激光医学课程082概论与激光分类和计量.pptx

激光器的三个基本组成部分激光器的三个基本组成部分:工作物质工作物质(active medium)激励源（泵浦源激励源（泵浦源pump source）光学谐振腔光学谐振腔(optic resonance cavity)激光产生的基本原理激光产生的基本原理激光的模式（激光的模式（Laser Mode)激光的模式就是光波在谐振腔中的振荡方式。有两种：1.纵向模式纵向模式简称纵模纵模 （Vertical mode）2.横向模式横向模式简称横模横模 （Horizontal mode）激光的模式激光的模式（Laser Mode)纵模指光波在谐振腔中沿纵向（也即纵模指光波在谐振腔中沿纵向（也即谐振腔轴向）传播时的振荡方式。实谐振腔轴向）传播时的振荡方式。实质上指的是输出激光的频率。质上指的是输出激光的频率。横模是指电磁场沿着谐振腔径向的稳横模是指电磁场沿着谐振腔径向的稳定分布，即激光束在其横截面上的光定分布，即激光束在其横截面上的光强分布或光斑分布，通常用符号强分布或光斑分布，通常用符号TEMmn表示。表示。激光的纵模激光的纵模腔长为腔长为L的光学谐振腔，驻波条件为：的光学谐振腔，驻波条件为：2nL=k因因 =c/故故 =kc/2nL k=1,2,3,其中其中 c为光速。每一个为光速。每一个k对应一个对应一个，表示一个纵，表示一个纵模。模。单纵模和多纵模单纵模和多纵模 激光的横模激光的横模光学谐振腔的作用：光学谐振腔的作用：1）使受激辐射光放大过程能在有限长使受激辐射光放大过程能在有限长 度的工作物质中持续进行，且在满度的工作物质中持续进行，且在满 足阈值条件下形成光振荡，产生激光。足阈值条件下形成光振荡，产生激光。2）对输出激光的方向性给予限定。对输出激光的方向性给予限定。3）有选频作用。有选频作用。三、激光器的分类三、激光器的分类1.1.按工作物质（按工作物质（active mediumactive medium）分分按工作方式（按工作方式（operation mode)operation mode)分分3.3.按照治疗技术（按照治疗技术（theraputicstheraputics）分分1 按工作物质分类按工作物质分类（1）固体激光器）固体激光器(solid laser)（2）气体激光器）气体激光器(gas laser)（3）半导体激光器）半导体激光器(diode laser)（4）光纤激光器）光纤激光器(fiber laser)（5）其它）其它（1）固体激光器（一）固体激光器（一）固体激光器的工作物质就是：固体激光器的工作物质就是：掺杂激活离子的晶体或玻璃掺杂激活离子的晶体或玻璃固体激光器的组成：固体激光器的组成：工作物质：将能产生受激发射作用的金工作物质：将能产生受激发射作用的金属离子掺入晶体或玻璃基质。属离子掺入晶体或玻璃基质。泵浦源：一般用光泵浦（光源、电源、泵浦源：一般用光泵浦（光源、电源、聚光腔），和半导体激光器泵浦。聚光腔），和半导体激光器泵浦。谐振腔：多为平行平面腔谐振腔：多为平行平面腔（1）固体激光器（二）固体激光器（二）Nd：YAG 激光器激光器 工作物质：掺钕（Nd+3）钇铝石榴石（YAG）。特点：泵浦阈值低，效率高（0.2-3%)，导热性好，可连续或高重复率工作；激光输出波长为近红外光1064nm；易光纤导出。（1）固体激光器（三）固体激光器（三）（1）固体激光器（四）固体激光器（四）Ruby 激光器激光器 工作物质：白宝石晶体（Al2O3）晶体掺Cr2O3为红宝石。特点：泵浦阈值高，效率较低（0.2-0.3%)，导热性差，一般为脉冲输出，波长为可见光红光694.3nm。