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1、 第十三章第十三章 光的粒子性光的粒子性 激光又称镭射或莱塞激光又称镭射或莱塞, , 全名是全名是: : “受激辐射的光放大受激辐射的光放大”。Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.激光（钱学森教授建议得名）激光（钱学森教授建议得名）: : 利用光能、热能、电能、化学利用光能、热能、电能、化学能或核能等外部能量激励工作物质，能或核能等外部能量激励工作物质，使其发生受激辐射而产生的一种特使其发生受激辐射而产生的一种特殊的光。成为一种新光源。殊的光。成为一种新光源。19171917年爱因斯坦提出了受激辐射理论。年爱因斯坦提出
2、了受激辐射理论。19601960年梅曼制成了世界上第一台激光器年梅曼制成了世界上第一台激光器( (红宝石激光器红宝石激光器) )。第四节第四节 生物光子学生物光子学Laser :激光激光1光光盘盘激激光光切切割割激激光光武武器器准分子激光治疗近视准分子激光治疗近视激光应用举例激光应用举例:激光手术刀激光手术刀21.1.激光的产生机制激光的产生机制自发辐射自发辐射受激辐射受激辐射光子与原子能级的三种作用：原子内电子的三种跃迁过程。光子与原子能级的三种作用：原子内电子的三种跃迁过程。受激吸收受激吸收光子光子(hv)原子能级原子能级原子能级原子能级原子能级原子能级光子光子光子光子(hv)(hv)3(
3、2) 受激辐射受激辐射 处于高能级处于高能级E2的原子，在外来光子的原子，在外来光子( (其频率恰好满足其频率恰好满足 ) )的诱发下跃迁到低能级的诱发下跃迁到低能级E1，同时发出与外来光子，同时发出与外来光子特征相同的光子，这种特征相同的光子，这种光辐射光辐射称为受激辐射。称为受激辐射。 激光光源发光的机制激光光源发光的机制.。 发光前发光前 发光后发光后受激辐射光放大示意图受激辐射光放大示意图 受激辐射的光子与外来光子的频率、偏振方向、相位及传受激辐射的光子与外来光子的频率、偏振方向、相位及传播方向均相同播方向均相同, ,所以光被放大了。所以光被放大了。stimulated emissio
4、n 4热平衡时，系统中不同能级上的粒子数目服从热平衡时，系统中不同能级上的粒子数目服从玻尔兹曼分布玻尔兹曼分布: :那么那么, ,如何加强受激辐射呢如何加强受激辐射呢? ?即系统处于热平衡态时，即系统处于热平衡态时，处在较高能级的粒子数较少。处在较高能级的粒子数较少。 在在平衡态中平衡态中粒子数正常分布下粒子数正常分布下, , 高能级粒高能级粒子向较低能级跃迁时，子向较低能级跃迁时，自发辐射自发辐射( (约约 ) )的的概率概率概率概率远大于远大于受激辐射受激辐射( (约约 ) )的的概率概率概率概率。(3) 平衡状态下平衡状态下, 自发辐射远大于受激辐射自发辐射远大于受激辐射:高能级高能级低
5、能级低能级辐射概率辐射概率辐射概率辐射概率: : : :(1/(1/平均寿平均寿平均寿平均寿命命命命) )5 实现：实现：粒子数正常分布粒子数正常分布. .。 。粒子数反转分布粒子数反转分布.。 。 存在存在亚稳态能级亚稳态能级的物质的物质能实现粒子数反转，这种能实现粒子数反转，这种物质称为物质称为工作物质工作物质。亚稳态亚稳态基态基态激激发发态态(10-8S)(10-3S）(4) 粒子数反转粒子数反转Population Inversion 平均寿命平均寿命平均寿命平均寿命工作物质：工作物质：6存在亚稳态能级的工作物质的能级结构存在亚稳态能级的工作物质的能级结构:E1(基基)E2(亚亚)10
