【X线基础】第三节 | 激光学基础知识

文摘   2025-01-07 17:18   福建  



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:
①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
②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
③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:
①产生和维持光放大;
②选择输出光的方向;
③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

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

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


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