激光基础

激光基础,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。激光无处不在。,前 言,激光：LASERLight Amplification by Stimulated Emission of Radiation缩写为Laser，它表示“辐射的受激发射的光放大”。,题目：神奇的激光,激光是20世纪的四项重大的发现之一,什么是激光 ?,激光发展史,如同一个人的成长一样，激光的发展也经历了孕育、诞生、发展、成熟等各个阶段1916年，爱因斯坦首先提出“受激辐射”的概念。奠定了激光的理论基础；1960年，第一台红宝石ruby激光诞生（美国科学家梅曼）；1961年，红宝石激光被用于对剥离的视网膜进行焊接，开创了医学激光的先河；1964年，氩离子激光、Nd：YAG激光、CO2激光先后问世；1968年，激光技术真正应用在临床；20世纪80年代初，小巧但能量强大的 激光器被广泛 应用与临床 治疗 ,一门 新的学科 激光 医学从此诞生 .,第一台激光,1960年5月15日，年轻的美国物理学家梅曼正在进行一项重要的实验。他的实验装置里有一根人造红宝石棒。突然，一束深红色的亮光从装置中射出，它的亮度是太阳表面的4倍！这是一种完全新型的光，科学家渴望多年而自然界中并不存在的光，它被命名为Laser.,激光产生的基本原理,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 激励源谐振腔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,激光的特性,作为受激辐射而产生的光，激光具有许多自然光无法比拟的特性，使其在科研、医疗、信息、军事等各个领域有着广泛的应用，概括起来激光的特性主要有一下几点：,单色性,激光是受激辐射的产物，光子的跃迁往往发生在固定的两个能级之间，其频率发布非常窄，因而具有非常好的单色性，即色度很纯，这是自然光无法达到的。,普通光,激光,平行性,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。,能量高度集中,在谐振腔的选择作用下，激光光束的发散角很小，光束能量高度集中，因而方向性极强，激光光源表面亮度很高，被照射面上光强度很大。据研究，太阳的发光亮度约为2x103 W/cm2.sr,而激光的亮度为1041017w/cm2.sr,相干性,激光是一种相干光，具有极强的空间相干性及时间相干性，空间相干性是指从激光光源不同空间位点发出的光位相差不变，方向与波长也一致；时间相干性是指激光光源同一空间位点不同时间发射出的光也有固定的位相差。与激光相对应强脉冲光则是一种非相干光。,激光在人体皮肤组织上的效应,激光与皮肤组织相互作用，可以产生一系列生物学效应，从而发挥治疗作用，这是一个比较复杂的生物学过程，与激光的波长、能量以及皮肤组织本身的特性都有密切关系。,反 射,激光照射到皮肤一部分光被皮肤反射，反射的光不进入皮肤，不会产生生物学效应。研究表明，皮肤对激光的反射与波长有关，在400700nm的可见光范围内，波长越长，反射越多。,散 射,激光进入皮肤组织后，由于皮肤结构的不均匀性，导致光的方向发生改变，散射可以发生在各个方向。,透 射,激光透过皮肤组织进入另一种媒介，这部分光也不对皮肤组织产生生物学效应。,吸 收,激光的能量进入皮肤组织并转化为其他形式的能量，如热能、化学能等；只有当激光被吸收时才能产生生物学效应；激光主要被皮肤中的色素基团所吸收；皮肤中主要的色基是黑素、血红蛋白和水；,激光对皮肤组织的生物学效应,热效应,是指激光被吸收后转化为热能，使皮肤组织温度升高，这是激光对皮肤最重要的生物学效应，很多激光都是透过热效应来达到临床疗效的。