激光专业知识

1激光基础知识许本芳201激光的概述02激光的认识03选择性光热理论04激光效应05常见激光器Contents目录06设备与美容3第一节前言激光素有神奇光之称。如今，你只要稍加留意，就会发现激光就在我们身边：激光唱机的动听乐曲不断回荡在楼宇之间；激光影碟机悄然走进了千家万户；商场里商品贴的是激光防伪标志；激光照排则包揽了所有的报刊杂志。我们远隔千里就可以同亲人朋友通话，也是激光的功劳，因为光纤传送的正是激光。而近年来兴起的激光美容更给越来越多的爱美人士带来了更多便捷的美容手段。第一章激光的概述4第二节激光简介激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一个重大发明，被称为“最快的刀”、“镭捷”激光灯管、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。1960年7月8日，美国科学家梅曼发明了红宝石激光器，为世界第一台激光器。目前激光应用的领域，主要有工业、医疗、商业、科研、信息和军事六个领域。第一章激光的概述5第三节激光技术发展史——受激辐射理论基础爱因斯坦的光子学说（1905）。波粒二象性（1909）。辐射理论（1917）：提出了受激辐射的概念，预测到光可以产生受激辐射被放大。Einstein爱因斯坦第一章激光的概述6第一章激光的概述理论基础：R.C.Tolman（托尔曼）指出：具有粒子数反转的介质具有光学增益（产生激光的基本条件之一）（1924）。Tolman托尔曼第三节激光技术发展史——粒子数反转7第三节激光技术发展史——微波受激辐射放大器第一章激光的概述实验基础：Prokhorov（普罗霍罗夫）和H.Townes（汤斯）分别独立报导了第一个微波受激辐射放大器(Maser)（1953）。Townes汤斯Prokhorov普罗霍罗夫8第三节激光技术发展史——开放式光谐振腔第一章激光的概述1958年Townes（汤斯）和Schawlow（肖洛）抛弃了尺度必须和波长可比拟的封闭式谐振腔的老思路，提出利用尺度远大于波长的开放式光谐振腔实现Laser（激光）的新想。Schawlow肖洛Townes汤斯9第三节激光技术发展史——红宝石固态激光器第一章激光的概述美国休斯公司实验室一位从事红宝石荧光研究的年轻人梅曼在1960.5.16利用红宝石棒首次观察到激光。梅曼在7月7日正式演示了世界第一台红宝石固态激光器。他在Nature(8月16日)发表了一个简短的通知。Maiman梅曼Maiman的第一台激光器10第三节激光技术发展史——技术开发第一章激光的概述各种激光器的开发：工作物质：固体、气体、染料、化学、离子、原子、半导体、X射线。输出功率：大功率、低功率。工作方式：短脉冲、脉冲、超短脉冲、连续。输出稳定性：稳频率、稳功率、稳方向。气体激光器固体激光器染料激光器化学激光器离子激光器原子激光器半导体激光器X射线激光器11第四节我国激光器研究情况第一章激光的概述激光器的第一台研制成功时间研制人红宝石激光器（我国第一台）1961年11月邓锡铭、王之江He-Ne激光器1963年7月邓锡铭等掺钕玻璃激光器1963年6月干福熹GaAs同质结半导体激光器1963年12月王守成CO2分子激光器1965年9月王润文等12第五节激光技术的应用第一章激光的概述激光技术方面的应用：光通讯、光储存、光放大、光计算、光隔离器。检测技术方面的应用：测长、测距、测速、测角、测三维形状。激光加工：焊接、打孔、切割、热处理、快速成型。医学应用：外科手术、激光辐照（皮肤科、妇产科）、眼科手术、激光血照仪、视光学测量。科学研究方面的应用：激光核聚变、重力场测量、激光光谱、激光对生物组织的作用、激光制冷、激光诱导化学过程等等。