激光及其医学应用

②有外界能源供给能量，使在正常分布下处于 低能态的大量粒子尽快被激发或抽运到较高能态。
激励
抽运
E3 无辐射跃迁
hv=E2-E1
E2 (亚稳态) E1
第十八章 激光及其医学应用
三、光学谐振腔
1. 光学谐振腔 （1）光学谐振腔：使受激辐射在有限体积的激活介 质中能持续进行，光可被反复放大最终形成稳定振 荡的装置。
第十八章 激光及其医学应用
2. 激光的模式（电磁场在腔内的振荡方式）
（1）纵向模式（纵模）： 电磁场沿谐振腔轴向 （z轴方向）的振荡方式。
光在腔中来回反射形成相干叠加，只有满足 特定相位差条件的光才能形成稳定的驻波，因此 腔中只能允许某些特定频率的光在其中持续振荡。 不同的纵模表达光波在腔内轴向不同的驻波场分 布。
第十八章 激光及其医学应用
（2）横模：电磁场沿谐振腔径向（x、y轴方向） 的稳定分布，即激光束在其横截面上的光强或光 斑分布。
每一种分布称为一个横模. 常用TEMmn来表示 激光横模，TEM表示电磁波，m、n为正整数（横模 指数），m和n分别表示在x和y方向上（轴对称情况） 光场为零的次数。
激光横模示意图
E1
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（3） 平均寿命与亚稳态：大量粒子在某激发态停 留时间的平均值称为该激发态的平均寿命，一般 约10-9s～10-7s。某些粒子的激发态平均寿命较长， 约10-3s～10-2s，这种激发态称为亚稳态。
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2. 粒子间的能级跃迁
（1）跃迁：粒子的能级变化统称为跃迁。粒子在 能级之间实现跃迁必然伴随与外界交换能量的过程。 跃迁只在满足“选择定则”的能级之间才能实现， 各能级之间跃迁的概率并不一致。
第十八章 激光及其医学应用
第十八章 激光及其医学应用
教学基本要求
• 掌握激光的基本原理与特性。 • 理解激光的生物作用。 • 了解激光在基础医学研究与临床中的应用、
医用激光器、激光的危害与防护等方面的 知识。
第十八章 激光及其医学应用
激光（laser）是受激辐射光放大（light
amplification by stimulated emission of radiation）的简称，爱因斯坦在1916年提出了“受 激辐射”的理论假设，预言受激辐射（stimulated radiation）的存在和光放大的可能。汤斯于1954年 制成受激辐射微波放大器，梅曼于1960年制成世界 上第一台激光器——红宝石激光器。1961年9月我国 第一台红宝石激光器在中国科学院长春光学精密机 械研究所诞生，1964年12月著名科学家钱学森给 laser起了中文名字“激光”。
第十八章 激光及其医学应用
源自文库
第一节 激光的基本原理
一、粒子的能级与辐射跃迁
1. 粒子的能级与平均寿命
（1） 能级: 构成物质的粒子 En
（分子、原子、离子等）的不 同的能量状态，称能级状态， 简称能级（或能态）。
E4 E3 E2
（2）基态与激发态：粒子最
低的能级称为基态，其他的能 级状态称为激发态。
第十八章 激光及其医学应用
二、粒子数反转分布
1. 粒子数按能级分布
在温度为T的热平衡态，系统 中粒子数按能级服从玻耳兹曼能量 E2 分布定律。
设处于高能级E2与低能级E1的 粒能子级数间密跃度迁分时别，为各N自2与变N化1，ΔN而2与在Δ两N1，E1 有: N2<N1，ΔN2/ΔN1<1 。
在正常状态下，受激辐射总是被湮没，宏观上 得不到光放大的效果。
4F1
3
4F2
第十八章 激光及其医学应用
3. 光学谐振腔的主要作用
①使受激辐射光放大过程能在有限体积的激活介质 中持续进行，且在满足阈值条件下形成光振荡，输出激 光；
②对输出激光束的方向给予限定； ③有选频作用； ④调整激光的模式； ⑤通过调Q、锁模等技术以改善激光的输出波形。
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四、激光器的基本结构
第十八章 激光及其医学应用
2. 粒子数反转分布
（1）粒子数反转分布：粒子数在能级上能实现 N2/N1>1的分布。
E2
这种分布在辐射跃迁中 将使受激辐射占优势，系统 对入射光将有光放大的效果。
E1
第十八章 激光及其医学应用
（2）实现反转分布的两个条件
①介质有两个以上与反转分布有关且有亚稳态 的能级结构，这种能实现粒子数反转分布的介质称 为激活介质；
1. 工作物质
谐振腔
工作物质: 激活介 质与一些辅助物质。
全反射镜
工作物质 激励装置
激光 部分反射镜
工作能级: 激活介质内激活粒子的能级中参与 受激辐射，即与出现反转分布有关的能级称为 工作能级。
第十八章 激光及其医学应用
“三能级” 系统（红宝石激光器为例）
第十八章 激光及其医学应用
能量 （eV)
经光学谐振腔输出的光才是激光。
全
半
反
反
射
射
镜
工作物质
镜
激光 输出
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（2）损耗因素 内损耗，由于介质对光的折射、 散射、吸收等造成的损耗；镜损耗，由于反射镜 产生的吸收、散射、衍射、透射(包括输出的激光) 等造成的损耗。
（3）品质因数Q
Q 2π E
P 式中v 为谐振腔内电磁波振荡频率， E为谐振腔内 储存的能量，P是单位时间损耗的能量。
E2
E1 E2 hv=E2-E1 E1
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（6）受激辐射：一个处
E2
于高能级E2的粒子受到一
hv
个能量hv =E2-E1的光子 hv=E2-E1
“诱发”而跃迁到低能级
E1，同时释放一个与“诱 发”光子特性完全相同的 光子的过程。
hv E1
在光与粒子系统相互作用所实际发生的辐射跃迁 中，以上三种基本过程总是不可分割地同时存在。 然而在不同的条件下它们各自发生的概率不同，因 此总的宏观效果也不同。究竟哪一种跃迁占优势?这 要由系统中各能级上分布的粒子数情况决定。
（2）辐射跃迁：以光能形式吸收或释放称为辐射跃 迁或光辐射。
（3）无辐射跃迁：以非光能形式吸收或释放称为无 辐射跃迁。
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（4）受激吸收：当光通
过物质时，处于低能级E1 的粒子吸收一个能量
hv=E2-E1的光子而向高能 级E2跃迁的过程。
hv=E2-E1
（5）自发辐射：自发地 从激发态向较低能态跃迁 同时释放出光子的过程。