医用物理学：第18章激光及其医学应用

第十八章 激光及其医学应用1 1、激光的基本原理、激光的基本原理2 2、激光的特性激光的特性3 3、激光的医学应用、激光的医学应用第十八章 激光及其医学应用教学基本要求教学基本要求 掌握掌握激光的基本原理与特性。激光的基本原理与特性。理解理解激光的生物作用。激光的生物作用。了解了解激光在基础医学研究与临床中的应用、激光在基础医学研究与临床中的应用、医用激光器、激光的危害与防护等方面的医用激光器、激光的危害与防护等方面的知识。知识。第十八章 激光及其医学应用引引 言言 “镭射镭射”、“莱塞莱塞”激光（激光（钱学森钱学森建议得名）建议得名）全名全名“受激辐射的光放大受激辐射的光放大”。1960年美国物理学家年美国物理学家梅曼梅曼（Maiman）在实验室中做）在实验室中做成了世界上第一台红宝石激成了世界上第一台红宝石激光器。光器。我国于我国于19611961年在长春光学精密机械研究所研制出第一年在长春光学精密机械研究所研制出第一台激光器台激光器第十八章 激光及其医学应用（1 1）能级能级:构成物质的粒子构成物质的粒子（分子、原子、离子等）（分子、原子、离子等）的能的能量状态。量状态。（2 2）基态与激发态基态与激发态：最低最低的的能级能级称为称为基态基态，其他的，其他的能级能级称为称为激发态激发态。1.粒子的能级与平均寿命粒子的能级与平均寿命E1E2E3E4 En第一节第一节 激光的基本原理激光的基本原理一、粒子的能级与辐射跃迁一、粒子的能级与辐射跃迁（3 3）平均寿命与亚稳态：平均寿命与亚稳态：大量粒子在某激发态大量粒子在某激发态停留停留时间平均值时间平均值称为该激发态的称为该激发态的平均寿命平均寿命。平均寿命平均寿命较较长长的的激发态激发态称为称为亚稳态。亚稳态。第十八章 激光及其医学应用2.2.粒子间的能级跃迁粒子间的能级跃迁（1 1）跃迁：跃迁：粒子的能级粒子的能级变化。变化。（3 3）辐射跃迁：辐射跃迁：以以光能光能形式吸收或形式吸收或释放释放的的跃迁。跃迁。（2 2）无辐射跃迁：无辐射跃迁：以以非光能非光能形式吸收或形式吸收或释放释放的的跃迁跃迁。*受激吸收受激吸收*自发辐射自发辐射 自发辐射发出的光子的传播方向、振动方向、初相位自发辐射发出的光子的传播方向、振动方向、初相位彼此无关彼此无关。普通普通光源光源发光的机制发光的机制第十八章 激光及其医学应用*受激辐射受激辐射E1E2hv=E2-E1hvhv 受激辐射受激辐射发出的光子发出的光子的频的频率、传播方向、振动方向、率、传播方向、振动方向、初相位、偏振态等初相位、偏振态等与与“诱发诱发”光子完全相同光子完全相同。光光被放大被放大 激光激光光源发光的光源发光的机制机制第十八章 激光及其医学应用第十八章 激光及其医学应用2 2、粒子数反转分布粒子数反转分布.高能级上的粒子高能级上的粒子数多于低能级数多于低能级。1 1、粒子数正常分布、粒子数正常分布:热平衡时热平衡时高高能级的粒子能级的粒子数少数少。*吸收跃迁吸收跃迁占优势。占优势。*自发辐射自发辐射产生的几率远大于产生的几率远大于受激辐射受激辐射产生的几率产生的几率。粒子数的正常分布粒子数的正常分布1E2E.。1N2N12EE 21NN粒子数反转分布粒子数反转分布2E1E.。2N1N12EE 12NN二、粒子数反转分布二、粒子数反转分布第十八章 激光及其医学应用E1E3E2(亚稳态)有有外界外界供给供给能量能量（泵浦、激励（泵浦、激励、抽运、抽运）。）。hv=E2-E1激励抽运无辐射跃迁3 3、实现粒子数反转的条件实现粒子数反转的条件有适当有适当能级结构能级结构，亚稳态亚稳态的的激活激活介质。介质。亚稳态亚稳态基态基态激激发发态态(10-8S)(10-3S）第十八章 激光及其医学应用全全反反射射镜镜半半反反射射镜镜激光激光输出输出工作物质工作物质三、光学谐振腔三、光学谐振腔 1.1.光学谐振腔结构光学谐振腔结构沿光轴方向运动的光子，反复多次反射产生沿光轴方向运动的光子，反复多次反射产生雪崩式放雪崩式放大大，从部分反射镜射出形成激光。，从部分反射镜射出形成激光。