激光和其医学应用.ppt

魏杰制作，版权所有，不得翻录。,魏杰制作，版权所有，不得翻录。,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本第二级第三级第,第二节,激光的生物作用机制和医学应用,第三节,医用激光器,前页,后页,返回,返回主页,蚌埠医学院魏杰制作,江医上饶分院,医用物理学,练 习,第九章,激光及医学应用,第一节,激光的基本原理和特性,资料仅供参考,不当之处，请联系改正。,一、原子的能级,二、光辐射及其三种基本形式,三、激光的产生,四、激光的特性,第一节 激光的基本原理和特性,主量子数 ：代表电子运动区域的分布范围,角量子数 ：代表电子运动区域的形状,磁量子数 ：代表电子运动区域的空间取向,自旋量子数 ：代表电子自旋运动的空间取向,n1 基态,n1 激发态,激发态是不稳定状态，会跃迁到较低能级，发出光子,（一）在微观世界里，原子中电子的运动状态用四个量子数来描述：,一、原子的能级,（二）各种原子核外电子的排列,1、泡利不相容原理:,不能有两个电子具有相同的,n,l,ml,ms,2、能量最小原理,原子处于基态时，各个电子都趋向处在可能占取的最低能级,3、电子排列,n,l,m,l,相同，但,m,s,不同的可能状态有2个,n,l,相同，但,m,l,m,s,不同的可能状态有2(2,l,+1)个,n,相同，但,l,m,l,m,s,不同的可能状态有2,n,2,个,组成次壳层，表示为,s,p,d,f,g,组成主壳层，表示为,K,L,M,N,（三）玻尔假说,1、,原子存在某些定态，在这些定态中不发出也不吸收电磁辐射能。原子定态的能量只能采取某些分立的值E1，E2，En，而不能采取其它值。这些定态能量的值叫做,能级。,2、只有当原子从一个定态,跃迁,到另一定态时，才发出或吸收电磁辐射。,3、玻尔频率条件：hv=En-Em,4、氢原子的能级应为：,En=-hcT（n）=-hcRH/n2,n叫做（主）量子数。,5、,原子能级中能量最低的叫做,基态，,其余的叫做,激发态。,自发辐射、受激辐射和受激吸收,二、光辐射及其三种基本形式,（一）自发辐射,（二）受激吸收,两个能级之间自发辐射的光子和吸收的光子的频率为：,（三）受激辐射,受激辐射的特点：,同频率、同相位、同传播方向、同偏振方向。,受激辐射的概念是爱因斯坦于1917年在推导普朗克的黑体辐射公式时，第一个提出来的。他从理论上预言了原子发生受激辐射的可能性，这是激光的基础。,受激辐射的过程大致如下：原子开始处于高能级E2，当一个外来光子所带的能量h正好为某一对能级之差E2-E1,则这原子可以在此外来光子的诱发下从高能级E2向低能级E1跃迁。这种受激辐射的光子有显著的特点，就是原子可发出与诱发光子全同的光子，不仅频率（能量）相同，而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样。于是，入射一个光子，就会出射两个完全相同的光子。这意味着,原来光信号被放大这种在受激过程中产生并被放大的光，就是激光,。,1、激光器主要由三个部分组成：,（1）工作物质：,激活介质能经受激发射而使入射光强放大；,（2）激励装置：,能使激活介质产生粒子数反转的泵浦装置；,（3）光学谐振腔：,放置激活介质的诣振腔，它增加放大并实施发射频率的选择。,三、激光的产生,2、产生激光的三个条件：,激光的产生必须选择合适的工作物质，可以是气体、液体、固体或半导体。这种物质必须具有适当的频率，能实现粒子数反转。显然，,作为激光的工作物质，常是构成这一物质的原子（分子或离子）具有亚稳态能级，使物质能受激发射而使入射光强放大。,（1）选择合适的工作物质,一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而且它也能引起受激吸收，所以只有当处在高能级的原子数目比处在低能级的还多时，受激辐射跃迁才能超过受激吸收，而占优势。由此可见，为使光源发射激光，而不是发出普通光的关键是发光原子处在高能级的数目比低能级上的多，这种情况，称为粒子数反转。但在热平衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态）。因此，如何从技术上实现粒子数反转则是产生激光的必要条件。,（2）采用激励装置，建立粒子数反转,三.能级系统,如果激励过程使原子从基态E1以很大概率W抽运到E3能级，处于E3的原子可以通过自发辐射跃迁回到E2或E1。假定从E3回到E2的概率A32大大超过从E3回到E1的概率A31，也超过从E2回到E1的概率A21，则利用泵浦抽运使WW23或WW12时，E2和E1之间就可能形成粒子数反转。