激光及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用課件

激光及其醫(yī)學(xué)應(yīng)用第十八章教學(xué)基本要求掌握激光的基本原理與特性。理解激光的生物作用。了解激光在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究與臨床中的應(yīng)用、醫(yī)用激光器、激光的危害與防護(hù)等方面的知識。

激光（laser）是受激輻射光放大（lightamplificationbystimulatedemissionofradiation）的簡稱，愛因斯坦在1916年提出了“受激輻射”的理論假設(shè)，預(yù)言受激輻射（stimulatedradiation）的存在和光放大的可能。湯斯于1954年制成受激輻射微波放大器，梅曼于1960年制成世界上第一臺激光器——紅寶石激光器。1961年9月我國第一臺紅寶石激光器在中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械研究所誕生，1964年12月著名科學(xué)家錢學(xué)森給laser起了中文名字“激光”。第一節(jié)激光的基本原理一、粒子的能級與輻射躍遷（1）

能級:

構(gòu)成物質(zhì)的粒子（分子、原子、離子等）的不同的能量狀態(tài)，稱能級狀態(tài)，簡稱能級（或能態(tài)）。（2）基態(tài)與激發(fā)態(tài)：粒子最低的能級稱為基態(tài)，其他的能級狀態(tài)稱為激發(fā)態(tài)。1.粒子的能級與平均壽命E1E2E3E4En（3）

平均壽命與亞穩(wěn)態(tài)：大量粒子在某激發(fā)態(tài)停留時間的平均值稱為該激發(fā)態(tài)的平均壽命，一般約10-9s～10-7s。某些粒子的激發(fā)態(tài)平均壽命較長，約10-3s～10-2s，這種激發(fā)態(tài)稱為亞穩(wěn)態(tài)。（6）受激輻射：一個處于高能級E2的粒子受到一個能量hv=E2-E1的光子“誘發(fā)”而躍遷到低能級E1，同時釋放一個與“誘發(fā)”光子特性完全相同的光子的過程。在光與粒子系統(tǒng)相互作用所實際發(fā)生的輻射躍遷中，以上三種基本過程總是不可分割地同時存在。然而在不同的條件下它們各自發(fā)生的概率不同，因此總的宏觀效果也不同。究竟哪一種躍遷占優(yōu)勢?這要由系統(tǒng)中各能級上分布的粒子數(shù)情況決定。E1E2hv=E2-E1hvhv二、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布1.粒子數(shù)按能級分布

在溫度為T的熱平衡態(tài)，系統(tǒng)中粒子數(shù)按能級服從玻耳茲曼能量分布定律。

設(shè)處于高能級E2與低能級E1的粒子數(shù)密度分別為N2與N1，而在兩能級間躍遷時，各自變化ΔN2與ΔN1，有:N2<N1，ΔN2/ΔN1<1

。在正常狀態(tài)下，受激輻射總是被湮沒，宏觀上得不到光放大的效果。E1E22.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布（1）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布：粒子數(shù)在能級上能實現(xiàn)N2/N1>1的分布。這種分布在輻射躍遷中將使受激輻射占優(yōu)勢，系統(tǒng)對入射光將有光放大的效果。E1E2E1E3E2(亞穩(wěn)態(tài))（2）實現(xiàn)反轉(zhuǎn)分布的兩個條件

①介質(zhì)有兩個以上與反轉(zhuǎn)分布有關(guān)且有亞穩(wěn)態(tài)的能級結(jié)構(gòu)，這種能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的介質(zhì)稱為激活介質(zhì)；②有外界能源供給能量，使在正常分布下處于低能態(tài)的大量粒子盡快被激發(fā)或抽運到較高能態(tài)。

hv=E2-E1激勵抽運無輻射躍遷全反射鏡半反射鏡經(jīng)光學(xué)諧振腔輸出的光才是激光。

激光輸出工作物質(zhì)三、光學(xué)諧振腔1.光學(xué)諧振腔（1）光學(xué)諧振腔：使受激輻射在有限體積的激活介質(zhì)中能持續(xù)進(jìn)行，光可被反復(fù)放大最終形成穩(wěn)定振蕩的裝置。（2）損耗因素內(nèi)損耗，由于介質(zhì)對光的折射、散射、吸收等造成的損耗；鏡損耗，由于反射鏡產(chǎn)生的吸收、散射、衍射、透射(包括輸出的激光)等造成的損耗。（3）品質(zhì)因數(shù)Q

