激光及其在生物医学中的运用.ppt

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1、返回返回关于激光及其在生物医学中的运用现在学习的是第1页，共57页返回返回教学要求教学要求:1.重点掌握激光形成的原理重点掌握激光形成的原理;2.确切理解激光关键参数的物理意义确切理解激光关键参数的物理意义;3.了解典型的激光生物效应和在医学检查、治疗了解典型的激光生物效应和在医学检查、治疗中的典型应用中的典型应用.现在学习的是第2页，共57页返回返回14.1 激光基本原理激光基本原理14.2 激光关键参数与特性激光关键参数与特性14.3 激光生物效应与技术激光生物效应与技术14.4 激光在临床医学中的应用激光在临床医学中的应用现在学习的是第3页，共57页返回返回14.1 激光基本原理激光基本

2、原理现在学习的是第4页，共57页返回返回14.1.1 光与物质的相互作用理论光与物质的相互作用理论 物质由原子物质由原子(或分子、离子或分子、离子)组成组成,原子具有原子具有一系列分立的运动状态一系列分立的运动状态,相应地有一系列分立的不相应地有一系列分立的不连续的能量值连续的能量值,称为称为原子系统的能级原子系统的能级,其中最低能级状其中最低能级状态称为态称为基态基态.光与物质相互作用有三个不同的基本过程光与物质相互作用有三个不同的基本过程,即自即自发辐射、受激辐射及受激吸收（简称为吸收）发辐射、受激辐射及受激吸收（简称为吸收）.现在学习的是第5页，共57页返回返回1.自发辐射自发辐射(sp

3、ontaneous radiation)前前后后 若处于若处于E2能级的原子密度为能级的原子密度为N2,则自发辐射则自发辐射过程可表示为过程可表示为现在学习的是第6页，共57页返回返回由此可得由此可得式中式中A21是自发辐射系数是自发辐射系数现在学习的是第7页，共57页返回返回2.吸收吸收(absorption)式中式中B12是吸收系数是吸收系数现在学习的是第8页，共57页返回返回3.受激辐射受激辐射(stimulated radiation)式中式中B21是受激辐射系数是受激辐射系数现在学习的是第9页，共57页返回返回现在学习的是第10页，共57页返回返回14.1.2 粒子数反转原理粒子数反

4、转原理(population inversion principle)物质系统在一个入射光子作用下物质系统在一个入射光子作用下,引起大量引起大量处于高能级的粒子产生受激发射处于高能级的粒子产生受激发射,产生出大量特产生出大量特征完全相同光子的现象称为征完全相同光子的现象称为光光放大放大.现在学习的是第11页，共57页返回返回 单位时间内吸收的光能量为单位时间内吸收的光能量为 由于受激发射产生的光能量为由于受激发射产生的光能量为 所所以产生的净光能量是以产生的净光能量是（这里（这里B=B12=B21）现在学习的是第12页，共57页返回返回 取物质横截面积为取物质横截面积为S,通过通过dz厚度后厚

5、度后,在单位体积在单位体积和单位时间产生的净光能量表示为和单位时间产生的净光能量表示为zOI0dzII+dI现在学习的是第13页，共57页返回返回利用光强与光能量的关系利用光强与光能量的关系因而上式写成因而上式写成带入带入,得到得到现在学习的是第14页，共57页返回返回若令若令积分得到积分得到称为物质的增益系数称为物质的增益系数k是玻耳兹曼常数是玻耳兹曼常数;T是热力学温度是热力学温度.现在学习的是第15页，共57页返回返回 由上式看到由上式看到,在通常情况下在通常情况下N2N1的粒子数分布叫的粒子数分布叫粒子数反转粒子数反转.所以所以,只有在粒子反转的特定条件下只有在粒子反转的特定条件下,才