,N1,N2,N3,E1,E2,E3,激光器中开始产生的光子是自发辐射产生的，其频率和方向杂乱无章。要使频率单纯，方向集中，就必须有一个谐振腔。通信所用的半导体激光器就是利用半导体前后两个端面与空气之间的折射率不同，形成反射镜而组成振荡腔的。,把光束不逸出腔外的谐振腔体称为稳定腔。,若光束仅仅往返几次便逸出腔外，这种腔体称为不稳定腔。,谐振腔的稳定条件是衡量谐振腔的特性的首要因素，特别是对于增益系数小的介质，希望光束能在腔内更多地来回传播，以便获得足够大的增益。,（3）制备光学谐振腔，产生光学振荡,光学谐振腔结构,E,2,E,1,N,2,N,1,全同光子,h,激励能源,全反射镜,部分反射镜,激光,光学谐振腔的作用,(1)产生和维持光放大,(2)选择输出光的方向,(3)选择输出光的波长,1、方向性好,激光发散角特别小,2、强度高,能量高度集中,3、单色性好,谱线窄,4、相干性好,波前上各点都是相干的。,即一方面激光是定向强光束，另一面是单色的相干光束。,四、激光的特性,激光在各个技术领域中的有着广泛应用：激光通讯、激光测距、激光定向、激光准直、激光雷达、激光切削、激光手术、激光武器、激光显微光谱分析、激光受控热核反应等方面，主要是利用激光是定向强光束的特性；而激光全息、激光测长、激光干涉、激光测流速等领域，主要是利用激光是单色的相干光束的特性。,用绿激光共聚焦拍摄的,干的人肺1mm深的组织,第二节 激光的生物作用机制和医学应用,一、激光的生物作用机制,二、激光的医学应用,三、激光安全性问题,一、激光的生物作用机制,凡激光和生物组织相互作用后所引起的生物组织方面的任何改变，都称为激光的生物效应。,(一)激光的热效应,激光照射生物组织后，光能转化为热能而使组织温度升高。产生热效应的波段主要在红外线波段。当功率足够大时，数毫秒内即可使组织温度升高到2001，000C，使蛋白变性、凝固，甚而碳化、气化，这是激光刀和切割的基础。,（二）激光的非热致汽化效应（压力效应）,激光的能量密度极高，可产生很强的辐射压力，加之由热效应引起组织急剧地热膨胀产生“次生冲击波”的压力效应共同合成总压力可以使生物组织破坏，蛋白质分解和组织分离。,（,三）激光的光化学效应,光可以激发大分子的组织产生荧光或磷光等现象，一些物质可以在激光的辐照下辅助治疗疾病。,生物组织的光学特性：,生物组织对激光的辐射作用的反应与激光波长的吸收过程有关。在近紫外、可见光和近红外光谱区，生物组织的颜色对激光具有选择性吸收的特性。,激光作用皮肤：受到皮肤的反射、吸收、散射和透过。3001000nm激光传入皮肤的辐射能中的99被组织的外3.6mm层吸收。,皮肤对光的吸收和反射,对波长315400的近紫外激光，400700nm的可见激光和7001400nm的红外激光，皮肤颜色深浅明显地影响激光能量的吸收，皮肤颜色浅的能反射较多的激光，而吸收较少，肤色深的反射激光较少，吸收较多，波长小于300nm的短紫外和3000nm以上的红外激光无论肤色深浅吸收都较高。,人眼对光谱的选择吸收,人眼主要由角膜，瞳孔，透镜，晶状体，视网膜等组成，大部分是水。形成一个屈光的光学系统，焦点在视网膜上，透光范围是400900nm，红外光谱被眼睛中的水份吸收，角膜能吸收紫外光谱,（四）弱激光的生物刺激效应,较高能量的激光会产生热效应和其它一些非热效应损伤组织，但在较低能量的激光辐照下能促进一些疾病的康复。,在生物场理论分析中认为，机体是一个巨大的晶体，是结构复杂的导电区，膜电导区中的代谢过程，能维持一定的自由电荷密度。激光的共振作用下将使生物等离子体恢复稳定，使之回到正常能层。这个理论尚无定论，但临床效果明显。,二、激光的医学应用,（一）激光治疗,1激光手术,2弱激光治疗,3激光光动力学疗法,4激光内镜术治疗,（二）激光诊断,（三）用于医学基础研究的激光技术,三、激光安全性问题,应从两方面采取安全措施：,一方面是对激光系统及工作环境的监控管理；,另一方面是个人防护,应用于医学领域的激光器一般可按工作物质形态（固体、液体、气体、半导体等）、发光粒子（原子、分子、离子、准分子等）、输出方式（连续、脉冲）等进行分类。,常见激光器的种类,：,固体激光器（红宝石激光器）,液体激光器（用在液体中能发出荧光的有机染料分子作为激活）,气体激光器（氦氖激光器）,半导体激光器,第三节 医用激光器,一、红宝石激光器,二、氦-氖激光器,三、二氧化碳激光器,四、准分子激光器,世界上第一台激光器就,是红宝石激光器。红宝,石是在Al2O3中掺有少量,（0.05%）Cr2O3的红色,晶体。其中的铬离子参,与产生激光的过程。