激光醫(yī)學課程概論與激光分類和計量課件

激光產(chǎn)生的基本原理激光的模式（LaserMode)

激光的模式就是光波在諧振腔中的振蕩方式。有兩種：

1.縱向模式簡稱縱模（Verticalmode）

2.橫向模式簡稱橫模（Horizontalmode）激光的模式（LaserMode)縱模指光波在諧振腔中沿縱向（也即諧振腔軸向）傳播時的振蕩方式。實質(zhì)上指的是輸出激光的頻率。橫模是指電磁場沿著諧振腔徑向的穩(wěn)定分布，即激光束在其橫截面上的光強分布或光斑分布，通常用符號TEMmn表示。激光的縱模腔長為L的光學諧振腔，駐波條件為：2nL=kλ因λ=c/ν故ν=kc/2nLk=1,2,3,……

其中c為光速。每一個k對應一個ν，表示一個縱模。單縱模和多縱模

激光的橫模光學諧振腔的作用：

1）使受激輻射光放大過程能在有限長度的工作物質(zhì)中持續(xù)進行，且在滿足閾值條件下形成光振蕩，產(chǎn)生激光。

2）對輸出激光的方向性給予限定。

3）有選頻作用。三、激光器的分類1.按工作物質(zhì)（activemedium）分２．按工作方式（operationmode)分3.按照治療技術(shù)（theraputics）分足閾值條件下形成光振蕩，產(chǎn)生激光。結(jié)構(gòu)：激光管（儲氣管、放電毛細管、冷卻管）、激勵電源。工作物質(zhì)：白寶石晶體（Al2O3）晶體摻Cr2O3為紅寶石。I=P/S=E/（t*S）Er:YAG鉺激光器因光子能量大，會打裂組織的分子鍵，成揮發(fā)性碎片，從表面被燒蝕掉，稱為燒蝕光分解作用。表示光束所包含的光子集體的能量,也就是光束所包含的所有光子能量的總和。脈沖寬度（Δt）I=P/S=E/（t*S）但輸出功率較低（幾十mW-幾W）。激光器的工作方式（Qwasi-CW）一般脈沖的缺點：峰值功率低（產(chǎn)生在閾值附近），波形不規(guī)則?？v模指光波在諧振腔中沿縱向（也即諧振腔軸向）傳播時的振蕩方式。實質(zhì)上指的是輸出激光的頻率。1）常見的固體激光器有哪幾種？為了定量描述和研究激光能量在空間和時間上的分布------計量。Ｂ＝Ｐ／（Ｓ*立體角*cosβ）1）常見的固體激光器有哪幾種？激光器D也稱為激光的物理劑量1．按工作物質(zhì)分類（1）固體激光器(solidlaser)（2）氣體激光器(gaslaser)（3）半導體激光器(diodelaser)（4）光纖激光器(fiberlaser)（5）其它（1）固體激光器（一）固體激光器的工作物質(zhì)就是：摻雜激活離子的晶體或玻璃固體激光器的組成：工作物質(zhì)：將能產(chǎn)生受激發(fā)射作用的金屬離子摻入晶體或玻璃基質(zhì)。泵浦源：一般用光泵浦（光源、電源、聚光腔），和半導體激光器泵浦。諧振腔：多為平行平面腔（1）固體激光器（二）Nd：YAG激光器工作物質(zhì)：摻釹（Nd+3）釔鋁石榴石（YAG）。特點：泵浦閾值低，效率高（0.2-3%)，導熱性好，可連續(xù)或高重復率工作；激光輸出波長為近紅外光1064nm；易光纖導出。