6、能实现光放大才能实现光放大.将实现粒子数反转的物质叫做将实现粒子数反转的物质叫做激光工作物质激光工作物质.现在学习的是第17页，共57页返回返回14.1.3 光学谐振腔光学谐振腔(optical harmonic oscillator)1.光学谐振腔的作用与结构光学谐振腔的作用与结构 能够稳定实现来回光反馈的装置称为能够稳定实现来回光反馈的装置称为光学谐光学谐振腔振腔.M1M2现在学习的是第18页，共57页返回返回2.光振荡的阈值条件光振荡的阈值条件 要产生激光振荡要产生激光振荡,必须满足一定条件必须满足一定条件,称之为称之为阈阈值条件值条件.有如下阈值条件有如下阈值条件式中式中L为谐振腔的长

7、度为谐振腔的长度,r1、r2是两反射镜的光强是两反射镜的光强反射率反射率.现在学习的是第19页，共57页返回返回3.激光的纵模与横模激光的纵模与横模激光的纵模激光的纵模O z L现在学习的是第20页，共57页返回返回腔内允许存在的波长和频率为腔内允许存在的波长和频率为 通常将由整数通常将由整数N所表征的腔内纵向场分布称所表征的腔内纵向场分布称为为腔的纵模腔的纵模.现在学习的是第21页，共57页返回返回 普通普通Ne放电管中光波的中心频率放电管中光波的中心频率0=4.741014Hz,线宽线宽 ,在谐振腔在谐振腔中实际存在频率的范围为中实际存在频率的范围为相邻两个纵模之间的频率间隔为相邻两个纵模

8、之间的频率间隔为现在学习的是第22页，共57页返回返回激光的横模激光的横模 激光束在横截面上光强的分布常成一系列有规激光束在横截面上光强的分布常成一系列有规则的图样则的图样,这种稳定分布的图样这种稳定分布的图样,称为称为激光的横模激光的横模.TEM00称为基横模称为基横模,TEM10,TEM11称为称为高阶高阶横模横模.一种稳定的横向光场分布对应一个横模一种稳定的横向光场分布对应一个横模.现在学习的是第23页，共57页返回返回 激励装置也称泵浦源激励装置也称泵浦源,是指向工作物质供给能量是指向工作物质供给能量的能源的能源.电子注入电子注入光学泵浦光学泵浦气体放电泵浦气体放电泵浦离子束泵浦离子束

9、泵浦化学泵浦化学泵浦14.1.4 激励装置激励装置现在学习的是第24页，共57页返回返回14.2 激光关键参数与特性激光关键参数与特性现在学习的是第25页，共57页返回返回14.2.1 激光关键参数激光关键参数代表增益系数代表增益系数分贝分贝(dB)单位单位：1.增益增益(gain)频率为频率为 的光强的光强 随随z变化的规律变化的规律,可用可用下式表示下式表示.现在学习的是第26页，共57页返回返回 在受激辐射产生后在受激辐射产生后,要经历各种损耗要经历各种损耗,如工作物如工作物质的内部吸收、衍射、散射质的内部吸收、衍射、散射,以及腔壁、腔面的各种以及腔壁、腔面的各种损耗损耗,此外还要向外输

10、出激光此外还要向外输出激光.激光器的总损耗等激光器的总损耗等于上述各项损耗之和于上述各项损耗之和.2.损耗损耗 现在学习的是第27页，共57页返回返回3.阈值阈值(threshold)在刚好进入振荡状态时在刚好进入振荡状态时,即增益等于总损耗即增益等于总损耗时的激光器状态时的激光器状态,称为阈值状态称为阈值状态.这时泵浦源提供给这时泵浦源提供给激光材料的能量、功率、电流激光材料的能量、功率、电流,就称为阈值能量、阈就称为阈值能量、阈值功率、阈值电流值功率、阈值电流.现在学习的是第28页，共57页返回返回4.输出功率输出功率在方形脉冲的情况下在方形脉冲的情况下P平均平均=P峰值峰值脉冲宽度脉冲宽

11、度重复重复现在学习的是第29页，共57页返回返回5.效率效率光光-光效率光效率,这是指在光学泵浦时这是指在光学泵浦时,输出的激光与工输出的激光与工作物质所接收到的光能之比作物质所接收到的光能之比;电电-光效率光效率,通常是指输出激光功率与输给泵浦源通常是指输出激光功率与输给泵浦源的总电功率之比的总电功率之比;量子效率量子效率,是指工作物质所产生的激光光子能量是指工作物质所产生的激光光子能量与泵浦的光子能量之比与泵浦的光子能量之比;斜率效率斜率效率,是指在阈值之后是指在阈值之后,输出激光功率增量与输出激光功率增量与泵浦源功率增量之比泵浦源功率增量之比.现在学习的是第30页，共57页返回返回6.模

