7/7光與激光的特性第一章光與激光的特性

一、光的基本特性

1、光在真空中的傳播速度是：__________，但在媒質(zhì)中，其速度為________，其中n是媒質(zhì)的折射率（僅取決于媒質(zhì)

的物質(zhì)構(gòu)成和光的顏色）。

2、光具有波粒二象性。光是橫波。

3、光被吸收時，它的能量一般轉(zhuǎn)化為熱——紅外加熱。

——有些物質(zhì)在紫外作用下可發(fā)出熒光，熒光的強弱和顏色取決于紫外光的波長和熒光物質(zhì)的化學(xué)成分。

4、光在所有物質(zhì)的表面或多或少有反射。

——反射：漫反射（光在粗糙表面向四面八方的散射）；鏡面反射。

5、光在通過介質(zhì)時，若介質(zhì)具有光學(xué)不均勻的結(jié)構(gòu)（介質(zhì)的各向異性；局部的密度與平均密度的統(tǒng)計偏離造成的密度

起伏），就會發(fā)生散射。

——瑞利散射：散射光波長與入射光波長相同的散射。

——喇曼散射：散射光波長與入射光波長不同的散射，形成雙散射譜線

——布里淵散射：散射光波長與入射光波長不同的散射，形成雙散射譜線

二、激光的產(chǎn)生與特性

1、普通光源發(fā)光特點

1)普通光源中處于激發(fā)態(tài)的原子數(shù)總是少于基態(tài)的原子數(shù)，而且受激原子的總數(shù)也有限，所以只能發(fā)出低強度的光；

2)自發(fā)輻射光子的方向是雜亂地隨機(jī)分布，因此所發(fā)出光線的方向性很差；

3)普通光源發(fā)光，有可能從不同的高能級原子向不同的低能級躍遷，因此產(chǎn)生光子的頻率便會有多種不同，導(dǎo)致其

輻射的光是廣譜的。

2、激光產(chǎn)生的條件

1)形成受激輻射：受激輻射所發(fā)射出的光子等于入射光子的兩倍，使光子數(shù)量增多，能量增大；

2)實現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)：前提是有合適的具有亞穩(wěn)態(tài)的工作物質(zhì)，有強大的激勵能源。

——激勵能源將物質(zhì)中低能級的粒子抽運到高能級上，處于激發(fā)態(tài)的粒子不穩(wěn)定，但由于物質(zhì)具有亞穩(wěn)態(tài)，故粒子會再躍遷到亞穩(wěn)態(tài)上，亞穩(wěn)態(tài)的壽命相對較長，從而使該物質(zhì)中處于高能級的粒子數(shù)可能會多于低能級的粒子數(shù)，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。

——光激勵，電激勵（用于氣體激光器，通過AC,DC等）

3)光學(xué)諧振腔：能不斷地從電源獲取能量以補充被物質(zhì)所吸收的光能量，并進(jìn)行光的放大；只對某一方向傳播的光

才起放大作用。

——由兩塊嚴(yán)格相互平行的光學(xué)反射鏡組成（法布里-珀羅裝置），一塊是反射鏡，反射率99%以上，一塊部分反射鏡，小部分投射，大部分反射。

——原理：工作物質(zhì)置于中間，沿鏡面共法線方向往返的光，被鏡面反射后可以多次通過工作物質(zhì)，逐次放大、增強，使光子數(shù)量獲得雪崩式的增加。而和軸線不平行的光就從側(cè)面逃逸了。因此，當(dāng)這種光波增強到足以抵擋諧振腔內(nèi)各種損耗時，就可以在諧振腔內(nèi)形成持續(xù)的震蕩。這時，從部分反射鏡透射出來的那部分振蕩光就形成了激光。

——最終在端面上出射的激光便具有相同的位相、傳播方向、偏振頻率。

總結(jié)：工作物質(zhì)，激勵源，諧振腔是產(chǎn)生激光最基本的三個條件。

3、激光的特性

1）單色性好

——譜線寬度是衡量光源單色性好壞的標(biāo)志。

——單色性最好的是氪（Kr）燈.

