激光醫(yī)學(xué)(生工09)3-1(1)(完整)精編版

1、 諧振腔諧振腔 固體激光器固體激光器 氣體激光器氣體激光器 液體激光器液體激光器 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 三能級系統(tǒng)三能級系統(tǒng) 四能級系統(tǒng)四能級系統(tǒng) E1 E3 三能級系統(tǒng)能級圖三能級系統(tǒng)能級圖 E4 E3 E2 E1 四能級系統(tǒng)能級圖四能級系統(tǒng)能級圖 第一節(jié)第一節(jié) 固固 體體 激激 光光 器器 一、概述一、概述 激光電源激光電源 醫(yī)用激光機(jī)的構(gòu)成醫(yī)用激光機(jī)的構(gòu)成 激光器激光器 激光導(dǎo)光系統(tǒng)激光導(dǎo)光系統(tǒng) 醫(yī)用激光機(jī)的發(fā)展趨勢醫(yī)用激光機(jī)的發(fā)展趨勢 體積小、易攜帶體積小、易攜帶 可光纖導(dǎo)光可光纖導(dǎo)光 制造成本低制造成本低 可靠性高可靠性高 （基質(zhì)材料（基質(zhì)材料+摻雜離子）摻雜離子） 固體激光器固

2、體激光器 工作物質(zhì)工作物質(zhì) 激勵燈激勵燈 聚光腔聚光腔 諧振腔諧振腔 （氪燈或氙燈）（氪燈或氙燈） （橢圓腔、圓柱腔、緊包腔）（橢圓腔、圓柱腔、緊包腔） 基質(zhì)：晶體、玻璃、玻璃陶瓷基質(zhì)：晶體、玻璃、玻璃陶瓷 摻雜離子：鉻、釹、鈥、鉺等離子摻雜離子：鉻、釹、鈥、鉺等離子 二、摻釹釔鋁石榴石激光器二、摻釹釔鋁石榴石激光器 Nd:YAG激光器基本結(jié)構(gòu)激光器基本結(jié)構(gòu) Nd:YAG晶體呈淡紫色，摻雜濃度約晶體呈淡紫色，摻雜濃度約 1% Nd:YAG激光器結(jié)構(gòu)激光器結(jié)構(gòu) Nd:YAG晶體晶體 脈沖氙燈脈沖氙燈 氙燈電源氙燈電源 全反射鏡全反射鏡部分反射鏡部分反射鏡 橢圓聚光腔橢圓聚光腔 激光激光 Nd:Y

3、AG晶體晶體 雙橢圓聚光腔雙橢圓聚光腔 脈沖氙燈脈沖氙燈 全反射鏡全反射鏡 部分反射鏡部分反射鏡 激光激光 連續(xù)器件常用氪燈激勵，連續(xù)器件常用氪燈激勵，脈沖器件多用氙燈激勵。脈沖器件多用氙燈激勵。 用摻鋰的石英玻璃做成的泵浦燈，能濾去紫外線用摻鋰的石英玻璃做成的泵浦燈，能濾去紫外線 氪燈發(fā)射光譜的峰值波長為氪燈發(fā)射光譜的峰值波長為 nmnm800750和和 LD 泵浦泵浦 Nd:YAG激光器激光器 工作原理工作原理Nd:YAG屬四能級結(jié)構(gòu)屬四能級結(jié)構(gòu) Nd:YAG能級圖能級圖 躍遷躍遷 m 06. 1 2 E 0 E 3 E 1 E )( 23 4 F )( 29 4 I )( 211 4 I