12、式模式 激光模式或称激光波型激光模式或称激光波型.从光的波动观点看从光的波动观点看,模模式是指电磁波的某种型式式是指电磁波的某种型式,实际上就是能够存在于激实际上就是能够存在于激光腔中的各种形式的驻波光腔中的各种形式的驻波;从光的粒子观点看从光的粒子观点看,模式模式代表了可以相互区分的光子态代表了可以相互区分的光子态.现在学习的是第31页，共57页返回返回14.2.2 激光的特性激光的特性1.单色性好和波长范围很宽单色性好和波长范围很宽 一个光源发射的光所包含的波长范围越窄一个光源发射的光所包含的波长范围越窄,那那么它的颜色就越单纯么它的颜色就越单纯,即光源的单色性好即光源的单色性好.激光是世

13、激光是世界上发光颜色最单纯的光源界上发光颜色最单纯的光源.现在学习的是第32页，共57页返回返回2.高亮度高亮度 高亮度是激光器最突出的优点高亮度是激光器最突出的优点.光源单色光源单色亮度亮度P为光功率为光功率,为光辐射的频谱宽度为光辐射的频谱宽度,为光束发散角为光束发散角.现在学习的是第33页，共57页返回返回3.方向性好方向性好4.相干性好相干性好 激光的谱宽比普通光源小得多激光的谱宽比普通光源小得多,因此激光的相干因此激光的相干性要比普通光源高得多性要比普通光源高得多.5.高功率高功率 激光器能在极短的时间激光器能在极短的时间(如如10-12,10-15s)内内,可以可以产生极高的峰值功

14、率产生极高的峰值功率.现在学习的是第34页，共57页返回返回6.高能量高能量7.高速调制高速调制8.明显的光压效应明显的光压效应现在学习的是第35页，共57页返回返回14.2.3 典型激光器典型激光器1.固体激光器固体激光器 一般讲一般讲,固体激光器具有器件小、坚固、使用固体激光器具有器件小、坚固、使用方便、输出功率大的特点方便、输出功率大的特点.现在学习的是第36页，共57页返回返回2.气体激光器气体激光器 气体激光器具有结构简单、造价低、操作方便气体激光器具有结构简单、造价低、操作方便;工作介质均匀工作介质均匀,光束质量好光束质量好;以及能长时间较稳定地以及能长时间较稳定地连续工作的优点连

15、续工作的优点.现在学习的是第37页，共57页返回返回3.半导体激光器半导体激光器4.液体激光器液体激光器 常用的是染料激光器常用的是染料激光器,采用有机染料作为工采用有机染料作为工作介质作介质.现在学习的是第38页，共57页返回返回14.3 激光生物效应与技术激光生物效应与技术现在学习的是第39页，共57页返回返回14.3.1 激光生物效应激光生物效应 生物组织因受激光照射而出现的各种应答性生物组织因受激光照射而出现的各种应答性反应、效果或变化称之为激光的生物效应反应、效果或变化称之为激光的生物效应.现在学习的是第40页，共57页返回返回 光热作用光热作用 生物组织在激光照射下吸收光能转化为热

16、能生物组织在激光照射下吸收光能转化为热能,温温度升高度升高,这即是这即是光热作用光热作用.蛋白变性蛋白变性蛋白退化蛋白退化凝固效应凝固效应蒸发蒸发现在学习的是第41页，共57页返回返回光致机械作用光致机械作用 激光照射生物组织激光照射生物组织,可直接或间接产生对组织可直接或间接产生对组织的压强称为的压强称为激光的机械作用激光的机械作用,也称为也称为激光的压强作激光的压强作用用.现在学习的是第42页，共57页返回返回 光化作用光化作用 生物大分子吸收激光光子的能量生物大分子吸收激光光子的能量,因激活而引因激活而引起生物组织内一系列的化学作用起生物组织内一系列的化学作用.现在学习的是第43页，共5