——激光單色性好的原因：

激光是受激輻射光的放大，只有頻率滿足一定的能級躍遷的光才能得到放大，即受到熒光譜線寬度的限制；

受到激光器選頻作用的限制：由于在某一條熒光譜線之內(nèi)不是全部頻率都能起振的，只有那些落在熒光譜線之內(nèi)的共振頻率（即不同的縱?；蝰v波）才能起振，而每個共振頻率的振蕩譜線寬度比熒光譜線寬度要窄得多。

——脈沖寬度和激光線寬成反比關(guān)系：

2）方向性好

——激光的發(fā)光面積僅限于0.2cm^2，并且局限在很小的發(fā)散角內(nèi)發(fā)光。

——工業(yè)上用于準(zhǔn)直測量與指示；醫(yī)用激光刀

3）高亮度

——10^14-17W/（cm^2*Sr）

——激光亮度高是因為方向性好

——激光亮度（每球面度的功率，W/sr），光束的強度可用透鏡增大，但亮度不會。在使用焦點透鏡對激光聚焦的時候，可使輸出光束的強度大于輸入光束強度，然而輸出光束的發(fā)散度也因此而大于輸入光束的發(fā)散度，因此亮度保持不變

——亮度才是反映激光本身特性指標(biāo)的參數(shù)。

4）相干性（振動方向、頻率相同，恒定相位差）好

——分為空間（橫向）相干性和時間（縱向）相干性

——空間相干性：同一時間內(nèi)發(fā)光面上不同兩點輻射的相干性。相干面積越大空間相干性越好；

——時間相干性：光源中統(tǒng)一輻射元在不同時間輻射出的光束之間的相干性。

——光源的單色性越好，譜線寬度越窄，相干時間越長。

——激光的譜線寬度與激光在其共振腔內(nèi)沿軸方向形成的每一種穩(wěn)定駐波形式的光振蕩方式（即縱模）有關(guān)，對于多模振蕩的激光器，單色性取決于縱模數(shù)，所以激光的時間相干性與縱模有關(guān)。

——單色性好，發(fā)散角窄，時間空間相干性好

——時間相干性歸納為單色性，激光全息術(shù)測定牙的材料性質(zhì)和應(yīng)變，骨的應(yīng)力等。

5）激光的偏振性

——所有激光都是偏振光

——激光工作物質(zhì)本身會導(dǎo)致電矢量在某一方向上有優(yōu)先取向。多數(shù)固體工作物質(zhì)在略高于閾值水平工作時，其輻射幾乎只在一個平面振動；許多氣體激光器都以布儒斯特窗作為輸出窗以減少某一振動面的損失?！す飧叨绕矫嫫瘛?/p>

第二章激光器的種類和激光的特性參數(shù)與測量

一、激光器的分類

1、按發(fā)光粒子分：原子，粒子，分子，自由電子

3、按工作方式分類：

1）連續(xù)激光器：對工作物質(zhì)連續(xù)激勵從而能長時間連續(xù)產(chǎn)生激光輻射

2）脈沖激光器：較短時間內(nèi)施加較強激勵，使激光工作物質(zhì)獲得較大程度的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，然后在萬分之幾秒至億分之幾秒內(nèi)輸出一個較強的激光脈沖。

——單脈沖激光器，重復(fù)脈沖激光器

——激光打孔，臨床視網(wǎng)膜凝結(jié)，虹膜切除。

3）巨脈沖激光器：提高激光輸出功率，一億份之幾秒至十億分之一秒內(nèi)釋放

總結(jié)：

1）氦氖激光器（方向性，單色性，相干性最好）最早用，檢測，止血，針灸。糖尿病末期眼角膜出血，小腿潰瘍，用此治療。

2）二氧化碳去痣

3）Ar離子檢測分析，喇曼

4）氮氣光剪

三、激光的參數(shù)與測量

1、能量

測量能量的方法按激光束在接受元件上所產(chǎn)生的物理效應(yīng)分類：

1）光熱法：基于光的熱效應(yīng)，測量吸收體吸收光輻射后發(fā)生的溫度變化。

——吸收體+熱電轉(zhuǎn)換元件（前二者為探頭）+顯示器

——吸收體：反射率低，對各種波長的光輻射有廣譜吸收的材料，結(jié)構(gòu)特殊以最大吸收激光能量

——優(yōu)點：靈敏度高（0.1μJ），測量范圍大（1mW-5kW），重復(fù)性好。

——缺點：兩次測量之間必須使吸收體恢復(fù)到環(huán)境溫度，因此測量時間間隔大

2）光電法：根據(jù)光電效應(yīng)中光能與物質(zhì)產(chǎn)生的電流成正比

——光電管，半導(dǎo)體光電元件兩類

——對光的響應(yīng)時間快（10^-9s），恢復(fù)快，對波長有限制，量子效率不高有疲勞效應(yīng)。

3）光壓法

2、功率/光強度（光輻射通量密度）

1）光強就是光波的波印廷矢量的平均值：

例題：假定一輸出功率為1.0mW的氦氖激光器其輸出光束直徑為2mm，且該光束的發(fā)散度可以忽略，求該光束的光能量密度，光強度和光波電場強度。

3、脈寬與波形

1）用示波器測量脈寬，同時給出了輸出的波形

2）Q開關(guān)激光脈寬的測量用光電倍增管或發(fā)光二極管作為轉(zhuǎn)換元件，精度達(dá)10^-9s

3）對脈寬為Ps（皮秒，10^-12s）的鎖模激光脈沖持續(xù)時間的測量用條紋照相機(jī)