4、 0 5000 10000 15000 20000 1 cm能能量量 閾值閾值 輸出特性輸出特性 Nd:YAG 激光器轉(zhuǎn)換效率高，輸出功率大。激光器轉(zhuǎn)換效率高，輸出功率大。 單根晶體棒工作時(shí)輸出功率可達(dá)百瓦，多模輸出。單根晶體棒工作時(shí)輸出功率可達(dá)百瓦，多模輸出。 Nd:YAG激光器的波長處于各類導(dǎo)光纖維最佳透激光器的波長處于各類導(dǎo)光纖維最佳透 過率的范圍內(nèi)。過率的范圍內(nèi)。 Nd:YAG 激光器的輸出波長為激光器的輸出波長為nm1064 倍頻倍頻Nd:YAG 激光器激光器 倍頻倍頻Nd:YAGnm532 三倍頻三倍頻 nm355 四倍頻四倍頻 nm266 磷酸氧鈦鉀磷酸氧鈦鉀 (KTP) KTP

5、 用于各種固體激光系統(tǒng)，特別是用于各種固體激光系統(tǒng)，特別是Nd:YAG 激光器激光器 的倍頻和光參量振蕩的倍頻和光參量振蕩 YAG 激光器的優(yōu)點(diǎn)激光器的優(yōu)點(diǎn) 可光纖導(dǎo)光；可光纖導(dǎo)光； 可接觸式手術(shù)；可接觸式手術(shù)； 價(jià)格低；價(jià)格低； 故障少；易維修。故障少；易維修。 不需自來水冷卻，可內(nèi)部循環(huán)水冷卻；不需自來水冷卻，可內(nèi)部循環(huán)水冷卻； 三、紅寶石激光器三、紅寶石激光器 紅寶石激光器基本結(jié)構(gòu)紅寶石激光器基本結(jié)構(gòu) 紅寶石晶體呈淡紅色，摻雜濃度紅寶石晶體呈淡紅色，摻雜濃度 %07. 0%03. 0 常用高電流密度的氙燈激勵常用高電流密度的氙燈激勵脈沖工作方式；脈沖工作方式； 氙燈電源氙燈電源 反射鏡反

6、射鏡反射鏡反射鏡 氙燈（用來激發(fā)激光）氙燈（用來激發(fā)激光）紅寶石介質(zhì)（激光介質(zhì)）紅寶石介質(zhì)（激光介質(zhì)） 激光激光 紅寶石能級圖紅寶石能級圖 nmR3.694: 1 E 2 0 E A2 E 1 4 F 2 4 A 2 4 F nmR9.692: 2 工作原理工作原理紅寶石晶體屬三能級結(jié)構(gòu)紅寶石晶體屬三能級結(jié)構(gòu) 輸出特性輸出特性 紅寶石紅寶石 激光器的輸出波長為激光器的輸出波長為 紅寶石激光器轉(zhuǎn)換效率低，發(fā)散角較大。紅寶石激光器轉(zhuǎn)換效率低，發(fā)散角較大。 nm3 .694 器件總效率約為器件總效率約為 %5 . 0%2 . 0 紅寶石激光可裝成檢眼鏡形式，做成手握式眼科凝紅寶石激光可裝成檢眼鏡形式

7、，做成手握式眼科凝 固器；固器；還可裝在裂隙燈上做成固定的眼科治療機(jī)。還可裝在裂隙燈上做成固定的眼科治療機(jī)。 激光治療儀激光治療儀 脈沖脈沖Ho:YAGHo:YAG激光治療儀激光治療儀 （德國（德國,0.8m,3J,20Hz, ,0.8m,3J,20Hz, 光纖輸出）光纖輸出） 脈沖脈沖Er:YAGEr:YAG激光治療儀激光治療儀 （美國（美國,2.94m,30w,2J,2.94m,30w,2J,七關(guān)節(jié)輸出）七關(guān)節(jié)輸出） 第二節(jié)第二節(jié) 氣氣 體體 激激 光光 器器 氣體激光器一般采用氣體激光器一般采用電激勵源電激勵源 常見常見的氣體激光器有氦氖、的氣體激光器有氦氖、CO2 激光器等激光器等 固

