(xì)菌，但可加強(qiáng)機(jī)體的細(xì)胞和體液免疫機(jī)能，如可加強(qiáng)白細(xì)胞的吞噬功能，可使淌細(xì)胞增加或增強(qiáng)巨噬細(xì)胞的活性，可使γ－球蛋白及補(bǔ)體滴度增加；此外，微生物檢查發(fā)現(xiàn)：激光照射可改變傷口部葡萄球菌對(duì)抗菌素的敏感性。

第六十九頁，共八十四頁，2022年，8月28日小功率的氦氖激光的生物學(xué)作用機(jī)理小功率的氦氖激光照射可影響內(nèi)分泌腺的功能，如加強(qiáng)甲狀腺、腎上腺等的功能，因而可調(diào)節(jié)整個(gè)體內(nèi)的代謝過程；此外，并可引起周圍血液和凝血系列的改變，其基本規(guī)律是具有調(diào)節(jié)作用。小功率氦氖激光照射可改善全身狀況，調(diào)節(jié)一些系統(tǒng)和器官的功能。用小功率的氦氖激光照射氏粘膜或皮膚潰瘍面，神經(jīng)節(jié)段部位，交感神經(jīng)節(jié)、穴位等不同部位，與某些局部癥狀改善的同時(shí)，可出現(xiàn)全身癥狀的改善，如精神好轉(zhuǎn)、全身乏力減輕、食欲增加、原血沉加快者于照后血沉減慢等。

第七十頁，共八十四頁，2022年，8月28日激光在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用激光對(duì)促進(jìn)作物生長、提高產(chǎn)量和品質(zhì)的作用植物色素（葉綠素、花青素等）是一種能被特定波長激光活化的光接受體，它控制著植物的多種生長反應(yīng)。植物在激光的適當(dāng)照射刺激下能引起種子發(fā)芽期提前，葉枝加大或增長，花蕾增多，果實(shí)早熟等植物生長效果。第七十一頁，共八十四頁，2022年，8月28日激光在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用激光對(duì)促進(jìn)作物生長、提高產(chǎn)量和品質(zhì)的作用種子播種前照射處理表現(xiàn)：提高種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)、促進(jìn)作物生長、縮短成熟期、提高產(chǎn)量、減少農(nóng)藥使用量種子經(jīng)一定量激光照射后，種皮和內(nèi)部細(xì)胞的吸水性和透氣性均相應(yīng)提高，滿足促進(jìn)新陳代謝中各種酶的活性和加快各種水解酶合成所需的必要條件。通過激活酶類物質(zhì)能使受損或失去活力的種子在此復(fù)活（陳種子）作物生長期照射處理加快植物葉綠素的光合作用、延長營養(yǎng)生長期，提高作物產(chǎn)量大田作物植株數(shù)目多且分散，處理難度較大。激光掃描儀第七十二頁，共八十四頁，2022年，8月28日激光對(duì)促進(jìn)作物生長、提高產(chǎn)量和品質(zhì)的作用美國，紅寶石激光器，蠶豆、蘿卜、紫花苜蓿、南瓜，7d

vs9d。前蘇聯(lián)，氦氖激光器和紅寶石激光器，西紅柿、青瓜，發(fā)芽率提高12％～21％，生長快，開花結(jié)果早且多，果實(shí)中幾種維生素和胡蘿卜素含量增加。澳大利亞，氦氖激光器，萵筍，1s無反應(yīng)，10s顯著提高，1min效果最佳，10min發(fā)芽率下降；第二年同一批，100s效果最佳，1000s明顯抑制。前蘇聯(lián)，紅寶石脈沖激光器，青瓜、西紅柿，花果增多。前蘇聯(lián)，激光照射，甜菜糖分增加。澳大利亞，激光照射，甘蔗營養(yǎng)生長期延長。日本牽牛、菊花，控制莖稈高矮。第七十三頁，共八十四頁，2022年，8月28日激光在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用激光在誘發(fā)突變育種方面的應(yīng)用激光能使染色體局部缺損或整體喪失，造成遺傳信息缺失、也可能造成易位、倒位，即通過改變遺傳密碼的次序、結(jié)構(gòu)，這些變異特征可能通過細(xì)胞分裂和減數(shù)分裂傳到后代，從而達(dá)到改良植物品種的目的。激光能量密度高，引起植物性狀突變的幾率較高，但是由于其除光效應(yīng)外，還伴隨“激溫”效應(yīng)、壓力效應(yīng)、電磁效應(yīng)以及多光子吸收的非線性效應(yīng)，因此要實(shí)現(xiàn)理想的變異效果比一般輻射突變困難些?！岸ㄏ蛲蛔儭蓖ㄟ^適量激光照射（種子、花粉、種芽），獲得了一些作物品種的有益突變，根據(jù)育種目標(biāo)獲得相應(yīng)的優(yōu)良品種。高vs矮，大田作物and鮮切花第七十四頁，共八十四頁，2022年，8月28日激光在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用激光與農(nóng)業(yè)有關(guān)方面的應(yīng)用激光除草利用激光照射植物，通過激光能量使雜草代謝過程中斷致死；將除莠劑噴在植物上，在激光的作用下，通過光動(dòng)力學(xué)反應(yīng)，有選擇性地滅殺某種有害植物，而作物本身能正常生長。激光用于防治害蟲高能激光可以發(fā)育期中破壞害蟲，即卵、幼、成蟲可利用波長可調(diào)的有機(jī)染料激光器，激光波長可根據(jù)害蟲表皮色素來選擇配合使用：鼓風(fēng)機(jī)、低濃度殺蟲劑、天敵第七十五頁，共八十四頁，2022年，8月28日激光在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用激光與農(nóng)業(yè)有關(guān)方面的應(yīng)用超微量分析技術(shù)分析植物有機(jī)體，可分析出單個(gè)細(xì)胞乃至細(xì)胞核內(nèi)元素種類及精確含量激光作為激發(fā)物質(zhì)對(duì)染料等定量、定性標(biāo)記來獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)微束激光照射技術(shù)激光聚焦，μm以下水平，結(jié)合顯微鏡，對(duì)細(xì)胞或染色體動(dòng)手術(shù)。顯微切割、捕獲第七十六頁，共八十四頁，2022年，8月28日激光在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用生物體與光的各種相互作用的示意圖激光對(duì)于受照射的組織有四方面的作用熱力作用(thermalaction)、機(jī)電作用(electro-mechanicalaction)、激光消融作用(photoablativeaction)光化學(xué)作用(photochemicalaction)。各種不同波長的低功率密度的激光照射生物體時(shí)，對(duì)生物體的刺激作用和提高非特異性免疫功能，可使局部血管擴(kuò)張，血液循環(huán)改變，改善組織的