光生物物理激光基本知識與應用

光生物物理激光基本知識與應用本章的主要內容第一節(jié)光學的基本知識要點：根據光學的各個不同發(fā)展時期講述每個時期產生的光學知識與理論。第二節(jié)激光的基本知識與應用要點：主要講述激光的發(fā)展史，激光的概念特點應用，重點講述激光產生的原理。第三節(jié)激光的生物學效應及在生物學領域的應用要點：重點講述激光的生物學效應，激光器的主要類型，舉例介紹激光在農業(yè)、醫(yī)學中的應用。第一節(jié)光學的基本知識光學的發(fā)展簡史——五大時期一、萌芽時期二、幾何光學時期三、波動光學時期四、量子光學時期五、現(xiàn)代光學時期光學發(fā)展簡史-萌芽時期對光的直線傳播的認識早在春秋戰(zhàn)國時《墨經》已記載了小孔成像的實驗。對視覺和顏色的認識《墨經》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期已經出現(xiàn)。對大氣光學現(xiàn)象的探討

大氣光學現(xiàn)象是中國古代光學最有成效的領域之一，早在周代由于占卜的需要，已建立了官方的觀測機構，對暈、虹、海市蜃樓、北極光等大氣光學現(xiàn)象進行了長期、系統(tǒng)而又深入細致的觀測與記載。關于成影現(xiàn)象的認識

日晷、中國古代歷法器具光學發(fā)展簡史-幾何光學時期

這一時期可以稱為光學發(fā)展史上的轉折點。在這個時期建立了光的反射定律和折射定律，奠定了幾何光學的基礎。

光的反射定律光的折射定律光學發(fā)展簡史-波動光學時期

19世紀初，波動光學初步形成，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：當波行進時，波前上的每一點都可視為新的點波源，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。主要激光系統(tǒng)的部分特征1905年，愛因斯坦運用量子論解釋了光電效應。激光層析造影、激光熒光診斷、光動力學治療（PDA）技術、激光心臟打孔、激光光纖內窺鏡手術……局部照射等，這些治療種類就是利用激光對生物體的光熱作用、壓電作用和光化學作用。最后，光與生物體進行著極其多種多樣的相互作用，至今被利用的還只是很少的一部分，還需要今后開發(fā)更加多種多樣的新的應用。激光消融作用(photoablativeaction)光在照射表面形成的壓強及其微弱，但激光能量高，形成的壓強則不能忽視。氟化氫化學激光器4500KW二氧化碳激光器60KW固體激光器常用于產生強激光，連續(xù)輸出~幾千瓦,來自空氣分子的Rayleigh光通過激活酶類物質能使受損或失去活力的種子在此復活（陳種子）普通光源是光的自發(fā)輻射。激光的方向性單一（單向性）像工作物質的混合比、氣壓、激發(fā)條件、激發(fā)電壓等等。光學發(fā)展簡史-量子光學時期19世紀末到20世紀初，光學的研究深入到光的發(fā)生、光和物質相互作用的微觀機制中。1900年，普朗克從物質的分子結構理論中借用不連續(xù)性的概念，提出了輻射的量子論。1905年，愛因斯坦運用量子論解釋了光電效應。

光學發(fā)展簡史-現(xiàn)代光學時期從20世紀中葉起，隨著新技術的出現(xiàn)，新的理論也不斷發(fā)展，已逐步形成了許多新的分支學科或邊緣學科，光學的應用十分廣泛。利用光的干涉設計精密測量儀衍射光柵則是重要的分光儀器利用光譜認識物質的微觀結構(如原子結構、分子結構等)激光在精密測量、通訊、測距、全息檢測、醫(yī)療、農業(yè)的應用原子能（核能）二十世紀以來的重大發(fā)明1946年2月14日世界第一臺計算機誕生，由莫奇來和愛克特發(fā)明