13第五节激光技术的应用——光盘第一章激光的概述光盘存储器原理——激光刻蚀与读出14第一章激光的概述激光全息防伪人民币（建国50周年纪念币）第五节激光技术的应用——人民币15第一章激光的概述激光控制核聚变第五节激光技术的应用——核聚变16第一章激光的概述第五节激光技术的应用——激光导航星天文台（激光导航星）17第一章激光的概述第五节激光技术的应用——测距与激光雷达激光测距与激光雷达18第一节激光器的结构图——内部结构图第二章激光的认识部分反射镜激励源全反射镜激光输出工作物质光学谐振腔L激光19第一节激光器的结构图——内部结构图详解第二章激光的认识20第二节激光器的结构功能——工作物质激光作为光学家族的一员，具有波粒二相性，一方面激光是由无数光子组成，具有光的粒子性；另一方面，其本身也是一种电磁波。一般而言，激光的产生需要3个条件：工作物质：激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。关键是能在这种介质中实现粒子数反转，就被称为激活介质(activemedium)或工作物质。第二章激光的认识21第二节激光器的结构功能——激励源激励源：为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。如：电激励、光激励、热激励、化学激励等各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运；只有不断泵浦才能维持上能级粒子数多于下能级，不断获得激光输出。第二章激光的认识22第二节激光器的结构功能——光学谐振腔第二章激光的认识光学谐振腔：最简单的谐振腔由两块平面反射镜组成，其中一块为全反射镜，另一块为部分反射镜，它们互相平行，并且与工作物质的轴线严格垂直。此外，谐振腔还可由平面镜与凹面镜或由两块凹面镜组成。这种结构使得只有与工作物质轴线完全一致的光才能得到放大，并由半反射镜透过；而遇到全反射镜的光子则被全部反射进入谐振腔继续振荡，并再次得到放大。由此可见，光学谐振腔的作用在于为激光器的振荡提供必要的正反馈，导致光放大，同时限制激光的频率和方向，保证激光的单色性和方向性。光子在谐振腔内振荡时也会有一定损耗，腔内损耗常用品质因素Q值表示，其数值越大，表示损耗越小。23第三节激光产生的原理——术语详解能级：原子核外电子运动轨道的一种理论。因为物质是由原子组成，而原子又是由原子核及电子构成；电子围绕着原子核只能在特定的、分立的轨道上运动，各个轨道上的电子具有分立的能量，这些能量值即为能级。跃迁：电子可以通过吸收或释放能量，在不同的轨道间发生跃迁（从低能级跃迁到高能级或者从高能级跃迁到低能级）从而辐射出光子。由于光子能量决定了光的波长，因此，吸收或释放的光具有固定的颜色。基态和激发态：当原子内所有电子处于可能的最低能级时，整个原子的能量最低，我们称原子处于基态；当一个或多个原子电子处于较高的能级时，我们称原子处于激发态。第二章激光的认识24第四节激光产生的原理——受激吸收/自发辐射受激吸收：原子吸收入射光子（h=Eh-El），从低能态（El）跃迁到高能态（Eh）。第二章激光的认识hElEh自发辐射：在一个体系中，热平衡时低能级（El）的粒子数总比高能级（Eh）的粒子数目多，高能级（Eh）的粒子总是向低能级（El）跃迁而趋于稳定，多余能量转变为一个光子(h=Eh-El)向外辐射。hEhEl图一图二25受激辐射：处于高能态(Eh)的原子，受入射光子(h=Eh-El)的诱导作用，跃迁到低能态(El)，并辐射出一个与入射光子的频率、相位、振动方向和传播方向都完全相同的光子。第二章激光的认识第四节激光产生的原理——受激辐射hEhElhh图三26光放大：若有一批原子处于高能态(Eh)，则在一个入射光子(h=Eh-El)的作用下，会通过一系列受激辐射产生不断倍增的完全相同的光子。第二章激光的认识第五节激光产生的原理——光放大图四27第四节激光产生的原理工作物质在激励源的作用下发生粒子数反转，通过谐振腔内的振荡和放大，产生正反馈式的连锁反应，从而发射出频率、方向、偏振状态、相位一致的光——激光。