式中v

為諧振腔內(nèi)電磁波振蕩頻率，

E為諧振腔內(nèi)儲存的能量，P是單位時間損耗的能量。2.激光的模式（電磁場在腔內(nèi)的振蕩方式）（1）縱向模式（縱模）：電磁場沿諧振腔軸向（z軸方向）的振蕩方式。光在腔中來回反射形成相干疊加，只有滿足特定相位差條件的光才能形成穩(wěn)定的駐波，因此腔中只能允許某些特定頻率的光在其中持續(xù)振蕩。不同的縱模表達(dá)光波在腔內(nèi)軸向不同的駐波場分布。

每一種分布稱為一個橫模.常用TEMmn來表示激光橫模，TEM表示電磁波，m、n為正整數(shù)（橫模指數(shù)），m和n分別表示在x和y方向上（軸對稱情況）光場為零的次數(shù)。（2）橫模：電磁場沿諧振腔徑向（x、y軸方向）的穩(wěn)定分布，即激光束在其橫截面上的光強或光斑分布。激光橫模示意圖①使受激輻射光放大過程能在有限體積的激活介質(zhì)中持續(xù)進(jìn)行，且在滿足閾值條件下形成光振蕩，輸出激光；②對輸出激光束的方向給予限定；③有選頻作用；④調(diào)整激光的模式；⑤通過調(diào)Q、鎖模等技術(shù)以改善激光的輸出波形。3.光學(xué)諧振腔的主要作用四、激光器的基本結(jié)構(gòu)1.工作物質(zhì)工作物質(zhì):激活介質(zhì)與一些輔助物質(zhì)。工作能級:激活介質(zhì)內(nèi)激活粒子的能級中參與受激輻射，即與出現(xiàn)反轉(zhuǎn)分布有關(guān)的能級稱為工作能級。諧振腔工作物質(zhì)全反射鏡部分反射鏡激勵裝置激光“三能級”系統(tǒng)（紅寶石激光器為例）Cr3+的能級圖

4A24F14F22ER2R1能量（eV)Y吸收譜躍遷U吸收譜躍遷0123E1E4E3E2“四能級”系統(tǒng)四能級系統(tǒng)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)圖激勵抽運無輻射躍遷自發(fā)輻射受激輻射吸收激勵裝置也稱泵浦源，其作用就是向工作物質(zhì)提供能量，使激活介質(zhì)中的粒子被抽運到高能態(tài)上以便實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。由于供能形式不同，激勵裝置可有電子注入、光學(xué)泵浦、氣體放電泵浦、粒子束泵浦、化學(xué)泵浦、熱泵、核泵以及用一種激光器去泵浦另一種激光器等等之分。2.激勵裝置

1951年莫茨（Motz）提出運動速度接近于光速的電子（稱相對論電子）通過周期性變化的磁場或電場時會產(chǎn)生相干輻射,輻射的頻率取決于電子的速率。自由電子激光器以真空中的相對論電子束為工作物質(zhì)，通過泵浦場（周期磁場或電磁場）的相互作用產(chǎn)生激光。自由電子激光器可以同時具備高功率、高效率、寬波長可調(diào)諧范圍等優(yōu)點。

中國科學(xué)院高能物理研究所于1993年制成我國第一臺紅外自由電子激光裝置。自由電子激光的產(chǎn)生機制不同于前述激光。與普通激光器基于分子、原子能級間躍遷產(chǎn)生激光不同，自由電子激光是利用自由電子受激輻射產(chǎn)生激光。第二節(jié)激光的特性一、方向性好發(fā)散角是衡量光束方向性好壞的標(biāo)志，方向性表明光能量在空間分布上的集中性。激光束的發(fā)散角一般在10-2rad～10-4rad，與普通光束比相差10倍～104倍。普通光源發(fā)出的自然光射向四面八方，常常使用聚光裝置來改善它的方向性。二、亮度高、強度大亮度是衡量光源發(fā)光強弱程度的標(biāo)志，表明光源發(fā)射的光能量對時間與空間方向的分布特性。

