激光及其醫學應用第1頁，課件共41頁，創作于2023年2月第2頁，課件共41頁，創作于2023年2月教學基本要求掌握激光的基本原理與特性。理解激光的生物作用。了解激光在基礎醫學研究與臨床中的應用、醫用激光器、激光的危害與防護等方面的知識。第3頁，課件共41頁，創作于2023年2月

激光（laser）是受激輻射光放大（lightamplificationbystimulatedemissionofradiation）的簡稱，愛因斯坦在1916年提出了“受激輻射”的理論假設，預言受激輻射（stimulatedradiation）的存在和光放大的可能。湯斯于1954年制成受激輻射微波放大器，梅曼于1960年制成世界上第一臺激光器——紅寶石激光器。1961年9月我國第一臺紅寶石激光器在中國科學院長春光學精密機械研究所誕生，1964年12月著名科學家錢學森給laser起了中文名字“激光”。第4頁，課件共41頁，創作于2023年2月第一節激光的基本原理一、粒子的能級與輻射躍遷（1）

能級:

構成物質的粒子（分子、原子、離子等）的不同的能量狀態，稱能級狀態，簡稱能級（或能態）。（2）基態與激發態：粒子最低的能級稱為基態，其他的能級狀態稱為激發態。1.粒子的能級與平均壽命E1E2E3E4En第5頁，課件共41頁，創作于2023年2月（3）

平均壽命與亞穩態：大量粒子在某激發態停留時間的平均值稱為該激發態的平均壽命，一般約10-9s～10-7s。某些粒子的激發態平均壽命較長，約10-3s～10-2s，這種激發態稱為亞穩態。第6頁，課件共41頁，創作于2023年2月2.粒子間的能級躍遷（1）躍遷：粒子的能級變化統稱為躍遷。粒子在能級之間實現躍遷必然伴隨與外界交換能量的過程。

躍遷只在滿足“選擇定則”的能級之間才能實現，各能級之間躍遷的概率并不一致。（2）輻射躍遷：以光能形式吸收或釋放稱為輻射躍遷或光輻射。（3）無輻射躍遷：以非光能形式吸收或釋放稱為無輻射躍遷。第7頁，課件共41頁，創作于2023年2月（4）受激吸收：當光通過物質時，處于低能級E1的粒子吸收一個能量hv=E2-E1的光子而向高能級E2躍遷的過程。（5）自發輻射：自發地從激發態向較低能態躍遷同時釋放出光子的過程。E1E2hv=E2-E1E1E2hv=E2-E1第8頁，課件共41頁，創作于2023年2月（6）受激輻射：一個處于高能級E2的粒子受到一個能量hv=E2-E1的光子“誘發”而躍遷到低能級E1，同時釋放一個與“誘發”光子特性完全相同的光子的過程。在光與粒子系統相互作用所實際發生的輻射躍遷中，以上三種基本過程總是不可分割地同時存在。然而在不同的條件下它們各自發生的概率不同，因此總的宏觀效果也不同。究竟哪一種躍遷占優勢?這要由系統中各能級上分布的粒子數情況決定。E1E2hv=E2-E1hvhv第9頁，課件共41頁，創作于2023年2月二、粒子數反轉分布1.粒子數按能級分布

在溫度為T的熱平衡態，系統中粒子數按能級服從玻耳茲曼能量分布定律。

設處于高能級E2與低能級E1的粒子數密度分別為N2與N1，而在兩能級間躍遷時，各自變化ΔN2與ΔN1，有:N2<N1，ΔN2/ΔN1<1

。在正常狀態下，受激輻射總是被湮沒，宏觀上得不到光放大的效果。E1E2第10頁，課件共41頁，創作于2023年2月2.粒子數反轉分布（1）粒子數反轉分布：粒子數在能級上能實現N2/N1>1的分布。這種分布在輻射躍遷中將使受激輻射占優勢，系統對入射光將有光放大的效果。E1E2第11頁，課件共41頁，創作于2023年2月E1E3E2(亞穩態)（2）實現反轉分布的兩個條件