最早用于医疗（1）固体激光器（五）固体激光器（五）Ruby激光器、Nd:YAG激光器Ho:YAG 钬激光器Er:YAG 铒激光器Tm:YAG 铥激光器（2）气体激光器（一）气体激光器（一）气体激光器的工作物质就是：气体激光器的工作物质就是：气体或蒸气。可分为三类：气体或蒸气。可分为三类：原子激光器：利用原子跃迁产生激光振荡。以氦氖激原子激光器：利用原子跃迁产生激光振荡。以氦氖激光器为代表。输出谱线多在可见和红外波段，输出光器为代表。输出谱线多在可见和红外波段，输出功率一般为功率一般为mW和和10mW量级。量级。分子激光器：利用分子振动或转动（能级）状态的变分子激光器：利用分子振动或转动（能级）状态的变化来产生激光。以二氧化碳激光器为代表。输出谱化来产生激光。以二氧化碳激光器为代表。输出谱线多在近红外和远红外波段，输出功率可从线多在近红外和远红外波段，输出功率可从10W到万到万W量级。量级。离子激光器：由被激发的气体离子产生激光。输出谱离子激光器：由被激发的气体离子产生激光。输出谱线多在可见和紫外波段，输出功率从几线多在可见和紫外波段，输出功率从几mW到几十到几十W量级。量级。（2）气体激光器（二）气体激光器（二）气体激光器的组成：气体激光器的组成：工作物质：气体或蒸气（有玻璃管）。工作物质：气体或蒸气（有玻璃管）。泵浦源：一般用电激励（因对光的吸收泵浦源：一般用电激励（因对光的吸收带窄，光泵效率低）。带窄，光泵效率低）。谐振腔：多为平行平面腔谐振腔：多为平行平面腔（2）气体激光器（三）气体激光器（三）二氧化碳激光器二氧化碳激光器 工作物质：二氧化碳工作物质：二氧化碳+氮氮+氦等充于储气管氦等充于储气管内。内。结构：激光管（储气管、放电毛细管、冷结构：激光管（储气管、放电毛细管、冷却管）、激励电源。却管）、激励电源。特点：可连续或高重复率工作；激光输出特点：可连续或高重复率工作；激光输出波长为远红外光波长为远红外光10640nm；不易光纤导出，；不易光纤导出，需带导光头。需带导光头。（2）气体激光器（四）气体激光器（四）（2）气体激光器（五）气体激光器（五）氦氖激光器氦氖激光器工作物质：氦工作物质：氦+氖充于储气管内。氖充于储气管内。结构：激光管（储气管、放电毛细管、谐结构：激光管（储气管、放电毛细管、谐振腔）、激励电源。振腔）、激励电源。特点：可连续工作；激光输出波长为红光特点：可连续工作；激光输出波长为红光632.8nm；易于光纤输出；功率较低，；易于光纤输出；功率较低，适宜理疗。适宜理疗。（2）气体激光器（六）气体激光器（六）（2）气体激光器（七）气体激光器（七）Ar+离子激光器离子激光器工作物质：工作物质：Ar充于储气管内。充于储气管内。结构：激光管（储气管、放电毛细管、冷结构：激光管（储气管、放电毛细管、冷却管）、激励电源。却管）、激励电源。特点：连续工作；激光输出波长为特点：连续工作；激光输出波长为488nm和和514.5nm；可以光纤导出。可以光纤导出。结构复杂，效率结构复杂，效率3%。（3）半导体激光器（一）半导体激光器（一）半导体激光器半导体激光器 工作物质：半导体材料工作物质：半导体材料 组成：半导体材料、谐振腔由天然解理面构组成：半导体材料、谐振腔由天然解理面构成、激励电源。成、激励电源。特点：激光产生效率高（特点：激光产生效率高（20-30%)，体积，体积小、结构简单。但输出功率较低（几十小、结构简单。但输出功率较低（几十mW-几几W）。可连续或高重复率工作；种类多，波长）。可连续或高重复率工作；种类多，波长范围宽，激光输出波长为可见光范围宽，激光输出波长为可见光630nm到近到近红外光；易光纤导出。