1947年肖克利發(fā)明晶體管激光激光是在有理論準備和生產實踐迫切需要的背景下應運而生的，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科學和光學技術獲得了新生，而且導致整個一門新興產業(yè)的出現(xiàn)。第二節(jié)激光的基本知識與應用

激光的概念激光的發(fā)展簡史激光的特點激光產生的基本原理激光器的種類激光的使用方法和基本用途普通光源普通光源是光的自發(fā)輻射。特點：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.激光激光：LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation（Laser）。激光是光的受激輻射。激光的特點：單色性好,方向性好；相干性好；亮度高?；狙啬骋粭l直線傳播,通常發(fā)散角限制在10-6球面度量級的立體角內.激光發(fā)展簡史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。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，貝爾實驗室的湯斯和肖洛發(fā)表了關于激光器的經典論文，奠定了激光發(fā)展的基礎。1960年，人梅曼發(fā)明了世界上第一臺紅寶石激光器。1965年，第一臺可產生大功率激光的器件—二氧化碳激光器誕生。1967年，第一臺Ｘ射線激光器研制成功。1997年，麻省理工學院的研究人員研制出第一臺原子激光器。中國第一臺激光器（1961）激光的特點激光的高亮度

光源的亮度，就是指光源在單位面積上，向某一個方向的單位立體角內所發(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氟化氫化學激光器4500KW

激光的特點激光的方向性單一（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。因為激光是大量原子由于受激輻射所產生的發(fā)光行為。激光在傳播中始終像一條筆直的細線，發(fā)散的角度極小。用途：定位、導向、測距等。用激光測定地球與月球的距離，精度已達到。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。太陽光經過三棱鏡后，太陽光被分成紅橙黃綠青藍紫，各種不同的顏色。激光經過三棱鏡后，光源顏色不發(fā)生改變激光的特點激光輻射躍遷：受激吸收；自發(fā)輻射；受激輻射激光粒子數反轉激光原理就是要研究光的受激輻射是如何在激光器內產生并占主導地位而抑制自發(fā)輻射！激光產生的原理受激吸收

處于較低能級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，躍遷到與此能量相對應的較高能級。這種躍遷稱為受激吸收。自發(fā)輻射粒子受到激發(fā)而進入的高能態(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，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（E2）向低能級（E1）躍遷，同時輻射出能量為（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E2上的粒子還可以另一方式躍遷到較低能級。他指出當頻率為=（E2-E1）/h的光子入射時，也會引發(fā)粒子以一定的概率，迅速地從能級E2躍遷到能級E1，同時輻射一個與外來光子頻率、相位、偏振態(tài)以及傳播方向都相同的光子，這個過程稱為受激輻射。受激輻射粒子數反轉