第二章激光的认识图一：受激辐射图三：粒子数反转图二：光子反射图四：光能跃迁图五：光能放大、透射LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiationLASER/激光28第五节激光的特性——单色性第二章激光的认识普通光激光光的颜色由光的波长（或频率）决定。激光器输出的光，波长分布范围非常窄，因此颜色极纯。以输出红光的氦氖激光器为例，其光的波长分布范围可以窄到2×10^-9纳米，是氪灯发射的红光波长分布范围的万分之二。激光的单色性远远超过任何一种单色光源。29激光光束在传播过程中很少发生弥散，即使在传播很长距离后光束仍保持平行而不发生弥散。用于定位、导向、测距等。医学上用作普通手术刀和微手术刀（直接对DNA等生物大分子进行切割或对接）。激光普通光第二章激光的认识第五节激光的特性——平行性（定向性）3030相干性是所有波的共性，但由于各种光波的品质不同，导致它们的相干性也有高低之分；激光不同于普通光源，它是受激辐射光，具有极强的相干性。具体分为两种：时间相干性：从激光器输出口不同空间发出的光位相差恒定、方向一致、波长相同、此种相干性称时间相干性（即从光源不同点发出的光有相干性称时间相干性）。空间相干性：从光源同一点在不同时间发出的光如有恒定的位相关系、方向和波长也相同，此种相干性称空间相干性。激光的相干性用于全息照相、激光衍射。第二章激光的认识第五节激光的特性——相干性3131密集性：能量在空间和时间上高度集中。如激光武器、激光切割金属、炭化和气化组织。第二章激光的认识第五节激光的特性——能量高度集中（密集性）3232亮度高：由于激光的发射能力强和能量的高度集中，所以亮度很高，它比普通光源高亿万倍，比太阳表面的亮度高几百亿倍。亮度是衡量一个光源质量的重要指标，若将中等强度的激光束经过会聚，可在焦点出产生几千到几万度的高温。第二章激光的认识第六节激光的特性——高亮度33第一节激光学的中心理论——选择性光热理论1983年，AndersonRR和ParrishJA提出了选择性光热作用理论——即“光热分离”理论，其含意为根据不同组织的生物学特性，选择合适的波长、能量、脉冲持续时间等，以保证对病变组织进行有效治疗之同时，尽量避免对周围的正常组织造成损伤。该理论实现了激光的有效性和安全性的完美统一，是激光医学特别是激光美容医学发展史上的里程碑。短脉冲激光及之后的强脉冲光（IPL）都是建立在该作用理论基础之上，正是这些激光的应用，使色素性疾病和血管性疾病及皮肤无创治疗得以实现。第三章选择性光热理论（原理）34第二节选择性光热原理的中心思想（三要素）选择适当的波长和脉宽小于目标组织的热弛豫时间就会使目标组织受到选择性的损害。AndersonRR&ParishJA,Science1983适当的波长适当的脉宽适当的能量RoxAnderson博士ParishJA博士第三章选择性光热理论（原理）35波长：波长决定了激光的颜色，不同波长的激光表现为不同颜色的光；为了获取不同波长的光，需要不同的激光介质；而且激光波长越长，穿透组织的深度越深，所以应选择能被耙组织强烈吸收的激光波长。如：氧合血红蛋白吸收峰值：418nm、542nm、577nm。黑色素吸收峰值在280nm一1200nm中，并随波长增加而吸收减少。第三章选择性光热理论（原理）第二节选择性光热原理的中心思想（三要素）详解36能量：选择能够在耙组织上产生足够的温度使之破坏的合适的激光能量。避免能量过高造成周围组织热损伤。脉冲持续时间：脉冲持续时间也就是脉宽，必须小于治疗耙的热弛豫时间，以免引起周围组织的损伤。热弛豫时间(ThermalRelationTime)是指作用于耙上的热量向周围组织弥散，当温度降低50%所需的弥散时间。如：皮肤组织为1ms，黑素小体为1us，血管为0.05ms一10ms。第三章选择性光热理论（原理）第二节选择性光热原理的中心思想（三要素）详解37第三节脉冲宽度与热弛豫时间的关系脉冲宽度≤靶组织热驰豫时间：热损害将被严格地限制在靶组织内。脉冲宽度靶组织热驰豫时间：热将从靶组织内传导出来，但靶组织损伤不足而周围组织