激光基本知识
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激光基本知识. 激光 的最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞” , 它 的英文名称 LASER 的音译,是取自英文 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 的各单词头一个字母组成的缩写词。意思是 " 通过受激发射光扩大 " 。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程。 1964 年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。. 光与物质的相互作用,实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子,同时改变自身运动状况的表现。

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激光基本知识

激光的最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”,

它的英文名称LASER的音译,是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词头一个字母组成的缩写词。意思是"通过受激发射光扩大"。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。




激光的特性

  • (一)单色性好

  •  单色性好

  • 光的颜色由光的不同波长决定,不同的颜色,是不同波长的光作用于人的视觉的不同而反映出来。激光的波长基本一致,谱线宽度很窄,颜色很纯,单色性很好。由于这个特性,激光在通信技术中应用很广。


  • (二 )相干性好

  • 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。普通光是自发辐射光,不会产生干涉现象。激光不同于普通光源,它是受激辐射光,具有极强的相干性,所以称为相干光。


  • (三)方向性好

  • 激光发射后发散角非常小,激光射出20公里,光斑直径只有20——30厘米,激光射到38万公里的月球上,其光斑直径还不到2公里。


  • (四)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。


激光分类

  • 激光分类:

  • 激光器的分类基本上是根据其可达发射极限AEL(Accessible Emission Limit)来划分的,而可达发射极限定义:在确定的危害类别内,允许激光器发射的最大辐射功率和能量,一个激光器可能发射4类激光,但在该激光产品被定为4类之前,其辐射必须真正超过3B类激光发射极限:

  • I类激光(class 1 Laser product)是无危险不需要进行危害控制的激光产品,在设计的最大发射持续时间内,可达到的发射极限低于照射限值,即使通过光学放大仪器进行光束内视,也不会引起眼损伤。

  • II类激光(class 2 Laser product)是低危险低功率的可见激光产品,输出功率大于I类,但小于或等于1mw的连续激光产品或在设计的最大发射持续时间内,输出功率超过相应光束内视照射极限,但不超过0.25s照射时间的眼照射限值的重复频率脉冲激光产品。

  • IIIA类激光产品(class 3A Laser product)是低危险中功率的激光产品,输出功率为1-5mw,辐照度不大25w/m^2的可见光连续波或重复频率脉冲激光产品.

  • IIIB类激光产品(class 3B Laser product)是中等危险,中功率的激光产品,这类激光产品包括:辐照量超过相应极限,但小于或等于10j/m^2的脉冲激光产品,辐射功率超过相应眼照射限值,但小于或等于0.5w的连续波或重复频率脉冲激光产品。

  • IV类激光产品(class 4 Laser product)是高功率的激光产品,即辐射功率超过0.5w的连续波或重复频率脉冲激光产品或辐射量。


激光的生物学 作用原理

(1)激光生物热效应  激光照射生物组织时,激光的光子作用于生物分子,分子运动加剧,与其他分子的碰撞频率增加,由光转化为分子的动能后变成热能,可能会引起蛋白质变性,生物组织表面收缩、脱水、组织内部因水分蒸发而受到破坏,造成组织凝固坏死。当局部温度急剧上升达几百度甚至上千度时,可以造成照射部分碳化或汽化。在照射生物组织时,不同波长的激光产生热效应的机制也不尽同。红外激光的光子能量小,生物组织吸收后只能增加生物分子的热运动导致温度升高,所以它是直接生热可见光和紫外光的光子能量大,生物组织吸收了光子能量后引起生物分子电子态跃迁,在它从电子激发态回到基态的驰豫过程中释放能量,该能量可能引起光化反应,也可能转化为热量产生温度升高,所以它们是间接生热。



  • 激光热效应究竟应表现为哪种形式,在激光方面取决于其输出参数、作用时间,在生物组织方面则取决于其光学、热学特性等诸多因素。2)激光生物光化效应  当一个处于基态的分子吸收了能量足够大的光子以后,受激跃迁到激发态,在它从激发态返回到基态,但又不返回其原来分子能量状态的弛豫过程中,多出来的能量消耗在它自身的化学键断裂或形成新键上,其发生的化学反应即为原初光化学反应,在原初光化学反应过程中形成的产物,大多数极不稳定,它们继续进行化学反应直至形成稳定的产物,这种光化反应称为继发光化反应,前后两种反应组成了一个完整的光化反应过程,这一过程大致可分为光致分解、光致氧化、光致聚合及光致敏化四种主要类型,光致敏化效应又包括光动力作用和一般光敏化作用。


  • 生物的激光热效应究竟应表现为哪种形式,在激光方面取决于其输出参数、作用时间,在生物组织方面则取决于其光学、热学特性等诸多因素。光化效应产生的根本是生物的而组织有一定的色度,能选择性地吸收300~1000nm光谱。生物体内的色素有黑色素和类黑色素、血红蛋白、胡萝卜素、铁质等,其中黑色素对激光能量的吸收最大。脱氧血红蛋白在556nm,氧合血红蛋白在415、542、575nm处有清楚的吸收带,胡萝卜素吸收带在480nm处,黑色素和类黑色素在400~450nm波段吸收最强。无论是正常细胞还是肿瘤细胞,在细胞质和细胞间有许多黑色素颗粒,它们吸收激光能量使能量在色素颗粒上积聚而成为一个热源,其能量向周围传导和扩散,从而引起周围组织细胞损伤。