當頻率一定的光射入工作物質時，受激輻射和受激吸收兩過程同時存在，受激輻射使光子數增加，受激吸收卻使光子數減小。物質處于熱平衡態(tài)時，粒子在各能級上的分布，遵循平衡態(tài)下粒子的統(tǒng)計分布規(guī)律。按統(tǒng)計分布規(guī)律，處在較低能級E1的粒子數必大于處在較高能級E2的粒子數。這樣光穿過工作物質時，光的能量只會減弱不會加強。要想使受激輻射占優(yōu)勢，必須使處在高能級E2的粒子數大于處在低能級E1的粒子數。這種分布正好與平衡態(tài)時的粒子分布相反，稱為粒子數反轉分布，簡稱粒子數反轉。粒子數正常分布粒子數翻轉分布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+）而構成晶體。在紅寶石中，起發(fā)光作用的是鉻離子。當紅寶石受到強光照射時，鉻離子受到強光照射時，鉻離子被激勵，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E3上停留時間很短，很快地以輻射躍遷的方式轉移到亞穩(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)，加上外界強光的不斷激勵，使亞穩(wěn)態(tài)E2上的粒子數不斷積累，這樣就在亞穩(wěn)態(tài)E2和基態(tài)E1之間形成了粒子數反轉。光學諧振腔示意圖光學諧振腔：在工作物質的兩側，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，這樣就形成了最簡單的光學諧振腔?！傲Ｗ訑捣崔D分布”僅僅是實現(xiàn)光放大的條件，要獲得激光輸出，還必須把光的放大轉化為光的振蕩。利用反饋的概念，把放大了的光反饋一部分回來進一步放大，即可產生振蕩。這就需要一個光學諧振腔(Opticalresonancecavity)激光產生：光在粒子數反轉的工作物質中傳播時，得到光放大，當光到達反射鏡時，又反射回來穿過工作物質，近一步得到光放大，這樣往返地傳播，使諧振腔內的光子數不斷增加。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，從而獲得能量極大的光輸出。但是光在工作物質中傳播時還有損耗（包括光輸出，工作物質對光的吸收等）。當光的放大作用克服了光的損耗作用時，就形成穩(wěn)定的光振蕩。此時，從部分反射鏡端透射出很強的光，這就是輸出的激光。激光產生的示意圖（2）選擇一個適當結構的光學諧振腔。對所產生受激輻射光束的方向、頻率等加以選擇并放大，從而產生單向性、單色性、強度等極高的激光束；（3）外部的工作環(huán)境必須滿足一定的閾值條件，以促成激光的產生。這些閾值條件大體包括：減少損耗，加快抽運速度，促進（粒子數）反轉等。像工作物質的混合比、氣壓、激發(fā)條件、激發(fā)電壓等等。

產生激光的必要條件（1）選擇具有適當能級結構的工作物質，在工作物質中能形成粒子數反轉，為受激輻射的發(fā)生創(chuàng)造條件；激光：某些物質的原子中的粒子受光或電刺激，使低能級的原子變成高能級原子，而輻射出相位、頻率、方向等完全相同的光，這種光叫作激光。激光器的種類由工作物質（產生激光的激活物質）、激發(fā)能源和光學諧振腔以一定的方式結合起來的裝置。按激光器工作物質分類：固體激光器、氣體激光器、染料激光器和半導體激光器。按工作波段分類：紅外和遠紅外激光器、可見光激光器、紫外和真空紫外激光器、X射線激光器。按運轉方式分類：連續(xù)激光器、脈沖激光器、超短脈沖激光器。氦-氖激光器的構造氬離子激光器的構造氣體激光器GasLaser工作物質是氣體或金屬蒸氣。常用的氦-氖激光器，是通過氣體放電使Ne原子產生粒子數反轉，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+(488nm,514.5nm)，另外還包括有N2(337.1nm,357.7nm,315.9nm)/CO2(10.6μm)氣體激光器具有結構簡單、造價低、操作方便、光束質量好、激光輸出波長范圍較寬。能長時間較穩(wěn)定連續(xù)工作的特點，是目前品種最多應用最廣泛的激光器。激光器的種類-按工作物質分類二氧化碳激光器，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。連接方式產生的激光功率可達20千瓦以上。脈沖方式產生的波長10.6微米激光也是最強大的一種激光。它產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。做實驗時，一不小心就會把自己的衣服燒壞，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”的標記，操作時要特別留神。能變色，只要轉動一個激光器上的旋鈕，就可以獲得紅、橙、黃、綠、青、藍、紫各種顏色的激光?！半[身”和“變色”激光器分子激光器：以CO2激光器為代表，因紅外波長激光的熱效應高，故多用于激光刀，醫(yī)療，機械加工方面，還用于測距，通信。準分子激光器：特點—發(fā)光都在紫外波段。用途—多用于微細加工，光刻及醫(yī)學。原理—不是分子固有能級躍遷發(fā)光，而是當兩種元素的原子被高能量的電脈沖激勵時，兩種元素的原子在瞬態(tài)結合成的準分子的能級間躍遷產生的受激發(fā)光。發(fā)光后，分子很快分解成原子。