激光器由于其輸出端發(fā)光面積小，光束發(fā)散角小，輸出功率大，而使其亮度高，尤其是超短脈沖激光的亮度可比普通光源高出1012倍～1019倍。因此，激光器是目前世界上最亮的光源。三、單色性好譜線寬度是衡量單色性好壞的標(biāo)志，譜線寬度越窄，顏色越純，則單色性越好。單色性表明光能量在頻譜分布上的集中性。普通光源發(fā)出自然光的光子頻率各異，含有各種顏色。激光則由于受激輻射的光子頻率(或波長)相同與諧振腔的選頻作用而使其具有很好的單色性。四、相干性好自發(fā)輻射產(chǎn)生的普通光是非相干光，而受激輻射光子的特性使激光具有良好的相干性。光的時間相干

同一地點、不同時刻發(fā)出的光相干。

光的空間相干

同一時刻、不同地點發(fā)出的光相干。激光的時間相干性很好,空間相干性也很好。激光器的問世，促使相干技術(shù)獲得飛躍發(fā)展，全息攝影才得以實現(xiàn)。五、偏振性好受激輻射的特點表明激光束中各個光子的偏振狀態(tài)相同。利用諧振腔輸出端的布魯斯特窗在臨界角時只允許與入射面平行的光振動通過，可輸出偏振光，并可對其調(diào)整。因此，激光具有良好的偏振性。

激光的特性可概括為兩大方面:①與普通光源相比，激光器所輸出的光能量的特別之處不在于其大小而在于分布特性，即光能量在空間、時間以及頻譜分布上的高度集中，使激光成為極強的光。②激光是單色的相干光，而普通光是非相干光。第三節(jié)激光的醫(yī)學(xué)應(yīng)用一、激光的生物作用激光的生物作用

激光對生物組織所施加的作用，并存在于由此引發(fā)的一系列理化過程之中，稱為激光的生物作用。激光的生物效應(yīng)

生物組織因受激光照射而出現(xiàn)的各種應(yīng)答性反應(yīng)、效果或變化稱為激光的生物效應(yīng)。強激光與弱激光

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，激光對被其照射之生物組織，若能直接造成不可逆性損傷的激光者稱其為強激光；若不能直接造成不可逆性損傷者稱其為弱激光。1.熱作用生物組織在激光照射下吸收光能轉(zhuǎn)化為熱能，溫度升高，這即是熱作用。低能量光子(紅外激光)可使組織直接生熱，高能量光子(可見與紫外激光)則多需經(jīng)過一些中間過程而使組織生熱。2.機械作用激光照射生物組織，可直接或間接產(chǎn)生對組織的壓強稱為激光的機械作用，也稱為激光的壓強作用。生物大分子吸收激光光子的能量受激活而引起生物組織內(nèi)一系列的化學(xué)反應(yīng)稱之為光化反應(yīng)。激光照射直接引起機體發(fā)生光化反應(yīng)的作用稱為光化作用。3.光化作用4.電磁場作用激光是電磁波，激光對生物組織的作用就是電磁場對生物組織的作用。一般認(rèn)為這一作用主要是電場所致。5.生物刺激作用生物刺激作用主要是弱激光的作用。弱激光對生物過程、對神經(jīng)、通過體液或神經(jīng)-體液反射而對全身、對機體免疫功能等都有刺激作用，可產(chǎn)生促進(jìn)血紅蛋白的合成，糜蛋白酶的活性，細(xì)菌的生長，白細(xì)胞的噬菌作用，腸絨毛的運動，毛發(fā)的生長，皮膚、黏膜的再生，創(chuàng)傷、潰瘍的愈合，燒傷皮片的長合，骨折再生，消炎等生物效應(yīng)。二、激光在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究中的應(yīng)用1.激光對生物分子、細(xì)胞組織的作用與效應(yīng)（1）生物分子：激光作為刺激源可在分子水平上調(diào)整蛋白質(zhì)與核酸的合成與活性；影響DNA的復(fù)制、各種酶的活性與功能、氨基酸的變化等。（2）細(xì)胞：激光通過對細(xì)胞的作用而影響細(xì)胞的增殖、分化、遺傳、發(fā)育、凋亡、代謝以及免疫等過程或功能。而且這種影響往往還有雙向作用，其含義有兩層：一是照射劑量小則興奮，大則抑制；二是可使細(xì)胞功能從不同方向的偏離恢復(fù)正常。（3）組織：激光照射組織，當(dāng)劑量足夠大時將造成對組織的損傷直至完全破壞。這種損傷分為熱損傷與非熱損傷兩大類。熱損傷