4、波長或光譜

1）測量可見光波長用光譜比較法

2）法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具，光學(xué)多道分析儀

5、方向性

1）打靶法，套孔法，光楔法，圓環(huán)法

6、激光輸出模式

1）縱模：輸出波長的單色性問題，為光譜的測量；橫模：激光輸出能量的空間分布

2）直接觀察法：

3）掃描法，顯色硅膠紅外激光顯示屏

第三章：光與生物組織的相互作用

一、光與生物組織和材料的相互作用方式（2種）

1、光的吸收

1）光在照射生物組織時，當(dāng)其光子的能量hv與組織的原子或分子的躍遷能級相同時，光能便被生物組織或材料所吸收?！蠖鄶?shù)轉(zhuǎn)化為熱能

2）生物組織材料對不同波長（或頻率）光波的吸收本領(lǐng)不同。選擇性吸收——用于識別某種元素或化合物的存在，對特定生物組織材料的選擇性作用。

3）當(dāng)光源為高強度的脈沖激光時，會發(fā)生一個分子吸收多個光子的非線性吸收現(xiàn)象，為多光子吸收。

2、光的散射（波長越短，散射越厲害）

1）當(dāng)照射到物質(zhì)上的光遠(yuǎn)離該物質(zhì)的吸收譜帶時，物質(zhì)的分子會被光的電磁波所極化，其電荷分布被光波的電場所位移。光波正旋變化的電磁場會引起電子在分子內(nèi)進(jìn)行正旋振蕩，這種振蕩電荷使每個分子像一個小天線一樣，會在非入射光方向的方向上輻射能量，這就是散射現(xiàn)象。

2）瑞利散射（分子散射）特點：

a:散射光頻率與入射光頻率相同

b:散射強度隨與r的平方減少

c:散射強度與入射光波長的四次方成反比

d:散射光強度隨散射角變化

可通過測量散射光瑞利散射比來確定分子量，廻轉(zhuǎn)半徑和第二維里系數(shù)

3）布里淵散射：因為物質(zhì)介質(zhì)中存在彈性熱波而在電磁波傳播方向的介質(zhì)空間引起隨時間變化的密度漲落而引起4）喇曼散射：由于物質(zhì)的分子振動引起分子極化率隨時間變化而產(chǎn)生

5）各種散射都是由于散射體的光學(xué)不均勻性產(chǎn)生的。

6）廷德爾散射如果物質(zhì)的光不均勻性結(jié)構(gòu)很大，數(shù)量級相當(dāng)于光波長時，散射會相當(dāng)強，使得物質(zhì)呈現(xiàn)渾濁態(tài)

二、光對組織的生物作用機(jī)制（4種）

1、熱作用

1）定義：生物組織材料在吸收光能后，光能可轉(zhuǎn)變?yōu)槠浞肿拥恼駝幽芎娃D(zhuǎn)動能，或通過熱弛豫使周圍的分子獲得平移能（包括振動能和轉(zhuǎn)動能），從而產(chǎn)生熱量使溫度升高。

2）光的溫?zé)嶙饔每墒姑?xì)血管擴(kuò)張，使血流量增加，結(jié)果還可以使加熱區(qū)改善供血和營養(yǎng)狀態(tài)。

3）溫度變化與反應(yīng)