①介質有兩個以上與反轉分布有關且有亞穩態的能級結構，這種能實現粒子數反轉分布的介質稱為激活介質；②有外界能源供給能量，使在正常分布下處于低能態的大量粒子盡快被激發或抽運到較高能態。

hv=E2-E1激勵抽運無輻射躍遷第12頁，課件共41頁，創作于2023年2月全反射鏡半反射鏡經光學諧振腔輸出的光才是激光。

激光輸出工作物質三、光學諧振腔1.光學諧振腔（1）光學諧振腔：使受激輻射在有限體積的激活介質中能持續進行，光可被反復放大最終形成穩定振蕩的裝置。第13頁，課件共41頁，創作于2023年2月（2）損耗因素內損耗，由于介質對光的折射、散射、吸收等造成的損耗；鏡損耗，由于反射鏡產生的吸收、散射、衍射、透射(包括輸出的激光)等造成的損耗。（3）品質因數Q

式中v

為諧振腔內電磁波振蕩頻率，

E為諧振腔內儲存的能量，P是單位時間損耗的能量。第14頁，課件共41頁，創作于2023年2月2.激光的模式（電磁場在腔內的振蕩方式）（1）縱向模式（縱模）：電磁場沿諧振腔軸向（z軸方向）的振蕩方式。光在腔中來回反射形成相干疊加，只有滿足特定相位差條件的光才能形成穩定的駐波，因此腔中只能允許某些特定頻率的光在其中持續振蕩。不同的縱模表達光波在腔內軸向不同的駐波場分布。第15頁，課件共41頁，創作于2023年2月

每一種分布稱為一個橫模.常用TEMmn來表示激光橫模，TEM表示電磁波，m、n為正整數（橫模指數），m和n分別表示在x和y方向上（軸對稱情況）光場為零的次數。（2）橫模：電磁場沿諧振腔徑向（x、y軸方向）的穩定分布，即激光束在其橫截面上的光強或光斑分布。激光橫模示意圖第16頁，課件共41頁，創作于2023年2月①使受激輻射光放大過程能在有限體積的激活介質中持續進行，且在滿足閾值條件下形成光振蕩，輸出激光；②對輸出激光束的方向給予限定；③有選頻作用；④調整激光的模式；⑤通過調Q、鎖模等技術以改善激光的輸出波形。3.光學諧振腔的主要作用第17頁，課件共41頁，創作于2023年2月四、激光器的基本結構1.工作物質工作物質:激活介質與一些輔助物質。工作能級:激活介質內激活粒子的能級中參與受激輻射，即與出現反轉分布有關的能級稱為工作能級。諧振腔工作物質全反射鏡部分反射鏡激勵裝置激光第18頁，課件共41頁，創作于2023年2月“三能級”系統（紅寶石激光器為例）第19頁，課件共41頁，創作于2023年2月Cr3+的能級圖

4A24F14F22ER2R1能量（eV)Y吸收譜躍遷U吸收譜躍遷0123第20頁，課件共41頁，創作于2023年2月E1E4E3E2“四能級”系統四能級系統實現粒子數反轉圖激勵抽運無輻射躍遷自發輻射受激輻射吸收第21頁，課件共41頁，創作于2023年2月激勵裝置也稱泵浦源，其作用就是向工作物質提供能量，使激活介質中的粒子被抽運到高能態上以便實現粒子數反轉分布。由于供能形式不同，激勵裝置可有電子注入、光學泵浦、氣體放電泵浦、粒子束泵浦、化學泵浦、熱泵、核泵以及用一種激光器去泵浦另一種激光器等等之分。2.激勵裝置第22頁，課件共41頁，創作于2023年2月

1951年莫茨（Motz）提出運動速度接近于光速的電子（稱相對論電子）通過周期性變化的磁場或電場時會產生相干輻射,輻射的頻率取決于電子的速率。自由電子激光器以真空中的相對論電子束為工作物質，通過泵浦場（周期磁場或電磁場）的相互作用產生激光。自由電子激光器可以同時具備高功率、高效率、寬波長可調諧范圍等優點。