  • 激光热效应究竟应表现为哪种形式,在激光方面取决于其输出参数、作用时间,在生物组织方面则取决于其光学、热学特性等诸多因素。3)激光生物压力效应  由激光照射产生的机械作用可分为两部分:激光本身的辐射压力对生物组织产生的压强,即光压,称作一次压强;生物组织吸收强激光造成的热膨胀和相变以及超声波、冲击波、电致伸缩等引起的压强,叫二次压强。由激光导致的生物细胞的压强的变化可以改变生物细胞、组织的形状,使得生物细胞、组织内部或之间产生机械力,从而对生物细胞、组织产生巨大的影响。由这种作用产生的冲击波是激光致伤的另一原因。冲击波在组织中以超声速运动,在组织中产生空穴现象,引起组织破坏。戈尔德曼指出:脉冲时程50毫微秒的Q开关激光产生的冲击波压力,可大于10个大气压。实际上,激光热效应影响范围十分局限,而由压力效应引起的组织损伤,则可波及到远离受照区的部位。例如,用红宝石激光照射小鼠头部时,发现头皮轻度损伤,颅骨和大脑硬膜并无损伤,而大脑本身却大面积出血,甚至造成死亡。


光束发散角与光斑直径关系激光热效应究竟应表现为哪种形式,在激光方面取决于其输出参数、作用时间,在生物组织方面则取决于其光学、热学特性等诸多因素。

不同位置不同光斑

发散角

不同的导光介质会有不同的发散角;

不同的发散角在距离光源距离相同处会产生不同的光斑;

不同的光斑对患者病灶部位的治疗效果也是不同;

所以选择一个合适的发散角对于疗效好坏至关重要。

我们会对不同的病症匹配最合适的发散角。


半导体激光微创手术激光热效应究竟应表现为哪种形式,在激光方面取决于其输出参数、作用时间,在生物组织方面则取决于其光学、热学特性等诸多因素。优势

  • 微创治疗损伤小,手术精度高

    因半导体激光手术刀的作用介质为光纤,光纤直径从400µm-800µ m可选配,能灵活伸入深部病灶部位进行手术,避免常规开创手术中的组织、器官被牵拉、分离的机械性损伤。

  • 红光导航,术野清晰

    已获国家专利的同光路红光指示光,保证手术视野的解剖层次更清晰,定位 更准确,手术更精细。

  • 临床效果好,操作简便

    980nm激光波长具有对水及氧合血红蛋白的最佳吸收率,对病变组织有更优越的气化、切割性能,凝固、止血效果极佳,操控灵活易掌握。

  • 复发、转移率低

    980nm激光对肿瘤病变组织有极佳的血管、淋巴管封闭作用。阻断了扩散途径,复发、转移率极低。

  • 患者接受度高,恢复快

    避免常规外科手术大切口、大范围切除,因980nm激光其光学烧灼而非热烧灼的优点,可使周围组织产生极少的损伤,并能维持较长时间的止血效果


北京协和医院自激光热效应究竟应表现为哪种形式,在激光方面取决于其输出参数、作用时间,在生物组织方面则取决于其光学、热学特性等诸多因素。1995年起采用新型高功率半导体激光(作妇科腹腔镜手术),与该院以往使用的Nd:YAG激光手术比较,体会到半导体激光有以下优点:

①半导体激光的光电转换率较高,为Nd:YAG激光的30倍,因此功率消耗和产热极少,可采用普通220V电源,机器内无高压,故使用寿命长,而Nd:YAG激光采用380V电源,需要装冷却水装置或风冷以消除发热,消耗水电较多,且容易损坏。

②半导体激光器体积小巧,携带方便,配备一台机器,可供多种手术适用。

③半导体激光术前准备快,效率高,透热最深为2mm,故临床使用安全,可减少对病灶深处脏器的损伤。而Nd:YAG激光透热最深达4mm,且温度下降较慢。

④半导体激光手术操作时止血好,出血少,产生烟雾较Nd:YAG激光少,术中视野较清晰,可避免误伤周围脏器。


  • 半导体激光与激光热效应究竟应表现为哪种形式,在激光方面取决于其输出参数、作用时间,在生物组织方面则取决于其光学、热学特性等诸多因素。Nd:YAG激光的区别

  • 半导体激光安全性高:

  • 半导体激光平均透射深度为3mm左右,是1064nm波长Nd:YAG激光透射深度的一半,切割速度更快。

  • 半导体激光切割速度快:

  • 在组织表面,半导体激光产生的温度为150℃,而Nd:YAG激光是95℃,能量更集中。

  • 半导体激光的凝固作用佳:

  • 组织深度加强,温度比Nd:YAG激光下降速度快。

  • 半导体激光吸收效果好:

  • 手术所需功率低,手术时间短,吸收比Nd:YAG激光高3倍。

  • ------《激光医学》 上海科学技术出版社 2003.9


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