红外光；易光纤导出。（3）半导体激光器（二）半导体激光器（二）发光原理：P-N结正向通过电流使电子-空穴对在结区复合，会以发射光子的方式释放能量，称为复合辐射，即发光二极管。注入足够电流使受激辐射占主流，以解理面作为谐振腔，即可形成激光。（3）半导体激光器（三）半导体激光器（三）（4）其它（一）其它（一）A.准分子激光器（准分子激光器（Eximer Laser）概念：当基态的惰性气体原子被激发时，概念：当基态的惰性气体原子被激发时，使其可以和其它原子形成短命的分子。这种使其可以和其它原子形成短命的分子。这种处于激发态的分子简称为准分子。处于激发态的分子简称为准分子。激光的产生：气体的激励过程，准分子激光的产生：气体的激励过程，准分子的生成过程，准分子解离发光过程。的生成过程，准分子解离发光过程。特点：泵浦效率较低（特点：泵浦效率较低（0.2-0.3%)，一，一般为脉冲输出，波长为紫外、远紫外光。般为脉冲输出，波长为紫外、远紫外光。烧蚀光分解作用使其更适宜做近视眼手烧蚀光分解作用使其更适宜做近视眼手术。术。（4）其它（二）其它（二）烧蚀光分解作用：烧蚀光分解作用：一般手术是靠光热作用使组织气化，一般手术是靠光热作用使组织气化，周围组织易脱水、碳化。而准分子激光周围组织易脱水、碳化。而准分子激光手术的作用机理完全不同，仅手术的作用机理完全不同，仅1微米左右微米左右的表面吸收紫外光。因光子能量大，会的表面吸收紫外光。因光子能量大，会打裂组织的分子键，成挥发性碎片，从打裂组织的分子键，成挥发性碎片，从表面被烧蚀掉，称为烧蚀光分解作用。表面被烧蚀掉，称为烧蚀光分解作用。（4）其它（三）其它（三）B.染料激光器，挥发物有毒。染料激光器，挥发物有毒。C.金、铜蒸气激光器，结构复杂，金、铜蒸气激光器，结构复杂，操作复杂，消耗很大。操作复杂，消耗很大。按工作方式分类按工作方式分类（1）连续（）连续（CW-Continuous Wave）激光器激光器（2）准连续（）准连续（Qwasi-CW）激光器）激光器（3）脉冲（）脉冲（Pulse）激光器）激光器（4）调）调Q脉冲（脉冲（Q-swiched Pulse）激光器（激光器（ns级）级）（5）锁模脉冲（）锁模脉冲（Mode Locked）激光器激光器(ps级和级和fs级）级）激光器的工作方式（激光器的工作方式（CW）激光器的工作方式（激光器的工作方式（Qwasi-CW）激光器的工作方式激光器的工作方式（Pulse）激光器的工作方式激光器的工作方式（Q-swiched Pulse）（4）调）调Q脉冲脉冲调Q的意义：一般脉冲的缺点：峰值功率低（产生在阈值附近），波形不规则。为获得高峰值功率的窄脉冲，采用调Q。Q是谐振腔的品质因数：Q=2腔内储存的激光能量（不是粒子反转数）/每秒损耗的激光能量调Q就是使其按照规定程序变化：低Q，高损，反转粒子数达到饱和；然后，低损，高Q，产生巨脉冲。电光的、声光的、转镜的、染料的四、常用的医用激光器四、常用的医用激光器 前面讲到的激光器就都是常前面讲到的激光器就都是常用的医用激光器。用的医用激光器。四、常用的医用激光器四、常用的医用激光器激光器介质泵浦方式效率输出波长光纤耦合工作方式YAG光泵3%1064nmP&CWRUBY光泵0.3%694.3nmPHENE电激励0.3%632.8nmCWCO2电激励20%10.6vm不可以CW&PAr+电激励30%630-近红外CW(&P)D.L.电激励30%630-近红外CW(&P)EXC.电激励0.3%紫外不可以P五、激光的计量五、激光的计量 为了定量描述和研究激光能为了定量描述和研究激光能量在空间和时间上的分布量在空间和时间上的分布-计量。