激光的生物作用.docx

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1、激光的生物作用激光的生物学作用基础 目前认为激光生物学作用的生物物理学基础主要虽光效应、电磁场效应、热效应、压力与冲击波效应。 光效应 激光照射生物组织所引起的光效应中主要决定于组织对于不同波长激光的透过系数和吸收系数。不同的组织及组织中的不同物质对于不同波长的激光的透过系数和吸收系数是不同的，对组织的光效应大小由T与A的乘积决定。TA的积愈大，则此种激光对该组织的光效应也愈大，例如：用于视网膜凝固，波长为6943的红宝石激光作用于视网膜时，TA71，这个数值比较大，故光凝固效果好，但对视网膜乃是波长为5750的激光的T与A的乘积最大，即光效应最佳。 组织吸收了激光的量子之后可产生光化学反应、

2、光电效应、电子跃迁、继发其它波长的辐射、热能、自由基、细胞超微发光，可造成组织分解和电离，最终影响受照射组织的结构和功能，甚至导致损伤。 光化学反应在光效应中有重要的作用，普通光所引起的各种类型的光化学反应，激光也都可引起。 激光作用于活组织的光效应大小，除激光本身的各种性能外，组织的着色程度或称感光体的类型起着重要的作用，互补色或近互补色的作用效果最明显。不同颜色的皮肤，不同颜色的脏器或组织结构对激光的吸收可有显著差异。 在医疗和基础研究中，为增强激光对组织的光效应，可采用局部染色法，并充分利用互补色作用最佳这一特点。另一方面，也可利用此法限制和减少组织对激光的吸收。 热效应 激光的本质是电

3、磁波，若其传播的频率与组织分子等的振动频率相等或相近，就将增强其振动，这种分子振动即产生热的机理，故也称热振动。在一定的条件下作用于组织的激光能量多转变为热能，故热效应是激光对组织作用的重要因素。分子热运动波长主要表现在红外线波段附近，因此二氧化碳激光器输出的红外激光对组织的热作用甚强烈，一定类型和功率的激光照射生物组织时，在几毫秒内可产生2001000以上的高温，这是因为激光，特别是聚焦激光能够在微细的光束内集中极大的能量，例如：数十焦耳的红宝石激光或喜激光聚焦于组织微区，能在数毫秒内使该区产生数百度的高温，以致破坏该部位的蛋白质，造成烧伤或气化，而数十焦耳的普通光是根本无此作用的。此外，还

4、发现激光引起的升温，当停止照射后，其下降的速度比任何方式引起的升温下降速度慢，例如：数十焦耳红宝石或喜脉冲激光引起的升温要下降到原正常温度，约需数十分钟。 压强效应 当一束光辐射到某一物体时，在物体上产生辐射压力，激光比普通光的辐射压力强的多。若焦点处的能量密度为108瓦/平方厘米，其压力为40克/平方厘米；当激光束聚焦到0.2毫米以下的光点时，压力可达200克/平方厘米；用107瓦巨脉冲红宝石激光照射人体或动物的皮肤标本时，产生的压力实际测定为175.8公斤/平方厘米。 当激光束照射活组织时，由于单位面积上的压力很大，故活体组织表面的压力传入到组织内部，即组织上辐射的部分激光的能量变为机械压

5、缩波，出现压力梯度。如果激光束压力大到能使照射的组织表面粒子蒸发的程度，则喷出活组织粒子，并导致同喷出的粒子运动方向相反的机械脉冲波冲击波出现，这种冲击波可使活组织逐层喷出不同数量的粒子，最后形成圆锥形“火山口”状的空陷。 除上述由于强大的辐射压引起的反冲击压而形成的冲击波外，组织的热膨胀也可能产生冲击波。由于在短时间内温度急剧上升，瞬间释放出来的热来不及扩散，因而产生加速的体热膨胀，例如：用60焦耳的红宝石激光照射小鼠腹壁，在几毫秒内腹壁形成半圆形突起，此即被照射的皮下组织处产生了爆炸性的体热膨胀。 因体热膨胀而在组织内形成的压力以及反冲压，都可产生弹性波向其它部位传播，最初是形成超声波，逐

6、渐因减速而变为声波，进而变为亚声波形式的机械波，最后停止传播。 在组织的微腔液体层内，因超声波听传播同时可出现空穴现象，因空穴的积聚可造成明显的组织塌陷现象，有时又可产生数值较大的压缩冲击波，这一系列的反应均可造成损伤。 弹性波对组织的影响可远离受照射的部位，例如：用极微弱的红宝石激光照射人和动物的眼部时，在头皮层均可记录到声波和超声波。 在强激光束造成的极强的电场中，组织的电致伸缩现象也可产生冲击波和其它弹性波。 电磁场效应 在一般强度的激光作用下，电磁场效应不明显；只有当激光强度级大时，电磁场效应才较明显。将激光聚焦后，焦点上的光能量密度达106瓦/平方厘米时，相当于105伏/平方厘米的电

