激光及其医学应用

第二节 激光的特性 一、方向性好 激光束的发散角一般在10 激光束的发散角一般在 -4~10-2rad， ， 是普通光源的10~104倍 是普通光源的 应用：准直、目标照射、通讯和雷达， 应用：准直、目标照射、通讯和雷达，用月球上 的反射镜对激光的反射来测量地球与月球之间的 距离，其精度可几厘米。 距离，其精度可几厘米。 二、亮度高、强度大 亮度高、 是普通光源的10 是普通光源的 12~1019倍 应用：可制造激光武器以及工业上的打孔、切割、 应用：可制造激光武器以及工业上的打孔、切割、 焊接。在临床上用作手术刀与用于体内碎石。 焊接。在临床上用作手术刀与用于体内碎石。
原子可以产生多条激光谱线 可以产生多条激光谱线, ♦ Ne 原子可以产生多条激光谱线, 图中标明了最强的三条: 0．6328µｍ ． µ 1．15 µm ． 3．39 µｍ ． 它们都是从亚稳态到非亚稳态、 它们都是从亚稳态到非亚稳态、 非基态 之间发生的，因此较易实现粒子数反转。 之间发生的，因此较易实现粒子数反转。
E2
E1
•
hν
频率、相位、偏振态、 频率、相位、偏振态、 传播方向等均同
E2
E1
•
hν hν
二、粒子数反转 激光是通过受激辐射实现光放大， 激光是通过受激辐射实现光放大，即要使受激 辐射超过吸收和自发辐射 根据玻尔兹曼 能量分布律
N2 = e−( E2 −E1 ) kT N1
热动平衡下， 热动平衡下， N2<<N1，即处于高能级的原子数 大大少于低能级的原子数——粒子数的正常分布 大大少于低能级的原子数 粒子数的正常分布 受激辐射占支配地位⇒ 受激辐射占支配地位⇒粒子数反转 高能级上的粒 子数超过低能 级上的粒子数
波长范围从远红外到紫外，可单一的，也可和多种可调的 方式可以是连续的，也可多种形式的脉冲 功率从10-3~105W，脉冲峰值可达1013W
六十年代初对发明激光有贡献的三位科学家。 六十年代初对发明激光有贡献的三位科学家。 发明激光有贡献的三位科学家 1964年获诺贝尔物理奖。 年获诺贝尔物理奖。 年获诺贝尔物理奖
用一根钨探针或硅 探针在距试样表面 几毫微米的高度上 反复移动, 反复移动,来探测固 体表面的情况。 体表面的情况。
激光-原子力显微镜 激光 原子力显微镜 （AFM） ） 激光器
分束器 布喇格室
棱镜
反馈机构
接计算机 压电换能器 微芯片
试样通常是 微电子器件。 微电子器件。
压电控制装置
第三节 激光的医学应用
实现粒子数反转的条件： 实现粒子数反转的条件： 要有实现粒子数反转分布的物质， 要有实现粒子数反转分布的物质，这种物质具有 适当的能级结构； 适当的能级结构； 必须从外界输入能量， 必须从外界输入能量，使工作物质中尽可能多的 粒子处于激发态。（激励或泵浦） 粒子处于激发态。（激励或泵浦） 。（激励或泵浦 激励方法：光激励、电激励、 激励方法：光激励、电激励、化学激励 工作物质的能级结构：具有亚稳态(寿命较长 寿命较长) 工作物质的能级结构：具有亚稳态 寿命较长 只有具有亚稳态的工作物质才能实现粒子数反转