中國科學院高能物理研究所于1993年制成我國第一臺紅外自由電子激光裝置。自由電子激光的產生機制不同于前述激光。與普通激光器基于分子、原子能級間躍遷產生激光不同，自由電子激光是利用自由電子受激輻射產生激光。第23頁，課件共41頁，創作于2023年2月第二節激光的特性一、方向性好發散角是衡量光束方向性好壞的標志，方向性表明光能量在空間分布上的集中性。激光束的發散角一般在10-2rad～10-4rad，與普通光束比相差10倍～104倍。普通光源發出的自然光射向四面八方，常常使用聚光裝置來改善它的方向性。第24頁，課件共41頁，創作于2023年2月二、亮度高、強度大亮度是衡量光源發光強弱程度的標志，表明光源發射的光能量對時間與空間方向的分布特性。

激光器由于其輸出端發光面積小，光束發散角小，輸出功率大，而使其亮度高，尤其是超短脈沖激光的亮度可比普通光源高出1012倍～1019倍。因此，激光器是目前世界上最亮的光源。第25頁，課件共41頁，創作于2023年2月三、單色性好譜線寬度是衡量單色性好壞的標志，譜線寬度越窄，顏色越純，則單色性越好。單色性表明光能量在頻譜分布上的集中性。普通光源發出自然光的光子頻率各異，含有各種顏色。激光則由于受激輻射的光子頻率(或波長)相同與諧振腔的選頻作用而使其具有很好的單色性。第26頁，課件共41頁，創作于2023年2月四、相干性好自發輻射產生的普通光是非相干光，而受激輻射光子的特性使激光具有良好的相干性。光的時間相干

同一地點、不同時刻發出的光相干。

光的空間相干

同一時刻、不同地點發出的光相干。激光的時間相干性很好,空間相干性也很好。激光器的問世，促使相干技術獲得飛躍發展，全息攝影才得以實現。第27頁，課件共41頁，創作于2023年2月五、偏振性好受激輻射的特點表明激光束中各個光子的偏振狀態相同。利用諧振腔輸出端的布魯斯特窗在臨界角時只允許與入射面平行的光振動通過，可輸出偏振光，并可對其調整。因此，激光具有良好的偏振性。

激光的特性可概括為兩大方面:①與普通光源相比，激光器所輸出的光能量的特別之處不在于其大小而在于分布特性，即光能量在空間、時間以及頻譜分布上的高度集中，使激光成為極強的光。②激光是單色的相干光，而普通光是非相干光。第28頁，課件共41頁，創作于2023年2月第三節激光的醫學應用一、激光的生物作用激光的生物作用