7、场强度。电磁场效应可引起或改变生物组织分子及原子的量子化运动，可使体内的原子、分子、分子集团等产生激励、振荡、热效应、电离，对生化反应有催化作用，生成自由基，破坏细胞，改变组织的电化学特性等；激光照射后究竟引起哪一种或哪几种反应，与其频率和剂量有重要的关系，例如：电场强度只有高到1010伏/厘米以上时，才能形成自由基。激光照射肿瘤时，只是直接照射一部分组织，但对全部肿瘤可有良好的作用，其中可能的作用机理之一，有人认为就是电磁场作用的结果 五、激光的治疗作用 激光的生物刺激和调节作用 激光与其它各种物理因子对组织器官直至机体的基本作用规律是相同的，即小剂量作用时具有刺激作用和调节作用。原则上不论

8、使用哪一种激光均符合这一概念。以氦激光为例介绍如下： 小功率的氦氖激光照射具有明显的生物刺激作用和调节作用。目前认为：小功率的氦氖激光照射的治疗作用基础不是温热效应，而是光的生物化学反应。 小功率的氦氖激光照射皮肤时，在光生物化学反应的基础上，可影响细胞膜的通透性，影响组织中一些酶的活性，如激化过氧化氢酶，进而可调节或增强代谢，可加强组织细胞中核糖核酸的合成和活性，加强蛋白质的合成；可使被照射的部位中糖原含量缯加；可使肝细胞线粒体合成三嵯佘眨TP）的功能增强。 小功率的氦氖激光照射具有消炎、镇痛、脱敏、止痒、收敛、消肿、促进肉芽生长、加速伤口、溃疡、烧伤的愈合等作用。 小功率的氦氖激光照射可使

9、成纤维细胞的数目增加，因而增加胶原的形成，可加快血管的新生和新生细胞的繁殖过程，基于其对代谢和组织修复过程的良好影响，可促进伤口愈合，加快再植皮瓣生长，促进断离神经再生，加速管状骨骨折愈合，促进毛发生长等。 小功率的氦氖激光照射不能直接杀灭细菌，但可加强机体的细胞和体液免疫机能，如可加强白细胞的吞噬功能，可使淌细胞增加或增强巨噬细胞的活性，可使球蛋白及补体滴度增加；此外，微生物检查发现：激光照射可改变伤口部葡萄球菌对抗菌素的敏感性。 小功率的氦氖激光照射可影响内分泌腺的功能，如加强甲状腺、肾上腺等的功能，因而可调节整个体内的代谢过程；此外，并可引起周围血液和凝血系列的改变，其基本规律是具有调节

10、作用。 小功率氦氖激光照射可改善全身状况，调节一些系统和器官的功能。用小功率的氦氖激光照射氏粘膜或皮肤溃疡面，神经节段部位，交感神经节、穴位等不同部位，与某些局部症状改善的同时，可出现全身症状的改善，如精神好转、全身乏力减轻、食欲增加、原血沉加快者于照后血沉减慢等。据报导：高血压患者经氦氖激光照射治疗后，不仅可使血压降低，一疗程照射后还可使血液的凝固性降低，使血清中总蛋白的含量升高，血浆及红细胞内钾的含量升高。此外，据动物实验：用1.5mw的氦氖激光照射兔或狗的皮肤，对全身代谢有刺激作用；用11.5mw的氦氖激光照射兔眼，可引起全身性的血液动力学变化。 小剂量氛氖激光多次照射过程中可有累积效应

11、，在临床工作中我们体会到：在激光照射的前两次往往不出现效果，而在三、四次照射后即可出现疗效，因此要呈现激光照射的疗效，需经过一定作用的累积过程。当然，也有一次照射后即出现疗效的情况，但这往往是局部症状的改善。 小功率的氛氖激光多次照射的生物学作用和治疗作用具有抛物线特性，即在照射剂量不变的条件下，机体的反应从第34天起逐渐增强，至第1017天达到最大的限度，此后，作用效果逐渐减弱，若继续照射下去，到一定的次数后可出现抑制作用。根据上述的基本规律，我们认为，小功率的氦氖激光照射同一部位的次数，在一般情况下不宜超过1215次，如需作第二疗程照射，则两疗程应有两周左右的间距。 对于小功率的氦氖激光的

