【放射职称】第二章第3节：激光学基础知识（图文、视频结合）

第二章 医用物理与X线摄影基础

第三节 激光学基础知识

历年考点串讲

激光的产生、激光器的分类、激光的特性、激光的医学应用都是激光学基础知识的重要内容。

重点复习

激光的产生、激光的特性、激光的医学应用等。

常见考题方式：

激光的基本原理；

理解自发辐射、受激辐射、受激吸收三个过程；

掌握激光器三个必要条件；

激光的特性。

常考的细节有：

1.激光的产生：只要使受激辐射持续、稳定地进行，就能获得激光。

2.激光器的构成:一般由三个主要部分构成：工作物质、激发装置和光学谐振腔。

3.光学谐振腔的作用有：产生和维持光放大；选择输出光的方向；选择输出光的波长。

4.激光的特性：方向性好；强度高；单色性好；相干性、偏振性好。这是历年的考试重点，也是工作中经常会用到的知识点，考生要务必熟记于心。

一、激光的产生

1916年爱因斯坦提出的“自发和受激辐射”理论是现代激光系统的物理学基础。光子与原子相互作用可能引起受激吸收、自发辐射、受激辐射三种跃迁过程。

（一）受激吸收和光辐射

受激吸收：

原子吸收一个光子而从低能级跃迁到高能级的过程称为受激吸收（激发或电离）。

受激吸收的特点是：

这个过程不是自发产生的，必须有外来光子的“激发”才会发生，并且外来光子的能量应等于原子激发前后两个能级间的能量差，才会发生受激吸收，但受激吸收对激发光子的振动方向、传播方向和位相没有任何限制。

自发辐射：

在没有任何外界影响的情况下，高能态Eh的原子会自发地跃迁到基态或者较低激发态El，因为这种跃迁是不受外界影响而自发进行的，称为自发跃迁，如果跃迁时释放的能量是以光辐射的形式放出的，则这个过程称为自发辐射。

受激辐射：

处于高能级Eh的原子在自发辐射之前，受到一个能量为hv=EH-El的光子的“诱发”后，可释放出一个与诱发光子特征完全相同的光子而跃迁到低能级El，这个过程称为受激辐射。持续的受激辐射形成的光束就称为激光。

受激辐射的特点是：

它不是自发产生的，必须有外来光子的“刺激”才能发生，而且它对外来光子的能量或频率要求很严格，即必须满足hv=EH-El；

辐射出的光子与诱发光子特征完全相同，即受激原子所发出的光波波列的传播方向、频率、振动方向、相位与诱发光子的完全相同，是相干光；

与受激吸收不同，受激辐射中的被激原子并不吸收诱发光子的能量，在受激辐射发生后，一个光子变成了两个特征完全相同的光子，如果这两个光子能够继续在发光物质中传播，而物质中又有足够多的处于高能级Eh的原子，它们又会激发这些原子从高能级做同样的跃迁而发出光子，从而一变二，二变四……发生光放大，产生大量特征完全相同的光子，这就是激光——受激辐射光放大。

自然界没有哪一种物质能够自然的发出激光，只要人为创造条件，才能得到激光。

（二）激光的产生

只要使受激辐射持续、稳定地进行，就能获得激光，因此必须制造特殊的装置——激光器。

激光器的构成激光器一般由三个主要部分构成：工作物质、激发装置和光学谐振腔。

1.工作物质

激光器中能产生激光的物质称为工作物质。

在正常情况下，物质中的原子数在各能级上的分布是正态分布，处于低能级上的原子数总是比处于高能级上的原子数多，所以光通过正常状态下的发光物质时，吸收过程占优势，光总是减弱的。

要想使光通过发光物质后得到加强，获得光放大，就必须使受激辐射占优势，要使处于高能级上的原子数比处于低能级上的原子数多，这种分布与正常分布相反，称为粒子数反转。

2.激发装置

激发装置的作用是把处于低能级上的原子激发到高能级上去，使工作物质实现粒子数反转。

物质的能级，除有基态和激发态之外，还有一种亚稳态能级。

亚稳态不如基态稳定，但比激发态稳定得多，相对来说原子可以有较长的时间停留在亚稳态。如红宝石中的铬离子（Cr3+），就具有寿命为10-3s数量级的亚稳态。

当工作物质被激发而实现粒子数反转后，开始时由于自发辐射发出的光子具有不同的传播方向，所以受激辐射的光也具有不同的传播方向，而且输出和吸收产生的损耗很多；不能产生稳定的激光输出，为了使受激辐射能在有限体积的工作物质中持续下去，还要有光学谐振腔去实现光的选择和放大。