6、-3sE3 (10-8s)三三能级系统能级系统四能级系统四能级系统E1(基基)E3(亚亚)10-3sE4 (10-8s)E2 (10-8s )吸吸收收激激励励自发自发辐射辐射自发自发自发自发受激辐射的光子频率受激辐射的光子频率: :受受激激辐辐射射h 受激辐射的光子频率受激辐射的光子频率: :h 受受激激 由于原子在亚稳态停留较长时间，亚稳态的原子数目将由于原子在亚稳态停留较长时间，亚稳态的原子数目将会多于基态的原子数目，从而实现粒子数反转，受激辐射会多于基态的原子数目，从而实现粒子数反转，受激辐射概概率率得以增加。得以增加。7红宝石中铬离子能级示意图红宝石中铬离子能级示意图基态基态亚稳态（数
7、秒）亚稳态（数秒）激发态激发态 美国物理学家梅曼美国物理学家梅曼于于1960年制成第一台红宝石固体激光器。年制成第一台红宝石固体激光器。.。.红宝石：红宝石：Al2O3参入杂质铬离子参入杂质铬离子Cr+3 , 具有亚稳态。具有亚稳态。氙灯氙灯 550nm。694.3nm 红宝石激光器的工作物质是棒状红宝石晶体，晶体红宝石激光器的工作物质是棒状红宝石晶体，晶体中中铬离子铬离子发出波长为发出波长为694.3 nm694.3 nm的激光。的激光。Dr. T H Maiman 82119 01s2s5s（亚稳态亚稳态）3p2pHe（氦）（氦）Ne（氖）（氖）直流直流激发激发碰撞碰撞受激受激辐射辐射自自
8、发发辐辐射射 氦氖气体氦氖气体(激光器激光器)能级：能级：He：传递能量。：传递能量。Ne: 受激辐射，从能级受激辐射，从能级5S向能级向能级3P跃迁发出激光。跃迁发出激光。输出波长：有输出波长：有632.8nm632.8nm红光红光、和、和1.15m1.15m及及3.39m3.39m红外光红外光. . Helium Neon (He-Ne) Lasers 能级能级9 (5)(5)光学谐振腔的作用光学谐振腔的作用.激光光束激光光束全全反反射射镜镜部分透光部分透光反射镜反射镜 在在工工作作物物质质两两端端安安置置两两块块反反射射镜镜面面，一一个个是是全全反反射射镜镜，另另一一个个是是部部分分反反
9、射射镜镜，这这对对反反射射镜镜面面及及其其间间工工作作物物质质空空间间L称称为为光光学学谐谐振振腔腔。光光在在工工作作物物质质中中往往返返传传播播，使使谐谐振振腔腔内内光光子数不断增加，从而获得很强的光，这种现象叫做光振荡。子数不断增加，从而获得很强的光，这种现象叫做光振荡。 沿光轴方向运动的光子，来回多次反射沿光轴方向运动的光子，来回多次反射, ,光子数产生光子数产生“雪崩式雪崩式”放大，从部分反射镜射出形成激光。放大，从部分反射镜射出形成激光。L10部分反部分反射镜射镜激励能源激励能源 全全反反射射镜镜激光输出激光输出工作物质工作物质 光学谐振腔光学谐振腔工作物质工作物质激励能源激励能源光
10、学谐振腔光学谐振腔产生激光产生激光必要条件必要条件1.1.实现粒子数反转实现粒子数反转. .使原子被激发使原子被激发. .要实现光放大要实现光放大 L (6)(6)激光器激光器基本组基本组成部分成部分根据工作物质，分有气体激光器、液体激光器和固体激光器。根据工作物质，分有气体激光器、液体激光器和固体激光器。11普通普通光：多波长、不相干、分散光：多波长、不相干、分散;激光：单色、相干、集中激光：单色、相干、集中; 普通光与激光普通光与激光:122. 2. 激光的特点激光的特点 （1 1）方向性好方向性好 激光束发散角很小激光束发散角很小(10(10-4-4-10-10-2-2弧度弧度) )。利