8、體激光器的特點(diǎn)：效率較高，能以脈沖和連續(xù)固體激光器的特點(diǎn)：效率較高，能以脈沖和連續(xù) 兩種方式工作兩種方式工作 一、二氧化碳激光器一、二氧化碳激光器 二氧化碳激光器基本結(jié)構(gòu)二氧化碳激光器基本結(jié)構(gòu) 二氧化碳激光器是一種氣體分子激光器，二氧化碳激光器是一種氣體分子激光器， 二氧化碳激光器的工作物質(zhì)是二氧化碳激光器的工作物質(zhì)是 氣體，氣體， 2 CO 輔助氣體有輔助氣體有 等。等。 22 ,HXeHeN 最常見的是封離型內(nèi)腔式最常見的是封離型內(nèi)腔式 0 1 m 6 .10 工作原理工作原理 電電 子子 碰碰 撞撞 激激 勵勵 電電 子子 碰碰 撞撞 激激 勵勵 1 18 cm )100( 2 CO )

9、001( )020( )010( 基態(tài)（基態(tài)（000） 2 N m 6 . 9 、 分子能級躍遷分子能級躍遷 2 CO 2 N CO2激光器結(jié)構(gòu)圖激光器結(jié)構(gòu)圖 輸出特性輸出特性 輸出功率最大可達(dá)數(shù)千瓦。輸出功率最大可達(dá)數(shù)千瓦。 激光器的輸出波長為激光器的輸出波長為m 6 .10 2 CO 激光器能量轉(zhuǎn)換率高達(dá)到激光器能量轉(zhuǎn)換率高達(dá)到 25% 2 CO 與生物組織作用時(shí)，幾乎被生物組織與生物組織作用時(shí)，幾乎被生物組織 內(nèi)內(nèi) 的表層吸收，因此容易控制切割深度。的表層吸收，因此容易控制切割深度。 m 200 二、二、ArAr+ +激光器激光器 Ar+激光器基本結(jié)構(gòu)激光器基本結(jié)構(gòu) Ar+激光器是一種惰

10、性氣體離子激光器激光器是一種惰性氣體離子激光器 放電管放電管 諧振腔諧振腔 軸向磁場軸向磁場 水冷卻系統(tǒng)水冷卻系統(tǒng) 鎮(zhèn)氣瓶鎮(zhèn)氣瓶 6 3P Ar基態(tài)基態(tài) Ar+基態(tài)基態(tài) 5 3P PAr 4 Ar+S4 nm0 .488 工作原理工作原理 第第 二二 次次 電電 子子 碰碰 撞撞 電電 子子 碰碰 撞撞 nm5 .514 的能級圖的能級圖 Ar 輸出特性輸出特性 Ar+激光器是可見光區(qū)域中連續(xù)輸出功率最高的，激光器是可見光區(qū)域中連續(xù)輸出功率最高的， 能很好被血紅蛋白吸收，止血效果好。能很好被血紅蛋白吸收，止血效果好。 廣泛應(yīng)用于眼科、皮膚科、內(nèi)科等領(lǐng)域。廣泛應(yīng)用于眼科、皮膚科、內(nèi)科等領(lǐng)域。 A

11、r+激光器的輸出波長主要有激光器的輸出波長主要有 和和nm0 .488nm5 .514 一般連續(xù)輸出幾瓦到幾十瓦，甚至幾百瓦。一般連續(xù)輸出幾瓦到幾十瓦，甚至幾百瓦。 三、三、激光器激光器 氦氖激光器氦氖激光器 氖原子氖原子 在在 間間 實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 s3p2 s2 s1 Ne s3 s 1 2 s 3 2 He p2 p3 碰 632.8nm 共振轉(zhuǎn)移共振轉(zhuǎn)移 氦氖氣體的能級圖氦氖氣體的能級圖 第三節(jié)第三節(jié) 其其 他他 激激 光光 器器 一、準(zhǔn)分子激光器一、準(zhǔn)分子激光器 工作物質(zhì)是稀有鹵化物工作物質(zhì)是稀有鹵化物 準(zhǔn)分子：準(zhǔn)分子：基態(tài)的稀有氣體原子化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，基態(tài)的稀有