X射線激光器X射線是原子內部殼層的電子躍遷產生的光子，其光子能量非常高。目前，最短的X射線波長已達到水窗范圍（因為水是吸收X射線的，只有在附近，水分子有個不吸收區(qū)，X射線可順利通過，損耗很小，故稱水窗），由于生物細胞活性組織內均含有很多水份，因此這種波長的X射線激光用于生物學，醫(yī)學，生命科學的研究。已經用波長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核的圖象,用于DNA在精子細胞內排列的研究。高vs矮，大田作物and鮮切花都可視為新的點波源，以其為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+）而構成晶體。五、現(xiàn)代光學時期作用時間和功率密度與化學作用差不多。激光：某些物質的原子中的粒子受光或電刺激，使低能級的原子變成高能級原子，而輻射出相位、頻率、方向等完全相同的光，這種光叫作激光。第二年同一批，100s效果最佳，1000s明顯抑制。利用反饋的概念，把放大了的光反饋一部分回來進一步放大，即可產生振蕩。激光具有良好的相干性。光學發(fā)展簡史-幾何光學時期1900年，普朗克從物質的分子結構激光在皮膚科及整形外科領域中的應用此時，從部分反射鏡端透射出很強的光，這就是輸出的激光。第二年同一批，100s效果最佳，1000s明顯抑制。固體激光器：密度大，粒子多，功率大；固體激光器SolidState(DopedInsulator)Laser工作物質有紅寶石、釹玻璃、釔鋁石榴石（YAG）等，在作為基質的材料的晶體或玻璃中均勻地摻入少量離子，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、鈦藍寶石（Ti:sapphire）660-1180nm等。一般來說固體激光器具有器件小而堅固，使用方便，輸出功率大的特點。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；結構緊湊；工作穩(wěn)定氣體激光器：較均勻，激光質量較好激光器的種類-按工作物質分類摻釹釔鋁石榴石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，對治療白內障和青光眼十分有效。近年來，研制出摻鈦(Ti)藍寶石激光器670nm

~

1100nm固體激光器常用于產生強激光，連續(xù)輸出~幾千瓦,脈沖輸出~幾萬焦耳在石英或玻璃光纖中摻入稀土離子，用半導體二極管或其他固體激光器作泵輔源也可產生可調諧激光。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。摻鉺光纖激光器激光器的種類-按工作物質分類液體激光器常用有機染料作工作物質，大多數情況是把有機染料溶于乙醇、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雜，但輸出的波長連續(xù)可調，且覆蓋面寬。從紅外到紫外范圍調諧任意波長(幾十到幾百納米）的輸出光，譜線很窄，單色性好，適于光化學與光譜學方面的應用。激光器的種類-按工作物質分類半導體激光器SemiconductorLaser以半導體為工作物質，產生激光的方法有p-n結注入式、電子束激發(fā)、光激發(fā)、雪崩式擊穿等。半導體激光器發(fā)展很快，在微型化方面進展迅速。整個器件只有50

mx150

mx250

m，比普通的米粒還小。體積?。ㄖ挥谢鸩窈写笮。?、重量輕、壽命長、結構簡單，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。只要通以適當強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，所以保密性特別強，很適合用在飛機、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，光計算機，微量氣體探測等方面?，F(xiàn)在的光驅、VCD、DVD的激光頭都是一個小型半導體激光發(fā)射器。其它還有光纖激光器、化學激光器、單原子激光器、X射線激光器等。生物微腔激光器砷化鎵基底半導體反射鏡量子阱增益區(qū)液體中的細胞介質膜反射鏡玻璃基底