12、生物学作用机理，有人用所提出的生物场的理论来解释，即机体的各项组织与器官之间除了神经控制和体液调节，还包含有复杂的能量关系，细胞和组织被生物场所包围，各种内外环境的不利因素可以破坏这种能量关系，导致病理过程的产生和发展。在1923的的实验研究发现：细胞丝状分裂期所辐射的极微弱的紫外线，可以刺激其它细胞的分裂，并认为这就是生物场存在的一个证明。西方学者的研究也证实了这一点 激光从蛋白质分子粗细的小孔穿过 美科学家这项成果在激光物理学领域具有里程碑意义 2009/9/2/9:26 据美国每日科学网站x月x日报道，美国加州大学伯克利分校制出世界最小半导体激光器，能使激光从一个蛋白质分子粗细的小孔中穿

13、过。相关论文x月x日在线发表在自然杂志网站上。该成果在激光物理学领域具有里程碑式的意义，将有可能开创光学研究的新时代。 加州大学伯克利分校纳米科学与工程中心主任张翔说：“该研究打破了传统意义上对激光极限的认识，在生物学、通信和计算机领域有着广泛的应用前景。” 据了解，在分子生物学上，纳米级的激光可用于对DNA分子进行探测和控制；在通信领域可大幅提高基于光传导的信息传送速度和带宽；在光学计算机领域对现有技术也有极大的促进作用。 在传统观点看来，包括激光在内的电磁波最细只能聚焦到其波长的一半。经过努力，科学家们找到了一种将电子和光子相互震荡并让其沿着金属表面传播的方法，才将激光压缩到几十纳米细，这

14、种沿着金属表面传播的电磁表面波就是表面等离子体。此后各国科学家开始竞相建造等离子体激光器，但由于金属内在电阻的干扰，表面等离子体在产生后极易衰减，研究人员不得不为此再制造磁场以汇聚光线。 张翔和他的研究小组破解了这个难题。他们用比头发丝还要细1000倍的硫化镉纳米丝在金属银的表面分隔出一个5纳米宽的缝隙。在这个结构中所产生的激光比其波长小20倍。由于光能主要集中在这个极为狭小的缝隙中，其在传播中损耗也被降到了最低。自发辐射率的增加程度是衡量该设备的一个重要指标，在这项研究中，研究人员在该设备5纳米的间隙中测量到了6倍的自发辐射率。 科学家利用激光将金属栅变成纳米点阵列 2009/9/1/8:4

15、2 金属纳米点(nanodot)的可应用在如催化、环境修复(environmental remediation)、DNA侦测与高密度数据存储等领域，其中某些应用需要周期性金属纳米点阵列，而目前主要制作方法包括以自组成为主的湿式化学处理与以光刻技术为主的纳米图案化技术。湿式化学处理有高产量的特性，但纳米微粒成份必须为水溶性或具生物兼容性。而电子束光刻术与聚焦离子束等光刻工具虽能得到的排列规则且大小相近的纳米点，产量却很低。 为解决这个问题，美国普林斯顿大学的研究人员发展出一个既新颖又简单的方法，来制作大面积的周期性金属纳米点阵列。该团队将此低成本、高产量的技术称为熔化诱发碎裂(melting i

16、nduced fragmentation, MIF)。 首先，研究人员利用纳米压印光刻技术(nanoimprint lithography, NIL)在基板上制作出金纳米栅图案，接着以单发激光脉冲熔化纳米栅，在线状液体的雷利不稳定性(Rayleigh instability)作用下，纳米栅图案会碎裂并形成周期排列的圆型金属纳米点阵列。 用激光将金属栅变成纳米点阵列 为了进一步改善纳米点的周期性，在进行金属栅光刻术前，研究人员改用事先图案化的基板，以加强控制稍后因熔化而产生的碎裂过程。基板上预制的浅沟槽与金属栅的走向垂直，有助于熔化的金属顺利流入沟槽与栅的交点，以降低系统能量。因此纳米点在原纳米

17、栅方向上的周期，不再取决于天然的MIF作用，而是由基板上浅沟槽的周期所主宰，这使纳米点阵列的周期性变得更规律。 上述方法承袭了一般NIL技术的低成本、高产量特点。此外，宽度仅20 ns的激光脉冲对基板造成的热效可以被忽略，因此MIF技术可以应用在更多基板材料上，包括塑料。这个简单的制造方法可以推广至其它材料，也能广泛地应用在各种领域如磁学、等离子学、表面增强型拉曼散射与其它光电组件。详见Nanotechnology 20, p.285310 (2009)。 英文链接: http:/nanotechweb.org/cws/article/tech/39824 激光与物质相互作用国家重点实验室计划

18、会议西安召开 2009/8/12/10:5来源：科技部 XX年x月x日，科学技术部基础研究司在西安组织召开了激光与物质相互作用国家重点实验室建设计划可行性专家论证会议。总装备部司令部、西北核技术研究所、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、科技部基础司等单位的相关领导与专家出席会议。论证专家组由国内相关领域知名专家组成。 专家组听取了实验室的建设计划报告，对实验室进行了详细考察，并仔细听取了实验室主管部门、依托单位、实验室负责人对实验室相关情况的介绍。专家组认为激光与物质相互作用国家重点实验室具有良好的建设基础和科研积累。实验室建设目标明确，措施可行；研究方向设置合理，重点明确；重视体制机制