激光對生物組織所施加的作用，并存在于由此引發的一系列理化過程之中，稱為激光的生物作用。激光的生物效應

生物組織因受激光照射而出現的各種應答性反應、效果或變化稱為激光的生物效應。強激光與弱激光

在醫學領域，激光對被其照射之生物組織，若能直接造成不可逆性損傷的激光者稱其為強激光；若不能直接造成不可逆性損傷者稱其為弱激光。第29頁，課件共41頁，創作于2023年2月1.熱作用生物組織在激光照射下吸收光能轉化為熱能，溫度升高，這即是熱作用。低能量光子(紅外激光)可使組織直接生熱，高能量光子(可見與紫外激光)則多需經過一些中間過程而使組織生熱。2.機械作用激光照射生物組織，可直接或間接產生對組織的壓強稱為激光的機械作用，也稱為激光的壓強作用。第30頁，課件共41頁，創作于2023年2月生物大分子吸收激光光子的能量受激活而引起生物組織內一系列的化學反應稱之為光化反應。激光照射直接引起機體發生光化反應的作用稱為光化作用。3.光化作用4.電磁場作用激光是電磁波，激光對生物組織的作用就是電磁場對生物組織的作用。一般認為這一作用主要是電場所致。第31頁，課件共41頁，創作于2023年2月5.生物刺激作用生物刺激作用主要是弱激光的作用。弱激光對生物過程、對神經、通過體液或神經-體液反射而對全身、對機體免疫功能等都有刺激作用，可產生促進血紅蛋白的合成，糜蛋白酶的活性，細菌的生長，白細胞的噬菌作用，腸絨毛的運動，毛發的生長，皮膚、黏膜的再生，創傷、潰瘍的愈合，燒傷皮片的長合，骨折再生，消炎等生物效應。第32頁，課件共41頁，創作于2023年2月二、激光在基礎醫學研究中的應用1.激光對生物分子、細胞組織的作用與效應（1）生物分子：激光作為刺激源可在分子水平上調整蛋白質與核酸的合成與活性；影響DNA的復制、各種酶的活性與功能、氨基酸的變化等。（2）細胞：激光通過對細胞的作用而影響細胞的增殖、分化、遺傳、發育、凋亡、代謝以及免疫等過程或功能。而且這種影響往往還有雙向作用，其含義有兩層：一是照射劑量小則興奮，大則抑制；二是可使細胞功能從不同方向的偏離恢復正常。第33頁，課件共41頁，創作于2023年2月（3）組織：激光照射組織，當劑量足夠大時將造成對組織的損傷直至完全破壞。這種損傷分為熱損傷與非熱損傷兩大類。熱損傷

由于熱作用導致組織的凝固、汽化（包括炭化、燃燒）、氣化所造成的。非熱損傷

機械作用導致的沖擊波對組織的損傷，甚至遠距離損傷；強電場作用導致的光擊穿或產生等離子體；光化作用導致的光化激活組織，發生光化反應造成對組織的損傷等。第34頁，課件共41頁，創作于2023年2月2.用于基礎醫學研究的激光技術（1）激光微光束技術

激光經透鏡或顯微鏡光學系統聚焦后可形成強度很高而光斑直徑在微米量級的微光束。利用此微光束可進行細胞水平的研究，形成激光的光鑷術、顯微照射術、細胞打孔術、細胞融合術等以實現對細胞進行俘獲、轉移、穿孔、移植、融合及切斷等微操作。激光微光束還可用于激光微探針分析術，即標本的微區在激光微光束照射下被汽化，同時用攝譜儀或質譜儀記錄，進行微量和痕量元素的定性或定量分析。第35頁，課件共41頁，創作于2023年2月讓染色細胞在穩定的液體流動中排隊成行，逐個依次恒速通過激光束的焦斑區。用探測器檢測細胞被激光照射后所發出的熒光與散射光并經計算機處理而自動顯示結果。它可對細胞逐個進行定量分析與分選，其特點是分析速度快、靈敏度高、分選純度高、可對一個細胞同時定量測定多種參數（如DNA、RNA含量、細胞體積等）等。（2）激光流式細胞計第36頁，課件共41頁，創作于2023年2月拉曼散射的頻率與瑞利散射的頻率之差稱為拉曼頻移，由于拉曼頻移與物質分子的振動、轉動能級結構有關，而與入射光頻率無關，故可用拉曼光譜對生物分子進行結構分析。因拉曼散射的強度只有瑞利散射的萬分之一，一般不易觀測到。只有用高強度、高單色性以及譜線范圍寬廣的激光作激發光源，才使激光拉曼光譜具有實用意義。（3）激光拉曼光譜技術當光子與物質分子相互作用時，除有與入射光頻率相同的瑞利散射線外，還有由于非彈性碰撞而在其譜線兩側對稱分布的散射光，這種散射稱為拉曼散射。第37頁，課件共41頁，創作于2023年2月激光多普勒血流計可用于對人體甲皺、口唇、舌尖微循環與視網膜微血管等的血流速度進行檢測。

激光多普勒電泳是應用激光多普勒效應與電泳技術結合的一種分析、檢測新技術，可快速自動準確地測量生物細胞及大分子的電泳遷移率、表面電荷、擴散系數等重要參量。

激光多普勒技術還用于對巨細胞質流、精子活力、眼球運動、耳聽力等的測定。（4）激光多普勒技術利用激光照射運動物體所發生的光多普勒效應進行檢