3、光化作用 生物大分子吸收激光光子的能量受激活而引起生物组织内一 系列的化学反应叫光化反应。激光照射直接引起机体发生光化 反应的作用叫光化作用。光化反应分为两个过程，初级过程有 光参与，产物不稳定，可进一步触发化学反应，即次级过程， 生成最终的稳定产物。不需光参与。 光化作用有两个定律：一是吸收定律，只有被分子吸收的 光子才能引起光化反应，具有波长选择性。二是量子定律，每 个分子只吸收一个光子而成为光化激活分子。 光化反应有光致分解、光致聚合、光致异构以及光致敏 化等类型。其中光致敏化是指生物系统所特有的由光引起的， 在敏化剂参与下发生的化学反应。又分有无氧分子参加分为 光动力学作用和光致敏化反应。 光致敏化可治疗肿瘤，光化作用还强引起红斑反应、色素 沉着、维生素D合成等生物效应。用于杀菌、同位素分离、物 质提纯、分子剪裁等方面。
♦ 在碰撞中 He 把能量传 而回到基态， 递给 Ne而回到基态， 而回到基态 而 Ne 则被激发到 5S 或 4S; 要产生激光， （要产生激光，除了增加 上能级的粒子数外， 上能级的粒子数外， 还要设法减少下能级的 粒子数） 粒子数） ♦ 正好 Ne 的5S，4S是亚 ， 是 稳态， 要短得多， 稳态，下能级 4P，3P 的寿命比上能级5S，4S要短得多， ， 的寿命比上能级5 ， 要短得多 这样就可以形成粒子数的反转。 这样就可以形成粒子数的反转。 放电管做得比较细（毛细管），可使原子与管壁碰撞频繁。 ），可使原子与管壁碰撞频繁 ♦ 放电管做得比较细（毛细管），可使原子与管壁碰撞频繁。 借助这种碰撞， 态的 借助这种碰撞，3 S态的 Ne 原子可以将能量交给管壁发生 无辐射跃迁”而回到基态，这样可以及时减少3 态的 态的Ne “无辐射跃迁”而回到基态，这样可以及时减少3S态的 原 子数，有利于激光下能级4 与 态的抽空 态的抽空。 子数，有利于激光下能级4P与3P态的抽空。
1、热作用 生物组织在激光照射下吸收光能转化为热能，温度升高， 这就是热作用。 低能量光子可使组织直接生热，高能光子则多需经过一些中 间过程而使组织生热。 随着温度的升高，在皮肤和软组织中将由热致温热（38~42℃） 开始，相继出现红斑、水泡、凝固、沸腾、炭化，燃烧直至5730℃ 以上的热致气化等反应。温热和红斑用理疗，沸腾、炭化，燃烧用 于手术治疗，热致气化直接破坏肿瘤细胞。 温升将引起生物组织的热化反应及生物分子变性，对代射、 血液循环以及神经细胞带来影响，造成损伤。与照射时间有关。 眼对激光的作用较为敏感，眼的不同组织由各自的结构特 点决定了它们对不同波长的光的反射、折射、散射、透射、吸 收的表现。眼科激光治疗时应注意剂量。利用激光的热致凝固 效应治疗视网膜脱离是极为有效的方法。
一、激光的生物作用 生物作用：激光作用于生物组织，由此引发的一系列理化 过程。 生物效应：生物组织因受激光照射而出现的各种应答性反 应、效果或变化。 强激光：在医学领域，激光对被照射生物组织，若能直接 造成不可逆损伤者。 弱激光：在医学领域，激光对被照射生物组织，若不能直 接造成不可逆损伤者。 生物作用有以下几个方面： 热作用、机械作用（压强作用）、光化作用、电磁场 作用、弱刺激作用
2、机械作用（压强作用） 生物系统吸收激光能量时会产生蒸发和机械波，机械波 是由一系列压强因素造成的。激光照射生物组织，可直接或 间接对组织产生压强，称为激光的机械作用或压强作用。 激光产生的压强由两种因素形成，一种是由激光辐射本 身产生的，叫光压。另一种是由于生物组织受热急剧膨胀而 产生汽化、沸腾和固体的直接汽化形成的巨大压强，进而破 坏那些直接被照射的部分。后者的破坏力比前者要强得多。 有汽流反冲压、内部汽化压、体膨胀超声压、等离子体膨胀 压和电致伸缩压。 激光的机械作用对临床治疗有利有弊。例如利用二次 压强打孔，可降低眼压，治疗青光眼、白内障。在外科手 术中用于切开组织等。而在眼球与颅内由于二次压强剧升 形成爆炸性损伤，甚至死亡。也可使被照射的肿瘤组织被 压向深部或向飞溅而造成转移。
