大学医用物理激光的物理原理

普通光源-----自发辐射激光光源-----受激辐射激光又名镭射(Laser)，它的全名是“受激辐射光放大”。受激辐射放大器.是受激辐射使光不断放大而获得的强相干光(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)激光一、概述1960年研制出世界上第一台红宝石激光器，1961年应用于眼科视网膜的焊接。之后激光应用于医学的各个领域，激光医学成为现代医学的一个重要分支,是继原子能、半导体和计算机技术之后的重大成果科技之一二、激光的特征激光是一种电磁波，它具有电磁波的基本性质，如：干涉、衍射、反射定律、折射定律等。除了具有光的基本特性以外，激光还具有自己独特的性质：（一）高方向性（发散角～10–4弧度）（二）高亮度脉冲瞬时功率大（可达～1014瓦）（三）高单色性（四）相干性好三、激光的发生原理（一）粒子的能级与辐射跃迁（1）原子的能级：原子是由原子核与绕核运转的电子组成。电子只有在一系列特定的轨道上绕核运动，即原子只能处于一系列特定的能量状态，我们把分立的原子能量值（电子的动能与电子、原子核之间的静电势能之代数和）统称为原子的能级，其中能量最低的称为基能级，所对应的状态称为基态，其余的能级称为激发态。原子从一个能级跳到另一个能级的过程称为原子的跃迁，跃迁的过程伴随着原子与外界能量交换的过程。（2）原子的平均寿命：原子处于基态时最稳定，而处于激发态时则不稳定，它必然以各种形式向外释放能量来实现向低能态或基态的跃迁。各个原子处于激发态的时间的平均值称该激发态的平均寿命，一般在10-9~10-7S范围，如果原子在某些激发态的平均寿命相对较长，例如可达10-3S~10-2的数量级，则这种激发态称之为亚稳态。（3）粒子能级之间的跃迁粒子在实现能级之间的跃迁时一种是以光能的形式与外界交换能量，此称为辐射跃迁或光辐射；另一种以非光能的形式与外界交换能量，此称为无辐射跃迁或非光辐射。（1）自发辐射：处于高能态的粒子总是力图向低能级跃迁而趋于稳定，这种粒子完全自发地从激发态向较低能级跃迁,同时释放出光子的过程称之为自发辐射。自发辐射对于不同粒子或同一粒子的不同时刻所发出的光子它们的频率，相位，传播方向，偏振状态各不相同，因此自发辐射所发出的光是自然光。（二）辐射跃迁的三种基本过程。自发辐射(spontaneousradiation)设N1、N2—单位体积中处于E1、E2能级的原子数。单位体积中单位时间内，从E2E1自发辐射的原子数：2NdtdN自发21E2E1N2N1h（2）受激辐射：处于高能级的粒子，当有一能量的外来光子趋近时，因受其“刺激”而从高能级向低能级跃迁，同时释放光子的过程称为受激辐射。受激辐射的光子的频率，相位，传播方向，偏振状态与刺激光子完全一样。受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、相位及传播方向均相同------有光的放大作用。受激辐射(stimulatedradiation)（3）吸收(absorption)E2E1N2N1h单位体积中单位时间内因吸收外来光而从E1E2的原子数：112NT,dtdN吸收（三）粒子数按能级分布（1）玻尔兹曼分布：在热平衡状态下，单位体积中同类粒子的数量在各能级上按照一定的统计规律分布，玻尔兹曼分布规律1231038.100expJKKkTnEnNNnnkTENN为玻尔兹曼常数为绝对温度和最低能级上的粒子数能量值为分别表示单位体积处于与这说明，在热平衡条件下，绝大多数的粒子都处在基态，能级能量越高，粒子数越少。2.粒子数反转（1)受激辐射与吸收过程的矛盾设想有一个诱发光子，欲诱发受激辐射，由于在热平衡时，处在高能级上的粒子数目总是远远少于低能级上的粒子数目，这样，诱发光子遇到低能级上粒子的概率远远高于高能级上的粒子。因此，吸收过程远远胜过受激辐射过程。（2)粒子数反转分布为了使受激辐射过程胜过吸收过程，必须破坏粒子数的热平衡分布，使得处在高能级上的粒子数目大于低能级上的粒子数目，这种分布已不是热平衡分布了，称为粒子数反转。粒子数反转分布：粒子数分布不是正常分布，而是高能级的粒子数目大于低能级的粒子数目，使受激辐射的概率大于吸收概率产生粒子数反转的条件：1、只有具有亚稳态的物质才可能实现粒子数反转。2、粒子数反转分布的实现：光激励、电激励、化学激励等（外界提供能量）小结：产生激光的必要条件ｌ.激励能源（使原子激发）２.粒子数反转（有合适的亚稳态能级）３.光学谐振腔（方向性，光放大，单色性）光学谐振腔(opticalharmonicoscillator)(longitudinalmodeandtransversemode)激光器有两个反射镜，它们构成一个光学谐振腔。激励能源全反射镜部分反射镜激光光学谐振腔的作用：1.使激光具有极好的方向性（沿轴线）；2.增强光放大作用（延长了工作物质）；3.使激光具有极好的单色性（选频）。阈值条件为mGRRLG211ln21对于可能有多种跃迁的情况，可以利用阈值条件来选出一种跃迁。选频之一：粒子数反转一.为何要粒子数反转(populationinversion)22122121NWNT,BdtdN受激11211212NWNT,BdtdN吸收从E2E1自发辐射的光，可能引起受激辐射过程，也可能引起吸收过程。二．粒子数反转举例例.He一Ne气体激光器的粒子数反转He-Ne激光器中He是辅助物质，Ne是激活物质，He与Ne之比为5∶110∶1。亚稳态电子碰撞碰撞转移亚稳态必须N2N1（粒子数反转）。因B21=B12W21=W12产生激光必须吸收受激dtdNdtdN1221按工作方式分连续式（功率可达104W）脉冲式（瞬时功率可达1014W）巨脉冲激光器(加Q开关)五.波长：极紫外──可见光──亚毫米(100nm）（1.222mm）四.种类：固体（如红宝石Al2O3）液体（如某些染料）气体（如He-Ne，CO2）半导体（如砷化镓GaAs）按工作物质分六、激光器结构以氦氖激光器为例；1、光学谐振腔：两块放大镜一块是全反射镜，另一块是部分反射镜。2、激励装置：3、工作物质：例2.激光手术刀（不需开胸，不住院）照明束……照亮视场纤维镜激光光纤……成象有源纤维强激光……使堵塞物熔化臂动脉主动脉冠状动脉内窥镜附属通道有源纤维套环纤维镜照明束附属通道（可注入气或液）……排除残物以明视线套环……（可充、放气）阻止血流或使血流流通七、激光的生物效应激光和生物组织相互作用后所引起的生物组织的任何变化都称激光的生物效应。1、热作用2、压强作用3、光化作用4、电磁场作用5、生物刺激作用