19、的改革和人才队伍建设；主管部门与依托单位积极支持实验室的建设。专家组经过认真讨论，一致同意激光与物质相互作用国家重点实验室通过论证，并就实验室的实际情况提出了相关建议。 依托国防科研机构建设国家重点实验室，围绕国家重大战略需求开展基础研究和应用基础研究，对促进我国创新能力的持续提高，引领未来科学和技术的发展具有重要意义。 激光快速成型农机制造中应用 2009/8/6/16:32来源：中国激光网 快速成型技术就是直接根据CAD模型快速生产样件或零件的技术总称。它集成了CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果，是先进制造技术的重要组成部分。它能根据CAD模型(电子模型)自动、直接、快

20、速、精确地将设计思想物化为具有一定功能的原型或直接制造零件，在不用模具和工具的条件下生成几乎任意复杂的零部件，解决了从设计到制造的快速对接问题。因此，该技术可以对产品设计进行快速评价及修改，有效地缩短了产品的研发周期，降低了开发成本，满足了当今竞争口益激烈的市场对新产品快速开发和快速制造的要求，提高了产品的市场竞争力和企业的综合竞争能力。 激光选区烧结是快速成型制造中的重要工艺方法之一。该技术采用逐层材料添加的原理，对三维实体模型进行切片分区处理，生成激光烧结的扫描路径；然后，通过x-Y激光扫捕仪使激光束沿扫描路径扫描，逐层烧结同化同体粉末材料(如塑料粉、尼龙粉、蜡、陶瓷或)、金属与粘结剂的混

21、合粉或金属粉等，经过烧结与层层叠加后，最终形成所需的三维工件。这种制造方法具有成型速度快、精度高、表面质量好、后置处理简单和省时等特点，是一个具有生命力的技术，为制造技术的发展创造了一种新方法。 农业机械生产过程具有特殊性。零件多具有较复杂的形状，如耕地机械、整地机械和收获机械等。此外，复杂曲面较多，如犁体曲面、旋耕机旋刀、水泵叶轮和送料螺旋等，而且根据具体的生产情况不同，其形状还需相应调整。因此，利用传统的机械加工方法研制这种农业机械零件，不仅研制开发时间长，加工工艺复杂，而且很难达到理想的效果。运用先进的激光快速成型集成技术，不仅大大缩短新产品的开发周期，降低开发成本，而且制造质量也优于传

22、统制造方法。 直接发光绿色氮化铟镓(InGaN)激光试验成功 2009/8/19/10:53 欧司朗光电半导体成功研发直接发光绿色氮化铟镓(InGaN) 激光，标志着实验室研究取得重大突破。该款激光的光输出高达 50 mW，发射波长为 515 nm 的真绿光线。与目前采用倍频技术的半导体激光相比，直接发光绿色激光器体积更小，温度稳定性更高，调制能力更强，更易于控制。 欧司朗光电半导体已成功突破氮化铟镓 (InGaN) 材料系统以往的局限性。在预开发阶段，欧司朗光电半导体即已采用氮化铟镓 (InGaN) 材料成功生产出首款光输出较高的直接发光绿色激光二极管。该款二极管可发射“真绿”光线，光谱范围

23、介于 515 至 535 nm 之间。在这个光谱范围内，目前市售的优质高效半导体激光器仅限于倍频版本。然而，从中期来看，直接发光绿色激光器可在众多应用中取代倍频激光器，因为相比之下，直接发光绿色激光器更易于控制，温度稳定性更高，体积更小，而且在数百兆赫时调制能力更强。 该款激光器的初步性能数据已非常振奋人心。在脉冲模式下，实验室原型在室温下的光输出已达到 50 mW，阀值电流密度约为 9 kA/cm。欧司朗光电半导体技术总监 Christian Fricke 博士表示：“这台演示器足以证明，可以使用氮化铟镓 (InGaN) 生产绿色激光器。因此，我们将着手开始生产具有成本效益的紧凑型高品质绿色

24、激光光源。”绿色激光器广泛应用于医疗和工业领域，也可用作移动迷你投影机的光源。采用直接发光绿色激光器，可使这类投影机的体积更小、性能更佳。目前，欧司朗光电半导体已推出商用蓝色氮化铟镓 (InGaN) 激光二极管。 由德国教育与研究部 (German Ministry for Education and Research) 资助的 MOLAS 研究项目，正全力开发应用于超紧凑型移动激光投影系统的技术。激光投影机拥有强大的优势，可始终呈现清晰、真彩、高对比度的图像，而不受投影距离和投影表面的影响。这些巨大优势有朝一日必将惠及手机和相机用户。作为该项目的参与者，欧司朗正着力开发适用于移动投影系统的基

