医学中常用激光器(详细)

医学中常用的激光器

自第一台激光器问世后，人们对激光器件及技术进行了大量的研制工作，取得了相当可观的成果。目前能实现激光运转的工作物质达数百种以上，大体上分为气体、固体、半导体、染料等几大类。人们在探索激光产生机理的同时，扩展了激光的频谱范围，几千条谱线遍布于真空紫外到远红外的广阔光谱区域。激光方向性好、强度大，可以使被照物体在1/1000s内产生几千度的高温，瞬间发生汽化。由于激光的物理特性决定了其具有明显的生物学效应，。各种不同的激光具有不同的特性和组织效应，正确认识激光的这些特点，是选择和合理利用激光的基础。

一．气体激光器

气体激光器，按工作物质的性质，大致可分成下列三种：(1)原子激光器：利用原子跃迁产生激光振荡，以氦氖激光器为代表。氩、氪、氙等惰性气体，铜、镉、汞等金属蒸气，氯、溴、碘等卤素，它们的原子均能产生激光。原子激光器的输出谱线在可见和红外波段，典型输出功率为10毫瓦数量级。

(2)分子激光器：利用分子振动或转动状态的变化产生辐射制成的，输出的激光是分子的振转光谱。分子激光器以二氧化碳(CO2)激光器为代表，其他还有氢分子(H2)，氮分子(N2)和一氧化碳(CO)分子等激光器。分子激光器的输出光谱大多在近红外和远红外波段，输出功率从数十瓦到数万瓦。(3)离子激光器：这类激光器的激活介质是离子，由被激发的离子产生激光放大作用，如氩离子(激活介质为Ar＋)激光器。氦镉激光器(激活介质为Cd＋)等。离子激光器的输出光谱大多在可见光和紫外波段，输出功率从几毫瓦到几十瓦。

气体激光器是覆盖波谱范围最广的一类器件，能产生连续输出。其方向性、单色性也比其他类型器件好，加之制造方便、成本低、可靠性高，因此成为目前应用最广的一类器体。

1、氦氖激光器

氦氖激光器能输出波长为632.8nm的可见光，具有连续输出的特性。它的光束质量很好(发散角小，单色性好，单色亮度大)。激光器结构简单，成本低，但输出功率较小。氦氖激光器在工业、科研、国防上应用很广，医疗上主要用于照射，有刺激、消炎、镇痛、扩张血管和针灸等作用，广泛用于内科、皮肤科、口腔科及细胞的显微研究。

氦氖激光器有三种结构形式：内腔式、外腔式和半内腔式。它们均由放电管、谐振腔、激励电源等三部分组成。以内腔式为例，放电毛细管是产生气体放电和激光的区域，它的内径很小，约在1到几毫米。电极A为阳极，由钨杆或钼(或镍)筒制成。阴极K为金属圆筒，由铝、钼、钽等制成，它们均有足够的电子发射能力和抗溅射能力。组成谐振腔的两块反射镜紧贴于放电管两端，并镀以多层介质膜。其中一个为全反射镜，另一个则为部分反射镜，整个谐振腔在出厂前已调整完毕，因此使用简单、方便。放电管的管径比放电毛细管粗几十倍，用以保持氦氖气压比及加固谐振腔。为了避免放电管变形而引起激光输出下降，内腔管的长度不宜过大，一般不超过一米。外腔式激光器可以更换不同的反射镜，使输出功率最大，光束发散角最小。也可在反射镜和放电管之间插入光学元件，以研究激光器的输出特性，调制它的频率或幅度，并可制成单频大功率激光器。

2、二氧化碳激光器

二氧化碳激光器的能量转换效率达20～25%(氦氖激光器的能量转换效率仅为千分之几)。它的输出波长为10.6微米，属于远红外区，连续输出功率可达万瓦级，常用电激励，结构比较简单紧凑，使用方便，是目前最常用的激光器之一，在医学上，CO2激光器作为手术刀使用日益引起人们的重视。CO2激光器也用于皮肤科、外科、神经外科、整形外科、妇科和五官科的手术，在癌症的治疗上也有一定成效。

最常见的封离型内腔式二氧化碳激光器的管壳是由硬质玻璃或石英材料制成的。常见为三层玻璃套管结构，其最内层是放电管，中间层是水冷套，外层是储气管。在内外层之间有气体循环通路，这是为了保证混合气体的均匀分布而设计的。其光学谐振腔通常用平凹球面腔。球面镜可用石英或其他光学玻璃做基片，然后，在表面上镀层金属膜。平面镜是输出窗片，要求它对10.6μm的激光有很好的透过率，且表面不易损伤，机械性能好等。一般中小功率的激光器常常采用锗单晶做输出片，大功率的用砷化镓

做输出片。电极材料常用镍，也可用钽、钼等。根据构成光学谐振腔的两块反射镜紧贴放电管，或离开放电管，或一块紧贴一块离开放电管的情况，二氧化碳激光器又有内腔式、外腔式和半内腔式之分。