12、氣體原子化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定， 不可能和其它原子結(jié)合成穩(wěn)定分子。但當(dāng)它們不可能和其它原子結(jié)合成穩(wěn)定分子。但當(dāng)它們 受到激發(fā)時(shí)，稀有氣體原子就可能從基態(tài)躍遷受到激發(fā)時(shí)，稀有氣體原子就可能從基態(tài)躍遷 到激發(fā)態(tài)，甚至被電離，這時(shí)很容易和另一個(gè)到激發(fā)態(tài)，甚至被電離，這時(shí)很容易和另一個(gè) 原子形成一個(gè)壽命極短的分子，這種處于激發(fā)原子形成一個(gè)壽命極短的分子，這種處于激發(fā) 態(tài)的分子稱態(tài)的分子稱受激二聚物受激二聚物，簡稱準(zhǔn)分子。，簡稱準(zhǔn)分子。 ArF準(zhǔn)分子激光器基本結(jié)構(gòu)準(zhǔn)分子激光器基本結(jié)構(gòu) 氣氣 體體 1 氣氣 體體 2 氣氣 體體 3 激光腔激光腔 激勵源激勵源 預(yù)電離源預(yù)電離源 排排 氣氣 真真 空空 泵泵 激光激

13、光 準(zhǔn)分子激光器的結(jié)構(gòu)框圖準(zhǔn)分子激光器的結(jié)構(gòu)框圖 工作原理工作原理 ArF 準(zhǔn)分子的勢能曲線圖準(zhǔn)分子的勢能曲線圖 能能量量 核間距核間距 ArF ArF FAr 激光輻射激光輻射 輸出特性輸出特性 輸出平均功率輸出平均功率 20瓦瓦 準(zhǔn)分子激光器的輸出波長為準(zhǔn)分子激光器的輸出波長為nm0 .193ArF 光束發(fā)散角光束發(fā)散角 左右左右mrad2 二、半導(dǎo)體激光器二、半導(dǎo)體激光器 半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體PNPN結(jié)注入電流，結(jié)注入電流， 實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，再實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，再 利用諧振腔的正反饋，實(shí)現(xiàn)光放大而產(chǎn)生利用諧振腔的正反饋，實(shí)現(xiàn)光放大

14、而產(chǎn)生 激光振蕩的。激光振蕩的。 0 fe E fh E 半導(dǎo)體能帶和允許能級半導(dǎo)體能帶和允許能級 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器的特點(diǎn)：效率高、體積小、的特點(diǎn)：效率高、體積小、 重量輕、工作電壓低、波長豐富、結(jié)構(gòu)簡單。重量輕、工作電壓低、波長豐富、結(jié)構(gòu)簡單。 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 缺點(diǎn)是輸出功率較缺點(diǎn)是輸出功率較 小、方向性較差、小、方向性較差、 發(fā)散角較大、單色發(fā)散角較大、單色 性較差。性較差。 波長為波長為6705nm，功率連續(xù)可調(diào)，最大光纖末，功率連續(xù)可調(diào)，最大光纖末 端輸出功率端輸出功率2瓦瓦 醫(yī)用半導(dǎo)體激光醫(yī)用半導(dǎo)體激光器器 激光治療儀激光治療儀 輸出特性輸出特性 半導(dǎo)體激光器輸出的