將一含有被測細胞的液體放在半導體激光器的發(fā)光表面，上面覆蓋鍍有反射膜的玻璃片。細胞置于激光共振腔中，當激光在腔內往返數百次后，細胞中的信息充分被激光發(fā)射帶出，通過這些信息的識別，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，就可知道細胞屬于那一類。是正常細胞還是癌細胞等。這種生物微腔激光器一般用波長850納米的半導體激光器來制作。一種研究活體生物細胞的手段和方法納米激光器問世據2001年《科學》雜志報道，加利福尼亞大學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物質，提高計算機磁盤和光子計算機的信息儲存量。激光類型波長典型脈沖持續(xù)時間激光類型波長典型脈沖持續(xù)時間氬離子氪離子氦－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摻釹氟鋰釔我國激光器研究情況激光器的第一臺研制成功時間研制人紅寶石激光器（我國第一臺)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同質結半導體激光器1963年12月王守武CO2分子激光器1965年9月王潤文等激光應用技術信息技術方面的應用：光通訊，光存儲，光放大，光計算，光隔離器檢測技術方面的應用：測長，測距，測速，測角，測三維形狀激光加工：焊接，打孔，切割，熱處理，快速成型醫(yī)學應用：外科手術，激光輻照（皮膚科、婦產科），眼科手術，激光血照儀，視光學測量科學研究方面的應用：激光核聚變，重力場測量，激光光譜，激光對生物組織的作用，激光制冷，激光誘導化學過程等等光盤存儲器原理—激光刻蝕與讀出偏振光顯微鏡激光全息防偽人民幣（建國50周年紀念幣）激光控制核聚變天文臺（激光導航星）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光激光測距與激光雷達光學發(fā)展簡史-幾何光學時期例如，每平方厘米功率為10萬千瓦的激光束，其表面壓強每平方厘米可達40g。在作為基質的材料的晶體或玻璃中均勻地摻入少量離子，稱為激活離子。用途—多用于微細加工，光刻及醫(yī)學。這種分布正好與平衡態(tài)時的粒子分布相反，稱為粒子數反轉分布，簡稱粒子數反轉。激光是在有理論準備和生產實踐迫切需要的背景下應運而生的，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科學和光學技術獲得了新生，而且導致整個一門新興產業(yè)的出現(xiàn)。整個器件只有50mx150mx250m，比普通的米粒還小。由工作物質（產生激光的激活物質）、激發(fā)能源和光學諧振腔以一定的方式結合起來的裝置。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，開花結果早且多，果實中幾種維生素和胡蘿卜素含量增加。利用光的干涉設計精密測量儀19世紀末到20世紀初，光學的研究深入到光的發(fā)生、光和物質相互作用的微觀機制中。粒子數翻轉分布因此，‘激溫’效應具有誘變突變的效果。氣體激光器具有結構簡單、造價低、操作方便、光束質量好、激光輸出波長范圍較寬。在石英或玻璃光纖中摻入稀土離子，用半導體二極管或其他固體激光器作泵輔源也可產生可調諧激光。長度測量激光在醫(yī)學上的應用激光診斷、手術和治療