11、用方向性好的特点，激光可导。利用方向性好的特点，激光可导向、测距等。向、测距等。（2）单色性好）单色性好 普通光源中单色性最好的是作为长度基准器的氪灯普通光源中单色性最好的是作为长度基准器的氪灯, ,其谱其谱线宽度为线宽度为4.710-3纳米，而激光谱线宽为纳米，而激光谱线宽为10-9纳米，为氪灯谱纳米，为氪灯谱线宽度的线宽度的5 5万分之一。万分之一。利用了单色性好的特点，利用了单色性好的特点，激光可作激光可作计计量工作的标准光源、激光通讯等。量工作的标准光源、激光通讯等。射向几千米以外的激光束直径仅扩展为几个厘米，射向几千米以外的激光束直径仅扩展为几个厘米，而普通探照灯光束直径则已经扩展为
12、几十米。而普通探照灯光束直径则已经扩展为几十米。13 激光能量在时间和空间上高度集中，能在极小区域激光能量在时间和空间上高度集中，能在极小区域产生几百万个单位的高温高压。利用高亮度特点，激光产生几百万个单位的高温高压。利用高亮度特点，激光在千分之一秒内使任何金属汽化在千分之一秒内使任何金属汽化, ,用于加工、手术、激光用于加工、手术、激光武器等。武器等。激光打孔激光打孔激光切割激光切割（3）亮度极高）亮度极高激光武器激光武器14全全息息照照相相 普通光源的相干长度约为普通光源的相干长度约为1 1毫米至几十厘米毫米至几十厘米; ;激光相干长激光相干长度可达几十公里。度可达几十公里。全息照相、全息
13、存储等就利用了相干性好全息照相、全息存储等就利用了相干性好的特点。的特点。（4）相干性好）相干性好15（1 1）热效应）热效应（2 2）光化效应）光化效应（3 3）机械效应）机械效应（4 4）电磁场效应）电磁场效应（5 5）生物刺激效应）生物刺激效应 临床应用上，临床应用上，强激光强激光主要表现为机械作用、电磁场作用和光化作用；主要表现为机械作用、电磁场作用和光化作用；弱激光弱激光主要表现为生物刺激作用与光化作用。主要表现为生物刺激作用与光化作用。 3. 3. 激光的生物效应激光的生物效应16一一. . 激光在医药学上的应用激光在医药学上的应用4. 4. 激光在医药学及科技领域中的应用激光在医
14、药学及科技领域中的应用1.1.医学基础研究：医学基础研究：激光对生物分子、细胞、组织的作用激光对生物分子、细胞、组织的作用与疗效。与疗效。激光光钳示意图：激光光钳示意图：激光器激光器聚焦镜聚焦镜 样品池样品池显微镜显微镜17激光激光光镊光镊 由于光镊可以非接触、无损伤地操纵活体物质，并且其产由于光镊可以非接触、无损伤地操纵活体物质，并且其产生的皮牛顿（生的皮牛顿（1010-12-12N N）量级的力适合于生物细胞、亚细胞以及）量级的力适合于生物细胞、亚细胞以及生物大分子力学性质的研究，越来越广泛地应用于生物学领生物大分子力学性质的研究，越来越广泛地应用于生物学领域。域。Laser tweeze
15、rs 激光光镊是指利用在激光微束焦点中心所形成的一个三激光光镊是指利用在激光微束焦点中心所形成的一个三维光陷阱俘获生物颗粒维光陷阱俘获生物颗粒( (50nm15mm) )后后, ,控制颗粒运动。控制颗粒运动。捕获细胞动态光的辐射压力光的辐射压力18 一束激光经过显微镜聚焦成一束激光经过显微镜聚焦成微米量级微米量级的微束，照射在单的微束，照射在单个细胞上，能在不损伤细胞外部的情况下，穿入到细胞内部个细胞上，能在不损伤细胞外部的情况下，穿入到细胞内部甚至细胞器内部，通过损伤或改变某一结构的甚至细胞器内部，通过损伤或改变某一结构的“手术手术”来研来研究细胞，这种激光微束称为激光解剖刀，或激光剪刀。究