热产生的方式：主要是通过碰撞生热和吸收生热两种方式来实现的。这两种方式均可导致皮肤组织温度升高，热效应产生。,热效应,一般而言，激光的热效应与组织达到的温度和照射时间均有密切的联系，组织在数毫秒内温度骤升2001000，当皮肤温度达到4345 时，皮肤会出现潮红；45 时皮肤出现痛觉；4748 时可能出现水泡；5565 出现凝固性坏死；100 出现组织气化；300400 组织发生炭化，进而燃烧、气化。,其他效应,光机械作用： 调Q 激光对黑素小体及黑素细胞的破坏作用主要依靠光机械作用 （当高能量密度的激光束照射于皮肤表面后，迅速产生大量热能，温度骤然升高，导致产生达到数十到数百个大气压的冲击波这种冲击波可以起到破坏黑素小体所在的黑素细胞的作用） ；光化学效应：光动力学疗法；电磁场效应生物刺激作用： 低功率激光照射；等离子体。,选择性光热作用原理,是1984年提出的，是激光发展史上的一个重要里程碑！ 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。,选择性光热作用原理,当入射激光的波长与靶色基自身固有的吸收峰匹配，且照射时间短于靶色基的热弛豫时间时，就可以选择性地破坏靶色基，而不损失周围正常组织或仅造成轻度损伤，从而到达无创治疗的目的。,Rox Anderson 博士,选择性光热作用包括以下要素,合适的波长 一个理想的激光波长要符合以下要求：与靶色基的吸收峰尽可能匹配；来自其他色基的竞争性吸收尽可能少；有足够的穿透深度。合适的脉宽 脉冲激光能量释放的持续时间是通过脉宽（脉冲持续时间）反映出来的，根据选择性光热作用原理，脉宽应短于靶色基的热弛豫时间，这可使激光产生的热能主要局限于靶色基，而很少弥散到周围正常组织，以免造成损伤。足够的能量 脉冲激光必须需要足够的能量去“摧毁”靶色基。,不同波长激光穿透深度,黑素、氧合血红蛋白、水的吸收曲线,按能量输出方式分类,连续式激光： 能量的输出是连续的，这类激光对靶色基的选择性不强，二氧化碳激光、氩离子激光、氦氖激光等；准连续激光： 能量输出是脉冲式的，单输出的脉冲频率非常高，在皮肤上的生物学效应与连续式激光没有显著差异，主要有：铜蒸气激光、磷钾钛钾盐（KTP）激光等；短脉冲激光： 能量以脉冲方式输出，脉宽较短，一般在纳秒（ns）与毫秒级（ms）级，这类激光以选择性光热作用理论为基础，对靶色基具有高度选择性，脉冲光的作用机制与该激光相近。,激光器分类,按运转方式分类,连续式激光： 能量的输出是连续的，这类激光对靶色基的选择性不强，二氧化碳激光、氩离子激光、氦氖激光等；准连续激光： 能量输出是脉冲式的，单输出的脉冲频率非常高，在皮肤上的生物学效应与连续式激光没有显著差异，主要有：铜蒸气激光、磷钾钛钾盐（KTP）激光等；短脉冲激光： 能量以脉冲方式输出，脉宽较短，一般在纳秒（ns）与毫秒级（ms）级，这类激光以选择性光热作用理论为基础，对靶色基具有高度选择性，脉冲光的作用机制与该激光相近。,按工作物质分类,固体激光：Nd:YAG（掺钕-钇-铝-石榴石，1064nm）激光，红宝石激光（694nm），翠绿宝石激光（755nm）, 铒激光（铒-钇-铝-石榴石，2940nm） ,图- 固体激光器的基本结构示意图,按工作物质分类,气体激光：CO2激光（10600nm），准分子激光（193nm或308nm），氩激光（532nm）. 