激光在生物医学中的应用.doc

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1、医学物理学激光在生物医学中的应用激光在生物医学中的应用激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。激光技术是二十世纪科技领域中的重大新成就，它的出现标志着人们对光的掌握和利用进入一个新技术，有力地促进了物理学、化学和生物学的发展。近年来，激光在生物医学领域中的应用越来越广泛，同时取得了很多令人瞩目的成就。在此，我们就将从以下四方面对激光进行介绍。一、激光的产生和特性，二、激光的生物作用，三、激光在临床医学中的应用，四、激光的危害和防护。一、激光的产生和特性1.激光的产生激

2、光最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation的各单词头一个字母组成的缩写词。意思是“通过受激辐射光扩大”。直到，1964年10月，物理学家钱学森建议称之为——激光，从此以后，激光则广泛为人使用。1.1光与物质的相互作用从定义中得知，激光与受激辐射有关。以下，我们将介绍光与物质相互作用时可能出现的三种现象：自发辐射、受激吸收和受激辐射。1.1.1自发辐射自发辐射是指原子在没有外界干预的情况下,电子会由处于激发态的高

3、能级E2自动跃迁到低能级E1,并且发射一个频率为v，能量为的光子。参看图1-1对于大量的处于高能级E2的原子来说，它们是各自独立地分别自发发射一个能量相同但彼此无关的光子。这相当于它们各自独立得分别自发发射一类一类频率为的光波。但各类光波之间的位相完全无关。各类光波可以有不同的偏振方向、并且每个粒子所发的光可以沿着所有可能的方向传播。图1-11.1.2、受激吸收当处于低能级E1的原子受到光子能量恰好为的外来入射光照射，原子会由于受到这种入射光的刺激，吸收一个这种光子而跃迁到高能级E2，这个过程称为光的受激吸收。参看图1-2受激吸收与自发辐射是互

4、逆的过程。图1-21.1.3受激辐射当处于高能级E2的原子受到光子能量为的光照射时，这个原子也会在这种光的刺激下，发射一个与入射光子一模一样的光子，而跃迁到低能级E1，也就是受激发射的光与入射光二者的频率都是而且位相、偏振方向和传播方向等都相同。这个过程称为光的受激辐射。参看图1-3.可看到光的受激发射起了增加入射光强度的作用。而且受激辐射是产生激光的必要条件。图1-3而受激辐射产生的光子具有其独特的特点：1）、不会自发发生，须有外来光子的作用。2）、外来光子能量要满足3）、辐射的光子和原来入射的光子完全相同，即发射方向、位相、频率、速度完全相

5、同，且处在同一个能量状态。4）、出射光等于两倍入射光。1.2激光器的基本结构自从世界上第一台激光器问世后，世界各国先后研制成功的激光器有上百种。虽然它们的工作原理和运转方式不尽相同，所发射激光的波长也从原紫外段分布到远红外段，但每一种激光器的基本组成都是相同的，即都由工作物质、激励能源和光学谐振腔三个基本部分组成。如下图1-4图1-41.2.1激光工作物质激光工作物质是组成激光器的核心部分，它是一种可以用来实现粒子反转和产生光的受激发射作用的物质体系，本身可以是气体（原子气体、离子气体、分子气体）、固体（晶体、玻璃等）、液体（有机或无机液体）、

6、半导体等材料。1)、气体工作物质气体激光物质最具代表性的为氦氖（He-Ne）、二氧化碳、氩离子等。气体工作物质的特点：由于气体工作物质的均匀好，使得输出光束质量较高。气体激光的单色性和相干性都较固体激光和半导体激光好，光束发散角也很小。大多数气体工作物质的能量转换效率较高，容易实现大功率连续输出。但是由于气体的泄漏和损耗，气体激光器的工作寿命较固体激光器短。2)、固体工作物质固体工作物质是将激活离子掺入固体基质中形成的。分为玻璃和晶体两大类。红宝石激光可制作激光器的固体工作物质须有良好的理化性质：热导率大，热光稳定性好、化学性能稳定。3)、液体

7、工作物质液体工作物质实际上是一些有机或无机化合物（主要是一些染料）溶解在溶剂中形成的。因此，它们成本低，容易制备。液体工作物质的光学均匀性较好，而且输出激光的频带很宽，因而容易实现波长在很宽范围内的连续调谱。虽然液体工作物质中的激活粒子浓度较固体工作物质小3个数量级，但它们的发射截面积一般较固体工作物质大3个数量级。因而液体工作物质的增益很高，与固体工作物质相近，容易获得大功率输出。4)、半导体工作物质半导体激光器是利用电子在能带间的跃迁来发光，直接通电就可对它进行激励，因而它们的能量转换效率大大超过一般的固体工作物质。可作为激光器的工作物质半

8、导体材料包括砷化镓，硫化镉、铅锡碲等，半导体激光工作物质的优点是体积小，调制方便；缺点是输出功率小，光束发散较大和相干性差。1.2.2光学谐振腔像电子