17、7页返回返回光化作用的基本规律由如下两个定律表达光化作用的基本规律由如下两个定律表达:光化学第一定律光化学第一定律(吸收定律吸收定律)只有被分子吸收了的只有被分子吸收了的光子才能引起光化反应光子才能引起光化反应.光化学第二定律光化学第二定律(量子定律量子定律)在光化反应中在光化反应中,每个分每个分子只吸收一个单色光的光子而成为光化激活分子子只吸收一个单色光的光子而成为光化激活分子.现在学习的是第44页，共57页返回返回光电磁场作用光电磁场作用 激光是一种高能量的电磁波激光是一种高能量的电磁波,伴随着激光的出伴随着激光的出现必然产生一个电磁场现必然产生一个电磁场.激光对生物组织的作用就激光对生物

18、组织的作用就是电磁场对生物组织的作用是电磁场对生物组织的作用,一般认为这一作用主一般认为这一作用主要是电场所致要是电场所致.现在学习的是第45页，共57页返回返回 光致激活作用主要通过弱激光实现光致激活作用主要通过弱激光实现.弱激光对弱激光对生物过程、对神经、通过体液或神经生物过程、对神经、通过体液或神经-体液而对全身、体液而对全身、对机体免疫功能等都有刺激作用对机体免疫功能等都有刺激作用.光致激活作用光致激活作用现在学习的是第46页，共57页返回返回 在利用激光进行医疗时在利用激光进行医疗时,要特别注意影响激光要特别注意影响激光与生物组织相互作用的两方面因素与生物组织相互作用的两方面因素:要

19、明确所采用的激光器的性能参数要明确所采用的激光器的性能参数生物组织的性质生物组织的性质现在学习的是第47页，共57页返回返回设激光的发散角为设激光的发散角为,光斑的直径为光斑的直径为d,透镜的焦距透镜的焦距为为f,则则因为因为很小很小,所以所以14.3.2 激光生物技术激光生物技术1.激光微光束技术激光微光束技术dff现在学习的是第48页，共57页返回返回假定输出激光的功率为假定输出激光的功率为P,那么光斑的功率密度为那么光斑的功率密度为现在学习的是第49页，共57页返回返回例如例如,P=103W,f=20mm,=10-3rad,光斑的面积和光斑的面积和功率密度为功率密度为这时光斑的直径约为这

20、时光斑的直径约为20um.现在学习的是第50页，共57页返回返回激光莱曼光谱技术激光莱曼光谱技术激光荧光光谱技术激光荧光光谱技术激光原子吸收光谱技术激光原子吸收光谱技术激光微区光谱技术激光微区光谱技术2.激光光谱分析技术激光光谱分析技术现在学习的是第51页，共57页返回返回3.激光多普勒技术激光多普勒技术现在学习的是第52页，共57页返回返回14.4 激光在临床医学中的应用激光在临床医学中的应用现在学习的是第53页，共57页返回返回1.癫痫病灶区的检查诊断癫痫病灶区的检查诊断2.婴儿脑细胞氧含量激光监视仪婴儿脑细胞氧含量激光监视仪3.光学层析干涉仪光学层析干涉仪4.光致荧光内窥镜系统光致荧光内窥镜系统14.4.1 激光诊断方法激光诊断方法现在学习的是第54页，共57页返回返回14.4.2 激光治疗方法激光治疗方法2.激光在眼科中的应用激光在眼科中的应用1.激光在皮肤科中的应用激光在皮肤科中的应用热凝热凝激光切除激光切除激光打空激光打空热致膨胀热致膨胀激光剥离激光剥离现在学习的是第55页，共57页返回返回3.激光在耳鼻喉科中的应用激光在耳鼻喉科中的应用4.激光在内科中的应用激光在内科中的应用5.激光在外科中的应用激光在外科中的应用6.激光在治疗肿瘤中的应用激光在治疗肿瘤中的应用现在学习的是第56页，共57页返回返回感感谢谢大大家家观观看看现在学习的是第57页，共57页