15、波長在半導(dǎo)體激光器輸出的波長在 波段波段mnm 5 . 80 .630 大功率半導(dǎo)體激光器在耳鼻喉科用于鼻息肉、聲大功率半導(dǎo)體激光器在耳鼻喉科用于鼻息肉、聲 帶息肉的切除；帶息肉的切除； 普外科等用于氣化切割手術(shù)。普外科等用于氣化切割手術(shù)。 骨科用于腰椎間盤減壓術(shù)；骨科用于腰椎間盤減壓術(shù)； 波長可調(diào)諧；波長可調(diào)諧； 光針、低功率激光照射，激光血液內(nèi)照射療法已光針、低功率激光照射，激光血液內(nèi)照射療法已 藍(lán)、綠光半導(dǎo)體激光器將簡化大型醫(yī)學(xué)和生物學(xué)藍(lán)、綠光半導(dǎo)體激光器將簡化大型醫(yī)學(xué)和生物學(xué) 的檢測設(shè)備。的檢測設(shè)備。 使用上半導(dǎo)體激光器。使用上半導(dǎo)體激光器。 半導(dǎo)體激光器可做泵浦源，還可做成激光流式細(xì)

16、胞半導(dǎo)體激光器可做泵浦源，還可做成激光流式細(xì)胞 儀器的體積，擴(kuò)展了儀器的應(yīng)用范圍。儀器的體積，擴(kuò)展了儀器的應(yīng)用范圍。 計(jì)、計(jì)、DNA測序儀、共聚焦掃描儀的光源，測序儀、共聚焦掃描儀的光源， 半導(dǎo)體激光器待研究的課題：波長的擴(kuò)展，特別是半導(dǎo)體激光器待研究的課題：波長的擴(kuò)展，特別是 短波長的發(fā)展；功率的提高。短波長的發(fā)展；功率的提高。 縮小了縮小了 三、三、激光器激光器 染料激光器染料激光器 第五節(jié)第五節(jié) 醫(yī)用激光器的導(dǎo)光系統(tǒng)醫(yī)用激光器的導(dǎo)光系統(tǒng) 系統(tǒng)需達(dá)到的技術(shù)要求：系統(tǒng)需達(dá)到的技術(shù)要求： 導(dǎo)光關(guān)節(jié)臂導(dǎo)光關(guān)節(jié)臂 激光導(dǎo)光系統(tǒng)激光導(dǎo)光系統(tǒng) 導(dǎo)光光學(xué)纖維導(dǎo)光光學(xué)纖維 （1）傳輸激光時(shí)保持激光的原有特

17、性，即保持）傳輸激光時(shí)保持激光的原有特性，即保持 激光的平行性和相干性；激光的平行性和相干性； （2）傳輸激光時(shí)激光功率損耗要盡量地??；）傳輸激光時(shí)激光功率損耗要盡量地小； （3）體積應(yīng)盡可能小，操作要靈活；）體積應(yīng)盡可能小，操作要靈活； （4）系統(tǒng)的輸出口處在任何位置時(shí)，輸出功率）系統(tǒng)的輸出口處在任何位置時(shí)，輸出功率 應(yīng)保持恒定；應(yīng)保持恒定； （5）能承受比較大的功率密度而不損壞；）能承受比較大的功率密度而不損壞； 一、光的全反射一、光的全反射 發(fā)生全反射的條件發(fā)生全反射的條件 光從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)；光從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)； 入射角等于或大于臨界角入射角等于或大于臨界角 光由光密介質(zhì)射

18、入光疏介質(zhì)時(shí)，折射角大于入光由光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時(shí)，折射角大于入 射角，隨著入射角增大，反射光線越來越強(qiáng)，折射射角，隨著入射角增大，反射光線越來越強(qiáng)，折射 光線越來越弱，當(dāng)折射角增大到光線越來越弱，當(dāng)折射角增大到9090時(shí)，折射光線時(shí)，折射光線 完全消失，只剩下反射光線，這種現(xiàn)象叫做全反射完全消失，只剩下反射光線，這種現(xiàn)象叫做全反射 折射角折射角2 為為90時(shí)，發(fā)生全反射現(xiàn)象時(shí)，發(fā)生全反射現(xiàn)象 1 3 介質(zhì) N N A O C 空氣 1 2 介質(zhì) N N A O B 空氣 3 C 13 光密介質(zhì)光密介質(zhì) N N A O C 光疏介質(zhì)光疏介質(zhì) 在研究全反射現(xiàn)象中，剛好發(fā)生全反射時(shí)的在研究全反射