由于熱作用導(dǎo)致組織的凝固、汽化（包括炭化、燃燒）、氣化所造成的。非熱損傷

機械作用導(dǎo)致的沖擊波對組織的損傷，甚至遠(yuǎn)距離損傷；強電場作用導(dǎo)致的光擊穿或產(chǎn)生等離子體；光化作用導(dǎo)致的光化激活組織，發(fā)生光化反應(yīng)造成對組織的損傷等。2.用于基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究的激光技術(shù)（1）激光微光束技術(shù)

激光經(jīng)透鏡或顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)聚焦后可形成強度很高而光斑直徑在微米量級的微光束。利用此微光束可進(jìn)行細(xì)胞水平的研究，形成激光的光鑷術(shù)、顯微照射術(shù)、細(xì)胞打孔術(shù)、細(xì)胞融合術(shù)等以實現(xiàn)對細(xì)胞進(jìn)行俘獲、轉(zhuǎn)移、穿孔、移植、融合及切斷等微操作。激光微光束還可用于激光微探針分析術(shù)，即標(biāo)本的微區(qū)在激光微光束照射下被汽化，同時用攝譜儀或質(zhì)譜儀記錄，進(jìn)行微量和痕量元素的定性或定量分析。讓染色細(xì)胞在穩(wěn)定的液體流動中排隊成行，逐個依次恒速通過激光束的焦斑區(qū)。用探測器檢測細(xì)胞被激光照射后所發(fā)出的熒光與散射光并經(jīng)計算機處理而自動顯示結(jié)果。它可對細(xì)胞逐個進(jìn)行定量分析與分選，其特點是分析速度快、靈敏度高、分選純度高、可對一個細(xì)胞同時定量測定多種參數(shù)（如DNA、RNA含量、細(xì)胞體積等）等。（2）激光流式細(xì)胞計拉曼散射的頻率與瑞利散射的頻率之差稱為拉曼頻移，由于拉曼頻移與物質(zhì)分子的振動、轉(zhuǎn)動能級結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與入射光頻率無關(guān)，故可用拉曼光譜對生物分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。因拉曼散射的強度只有瑞利散射的萬分之一，一般不易觀測到。只有用高強度、高單色性以及譜線范圍寬廣的激光作激發(fā)光源，才使激光拉曼光譜具有實用意義。（3）激光拉曼光譜技術(shù)當(dāng)光子與物質(zhì)分子相互作用時，除有與入射光頻率相同的瑞利散射線外，還有由于非彈性碰撞而在其譜線兩側(cè)對稱分布的散射光，這種散射稱為拉曼散射。激光多普勒血流計可用于對人體甲皺、口唇、舌尖微循環(huán)與視網(wǎng)膜微血管等的血流速度進(jìn)行檢測。

激光多普勒電泳是應(yīng)用激光多普勒效應(yīng)與電泳技術(shù)結(jié)合的一種分析、檢測新技術(shù)，可快速自動準(zhǔn)確地測量生物細(xì)胞及大分子的電泳遷移率、表面電荷、擴散系數(shù)等重要參量。

激光多普勒技術(shù)還用于對巨細(xì)胞質(zhì)流、精子活力、眼球運動、耳聽力等的測定。（4）激光多普勒技術(shù)利用激光照射運動物體所發(fā)生的光多普勒效應(yīng)進(jìn)行檢測的技術(shù)。激光具有高度的時間與空間相干性，以它作光源才