第十八章 激光及其医学应用2 2、损耗损耗因素因素 内损耗内损耗：介质：介质对光的折射、散射、吸对光的折射、散射、吸收等造成的损耗；收等造成的损耗；镜镜损耗损耗：反射镜：反射镜产生的吸收、散射、产生的吸收、散射、衍射、透射衍射、透射(包括输出的激光包括输出的激光)等。等。3 3、品质因数品质因数Q Q描述谐振腔质量的一个物理量描述谐振腔质量的一个物理量PEQ2v：谐振腔内电磁波振荡频率，E：谐振腔内储存的能量，P：单位时间损耗的能量。第十八章 激光及其医学应用4.激光的模式（电磁场在腔内的振荡方式）激光的模式（电磁场在腔内的振荡方式）（1）纵向模式纵向模式（纵模）：（纵模）：电磁场沿谐振腔轴向（z轴方向）的振荡方式。O z L第十八章 激光及其医学应用（2）横模：横模：电磁场沿谐振腔径向（x、y轴方向）的稳定分布，即激光束在其横截面上的光强或光斑分布。激光横模示意图第十八章 激光及其医学应用 维持光振荡,起到光放大作用;对输出激光束的方向给予限定；有选频作用；调整激光的模式；通过调Q、锁模等技术以改善激光的输出波形。5 光学谐振腔的主要作用光学谐振腔的主要作用第十八章 激光及其医学应用四、激光器的基本结构四、激光器的基本结构 2 2.各部份作用各部份作用工作物质工作物质:实现实现粒粒子数反转。子数反转。激励激励装置装置:使原子被使原子被激发激发。谐振腔谐振腔工作物质工作物质全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜激励装置激励装置激光激光工作物质工作物质激励激励装置装置 光学谐振腔光学谐振腔1 1、激光器激光器的组的组成成 光学谐振腔光学谐振腔:实现光实现光放大放大。第十八章 激光及其医学应用 三能级结构三能级结构(红宝石激光器红宝石激光器)第十八章 激光及其医学应用E1E4E3E2“四能级四能级”系统系统 四能级系统实现粒子数反转图 激励抽运无辐射跃迁自发辐射受激辐射吸收第十八章 激光及其医学应用 一一、方向性方向性好好 三、单色性三、单色性好好激光激光谱线谱线宽度窄。宽度窄。激光激光能量在时间和空间上高度能量在时间和空间上高度集中集中。加工加工、激光手术、激光武器等。激光手术、激光武器等。全息照相全息照相、全息存储、全息存储等。等。四、相干性四、相干性好好第二节第二节 激光的特性激光的特性二、亮度高、强度大二、亮度高、强度大 发散角很小发散角很小(10(10-4-4 10 10-2-2弧度弧度)。定位、。定位、导向、测距等。导向、测距等。五、偏振性好五、偏振性好 第十八章 激光及其医学应用一、激光的生物作用一、激光的生物作用 强激光与弱激光强激光与弱激光 在医学领域，激光对被其照射之生物组织，直接造成不可逆性损伤的激光为强激光；不直接造成不可逆性损伤为弱激光。第三节第三节 激光的医学激光的医学应用（自学）应用（自学）1.热作用热作用2.机械作用机械作用3.光化作用光化作用4.电磁场作用电磁场作用5.生物刺激作用生物刺激作用二、激光在基础医学研究中的应用二、激光在基础医学研究中的应用 1.激光对生物分子、细胞组织的作用与效应激光对生物分子、细胞组织的作用与效应2.用于基础医学研究的激光技术用于基础医学研究的激光技术第十八章 激光及其医学应用三、激光的临床应用三、激光的临床应用 (1(1)激光激光诊断方法诊断方法(2(2)激光治疗方法激光治疗方法1 1）激光手术治疗；激光手术治疗；2 2）弱激光治疗；弱激光治疗；3 3）激光光动力学疗法（激光激光光动力学疗法（激光PDTPDT）；4 4）激光内镜术治疗。激光内镜术治疗。第十八章 激光及其医学应用按工作物质分类按工作物质分类：固体、气体、液体、半导体。：固体、气体、液体、半导体。按发光粒子分类按发光粒子分类：原子、分子、离子、准分子。：原子、分子、离子、准分子。按输出方式分类按输出方式分类：连续、脉冲。：连续、脉冲。四四 医用激光器医用激光器五五 激光的危害与防护激光的危害与防护危害：直接危害；与激光器有关的危害危害：直接危害；与激光器有关的危害防护防护1 1）对激光系统及工作环境的监控管理。）对激光系统及工作环境的监控管理。2 2）个人防护）个人防护。