25、于氮化铟镓 (InGaN) 材料系统的高效激光光源。首款直接发光绿色激光器的研制成功，标志着欧司朗已实现重大的初期目标。 图片来源：欧司朗 实验室可靠数据证明：凭借新研发的直接发光绿色激光，欧司朗光电半导体在移动激光投影领域开创了一个重要的新里程碑。 文献资料 - 医学书籍 - 理疗学 第五节 激光疗法 一、概述 激光即由受激辐射的光放大而产生的光，又称莱塞。 激光技术的成功被认为是本世纪最重大的四项科学成果之一。 早在XX年美国物理学家朗斯首先发现氨分子在振动过程中释放出频率为24,000MHz的电磁波，其波长为1.25cm，位于微波波段。因此，人们断定氨分子的能级之间的能量相差相当于一个波

26、长为1.25cm的光子，或低能级的氨分子吸收了一个1.25cm的波长的光子后被激发到高能级上去。XX年美国物理学家汤斯设法将处于高能级的氨分子分离出来，然后用相应能量的微波光子激励它们，射入的是很少的几个微波光子，射出的却是大批的同样的光子，射出的微波束被放大了许多倍。这就是激光受激辐射的原理。XX年美国物理学家梅曼用这个原理制成了第一台红宝石激光器。同年伊朗籍物理学家贾范(Javan)相继制成了氦氖激光器。 激光刚一出现，它的发展前景就引起人们的强烈兴趣，不久就相继出现了数百种能发射不同波长的相干光的激光器。XX年美国卡斯珀制成了第一台化学激光器。XX年兰卡德等人首先制成了有机染料激光器，到

27、目前为止，全世界已生产了几千种类型的激光器，并研制成了高压气体激光器、气动激光器、高功率化学激光器、准分子激光器，自由电子激光器和X线激光器等新品种。目前激光器输出功率最大可达1013W，最小为mw。 激光问世后，很快受到医学和生物学界的极大重视。XX年扎雷特(Zaret)，以后坎贝尔等人相继用激光研究视网膜剥离焊接术，并很快被用于临床。目前激光在临床上除气化、凝固、烧灼、光刀、焊接、照射等治疗应用外，在诊断和基础理论研究方面出现了许多新技术，如激光荧光显微检查，激光微束照射单细胞显微检查技术，激光显微光谱分析，生物全息摄影及细胞或分子水平的激光检测和微光手术等充分显示激光一系列独特性能。激光

28、配合导光纤维的应用对各种体腔内肿瘤及其他疾患的诊治，以及结合各种内窥镜进行激光光敏疗法诊治腔内肿瘤新技术提供有利手段。目前已研究利用激光治疗心脏疾病和血管内斑块栓塞，包括冠状动脉粥样硬化阻塞后的激光血管再通已获初步成功。 基于医用激光的迅速发展，在激光生物医学领域中形成了一些专门学科，如激光分子生物学，激光细胞学，激光人体生理学，激光诊断学，激光治疗学，医用激光工艺学，激光防护学，分子生物激光工程学等。在诊治方面，激光已用于每一临床学科，最近据有人预测到本世纪末，应用激光技术诊治疾病的新方法将超过传统的诊治方法，激光技术将引起内外科治疗的一场“革命”。预计在本世纪末的五至十年内，激光技术将广泛

29、应用于发现和治疗癌瘤，进行咽喉外科手术以及缝合血管、神经、肌腱和皮肤，治疗动脉硬化斑、血管栓塞和内科、皮肤科等的许多疾病。 二、激光产生的原理 白炽灯、日光灯、高压脉冲氙灯、激光灯的发光现象，都是光源系统中原子内部能量变化的结果。原子的能级结构是发光现象的物质基础，激光的产生，不外乎通过以下几个过程和步骤： 激发 一般原子系统中，绝大多数的原子不是处于低能级的基态，而是处于高能级的激发状态的原子数目，相比之下是非常少的。例如：在室温的情况下，红宝石晶体中处于基态的铬离子数目为激发态的1030倍，因此，红宝石铬离子基本上是处于基态的。如果要使这些处于基态的粒子产生辐射作用，首先必须把这些基态上的

30、粒子激发到高能级去，从低能级到高级去的这一过程称为激发或抽运。这个吸收能量的过程，称做光的受激吸收。激发的方法很多，主要是给基态粒子外加一定能量，例如光照、电子碰撞、分解或化合以及加热等。基态粒子吸收能量后即被激发，例如红宝石激发器就是脉冲氙灯照射的方法施加光能,使铬离子从基态激发到高能级的激发态上。又如氦氖激光器通过电子与氦原子碰撞，使氦原子获得能量。氦原子通过碰撞又将能量传给氖原子，氖原子获得能量后从基态激发到高能级去。化学激发器是用分解或化合的方法作为激发能源。 图4-26-4 激光 由于原子内部结构的不同，在相同的外界条件下，原子从基态被激发到各个高能级去的可能性是不一致的。通常把原子