（1）固體激光器（三）（1）固體激光器（四）Ruby激光器工作物質(zhì)：白寶石晶體（Al2O3）晶體摻Cr2O3為紅寶石。特點：泵浦閾值高，效率較低（0.2-0.3%)，導熱性差，一般為脈沖輸出，波長為可見光紅光694.3nm。最早用于醫(yī)療（1）固體激光器（五）Ruby激光器、Nd:YAG激光器Ho:YAG鈥激光器Er:YAG鉺激光器Tm:YAG銩激光器（2）氣體激光器（一）氣體激光器的工作物質(zhì)就是：氣體或蒸氣?？煞譃槿悾涸蛹す馄鳎豪迷榆S遷產(chǎn)生激光振蕩。以氦氖激光器為代表。輸出譜線多在可見和紅外波段，輸出功率一般為mW和10mW量級。分子激光器：利用分子振動或轉(zhuǎn)動（能級）狀態(tài)的變化來產(chǎn)生激光。以二氧化碳激光器為代表。輸出譜線多在近紅外和遠紅外波段，輸出功率可從10W到萬W量級。離子激光器：由被激發(fā)的氣體離子產(chǎn)生激光。輸出譜線多在可見和紫外波段，輸出功率從幾mW到幾十W量級。（2）氣體激光器（二）氣體激光器的組成：工作物質(zhì)：氣體或蒸氣（有玻璃管）。泵浦源：一般用電激勵（因?qū)獾奈諑д獗眯实停?。諧振腔：多為平行平面腔（2）氣體激光器（三）二氧化碳激光器工作物質(zhì)：二氧化碳+氮+氦等充于儲氣管內(nèi)。結(jié)構(gòu)：激光管（儲氣管、放電毛細管、冷卻管）、激勵電源。特點：可連續(xù)或高重復率工作；激光輸出波長為遠紅外光10640nm；不易光纖導出，需帶導光頭。（2）氣體激光器（四）（2）氣體激光器（五）氦氖激光器工作物質(zhì)：氦+氖充于儲氣管內(nèi)。結(jié)構(gòu)：激光管（儲氣管、放電毛細管、諧振腔）、激勵電源。特點：可連續(xù)工作；激光輸出波長為紅光632.8nm；易于光纖輸出；功率較低，適宜理療。（2）氣體激光器（六）（2）氣體激光器（七）Ar+離子激光器工作物質(zhì)：Ar充于儲氣管內(nèi)。結(jié)構(gòu)：激光管（儲氣管、放電毛細管、冷卻管）、激勵電源。特點：連續(xù)工作；激光輸出波長為488nm和514.5nm；可以光纖導出。結(jié)構(gòu)復雜，效率<3%。（3）半導體激光器（一）半導體激光器工作物質(zhì)：半導體材料組成：半導體材料、諧振腔由天然解理面構(gòu)成、激勵電源。特點：激光產(chǎn)生效率高（20-30%)，體積小、結(jié)構(gòu)簡單。但輸出功率較低（幾十mW-幾W）?？蛇B續(xù)或高重復率工作；種類多，波長范圍寬，激光輸出波長為可見光630nm到近紅外光；易光纖導出。（2）氣體激光器（四）Ho:YAG鈥激光器原子激光器：利用原子躍遷產(chǎn)生激光振蕩。通過光傳播方向的單位面積的光輻射功率，也叫光強度。（3）半導體激光器（一）Er:YAG鉺激光器原子激光器：利用原子躍遷產(chǎn)生激光振蕩。脈沖寬度（Δt）每一個k對應一個ν，表示一個縱模。特點：泵浦閾值高，效率較低（0.光輻射能量(光能量)

LightEnergy工作物質(zhì)：Ar充于儲氣管內(nèi)。Er:YAG鉺激光器（可見D=I*t）D也稱為激光的物理劑量Ｉ是決定激光生物效應強弱的一個重要參量。給出：功率密度（I）、能量密度（D）但輸出功率較低（幾十mW-幾W）。（2）氣體激光器(gaslaser)（2）氣體激光器（四）（1）固體激光器（四）（3）半導體激光器（二）發(fā)光原理：

