激光及其医学应用

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1、激光及其医学应用LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiationLaser——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汤斯1954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。1964年获诺贝尔物理奖。巴索夫普罗恰洛夫汤斯第一节激光的

2、基本原理一、自发辐射与受激辐射光与原子体系相互作用，同时存在吸收、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，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。满足条件：h=E2-E1随机过程，自发辐射过程中各个原子辐射出的光子的相位、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。受激辐射处于高能级E2上的原子，受到能量为h=E2-E1的外来光子的激励，由高能级E2受迫跃迁到低能级E1，同时辐射出一个与激励光子全同的光子。频率、相位、偏振态、传播方向等均同二、粒子数反转激

3、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热动平衡下，N2<

4、作跃迁三、光学谐振腔输出全反射镜（100%反射镜）部分透光反射镜（98%反射）光学谐振腔激发态原子基态受激辐射自发辐射实现粒子数反转分布的激活介质辐射的光的位相、偏振状态、频率、传播方向是随机的。输出全反射镜（100%反射镜）部分透光反射镜（98%反射）光学谐振腔光学谐振腔的作用：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）。工作物质：具有亚稳态能级结构光学谐振腔：维持光振荡激励（又叫泵浦）系统：供给能量，输出激光四、激光器He-Ne气体激光

5、器二．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是工作（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He-Ne激光管的工作原理：由于电子的碰撞,He被激发(到23S和21S能级)的概率比Ne原子被激发的概率大；在He的23S，21S这两个能级都是亚稳态，很难回到基态；在He的这两个激发态上集聚了较多的原子。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”；（要产生激光

6、，除了增加上能级的粒子数外，还要设法减少下能级的粒子数）正好Ne的5S，4S是亚稳态，下能级4P，3P的寿命比上能级5S，4S要短得多，这样就可以形成粒子数的反转。在碰撞中He把能量传递给Ne而回到基态，而Ne则被激发到5S或4S;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，3S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3S态的Ne原子数，有利于激光下能级4P与3P态的抽空。Ne原子可以产生多条激光谱线,图中标明了最强的三条:0．6328ｍ1

7、．15m3．39ｍ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。第二节激光的特性一、方向性好激光束的发散角一般在10-4~10-2rad，是普通光源的10~104倍应用：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。二、亮度高、强度大是普通光源的1012~1019倍应用：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。三、单色性好普通光源中氪灯(605.7nm)谱线宽度是4.7*10-4nm，而H

8、e-Ne激光器的红光(632.8nm)谱线宽度是10-8nm，两者相差数万倍。应用：光谱技术、全息技术及光学测量，已成为基础医学和临床诊断的重要手段。四、相干性好五、偏振性好第一，激光所输出的能量即在空间、时间以及频率分布上的高度集中，使激光成为极强的光。第二，激光是单色的相干光。原因是激光特殊的发光机制和光学谐振腔的作用。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，一根极细的光纤能承载的信息量，相当于