19、現(xiàn)象中，剛好發(fā)生全反射時(shí)的 入射角，稱為臨界角入射角，稱為臨界角 當(dāng)光線從當(dāng)光線從光密介質(zhì)射入光密介質(zhì)射入 光疏介質(zhì)光疏介質(zhì)時(shí)，如果入射角等時(shí)，如果入射角等 于或大于臨界角，就發(fā)生全于或大于臨界角，就發(fā)生全 反射現(xiàn)象反射現(xiàn)象 1 臨界角臨界角 發(fā)生全反射現(xiàn)象發(fā)生全反射現(xiàn)象 二、激光導(dǎo)光光學(xué)纖維二、激光導(dǎo)光光學(xué)纖維 階躍光纖階躍光纖 梯度光纖梯度光纖 纖芯纖芯 光纖的組成光纖的組成 色層色層 保護(hù)層保護(hù)層 （折射率必須大于色層的）（折射率必須大于色層的） （導(dǎo)光纖維）（導(dǎo)光纖維）纖芯折射率均勻一致纖芯折射率均勻一致 纖芯與色層處折射率由高階躍變低。纖芯與色層處折射率由高階躍變低。 纖芯折射率自中

20、心向界面方向呈拋物線纖芯折射率自中心向界面方向呈拋物線 規(guī)律逐漸減小，到纖芯與色層的界面處規(guī)律逐漸減小，到纖芯與色層的界面處 處折射率一樣。處折射率一樣。 1 2 光纖的傳播方式光纖的傳播方式 光纖芯光纖芯 n1 包層包層 n2 1. 光纖的傳輸性能光纖的傳輸性能 三種石英光纖的性能比較三種石英光纖的性能比較 a. 石英包層光纖石英包層光纖b. PCS 軟硅酮包層光纖軟硅酮包層光纖 c. TECS 硬聚氟包層光纖硬聚氟包層光纖 nm2200250 UV波長范圍：波長范圍： 石英光纖、石英光纖、PCS、TECS NIR范圍：范圍： 石英光纖衰耗最低、石英光纖衰耗最低、 nm2100 TECS稍低

21、于稍低于 PCS 3. 彎曲性能彎曲性能 4. 強(qiáng)度強(qiáng)度 2. 光纖的數(shù)值孔徑光纖的數(shù)值孔徑 NA 2 2 2 1 nnNA 石英光纖石英光纖0.100.22、 PCS 0.40 、 TECS 0.390.84 石英光纖彎曲性能最低、石英光纖彎曲性能最低、PCS、TECS 動態(tài)疲勞和靜態(tài)疲勞動態(tài)疲勞和靜態(tài)疲勞 光纖纖徑越小彎曲性能越好光纖纖徑越小彎曲性能越好 三、激光導(dǎo)光關(guān)節(jié)臂三、激光導(dǎo)光關(guān)節(jié)臂 操作手柄操作手柄激光刀頭激光刀頭 內(nèi)裝聚焦透鏡內(nèi)裝聚焦透鏡 光關(guān)節(jié)臂轉(zhuǎn)動軸線與激光光關(guān)節(jié)臂轉(zhuǎn)動軸線與激光 管的光軸同軸管的光軸同軸 導(dǎo)光關(guān)節(jié)臂結(jié)構(gòu)示意圖導(dǎo)光關(guān)節(jié)臂結(jié)構(gòu)示意圖 反射鏡基座反射鏡基座 連接管連接管 軸承軸承 反射鏡反射鏡 激光刀頭激光刀頭 思思 考考 題題 一、選擇題：選擇題： 1. .B .A .C 一束激光從空氣入射到角膜組織時(shí)，發(fā)一束激光從空