激光光纤通讯
由于光波的频率 比电波的频率高 好几个数量级， 好几个数量级， 一根极细的光纤 能承载的信息量， 能承载的信息量， 相当于图片中这 麽粗的电缆所能 承载的信息量。 承载的信息量。
激光手术刀
不需开胸，不住院） （不需开胸，不住院）
♦照明束：照亮视场 照明束： 纤维镜激光光纤： ♦ 纤维镜激光光纤： 主动脉 成象
臂动脉 内窥镜
有源纤维强激光： 冠状动脉 ♦ 有源纤维强激光： 使堵塞物熔化 附属通道： ♦ 附属通道： 可注入气或液） （可注入气或液） 排除残物以明视线 ♦套环： 套环： 套环 可充、放气） （可充、放气） 阻止血流或使血流流通
附属通道 有源纤维 套环
照明束 纤维镜
激光—— 激光 原子力显微镜(AFM) 原子力显微镜
普罗恰洛夫 巴索夫 汤斯
第一节 激光的基同时存在吸收、 光与原子体系相互作用，同时存在吸收、 吸收 辐射和受激辐射三种过程。 自发辐射和受激辐射三种过程 自发辐射和受激辐射三种过程。
自发辐射 在没有任何外界作用下， 在没有任何外界作用下，激发态原子自发地从 高能级向低能级跃迁，同时辐射出一光子。 高能级向低能级跃迁，同时辐射出一光子。 满足条件： 满足条件：hν=E2-E1
激光及其医学应用 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
Laser——受激辐射光放大 受激辐射光放大 爱因斯坦1917年预言受激辐射的存在和光放大的可能 年预言受激辐射的存在和光放大的可能 爱因斯坦 汤斯1954年制成受激辐射微波放大器 汤斯 年制成受激辐射微波放大器 梅曼1960年制成第一台激光器 红宝古石激光器 年制成第一台激光器----红宝古石激光器 梅曼 年制成第一台激光器
亚稳态
亚稳态
碰撞转移
电子碰撞
He-Ne激光管的工作原理： 激光管的工作原理： 激光管的工作原理
♦ 由于电子的碰撞,He被激 由于电子的碰撞, 被激 能级) 发(到23S和21S能级)的概 和 能级 率比 Ne 原子被激发的概 率大； 率大； ♦ 在 He 的23S，21S这两个 这两个 能级都是亚稳态， 能级都是亚稳态，很难回 到基态； 到基态； 在 He 的这两个激发态上 集聚了较多的原子。 集聚了较多的原子。 ♦ 由于 Ne的 5S 和 4S态与 He的 21S和 23S态的能量 的 态 的 和 态 几乎相等， 几乎相等，当两种原子相碰时非常容易产生能量的 共振转移” “共振转移”；
E2
E1
•
E2
E1
hν
•
随机过程，自发辐射过程中各个原子辐射出 随机过程， 的光子的相位、偏振状态、 的光子的相位、偏振状态、传播方向等彼此 独立，因而自发辐射的光是非相干光。 独立，因而自发辐射的光是非相干光。
受激辐射 处于高能级E 上的原子，受到能量为h 处于高能级 2上的原子，受到能量为 ν= E2- E1 的外来光子的激励，由高能级E 受迫跃迁到低能级E 的外来光子的激励，由高能级 2受迫跃迁到低能级 1， 同时辐射出一个与激励光子全同的光子。 全同的光子 同时辐射出一个与激励光子全同的光子。