31、从基态激发到某一能级上去的可能性，叫做该能级的“激发机率”。各能级的激发机率是不同的，有的很大，有的很小，这种机率取决于物质自身的性质。 辐射 原子总是力图使自己的能量状态处于基态上，被激发到高能级后的粒子，力图回到基态上去，与此同时放出激发时所吸收的能量。基态是粒子能量最平衡最稳定的状态，从高级回到低能级去的过程称为跃迁，跃迁时释放的能量即辐射。跃迁的形式有以下几种： 1. 自发跃迁 不受外界能量的影响，只是由于原子内部运动规律所导致的跃迁称为自发跃迁。这种跃迁释放能量的形式又有两种：一种是变为热运动释放能量，叫做无辐射跃迁；另一种是以光的形式将能量辐射出来，叫做自发辐射跃迁。自发辐射出来的

32、光频率，由发生跃迁的两能级间之能量差所决定。 图4-265 自发辐射 普通光源如白炽灯、日光灯、高压水银灯、氙灯等都是通过自发跃迁辐射产生光，这种光是非相干光。 2. 受激跃迁 由于入射光子的感应或激励，导致激发原子从高能级跃迁到低能级去，这个过程称为受激跃迁或感应跃迁。这种跃迁辐射叫做“受激辐射”。受激辐射出来的光子与入射光子有着同样的特征，如频率、相位、振辐以及传播方向等完全一样。这种相同性就决定了受激辐射光的相干性。入射一个光子引起一个激发原子受激跃迁，在跃迁过程中，辐射出两个同样的光子，这两个同样的光子又去激励其它激发原子发生受激跃迁，因而又获得4个同样的光子。如此反应下去，在很短的时

33、间内，辐射出来大量同模样、同性能的光子，这个过程称为“雪崩”。雪崩就是受激辐射光的放大过程。受激辐射光是相干光，相干光有叠加效应，因此合成光的振幅加大，表现为光的高亮度性。 图4-266 受激辐射 激发寿命与跃迁机率取决于物质种类的不同。处于基态的原子可以长期的存在下去，但原子激发到高能级的激发态上去以后，它会很快地并且自发地跃迁回到低能级去。在高能级上滞留的平均时间，称为原子在该能级上的“平均寿命”，通常以符号“”表示。一般说，原子处于激发态的时间是非常短的，约为108秒。 激发系统在1秒内跃迁回基态的原子数目称为“跃迁机率”，通常以“A”表示。大多数同种原子的平均跃迁机率都有固定的数值。跃

34、迁率A与平均寿命的关系： A1/ 由于原子内部结构的特殊性，决定了各能级的平均寿命长短不等。例如红宝石中的铬离子E3的寿命非常短，只有109秒，而E2的寿命比较长，约为数秒。寿命较长的能级称为“亚稳态”。具有亚稳态原子、离子或分子的物质，是产生激光的工作物质，因亚稳态能更好地为粒子数反转创造条件。 粒子数反转和激光的形成 当光子通过某一介质时，它可能被原子所吸收，从而使原子从低能级激发到高能级去，这个过程称为“共振吸收”或称光的受激吸收。另外，入射光也能引起处于高能级的原子发生受激辐射。 在一般情况下，处于低能级的原子数目远远超过处于高能级的原子数目。要想得到受激辐射，就必须先使原子激发到高能

35、级去。人为地施加一定能量，使高能级上具有较多的粒子数分布，这种状态称为“粒子数反转”。产生粒子数反转的物质就称为活性物质。如何实现粒子数反转，下面以红宝石激光器为例加以说明。 红宝石激光器的激发是通过氙灯输送能量。E1、E2、E3是铬离子相对应的三个能级，使铬离子从基态E1激发到共振吸收带E3上去，形成了E3对E2粒子数反转）。但是由于E3的寿命很短，因此铬离子的能级就很快地并且以无辐射跃迁的形式落入E2中，同时放出热能。E2是寿命较长的亚稳态，跃迁机率较小，因此E2就积聚了大量的铬离子。当氙灯光足够时，则E2上的粒子数就大为增加，此时E2对E1来说就出现了粒子数反转）。若用E2与E1间跃迁相

