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1、第二章 激 光 与 生 物 组 织 相 互 作 用 机 理,( Mechanism of Laser Biological Action ),授课教师 赵箭光 （1020301）,第一节 激 光 基 础,一、光的发射与吸收,二、激光振荡,三、激光谐振腔,四、激光模式与特性,一、光的发射与吸收,描述光波的物理量,波长的单位常用 表示,可见光波长范围：,光的粒子性,光子的能量,原子的能级：,分裂的原子的能量值,原子的跃迁：,原子的平均寿命：,原子在某激发态停留时间的平均值,一般为 ；,亚稳态,三种类型的跃迁：,粒子能级之间的跃迁,辐射跃迁,无辐射跃迁,1. 自发辐射:,2. 受激吸收：,方式：光照
2、射、电子碰撞等,必要条件：,3. 受激辐射：,外来光子引发，相干光,条件：,特点：,二、激光振荡,(一) 粒子数按能级的分布,条件：热平衡状态下,1. 玻耳兹曼分布:,常温下( 296K ) 氢原子,2. 粒子数在能级上的反转分布：,条件：外界输入能量（称为激励或泵浦），,处于粒子数反转状态的物质,使物质处于非热平衡状态下,(二) 放大系数,增益饱和效应： 随 z 的增加而减小的现象。,(三) 振荡阈值,阈值：,三、激光谐振腔,激光产生的条件,激活介质,光学谐振腔,激光束,激励装置：,激励方式,光激励：,气体放电激励：,电流激励：,放电管中，高电压作用,光学谐振腔：,封闭式,谐振腔分类,开放式
3、,半开半闭式,使受激辐射光放大过程能在有限长度的工作物质中持续进行,选频作用，提高激光器的相干性,对输出激光的方向性给予限定,Q值：,光学谐振腔的品质因素。,四、激光模式与特性,光学谐振腔的模式：,电磁场在腔中的振荡方式；,或者说，在腔内稳定存在的光波场空间分布,纵模：,光波模在腔轴方向上不同的驻波场分布,(一) 激光纵模,1,2,3,谐振条件：,激活介质所发射的谱线的线宽范围,激光器输出的频率个数 N,在区间中，可以存在的纵模个数为,要想减少输出纵模的个数，可采取一些措施。例如，短腔法选纵模。利用缩短腔长 L 来加大纵模频率间隔的方法,(二) 激光横模,横模：,分布。用符号TEMmn标志,激
4、光腔内与轴向垂直的横截面内的稳定光场,形成的主要因素：,谐振腔两端反射镜的衍射作用,横模的形成,激光横模变换演示仪,(a) 轴对称横模图 (b) 旋转对称横模图,激光的横模图形，按其对称性可分为轴对称横模图和旋转对称横模图,在轴对称横模中,m、n 分别表示光束横截面内,在x方向和y方向出现的暗区,TEM00 为基模、其它为高次模,TEM10,TEM20,TEM03,TEM31,横模图形及其标记,在旋转对称横模中,m 表示沿半径方向出现的暗环数,n 表示圆中出现的暗直径数,在实际应用中，希望激光的横向光强分布越均匀越好，而不希望出现高阶模。,选模的方法： 例如，1.调节反射镜；2.在腔内（或腔外
5、）放一小孔，只让 TEM00模通过，抑制其他高阶模的产生。,纳米孔径激光器出射光场分布,光束的发散角：,设光源向某方向发射一束光为,圆锥形，则过圆锥轴线所在平面与圆锥面的两条交线的夹角。以 表示,的单位：弧度,(三) 激光特性,1. 激光束比普通光束方向性好,单横模激光束的发散角最小，,固体激光器的发散角在 弧度量级,半导体激光器的发散角在 弧度量级,光学谐振腔,激光束方向性好的原因,受激辐射,激光束经聚焦可形成微米级的微光束。,影响激光束方向性的因素,光腔类型和腔长,工作物质的类型和均匀性,激励方式,光腔的加工和调整误差,单色性,激光比普通光单色性好,2. 激光单色性好,光学谐振腔,激光束单
6、色性好的原因,受激辐射,光的生物效应与光的波长密切相关,影响激光束单色性的因素,2. 频率稳定性,1.选模技术（单模）,（温度、振动、气流等）,3. 激光比普通光的相干性好,相干时间,光的相干性,光的时间相干性,光的空间相干性,相干长度,激光的空间相干性与横模有关,单横模具有最好的方向性,激光的时间相干性与纵模有关,太阳的发光亮度约为,激光器相应的发光亮度约为,4. 激光比普通光源亮度高,光辐射能量：,表示光束做功本领的大小。,光辐射功率：,以 E 表示，单位：J,单位时间内所发射或传播的光辐射能,以 P 表示,单位：W、mW,光的能量密度：,光的功率密度：,以 D 表示,单位：,以 I 表示,单位：,立体角：,的单位：球面度（sr）,以 表示,整个球面对球心所张立体角,光辐射亮度：,以 B 表示,B 的单位：,激光比普通光强度大,强度：,被光辐照处的光强度，,正比于亮度。,将一激光脉冲聚焦到直径为 5 微米的光斑上，,所获光强度达：,温度达：,压强达：,电场强度达：,激光能量的分布特性,光能量在空间上集中,光能量在时间上集中,光能量在频谱上集中,方向性好,脉冲工作,单色性好,