16、细胞，这种激光微束称为激光解剖刀，或激光剪刀。激光激光解剖解剖刀刀laser scalpel激光细胞成像激光细胞成像Femtosecond laser pulses penetrate living embryonic cells for delivery of nanoparticles and DNA.192.2.激光的临床应用激光的临床应用(1)(1)、激光诊断方法、激光诊断方法(2)(2)、激光治疗方法（四类）、激光治疗方法（四类）: : 1 1） 激光手术治疗；激光手术治疗； 2 2） 弱激光治疗；弱激光治疗； 3 3） 激光光动力学疗法（激光激光光动力学疗法（激光PDTPDT）；）
17、； 4 4） 激光内镜术治疗。激光内镜术治疗。20眼科的激光应用眼科的激光应用: : 激光激光治疗治疗视网膜剥视网膜剥离、眼底血管病变、虹离、眼底血管病变、虹膜切开、青光眼手术等。膜切开、青光眼手术等。治疗近视眼：治疗近视眼：准分子激光原位角膜磨镶术准分子激光原位角膜磨镶术视网膜剥离视网膜剥离青光眼手术青光眼手术21整容外科整容外科的激光应用的激光应用: :laser hair removal Cosmetic laser surgery Cosmetic Surgery provides laser services to treat a variety of conditions, inc
18、luding:Brown spots on the face Fine wrinkling Leg veins Port wine stains Red spots (cherry spots) on the nose Small blood vessels on the cheeks, forehead and nose Spider veins 22激光手术的主要优点激光手术的主要优点 1 1、出出血血少少：适适当当功功率率的的激激光光照照射射组组织织，由由于于热热凝凝固固自自动动封封闭闭管管腔腔直直径径小小于于1nm1nm的的血血管管，出出血血量量仅仅约约为为普普通通手手术术刀刀的的1/
19、31/31/21/2。 2 2、无无菌菌：激激光光是是一一种种非非接接触触式式手手术术刀刀，不不必必直直接接接接触触组织，降低了因手术操作而引起感染的几率。组织，降低了因手术操作而引起感染的几率。 3 3、可可操操作作性性强强：迅迅速速气气化化组组织织，操操作作简简单单; ; 由由于于出出血血少少，手术过程中可保持清晰视野，有利术中操作。手术过程中可保持清晰视野，有利术中操作。 4 4、损损伤伤小小：激激光光切切除除时时，对对周周围围正正常常组组织织损损伤伤较较小小，借借助助内内窥窥镜镜和和超超声声、X X线线等等影影像像技技术术可可完完成成各各种种腔腔内内操操作作，实实现现“微微创治疗创治疗
20、”的目的。的目的。231 1、激光危害：、激光危害： 激光器按对人体的伤害程度分为四级：激光器按对人体的伤害程度分为四级： 一级：即无害免控激光器。一级：即无害免控激光器。 二级：即低功率激光器二级：即低功率激光器, ,长时间直视可损害视网膜。长时间直视可损害视网膜。 三级：即中功率激光器，直视光束会造成眼损伤。三级：即中功率激光器，直视光束会造成眼损伤。 四级：即大功率激光器，直视光束及镜式反射对眼和皮肤四级：即大功率激光器，直视光束及镜式反射对眼和皮肤 造成严重损伤，且其漫反射光亦可给人眼造成损伤造成严重损伤，且其漫反射光亦可给人眼造成损伤 。如：治疗皮肤病的激光。如：治疗皮肤病的激光。2 2、安全措施：、安全措施： 1 1）对激光系统及工作环境的监控管理。）对激光系统及工作环境的监控管理。 2 2）个人防护。（严格按章操作）个人防护。（严格按章操作） 3 3）设置专用工作区，室内有足够的光亮，避免镜式）设置专用工作区，室内有足够的光亮，避免镜式 反射反射 物，戴防护眼睛。物，戴防护眼睛。三、激光的安全防护三、激光的安全防护24
