激光在生物医学中的应用

医学物理学

激光在生物医学中的应用

激光在生物医学中的应用

激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。激光技术是二十世纪科技领域中的重大新成就，它的出现标志着人们对光的掌握和利用进入一个新技术，有力地促进了物理学、化学和生物学的发展。

近年来，激光在生物医学领域中的应用越来越广泛，同时取得了很多令人瞩目的成就。在此，我们就将从以下四方面对激光进行介绍。一、激光的产生和特性，二、激光的生物作用，三、激光在临床医学中的应用，四、激光的危害和防护。

一、 激光的产生和特性

1.激光的产生

激光最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER 的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 的各单词头一个字母组成的缩写词。意思是“通过受激辐射光扩大”。直到，1964年10月，物理学家钱学森建议称之为——激光，从此以后，激光则广泛为人使用。

1.1 光与物质的相互作用

从定义中得知，激光与受激辐射有关。以下，我们将介绍光与物质相互作用时可能出现的三种现象：自发辐射、受激吸收和受激辐射。

1.1.1自发辐射

自发辐射是指原子在没有外界干预的情况下,电子会由处于激发态的高能级E2自动跃迁到低能级E1,并且发射一个频率为v ，能量为ε的光子。参看图1-1

21hv E E ε==-

对于大量的处于高能级E2的原子来说，它们是各自独立地分别自发发射一个能量ε相同但彼此无关的光子。这相当于它们各自独立得分别自发发射一类一类频率为

21E E v h

-= 的光波。但各类光波之间的位相完全无关。各类光波可以有不同的偏振方向、并且每个粒子所发的光可以沿着所有可能的方向传播。

图1-1

1.1.2、受激吸收

当处于低能级E1的原子受到光子能量恰好为

21hv E E ε==-

的外来入射光照射，原子会由于受到这种入射光的刺激，吸收一个这种光子而跃迁到高能级E2，这个过程称为光的受激吸收。参看图1-2

受激吸收与自发辐射是互逆的过程。

图1-2

1.1.3受激辐射

当处于高能级E2的原子受到光子能量为

21hv E E ε==-

的光照射时，这个原子也会在这种光的刺激下，发射一个与入射光子一模一样的光子，而跃迁到低能级E1，也就是受激发射的光与入射光二者的频率都是

2

1E E v h

-=

而且位相、偏振方向和传播方向等都相同。这个过程称为光的受激辐射。参看

图1-3.可看到光的受激发射起了增加入射光强度的作用。

而且受激辐射是产生激光的必要条件。

图1-3

而受激辐射产生的光子具有其独特的特点：

1）、不会自发发生，须有外来光子的作用。

2）、外来光子能量要满足

3）、辐射的光子和原来入射的光子完全相同，即发射方向、位相、频率、速度完全相同，且处在同一个能量状态。

4）、出射光等于两倍入射光。

1.2 激光器的基本结构

自从世界上第一台激光器问世后，世界各国先后研制成功的激光器有上百种。虽然它们的工作原理和运转方式不尽相同，所发射激光的波长也从原紫外

段分布到远红外段，但每一种激光器的基本组成都是相同的，即都由工作物质、激励能源和光学谐振腔三个基本部分组成。如下图1-4

图1-4

1.2.1激光工作物质

激光工作物质是组成激光器的核心部分，它是一种可以用来实现粒子反转

和产生光的受激发射作用的物质体系，本身可以是气体（原子气体、离子气体、分子气体）、固体（晶体、玻璃等）、液体（有机或无机液体）、半导体等材料。

1)、气体工作物质

气体激光物质最具代表性的为氦氖（He-Ne）、二氧化碳、氩离子等。

气体工作物质的特点：由于气体工作物质的均匀好，使得输出光束质量较高。

气体激光的单色性和相干性都较固体激光和半导体激光好，光束发散角也很小。大多数气体工作物质的能量转换效率较高，容易实现大功率连续输出。但是由

于气体的泄漏和损耗，气体激光器的工作寿命较固体激光器短。

2)、固体工作物质

固体工作物质是将激活离子掺入固体基质中形成的。分为玻璃和晶体两大类。红宝石激光可制作激光器的固体工作物质须有良好的理化性质：热导率大，热光稳定性好、化学性能稳定。

3)、液体工作物质

液体工作物质实际上是一些有机或无机化合物（主要是一些染料）溶解在溶剂中形成的。因此，它们成本低，容易制备。液体工作物质的光学均匀性较好，而且输出激光的频带很宽，因而容易实现波长在很宽范围内的连续调谱。虽然液体工作物质中的激活粒子浓度较固体工作物质小3个数量级，但它们的发射截面积一般较固体工作物质大3个数量级。因而液体工作物质的增益很高，与固体工作物质相近，容易获得大功率输出。

4)、半导体工作物质

半导体激光器是利用电子在能带间的跃迁来发光，直接通电就可对它进

行激励，因而它们的能量转换效率大大超过一般的固体工作物质。可作为激光器的工作物质半导体材料包括砷化镓，硫化镉、铅锡碲等，半导体激光工作物质的优点是体积小，调制方便；缺点是输出功率小，光束发散较大和相干性差。

1.2.2 光学谐振腔

像电子技术中的振荡器一样，要实现激光振荡，除了有放大元件外，还必

须有正反馈系统、谐振系统和输出系统。在激光器中，可实现粒子数反转的工

作物质就是放大元件，而光学谐振腔就起着正反馈、谐振和输出的作用。