激光及其医学应用.ppt

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1、激光及其医学应用第十八章教学基本要求掌握激光的基本原理与特性。理解激光的生物作用。了解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知识。激光（laser）是受激辐射光放大（lightamplificationbystimulatedemissionofradiation）的简称，爱因斯坦在1916年提出了“受激辐射”的理论假设，预言受激辐射（stimulatedradiation）的存在和光放大的可能。汤斯于1954年制成受激辐射微波放大器，梅曼于1960年制成世界上第一台激光器——红宝石激

2、光器。1961年9月我国第一台红宝石激光器在中国科学院长春光学精密机械研究所诞生，1964年12月著名科学家钱学森给laser起了中文名字“激光”。第一节激光的基本原理一、粒子的能级与辐射跃迁（1）能级:构成物质的粒子（分子、原子、离子等）的不同的能量状态，称能级状态，简称能级（或能态）。（2）基态与激发态：粒子最低的能级称为基态，其他的能级状态称为激发态。1.粒子的能级与平均寿命E1E2E3E4En（3）平均寿命与亚稳态：大量粒子在某激发态停留时间的平均值称为该激发态的平均寿命，一般约10-9s～10-7s。某些粒

3、子的激发态平均寿命较长，约10-3s～10-2s，这种激发态称为亚稳态。2.粒子间的能级跃迁（1）跃迁：粒子的能级变化统称为跃迁。粒子在能级之间实现跃迁必然伴随与外界交换能量的过程。跃迁只在满足“选择定则”的能级之间才能实现，各能级之间跃迁的概率并不一致。（2）辐射跃迁：以光能形式吸收或释放称为辐射跃迁或光辐射。（3）无辐射跃迁：以非光能形式吸收或释放称为无辐射跃迁。（4）受激吸收：当光通过物质时，处于低能级E1的粒子吸收一个能量hv=E2-E1的光子而向高能级E2跃迁的过程。（5）自发辐射：自发地从激发态向较低能态

4、跃迁同时释放出光子的过程。E1E2hv=E2-E1E1E2hv=E2-E1（6）受激辐射：一个处于高能级E2的粒子受到一个能量hv=E2-E1的光子“诱发”而跃迁到低能级E1，同时释放一个与“诱发”光子特性完全相同的光子的过程。在光与粒子系统相互作用所实际发生的辐射跃迁中，以上三种基本过程总是不可分割地同时存在。然而在不同的条件下它们各自发生的概率不同，因此总的宏观效果也不同。究竟哪一种跃迁占优势?这要由系统中各能级上分布的粒子数情况决定。E1E2hv=E2-E1hvhv二、粒子数反转分布1.粒子数按能级分布在温度为

5、T的热平衡态，系统中粒子数按能级服从玻耳兹曼能量分布定律。设处于高能级E2与低能级E1的粒子数密度分别为N2与N1，而在两能级间跃迁时，各自变化ΔN2与ΔN1，有:N21的分布。这种分布在辐射跃迁中将使受激辐射占优势，系统对入射光将有光放大的效果。E1E2E1E3E2(亚稳态)（2）实现反转分布的两个条件①介质有两个以上与反转分布有关且有亚稳态的能级结

6、构，这种能实现粒子数反转分布的介质称为激活介质；②有外界能源供给能量，使在正常分布下处于低能态的大量粒子尽快被激发或抽运到较高能态。hv=E2-E1激励抽运无辐射跃迁全反射镜半反射镜经光学谐振腔输出的光才是激光。激光输出工作物质三、光学谐振腔1.光学谐振腔（1）光学谐振腔：使受激辐射在有限体积的激活介质中能持续进行，光可被反复放大最终形成稳定振荡的装置。（2）损耗因素内损耗，由于介质对光的折射、散射、吸收等造成的损耗；镜损耗，由于反射镜产生的吸收、散射、衍射、透射(包括输出的激光)等造成的损耗。（3）品质因数Q式中v

7、为谐振腔内电磁波振荡频率，E为谐振腔内储存的能量，P是单位时间损耗的能量。2.激光的模式（电磁场在腔内的振荡方式）（1）纵向模式（纵模）：电磁场沿谐振腔轴向（z轴方向）的振荡方式。光在腔中来回反射形成相干叠加，只有满足特定相位差条件的光才能形成稳定的驻波，因此腔中只能允许某些特定频率的光在其中持续振荡。不同的纵模表达光波在腔内轴向不同的驻波场分布。每一种分布称为一个横模.常用TEMmn来表示激光横模，TEM表示电磁波，m、n为正整数（横模指数），m和n分别表示在x和y方向上（轴对称情况）光场为零的次数。（2）横模：电

8、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①使受激辐射光放大过程能在有限体积的激活介质中持续进行，且在满足阈值条件下形成光振荡，输出激光；②对输出激光束的方向给予限定；③有选频作用；④调整激光的模式；⑤通过调Q、锁模等技术以改善激光的输出波形。3.光学谐振腔的主要作用四、激光器的基本结构1.