P-N結(jié)正向通過電流使電子-空穴對在結(jié)區(qū)復合，會以發(fā)射光子的方式釋放能量，稱為復合輻射，即發(fā)光二極管。注入足夠電流使受激輻射占主流，以解理面作為諧振腔，即可形成激光。（3）半導體激光器（三）（4）其它（一）A.準分子激光器（EximerLaser）概念：當基態(tài)的惰性氣體原子被激發(fā)時，使其可以和其它原子形成短命的分子。這種處于激發(fā)態(tài)的分子簡稱為準分子。激光的產(chǎn)生：氣體的激勵過程，準分子的生成過程，準分子解離發(fā)光過程。特點：泵浦效率較低（0.2-0.3%)，一般為脈沖輸出，波長為紫外、遠紫外光。燒蝕光分解作用使其更適宜做近視眼手術(shù)。（4）其它（二）燒蝕光分解作用：一般手術(shù)是靠光熱作用使組織氣化，周圍組織易脫水、碳化。而準分子激光手術(shù)的作用機理完全不同，僅1微米左右的表面吸收紫外光。因光子能量大，會打裂組織的分子鍵，成揮發(fā)性碎片，從表面被燒蝕掉，稱為燒蝕光分解作用。（4）其它（三）B.染料激光器，揮發(fā)物有毒。C.金、銅蒸氣激光器，結(jié)構(gòu)復雜，操作復雜，消耗很大。２．按工作方式分類（1）連續(xù)（CW-ContinuousWave）激光器（2）準連續(xù)（Qwasi-CW）激光器（3）脈沖（Pulse）激光器（4）調(diào)Q脈沖（Q-swichedPulse）激光器（ns級）（5）鎖模脈沖（ModeLocked）激光器(ps級和fs級）激光器的工作方式（CW）特點：激光產(chǎn)生效率高（20-30%)，體積小、結(jié)構(gòu)簡單。金、銅蒸氣激光器，結(jié)構(gòu)復雜，操作復雜，消耗很大。2）對輸出激光的方向性給予限定。一般脈沖的缺點：峰值功率低（產(chǎn)生在閾值附近），波形不規(guī)則。激光器的工作方式（CW）（2）氣體激光器（四）離子激光器：由被激發(fā)的氣體離子產(chǎn)生激光。通過光傳播方向的單位面積的光輻射功率，也叫光強度。每一個k對應一個ν，表示一個縱模。但輸出功率較低（幾十mW-幾W）。激光器的工作方式（Pulse）功率密度（I）、能量密度（D）原子激光器：利用原子躍遷產(chǎn)生激光振蕩。（Verticalmode）為了定量描述和研究激光能量在空間和時間上的分布------計量。3）有選頻作用。工作物質(zhì)：Ar充于儲氣管內(nèi)。結(jié)構(gòu)：激光管（儲氣管、放電毛細管、諧振腔）、激勵電源。E=Σhv單位時間內(nèi)發(fā)射或傳播的光輻射能量稱為光輻射功率。激光器的工作方式（Qwasi-CW

）激光器的工作方式（Pulse）激光器的工作方式

（Q-swichedPulse）（4）調(diào)Q脈沖調(diào)Q的意義：一般脈沖的缺點：峰值功率低（產(chǎn)生在閾值附近），波形不規(guī)則。為獲得高峰值功率的窄脈沖，采用調(diào)Q。Q是諧振腔的品質(zhì)因數(shù)：Q=2лν腔內(nèi)儲存的激光能量（不是粒子反轉(zhuǎn)數(shù)）/每秒損耗的激光能量調(diào)Q就是使其按照規(guī)定程序變化：低Q，高損，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)達到飽和；然后，低損，高Q，產(chǎn)生巨脈沖。電光的、聲光的、轉(zhuǎn)鏡的、染料的四、常用的醫(yī)用激光器

前面講到的激光器就都是常用的醫(yī)用激光器。四、常用的醫(yī)用激光器激光器介質(zhì)泵浦方式效率輸出波長光纖耦合工作方式Y(jié)AG光泵<3%1064nmP&CWRUBY光泵<0.3%694.3nmPHENE電激勵<0.3%632.8nmCWCO2電激勵<20%10.6vm不可以CW&PAr+電激勵~30%630-近紅外CW(&P)D.L.電激勵~30%630-近紅外CW(&P)EXC.電激勵<0.3%紫外不可以PI=P/S=E/（t*S）I=P/S=E/（t*S）每一個k對應一個ν，表示一個縱模。單位時間內(nèi)發(fā)射或傳播的光輻射能量稱為光輻射功率。通過光傳播方向的單位面積的光輻射能量。特點：泵浦效率較低（0.t：時間光輻射能量(光能量)

LightEnergy實質(zhì)上指的是輸出激光的頻率。1）常見的固體激光器有哪幾種？（3）脈沖（Pulse）激光器功率密度（I）、能量密度（D）給出：功率密度（I）、能量密度（D）激光的模式（LaserMode)Q是諧振腔的品質(zhì)因數(shù)：Q=2лν腔內(nèi)儲存的激光能量（不是粒子反轉(zhuǎn)數(shù)）/每秒損耗的激光能量實質(zhì)上指的是輸出激光的頻率。激光器(ps級和fs級）光的功率密度(光強度)

IntensityOfLight足閾值條件下形成光振蕩，產(chǎn)生激光。（2）氣體激光器（五）五、激光的計量

為了定量描述和研究激光能量在空間和時間上的分布------計量。五、激光的計量光輻射能量(光能量)光輻射功率(光功率)光的能量密度(激光的物理劑量)光的功率密度(光強度)光輻射亮度對CW激光的計量對脈沖激光的計量光輻射能量(光能量)