激光層析造影、激光熒光診斷、光動力學治療（PDA）技術、激光心臟打孔、激光光纖內窺鏡手術……激光穿心術激光手術生物和醫(yī)學應用激光在工業(yè)中的應用激光切割激光切割激光在工業(yè)中的應用激光焊接汽車激光在工業(yè)中的應用激光快速成型激光技術涉及的學科物理（光學）精密加工（光學諧振腔的制作）光學加工（光學鍍膜、光學裝調）電子技術（激光電源、控制電路）應用技術基礎（數學方法、誤差理論）各種激光器及應用方面可參考有關書籍姚建銓編著，奇異的光——激光，清華大學、暨南大學出版社，2002年7月第2次印刷董克編，人類希望之光——激光，上海交通大學出版社，2004年7月（TN24-49/D65－深圳大學圖書編號）閻吉祥編著，神奇之光——無所不能的激光技術，科學出版社，1998年8月（TN24-49/Y17）激光的效應光效應熱效應壓力效應電磁場效應光效應和普通光一樣，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。當植物有機體在吸收激光的同時，同樣發(fā)生分解、電熱以及產生熒光二生熱等光化學反應過程，而使有機體引起某種性狀上的變化。由于激光能量密度極高，可以導致有機體引起更大的突變效果。因此，對某一特定結構與化學組分的有機體來說，同樣波長的激光與普通光所引起的光效應就不盡相同。熱效應激光具有良好的相干性。這引起有機體的熱效應要比普通光顯著得多。在激光照射下，幾毫秒的短時間內使有機體的局部溫度升到200～1000℃，而溫度下降的速度要比普通光加溫要慢得多，如45～50℃的有機體局部溫度能保持在1min左右?！亍苁惯z傳基因的原子發(fā)生位置的改動而形成新的異構分子。因此，‘激溫’效應具有誘變突變的效果。壓力效應光在照射表面形成的壓強及其微弱，但激光能量高，形成的壓強則不能忽視。例如，每平方厘米功率為10萬千瓦的激光束，其表面壓強每平方厘米可達40g。另外，因熱效應引起的瞬間“激溫”效應還會使有機體組織引起膨脹、變形甚至汽化，產生所謂的次生沖擊波壓力效應。這樣，總的壓力效應可能因此有機結構與化學組分的改變，從而發(fā)生性狀上的變異。電磁場效應激光是一種電磁波，因此伴隨著激光的存在就必然地產生電磁場。例如，每平方厘米功率為1000W的激光能量密度相當于每平方厘米10萬V的電場強度。這種強電磁場由于量子與有機體原子或分子的直接作用下會產生離化、振動、熱等效應，因此也能使有機體結構與化學組分發(fā)生改變，而引起性狀上的變異。弱激光的生物刺激作用弱激光（lowlevellaser）：照射不會對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：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構和機能的不同而不同。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將該劑量分成小劑量多次照射，所起的生物效應一樣大。拋物線效應：即照射次數有閥值，效應不隨次數正比增大，有一極大值，達極大值后，再增加照射次數，刺激作用反而減弱，甚至變成抑制作用。弱激光生物效應激光生物效應光化學效應熱作用光蝕除作用等離子體誘導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，產生受激原子、分子和自由基，引起體內一系列化學反應。（如光化學治癌、皮膚鮮紅癍痣的治療等）主要是利用激光的熱量達到溫熱、凝結、汽化、碳化和熔融效應。由紫外光產生的切除作用，它是高能量的紫外激光直接打斷分子鍵的作用。（準分子激光治療屈光不正）高功率激光產生等離子蝕除的現(xiàn)象。高功率激光器產生的機械分裂和切割作用。激光醫(yī)學中主要應用激光生物效應中的光和熱作用。弱激光的刺激作用，有人認為是光化學作用，其作用時間和功率密度與化學作用差不多。小功率的氦氖激光的生物學作用機理小功率的氦氖激光照射皮膚時，在光生物化學反應的基礎上，可影響細胞膜的通透性，影響組織中一些酶的活性，如激化過氧化氫酶，進而可調節(jié)或增強代謝，可加強組織細胞中核糖核酸的合成和活性，加強蛋白質的合成；可使被照射的部位中糖原含量繒加；可使肝細胞線粒體合成三嵯佘眨TP）的功能增強。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、促進肉芽生長、加速傷口、潰瘍、燒傷的愈合等作用。小功率的氦氖激光的生物學作用機理小功率的氦氖激光照射可使成纖維細胞的數目增加，因而增加膠原的形成，可加快血管的新生和新生細胞的繁殖過程，基于其對代謝和組織修復過程的良好影響，可促進傷口愈合，加快再植皮瓣生長，促進斷離神經再生，加速管狀骨骨折愈合，促進毛發(fā)生長等。小功率的氦氖激光照射不能直接殺滅細菌，但可加強機體的細胞和體液免疫機能，如可加強白細胞的吞噬功能，可使淌細胞增加或增強巨噬細胞的活性，可使γ－球蛋白及補體滴度增加；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抗菌素的敏感性。