3、氮分子激光器

氮分子激光器的激光输出波长主要在紫外区，有几十条谱线，其中以337.1nm最强。激励方式为脉冲放电，输出几个纳秒(10－9s)的光脉冲。输出的峰值功率相当高，达兆瓦级，甚至达到几十兆瓦。重复率为每秒几十到几百次。这种激光器构造简单，制造容易，可作染料激光器的抽运源，临床上可应用于外科、皮肤科、五管科和妇科等方面。利用紫外激光的荧光效应，还可早期诊断某些肿瘤。

4、氩离子激光器

Ar＋激光器是一种惰性气体离子激光器。它的激光波长主要是488nm和514.5nm的蓝色光和绿色光。连续输出功率一般为数瓦至数十瓦，最高可达一百多瓦，是目前在可见光范围内连续输出功率最高的一种激光器。

Ar＋激光器一般由放电管、电极、回气管、谐振腔和轴向磁场等部分组成。放电管的核心部分是放电毛细管。制作毛细管的材料要求能耐高温，散热性好，气密性好，吸气率低，机械强度高等，常用的材料有石英、氧化铍陶瓷和石墨等。目前的Ar＋激光器多数都是分段石墨管结构，即放电管由石墨片叠加而成，片间用小石英环隔开，彼皮绝缘。整个装置放在有冷水套的石英管内。管的两端分别为发射电子的阴极和收集电子的石墨阳极。放电毛细管的作用是增强放电电流密度，以利提高发射强度。轴向磁场是为了提高Ar＋激光器的输出功率和寿命而设计的。它有聚集带电离子的作用，可以增强电子密度和离子密度，减少离子对放电毛细管的轰击。谐振腔由两块镀有多层介质膜的反射镜组成。反射镜要相互平行，且与毛细管的轴线垂直。水冷却系统是为了保证激光器的正常工作而设计的。因为在放电过程中，电流很大(数十安培)，激光器的温度升高快，必须加以冷却才行。镇气瓶与放电管相通。因为激光器工作一段时间之后，管内的气压就会明显下降，从而导致激光输出功率下降。而镇气瓶可以通过控制开关自动向放电管内充气，使之保持最佳气压，达到维持激光输出功率基本不变的目的。

5、氦镉离子激光器

氦镉离子激光器是一种金属蒸汽离子激光器，由镉(Cd)离子产生激光，氦为辅助气体。这种激光器输出的激光波长主要是441.6nm(蓝光)和325nm(紫外光)，连续输出功率较高，为几十毫瓦。在临床上可用于诊断和照射治疗，例如检查五官科方面的癌肿，照射穴位以治疗高血压和慢性肝炎等。

氦镉激光器的石英毛细管内充以几乇气压的氦气，两端封以布儒斯特窗片。阳极为钨杆，阴极为钼或铝筒。靠近阳极处有一镉池，内盛高纯镉(99.99%)。把镉加热到200～250℃左右，镉就升华为蒸气。电极间加以电压使毛细管中的放电电流为几十毫安，若两端配以反射镜组成谐振腔，即有激光输出。放电毛细管的内径为2～3毫米。为了防止镉蒸气沾污阳极端的窗片(对内腔管而言为介质膜反射镜)，镉池和窗片间设置电泳封锁区。镉离子(Cd＋)在电场作用下不断向阴极运动(这个过程称电泳效应)，同时设置冷凝室，使通过毛细管的镉蒸气在此室冷凝。氦镉激光器的输出功率与镉蒸气压、氦的气压及放电电流有关。

二．固体激光器

固体激光器体积小，输出功率大，使用方便，但工作物质(激活介质)较贵，结构及制造均较复杂。常用的固体激光器为红宝石、钕玻璃和掺钕钇铝石榴石等。工作物质的性能好坏直接影响器件的输出特性，它有如下要求：(1)良好的激光性能：包括宽的吸收带和大的吸收系数；高的荧光量子效率；高能级寿命短，亚稳态寿命长；荧光谱线宽度小(锁模激光器例外)；内部损耗小等等，上述各因素利于粒子数反转，输出较大功率的激光。(2)良好的物理化学性能：包括机械强度高，熔点高，热导率高，热膨胀系数小，能制成较大尺寸，掺杂浓度高，光照稳定性、化学稳定性好等等，这些因素可使器件重复频率高，寿命长。(3)良好的光学质量：光学质量差的工作物质，散射、吸收和退偏(一种因双折射而引起的损耗)也大，会使器件阈值升高，效率下降。因此材料必须均匀。此外，工作物质的形状及加工也有一定要求，固体激光器的工作物质常制成棒形(截面为圆形或矩形，称为激光棒)，其长度和直径比为10∶1左右。对连续工作的器件，为提高散热效果可取12∶1到15∶1。棒两端面的平面平行度应小于10″，