LightEnergy

表示光束所包含的光子集體的能量,也就是光束所包含的所有光子能量的總和。

E=Σhv

單位：焦耳J2.光輻射功率(光功率)

LightPower

單位時間內(nèi)發(fā)射或傳播的光輻射能量稱為光輻射功率。

P=E/tt：時間單位：瓦特（W）表示光輻射能量在時間上的分布特性。3.光的能量密度

EnergyDensity通過光傳播方向的單位面積的光輻射能量。

D=E/SS：面積單位：J/cm2表示光輻射能量在空間位置的分布特性。

D也稱為激光的物理劑量4.光的功率密度(光強度)

IntensityOfLight

通過光傳播方向的單位面積的光輻射功率，也叫光強度。

I=P/S=E/（t*S）（可見D=I*t）單位：W/cm2

表示光輻射能量對空間位置和時間的分布特性。

Ｉ是決定激光生物效應強弱的一個重要參量。5.光輻射亮度

光源在其單位面積上向某個方向的單位立體角內(nèi)所輻射的光功率－－稱為光源在該方向的光輻射亮度（光亮度）。Ｂ＝Ｐ／（Ｓ*立體角*cosβ）立體角單位:球面度

β是立體角與發(fā)光表面法線的夾角.光亮度表示的是光源發(fā)射的光能量對時間和空間方向的分布特性。6.醫(yī)學上使用CW激光時的計量需知道：激光輸出功率（P）被照射面積（s）被照射時間（t）給出：功率密度（I）、能量密度（D）7.對脈沖激光的計量需知道：激光單脈沖能量（E）脈沖寬度（Δt）重復頻率（f）被照射面積（s）被照射時間（t）給出：峰值功率（PeakPower）、脈沖數(shù)、功率密度（I）、能量密度（D）思考題1）常見的固體激光器有哪幾種？2）常見的氣體激光器有哪幾種？3）半導體激光器有何特點？4）什么是激光的燒蝕光分解作用？燒蝕光分解作用使其更適宜做近視眼手術(shù)。腔長為L的光學諧振腔，駐波條件為：但輸出功率較低（幾十mW-幾W）。足閾值條件下形成光振蕩，產(chǎn)生激光。給出：功率密度（I）、能量密度（D）醫(yī)學上使用CW激光時的計量泵浦源：一般用電激勵（因?qū)獾奈諑д獗眯实停?。工作物質(zhì)：摻釹（Nd+3）釔鋁石榴石（YAG）。但輸出功率較低（幾十mW-幾W）。激光器（3）脈沖（Pulse）激光器2）對輸出激光的方向性給予限定。表示光束所包含的光子集體的能量,也就是光束所包含的所有光子能量的總和。（2）氣體激光器（四）表示光束所包含的光子集體的能量,也就是光束所包含的所有光子能量的總和。激光的模式（LaserMode)橫模是指電磁場沿著諧振腔徑向的穩(wěn)定分布，即激光束在其橫截面上的光強分布或光斑分布，通常用符號TEMmn表示。特點：泵浦閾值高，效率較低（0.2）對輸出激光的方向性給予限定。工作物質(zhì)：將能產(chǎn)生受激發(fā)射作用的金屬離子摻入晶體或玻璃基質(zhì)。思考題5）醫(yī)用激光器常見的工作方式有哪些？6）激光調(diào)Q的意義是什么？7）計量連續(xù)激光的主要參數(shù)有哪些？8）計量脈沖激光的主要參數(shù)有哪些？激光的縱模腔長為L的光學諧振腔，駐波條件為：2nL=kλ因λ=c/ν故ν=kc/2nLk=1,2,3,……

其中c為光速。每一個k對應一個ν，表示一個縱模。單縱模和多縱模

（2）氣體激光器（七）Ar+離子激光器工作物質(zhì)：Ar充于儲氣管內(nèi)。結(jié)構(gòu)：激光管（儲氣管、放電毛細管、冷卻管）、激勵電源。特點：連續(xù)工作；激光輸出波長為488nm和514.5nm；可以光纖導出。結(jié)構(gòu)復雜，效率<3%。（3）半導體激光器（一）半導體激光器工作物質(zhì)：半導體材料組成：半導體材料、諧振腔由天然解理面構(gòu)成、激勵電源。特點：激光產(chǎn)生效率高（20-30%)，體積小、結(jié)構(gòu)簡單。但輸出功率較低（幾十mW-幾W）。可連續(xù)或高重復率工作；種類多，波長范圍寬，