小功率的氦氖激光的生物學作用機理小功率的氦氖激光照射可影響內分泌腺的功能，如加強甲狀腺、腎上腺等的功能，因而可調節(jié)整個體內的代謝過程；此外，并可引起周圍血液和凝血系列的改變，其基本規(guī)律是具有調節(jié)作用。小功率氦氖激光照射可改善全身狀況，調節(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，神經節(jié)段部位，交感神經節(jié)、穴位等不同部位，與某些局部癥狀改善的同時，可出現(xiàn)全身癥狀的改善，如精神好轉、全身乏力減輕、食欲增加、原血沉加快者于照后血沉減慢等。

激光在農業(yè)領域的應用激光對促進作物生長、提高產量和品質的作用植物色素（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。植物在激光的適當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，果實早熟等植物生長效果。激光束經聚焦后形成極小的光點，由于能量或功率的高度集中，人們把它當作手術刀用來切割組織。由于激光能量密度極高，可以導致有機體引起更大的突變效果。首先，人們日常工作生活在表現(xiàn)為光的電磁場中，除特殊情況外光對生物體的害處是很少的。氣體激光器GasLaser激光生物刺激作用具有如下特點：前蘇聯(lián)，紅寶石脈沖激光器，青瓜、西紅柿，花果增多。對光的直線傳播的認識利用光的干涉設計精密測量儀激光：某些物質的原子中的粒子受光或電刺激，使低能級的原子變成高能級原子，而輻射出相位、頻率、方向等完全相同的光，這種光叫作激光。注：當波行進時，波前上的每一點1540nm~2940nm:醫(yī)學和通信，釔鋁石榴石激光器或液體激光器中的染料激光器，對治療白內障和青光眼十分有效。另一種典型代表是氬離子激光器Ar+(488nm,514.可使肝細胞線粒體合成三嵯佘眨TP）的功能增強。脈沖方式產生的波長10.科學研究方面的應用：激光核聚變，重力場測量，激光光譜，激光對生物組織的作用，激光制冷，激光誘導化學過程等等激光在農業(yè)領域的應用激光對促進作物生長、提高產量和品質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、促進作物生長、縮短成熟期、提高產量、減少農藥使用量種子經一定量激光照射后，種皮和內部細胞的吸水性和透氣性均相應提高，滿足促進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。通過激活酶類物質能使受損或失去活力的種子在此復活（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，提高作物產量大田作物植株數目多且分散，處理難度較大。激光掃描儀激光對促進作物生長、提高產量和品質的作用，紅寶石激光器，蠶豆、蘿卜、紫花苜蓿、南瓜，7dvs9d。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，開花結果早且多，果實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，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。牽牛、菊花，控制莖稈高矮。激光在農業(yè)領域的應用激光在誘發(fā)突變育種方面的應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、結構，這些變異特征可能通過細胞分裂和減數分裂傳到后代，從而達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外，還伴隨“激溫”效應、壓力效應、電磁效應以及多光子吸收的非線性效應，因此要實現(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，根據育種目標獲得相應的優(yōu)良品種。高vs矮，大田作物and鮮切花激光在農業(yè)領域的應用激光與農業(yè)有關方面的應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，通過光動力學反應，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的有機染料激光器，激光波長可根據害蟲表皮色素來選擇配合使用：鼓風機、低濃度殺蟲劑、天敵激光在農業(yè)領域的應用激光與農業(yè)有關方面的應用超微量分析技術分析植物有機體，可分析出單個細胞乃至細胞核內元素種類及精確含量激光作為激發(fā)物質對染料等定量、定性標記來獲得實驗數據微束激光照射技術激光聚焦，μm以下水平，結合顯微鏡，對細胞或染色體動手術。顯微切割、捕獲激光在醫(yī)學領域的應用生物體與光的各種相互作用的示意圖激光對于受照射的組織有四方面的作用熱力作