36、对应频率/h的光子引发时，上述活性系统就可产生E2对E1的受激辐射。受激辐射可以使光放大，这种放大是由于该系统受激发时从外部吸收的能量和引发的能量一举放出的结果，如图4-26-8所示。 图4-26-7 粒子数反转 处于粒子数反转状态的活性系统，可以产生“雪崩”。雪崩过程可以使光再次放大。该过程的继续进行，必须通过一定的装置，这种装置就是光学共振腔。从共振腔中持续发出来的、特征完全相同的大量光子就是激光。 光学共振腔 激光所以具有良好的单色性、方向性以及较高的亮度，主要是取决于光学共振腔的作用。于工作物质的两端加上两快相互平行的反光镜，其中一块是全反射镜，另一块是半反射镜，这就是光学共振腔的主要

37、结构。 在光学共振腔中的活性物质，受到外加能量的激励而产生的光子可以射向各个方向，但其中传播方向与反射镜垂直者，则在介质中来回反射振荡。在反射振荡的过程中，引发介质中其它活性物质点受激辐射，因此这种辐射的强度越来越大。由于受激辐射反复振荡产生的大量光子都具有相同的特征和一致的传播方向，因此决定了激光具有良好的单色性和准直的定向性。又由于光子来回不断地进行振荡，辐射强度借以得到极度的增大，因此又保证了激光的高度性。激光在光学共振腔中形成的过程如图4-26-10所示。 图4-26-8 光的吸收与放大 图4-26-9 光学共振腔示意图 三、激光的物理特性 应着重指出，激光本质上和普遍光线没有什么区别

38、，它也可受光的反射、折射、吸收、透射等物理规律的制约。但是由于激光的产生形式不同于一般光线，故它具有一些特点。 激光的高亮度性 一般规律认为，光源在单位面积上向某一方向的单位立体角内发射的功率，就称为光源在该方向上的亮度。激光在亮度上的提高主要是靠光线在发射方向上的高度集中。激光的发射角极小，它几乎是高度平等准直的光束，能实现定向集中发射。因此，激光有高亮度性。 另外，激光的亮度也取决于它的相干性。相干性是一切波动现象的属性。光有波动性，因此也有相干性。 一般光源发射出来的光是非相干光，它是波长不等、杂乱无序的混合光束。由于非相干光的波长、相位、振幅极不一致。因此它们的合成波也是一条杂乱无章、

39、毫无规律的曲线，从中不易找出它的周期性来。普通光源如日光、灯光等所辐射的就是这非相干光线。 图4-26-1 非相干辐射 发光系统中，处于激发状态的原子受相应的外界能量激励时，它就从高能级跃迁到低能级，同时释放出一个光子，这个被释放的光子和入射的光子是完全一样的。它们两者的波长、传播方向、振辐及相位都完全一样。这样的辐射波具有相干性，它们的谱线很窄。 根据波的迭加原理，如果两列波同时作用于某一点上，则该点的振动等于每列波单独作用时所起的振动代数和。因此，相干光的合成波就是迭加效应的结果。合成波的相位、波长、传播方向皆不改变，只是振幅急剧地增加了。因此，通过迭加后的光色不变，只光的强度极大地增加了

40、。激光所以有高亮度的特点也是由于相干光迭加效应的结果。激光的亮度可以比太阳表面亮高1010倍。 一束激光经过聚焦后，由于其高亮度性的特点，能产生强烈的热效应，其焦点范围内的温度可达数千度或数万度，能熔化甚至于气化对激光有吸收能力的生物组织或非生物材料。如工业上精密器件的焊接、灯孔、切割；医学上切割组织、气化表浅肿瘤以及显微光谱分析等这些新技术都是利用激光的高亮度性所产生的高温效应。 激光功率密度的单位为mw/cm2或W/cm2，能量密度为焦尔/厘米2。 激光的高单色性 一般理疗上常用光源，有热光源和气体放电发光光源。这类光源的发光物质比较复杂，以自发辐射形式产生光子，发出的光线很不纯，它们的谱

41、线范围是连线的或是带状的光谱。 图4-26-2 相干辐射 一般“单色光”被分光镜分解后，它也不是连续的色带，而是一条条独立的、并且具有特定位置的亮光，通常称这为谱线。临床上所谓的单色光也并非是单一波长的光，而是有一定波长的谱线。波长范围越小，谱线宽度越窄，其单色性也越好。因此，谱线的宽度是衡量光线单色性好坏的标志。 激光是物质中原子受激辐射产生的光子流，它依靠发光物质内部的规律性，使光能在光谱上高度地集中起来。在激光的发光形式中，可以得到单一能级间所产生的辐射能，因此，这种光是同波长的单色光。光谱高度集中时，其纯度甚至接近单一波长的光线，例如氦氖激光就是6328的单色红光。 激光的高度定向性