3.光学谐振腔

它是在工作物质两端安装的一对互相平行且垂直于主轴的反射镜，其中一端为全反射镜（反射率为100%），另一端为部分透光的部分反射镜（反射率为90%～99%）。

谐振腔的作用有：

产生和维持光放大；

选择输出光的方向；

选择输出光的波长。对确定的工作物质，因各种因素的影响。实际发出光的波长不唯一，频谱具有一定的宽度。谐振腔能起选频作用，使激光的单色性更好。

（三）激光器的分类

应用于医学领域的激光器一般可按工作物质形态（固体、液体、气体、半导体等）、发光粒子（原子、分子、离子、准分子等）、输出方式（连续、脉冲）等进行分类。

常用的医用激光器有以下几种：

1.红宝石激光器

它是世界上最早于1960年研制成功的激光器，次年就在医学上应用于视网膜凝固，1963年这种激光器开始用于肿瘤的治疗。

它发出波长为694.3nm的脉冲激光。我国从1965年开始红宝石激光的生物效应和眼科应用的研究。

2.氦、氖激光器

它是最早研制成功的气体激光器，应用于医学上的临床治疗。

在混合气体中，产生受激辐射的是氖原子，氦原子只起传递能量的作用。发射波长为632.8nm的红色激光。

3.二氧化碳激光器

以二氧化碳气体为发光材料，是一种分子激光器。

二氧化碳激光器输出波长为10.6㎛的远红外光，这种激光几乎被大部分生物组织表面层（约200㎛）所吸收。

4.准分子激光器

它是20世纪70年代发展起来的一种脉冲激光器。

其工作物质是稀有气体及其卤化物或氧化物，输出波长从紫外线到可见光，其特点是波长短、功率高，医学上应用准分子激光器主要进行手术治疗。

二、激光的特性

（一）激光的特性

激光的主要特性有：

1.方向性好

由于只有沿谐振腔轴线方向传播的光束才能形成振荡和连续放大，因而从激光器输出的激光发散角特别小，方向性很好，是理想的平行光源。

例如，Ar离子激光器的激光发散角可小到10-4rad（弧度）。激光束经透镜后能会聚成直径为l㎛的光斑。

2.强度高

激光由于方向性好，使能量在空间高度集中，因而可以具有很高的强度。

一般太阳光亮度大约是100W/cm2，一支功率为数毫瓦的氦-氖激光器的光强度可比太阳光高数百倍；以脉冲方式工作的激光器，其光强可以比太阳光高出107～1014倍。

3.单色性好

由于受激辐射产生的光子频率相同，加之谐振腔的限制，使得只有确定波长的光才能形成振荡而被输出，所以激光具有很好的单色性。

4.相干性好

由自发辐射产生的普通光是非相干光，而受激辐射发出的光的特性使激光具有良好的相干性。

这一特性为医学、生物学提供了新的诊断技术和图像识别技术。

（二）激光的危害及安全措施

激光对人体可能造成的危害可分为两类。

一类是直接危害，即超过安全阈值的激光的光辐射对眼睛、皮肤、神经系统以及内脏造成损伤；

另一类是由于高压电、噪声、低温制冷剂以及电源等因素造成的间接危害。

因此应采取相应安全措施：对激光系统及工作环境的监控管理和个人防护。

三、激光的医学应用

（一）激光治疗

1.激光手术

激光手术是以激光束代替金属的常规手术器械对组织进行分离、切割、切除、凝固、焊接、打孔、截骨等以祛除病灶以及吻合组织、血管、淋巴神经等。

2.弱激光治疗

弱激光以其特有的生物作用被用于治疗几十种疾病，其方法主要有三种：激光理疗、激光针灸、弱激光血管内照射疗法。

1.激光光动力学疗法

利用光动力学作用治疗恶性肿瘤的方法，有体表、组织间、腔内照射及综合治疗四种方式。

2.激光内镜术治疗

是通过内镜对内腔疾病进行激光治疗的方法，可用于腔内手术、理疗与光动力学治疗，具有很大的发展优势。

（二）激光诊断

激光诊断一般可有如下方法：

激光光谱分析法、激光干涉分析法、激光散射分析法、激光衍射分析法、激光透射分析法、激光偏振法以及其他激光分析法。

（三）用于医学基础研究的激光技术

激光还为医学基础研究提供了新的技术手段，这方面有：激光微光束技术、激光全息显微术、激光扫描共聚焦显微镜、激光荧光显微技术、激光漂白荧光恢复测量技术、激光扫描计等。

——The  End——

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