基,态上的离子吸收光子被,激发到4F带，离子在4F,能级上的寿命很短，迅速通过无辐射跃迁降落到2E能级，2E能级的寿命较长，它和基态之间很容易形成粒子数反转。2E能级分裂为两个能级，但其间有着极快的热弛豫过程，多数离子处于下能级，因而会产生694.3 nm激光。,一、红宝石激光器,红宝石激光器是一个三能级激光器。因为基态是通常情况下粒子数布居最多的能态，所以要想在高能级和基态之间形成粒子数反转就需要非常有效的泵浦。,闪光灯大约打开1ms，大约0.5ms后受激发射从红宝石棒一端射出。一般观察到的输出为一个尖峰序列，每个尖峰宽度大约为1微秒。这种尖峰序列的输出一般是应该避免的。通常采用Q调制的方法。开始，通过一个放置在激光介质和反射镜之间的器件将光的通路阻断，此时，损耗很大，光无法产生振荡尽管已经产生足够的粒子数反转。如果阻断被迅速去除，则光得到放大，并产生一个巨脉冲。,一般使用偏振的,改变来阻断光路。,巨脉冲功率可超,过108W，脉宽为,ns量级。,He-Ne激光器是最早研制成功的气体激光器。激光介质为He和Ne（比例为5:1），压强大约为1torr。通过放电来泵浦。在放电过程中，快速电子与He原子碰撞，将He原子激发。由于He原子的两个激发态与Ne原子4s和5s能级的能量几乎相同，所以Ne通过与He的碰撞而被激发的几率很大。从而在4s,5s和3p,4p之间形成粒子数反转。由于p态相对于s态的寿命很短，所以粒子数反转可以维持，从而产生连续的激光发射。究竟哪条谱线形成激光振荡依赖于两侧反射镜对波长的选择。有时需要在腔内加入吸收室对某一波长进行吸收。He-Ne激光器的输出功率在毫瓦量级。,二、氦-氖激光器,医疗上常用的是输出功率550mw的连续激光，主要波长是632.8nm，用作“光针”和照射的工具，对溃疡的执教有较好的疗效。,He-Ne激光器的结构,二氧化碳激光器是最有效地气体激光器，功率转换率达到20%。工作波长位于10mm附近，很多工作用的是固定波长的二氧化碳激光器。,三、二氧化碳激光器,因为与加入的N2分子的碰撞，(001)模式充分布居。由放电使得氮分子布居于第一振动能级。由此形成与低能级(100),(020)之间的粒子数反转。激光发射可能在子转动能级间发生，并形成位于10.210.8mm和9.29.7mm的几个光谱带。,其中最强的谱线为10.59mm。可以使用光栅来选择其一为输出波长。如果使用同位素分子13CO2，则可以增加可选的波长。,二氧化碳激光器也可以工作于高气压（1个大气压到10个大气压）。在较高气压下，谱线加宽，不同的振转谱线溶和在一起，从而可以在该波段范围内连续调谐激光。,工业上使用的二氧化碳激光器输出功率最高可以达到几十千瓦的量级。,四、准分子激光器,准分子是一种在激发态结合为分子，在基态离解为原子的不稳定缔合物。跃迁发生在束缚的激发态和排斥的基态之间。准分子跃迁到基态以后立即解离。意味着只要激发态存在分子，就处于粒子数反转状态。由于下能级不是确定的能级，跃迁是宽带的，所以准分子激光器常常可以调谐运转。准分子可由异类或者同类原子构成。,常见准分子激光器如：KrF,249nm；,XeCl,308nm；ArF,193nm。,准分子激光器普遍采用电子束或者快速放电泵浦。,准分子激光器中常加入He,Ne等惰性气体，其作用是降低电子温度，以便产生更多的激发态粒子，避免产生过多离子。与缓冲气体的碰撞还可以使高振动能级的准分子向低振动能级弛豫。,准分子激光器脉冲能量可以达到几百mJ，平均输出功率可以超过100W。,练习九,一、填空：,1、原子是由,和,组成的，其中,带,电，而,带,电，而整个原子是,的。,2、物质发光时有,辐射和,辐射两种情况。,辐射发出的光是自然光。,3、激光器主要由,、,、,组成。,4、激光产生,辐射，具有,、,、,、,等特性。,二、选择题：,1、从激发态跃迁到能量较低的轨道时，能量的差值：,（1）用来产生一个光子；（2）变为内能；,（3）变为电子的动能；（4）被核吸收。,2、激光的产生是：,（1）自发辐谢；（2）受激辐谢；,（3）自然光；（4）电子碰撞。,3、关于激光的特性下列哪项是错误的？,（1）方向性好；（2）高亮度；,（3）荧光效应明显；（4）单色性好。,三、问答题：,1、什么叫激光？激光与普通光有什么区别？,2、什么叫受激辐射？它与自发辐射有什么区别？,3、产生激光的条件有哪些？,3、什么是粒子数反转？,4、简述光学谐振腔的结构，其作用是什么？,5、激光有哪些主要特性？,6、激光的生物作用机制是什么：,7、激光在医学上的应用主要有哪些？,4、关于X射线的特性，下列不正确的是：,（1）它能使照相底片感光；,（2）它是可见光；,（3）它可使物质产生电离作用；,（4）它有破坏细胞的作用。,