可引起溫?zé)岣杏X，作用相當(dāng)理療上的熱敷，長時間照射都不會引起熱致?lián)p傷。

腫瘤細(xì)胞死亡，正常細(xì)胞沒事

可引起熱致紅斑，但在溫度回復(fù)正常時，可自行消退。

可在數(shù)秒鐘之內(nèi)產(chǎn)生熱致水泡，出現(xiàn)灼熱感和痛覺

組織蛋白質(zhì)熔融

約10秒鐘之內(nèi)發(fā)生熱致凝固

發(fā)生熱致汽化

熱致炭化現(xiàn)象，皮膚組織和細(xì)胞在熱作用下立刻發(fā)生干性壞死，迅速呈棕黑色

的現(xiàn)象

熱致燃燒，此時組織和細(xì)胞會燃燒，可見火光

熱值氣化，當(dāng)皮膚溫度在瞬時內(nèi)驟升到超過此溫度時，皮膚組織會由固體立刻

變?yōu)闅怏w

2、光化作用

1）光直接引起化學(xué)反應(yīng)的作用

2）過程：電子激發(fā)態(tài)分子直接聯(lián)系再一起的原初光化學(xué)反應(yīng)，原初光化學(xué)反應(yīng)生成不穩(wěn)定產(chǎn)物后在有光或無光環(huán)境下發(fā)生后繼化學(xué)反應(yīng)，直至生成穩(wěn)定的最終產(chǎn)物。

3）特點：

a:光化作用具有波長選擇性，只有適當(dāng)量子能量的光子才會引起反應(yīng)。350-700nm的近紫外光和可見光

——光化學(xué)第一定律：只有被分子吸收的光子才能在系統(tǒng)中導(dǎo)致光化學(xué)反應(yīng)。

b：對于確定波長的光，其光化效應(yīng)則只決定與光的總能量

總能量=光強*時間

C:對高密度激光有非線性吸收效應(yīng)（多光子吸收）

4）光化作用類型：

A:光致分解

因吸收光能而導(dǎo)致化學(xué)分解反應(yīng)的過程

B：光致氧化

光作用下使反應(yīng)物失去電子的過程

C：光致聚合

用光照使受照物形成二聚體或三聚體等簡單分子，或是促成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)而形成大分子

D：光致敏化

生物系統(tǒng)所特有的由光引起的在敏化劑幫助下發(fā)生的一種化學(xué)反應(yīng)。

光動力學(xué)療法：血卟啉類，用于進(jìn)行腫瘤的識別和選擇性治療

光敏化劑特點：有準(zhǔn)確的藥理定義，化學(xué)穩(wěn)定，水溶性，高度選擇性，短時間低光能下便可光敏化，吸收波長長，可快速消除皮膚光敏弱，治療效果好

E：多光子紅外光化反應(yīng)

F：激光分離同位素

利用同位素在光譜中有微小的位移，以及激光的高度單色性來進(jìn)行的。

3、機(jī)械作用

1）機(jī)械作用包括：

光輻射壓強效應(yīng)；電致伸縮；受激布里淵散射；電擊穿；剝裂效應(yīng)；因光學(xué)擊穿引起的等離子體沖擊波

4、激光生物刺激作用

1）定義：以低功率激光照射生物組織上時所產(chǎn)生的一種可刺激蛋白合成，促進(jìn)生物細(xì)胞生長分裂，提高酶活性，并可產(chǎn)生促進(jìn)傷口愈合、骨折再生、消炎鎮(zhèn)痛等效應(yīng)的非熱作用。

2）升溫不超過0.5度，常用紅外波段激光

3）特點：

A：累積效應(yīng)：多次小劑量的輻射可引起與一次大劑量輻射大致一樣的生物效應(yīng)，只要兩者總劑量一樣。

B：拋物線效應(yīng)：生物體對激光照射的響應(yīng)隨照射次數(shù)的增加先是逐漸增強，到10-17次達(dá)到最大值，再照射下去響應(yīng)便會逐漸減弱，然后在超過某一定值時會從刺激作用變成抑制作用。

C：時季效應(yīng)：在不同季節(jié)和時段照射，即使劑量相同，效應(yīng)也不同。秋冬強。

第四章生物組織的光學(xué)特性

一、皮膚的光學(xué)特性

1、反射

1）是漫反射不是鏡面反射

2）反射與光波長有關(guān)：

A:皮膚對紅色光和近紅外光之間的波長反射率較大

B：各種膚色皮膚對波長短于0.3μm的紫外線和波長長于2μm的遠(yuǎn)紅外線反射率一樣

C：可見光范圍內(nèi)白色皮膚的反射率大于黑色皮膚

D：白色皮膚對氦氖激光的反射率為二氧化碳的10倍

E：在可見光的范圍內(nèi)不論白或黑皮膚對光的反射隨波長增加而增加

2、吸收和投射

1）皮膚主要吸光物質(zhì)：含氧血紅蛋白（418,542,577mm），黑色素（廣譜），水（紅外）；真皮中吸收可見光的主要成分：血紅蛋白，氧合血氧蛋白，B-胡蘿卜素，膽紅素

2