42、激光的散射角非常小，通常以毫弧计算。例如红宝石激光的散射角是0.18，氦氖激光只有1毫弧度。因此，激光几乎是平等准直的光束，在其传播的进程中有高度的定向性。手电筒照明时，由于光的散射角大，远达数十米后，光散开并形成大而暗淡的光盘。激光由于散射角小，可以准直地射向远距离目的物。XX年，将激光发射向月球，经过40多万公里的进程后，其散开的光斑的直径也不过只有两公里多。利用激光的准直性进行测距，从地球到月球之间的误差不超过1.5m。 由于激光的单色性和方向性好，通过透镜可以把光束集中到非常小的面积上，焦点的直径甚至可以接近激光本身的波长，这是普通光源所不及的。因为从普通光源中发射出来的光束向各个方向

43、传播，它们是互不平行的光，所以通过透镜只能看到某种尺寸的物相）。另外，从普通光源中发射出来的光含有很多波长不等的光成份，当通过透镜时，由于不同波长光的折射率不同，所以不同波长光的焦点不在一个平面上）。只有激光才能辐射出几乎是平行的光束，并且波长一致，因此可以聚焦成为很小的光点）。聚焦激光光束的能量密度可以达到很高的程度，这种特点是临床外科和细胞外科使用光刀的决定条件。 图4-263 普通光与激光聚焦效果的不同 互为不平行的光束，不能集中到一点上 互为不同波长光束，不能集中到一点上 严格平行的等波长光束，能集中到一点上 光点的直径是由透镜的焦距和光束的发散角所决定，如果我们知道焦距的发散角的数值

44、，就可以用下列公式计算光点的直径大小。 df 上式中，f为透镜的焦距，d为光点的直径，为光束的发射角。例如，选择焦距为5cm的透镜，光束发散角为104弧度，求光点直径。 根据上述公式从理论上推算： d0.051045 实际，常常由于激光器的质量不好，影响到光点的高度集中，达不到理论上的效果。 四、激光的生物学作用基础 目前认为激光生物学作用的生物物理学基础主要虽光效应、电磁场效应、热效应、压力与冲击波效应。 光效应 激光照射生物组织所引起的光效应中主要决定于组织对于不同波长激光的透过系数和吸收系数。不同的组织及组织中的不同物质对于不同波长的激光的透过系数和吸收系数是不同的，对组织的光效应大小由

45、T与A的乘积决定。TA的积愈大，则此种激光对该组织的光效应也愈大，例如：用于视网膜凝固，波长为6943的红宝石激光作用于视网膜时，TA71，这个数值比较大，故光凝固效果好，但对视网膜乃是波长为5750的激光的T与A的乘积最大，即光效应最佳。 组织吸收了激光的量子之后可产生光化学反应、光电效应、电子跃迁、继发其它波长的辐射、热能、自由基、细胞超微发光，可造成组织分解和电离，最终影响受照射组织的结构和功能，甚至导致损伤。 光化学反应在光效应中有重要的作用，普通光所引起的各种类型的光化学反应，激光也都可引起。 激光作用于活组织的光效应大小，除激光本身的各种性能外，组织的着色程度或称感光体的类型起着重

46、要的作用，互补色或近互补色的作用效果最明显。不同颜色的皮肤，不同颜色的脏器或组织结构对激光的吸收可有显著差异。 在医疗和基础研究中，为增强激光对组织的光效应，可采用局部染色法，并充分利用互补色作用最佳这一特点。另一方面，也可利用此法限制和减少组织对激光的吸收。 热效应 激光的本质是电磁波，若其传播的频率与组织分子等的振动频率相等或相近，就将增强其振动，这种分子振动即产生热的机理，故也称热振动。在一定的条件下作用于组织的激光能量多转变为热能，故热效应是激光对组织作用的重要因素。分子热运动波长主要表现在红外线波段附近，因此二氧化碳激光器输出的红外激光对组织的热作用甚强烈，一定类型和功率的激光照射生

47、物组织时，在几毫秒内可产生2001000以上的高温，这是因为激光，特别是聚焦激光能够在微细的光束内集中极大的能量，例如：数十焦耳的红宝石激光或钕玻璃激光聚焦于组织微区，能在数毫秒内使该区产生数百度的高温，以致破坏该部位的蛋白质，造成烧伤或气化，而数十焦耳的普通光是根本无此作用的。此外，还发现激光引起的升温，当停止照射后，其下降的速度比任何方式引起的升温下降速度慢，例如：数十焦耳红宝石或钕玻璃脉冲激光引起的升温要下降到原正常温度，约需数十分钟。 压强效应 当一束光辐射到某一物体时，在物体上产生辐射压力，激光比普通光的辐射压力强的多。若焦点处的能量密度为108瓦/平方厘米，其压力为40克/平方厘米；当激光束聚焦到0.2毫米以下的光点时，压力可达200克/平方厘米；用107瓦巨脉冲红宝石激光照射人体或动物的皮肤标本时，产生的压力实际测定为175.8公斤/平方厘米。 当激光束照射活组织时，由于单位面积上的压力很大，故活体组织表面的压力传入到组