计量。五、激光的计量五、激光的计量光辐射能量光辐射能量(光能量光能量)光辐射功率光辐射功率(光功率光功率)光的能量密度光的能量密度(激光的物理剂量激光的物理剂量)光的功率密度光的功率密度(光强度光强度)光辐射亮度光辐射亮度对对CW激光的计量激光的计量对脉冲激光的计量对脉冲激光的计量1.光辐射能量光辐射能量(光能量光能量)Light Energy 表示光束所包含的光子集体的能量表示光束所包含的光子集体的能量,也就是光束所包含的所有光子能量的总和。也就是光束所包含的所有光子能量的总和。E=hv 单位：单位：焦耳焦耳 J2.光辐射功率光辐射功率(光功率光功率)Light Power 单位时间内发射或传播的光辐射能量称为单位时间内发射或传播的光辐射能量称为光辐射功率。光辐射功率。P=E/t t：时间：时间 单位单位：瓦特瓦特（W）表示光辐射能量在时间上的分布特性。表示光辐射能量在时间上的分布特性。3.光的能量密度光的能量密度Energy Density通过光传播方向的单位面积的光辐射能量。通过光传播方向的单位面积的光辐射能量。D=E/S S：面积：面积 单位：单位：J/cm2表示光辐射能量在空间位置的分布特性。表示光辐射能量在空间位置的分布特性。D也称为激光的物理剂量也称为激光的物理剂量4.光的功率密度光的功率密度(光强度光强度)Intensity Of Light 通过光传播方向的单位面积的光辐射功率，也叫通过光传播方向的单位面积的光辐射功率，也叫光强度。光强度。I=P/S=E/（t*S）（可见（可见 D=I*t）单位：单位：W/cm2 表示光辐射能量对空间位置和时间的分布特性。表示光辐射能量对空间位置和时间的分布特性。是决定激光生物效应强弱的一个重要参量是决定激光生物效应强弱的一个重要参量。5.光辐射亮度光辐射亮度 光源在其单位面积上向某个方向的单位光源在其单位面积上向某个方向的单位立体角内所辐射的光功率称为光源立体角内所辐射的光功率称为光源在该方向的光辐射亮度（光亮度）。在该方向的光辐射亮度（光亮度）。（*立体角立体角*cos）立体角单位立体角单位:球面度球面度 是立体角与发光表面法线的夹角是立体角与发光表面法线的夹角.光亮度表示的是光源发射的光能量对时间光亮度表示的是光源发射的光能量对时间和空间方向的分布特性。和空间方向的分布特性。6.医学上使用医学上使用CW激光时的计量激光时的计量需知道：激光输出功率（需知道：激光输出功率（P）被照射面积（被照射面积（s）被照射时间（被照射时间（t）给出：功率密度（给出：功率密度（I）、能量密度（）、能量密度（D）7.对脉冲激光的计量对脉冲激光的计量需知道：激光单脉冲能量（需知道：激光单脉冲能量（E）脉冲宽度（脉冲宽度（t）重复频率（重复频率（f）被照射面积（被照射面积（s）被照射时间（被照射时间（t）给出：峰值功率（给出：峰值功率（Peak Power）、脉冲数、）、脉冲数、功率密度（功率密度（I）、能量密度（、能量密度（D）思考题思考题1 1）常见的固体激光器有哪几种？）常见的固体激光器有哪几种？2 2）常见的气体激光器有哪几种？）常见的气体激光器有哪几种？3 3）半导体激光器有何特点？半导体激光器有何特点？4 4）什么是激光的烧蚀光分解作用？什么是激光的烧蚀光分解作用？思考题思考题5 5）医用激光器常见的工作方式有哪些？）医用激光器常见的工作方式有哪些？6 6）激光调激光调Q Q的意义是什么？的意义是什么？7 7）计量连续激光的主要参数有哪些？）计量连续激光的主要参数有哪些？8 8）计量脉冲激光的主要参数有哪些？）计量脉冲激光的主要参数有哪些？