这类激光器采用的气体工作物质，是所使用的工作物质中数目最多、激励方式最多样化、激光发射波长分布区域最广的一类激光器。,按工作物质分类,液体激光液体激光器也称染料激光器，这类激光器的激活物质是某些有机染料溶解在乙醇、甲醇或水等液体中形成的溶液，波长（nmnm）,按工作物质分类,半导体激光 810nm以半导体材料砷化嫁（GaAs）为工作物质的激光器称为半导体激光器。,常用激光器,按工作激光波段分类,远红外 红外激光可见光激光器紫外激光器X光激光器,常用激光术语,波长：nm，决定激光与组织相互作用的性质；能量密度： J/cm2，激光单位面积上的能量大小；功率密度： W/cm2 单位面积上的功率大小 ；脉宽：ns /ms,脉冲光作用到皮肤上的时间；脉冲延迟： ms,两个相邻子脉冲之间的时间间隔；,常用激光术语,光斑大小：mm，激光在正常聚焦状态下的照射范围；功率：w，激光在单位时间内输出的能量；色基：组织中能吸收一定波长光的生物分子，皮肤中最重要的色基为血红蛋白、黑素、水;热弛豫时间 ：指色基吸收激光能量后，温度下降50所需要的时间，一般而言，色基体积或直径越大，热弛豫时间越长;重复频率：脉冲激光单位时间内的脉冲数目。,强脉冲光皮肤治疗系统,技术参数:波长5151200nm,脉宽一般为ms级，不同适应证可用不同波段治疗；作用原理:系宽光谱，可被黑色素、血红蛋白吸收，此外可通过热效应刺激胶原纤维合成，达到嫩肤去皱的目的。适应于：嫩肤、毛细血管扩张、脱毛、细小皱纹、肤色暗淡、毛孔粗大等,co2激光器,技术参数:波长10600nm,功率10-70w作用原理:波长位于中红外区,主要作用色基为水，可导致皮肤组织温度显著升高，产生凝固、炭化、气化等生物学效应。适应于： 去除表浅皮肤赘生物，,像束或点阵激光器,技术参数:波长2940/10600/1550/1440nm,微孔直径50-200um作用原理:局灶性光热作用原理，可在皮肤上作用数个微孔，微孔之间是正常皮肤，激发皮肤修复机制使真皮产生更多新的胶原并重组，起到除皱紧肤效果，磨削类波长激光还有气化剥脱作用，故而可用于疤痕的治疗。适应于： 细小皱纹、紧肤、全面部改善、痤疮疤痕、外伤疤痕。,调Q激光,技术参数:波长694/755/1064nm,脉宽ns作用原理:波长基于选择性光热作用原理，靶组织为黑素小体，可产生瞬间高能量爆破色素团块，起到对真皮色素疾病治疗的目的。适应于： 太田痣、纹身、纹眉等,长脉冲1064激光,技术参数:波长1064nm,脉宽ms作用原理:激光可穿透至真皮，很好的被氧合血红蛋白吸收，通过热效应使血管壁凝固，从而封闭血管，也可刺激深部胶原重组，起到去皱的效果。适应于： 血管瘤、静脉曲张、线性皱纹及凹陷性疤痕等,脉冲染料激光,技术参数:波长585、595nm,脉宽前者300450um，后者0.54ms可调。作用原理:两种波长均可很好的被氧合血红蛋白吸收，通过热效应使血红蛋白和血管壁凝固，从而封闭血管，比较而言，585血红蛋白吸收较好，595波长穿透更深。适应于：鲜红斑痣、毛细血管扩张、蜘蛛痣等,半导体脱毛激光,技术参数:波长810nm,脉宽一般在5400ms。作用原理:该波长能被毛囊黑色素很好的吸收，达到热损伤破坏毛囊的作用，治疗时较长的脉宽适合深肤色人群。适应于：各部位多余毛发的脱除。,射 频,技术参数:电磁波频率范围在数百千赫到数百兆赫兹的范围内，一般分为单极和双极。作用原理:皮肤组织在电磁场的电极极性迅速地反复改变，从而产生热效应，一方面使胶原纤维遇热收缩，另一方面促进胶原纤维的增生，这两方面都起到除皱紧肤的效果。适应于：皮肤松弛、中度皱纹、溶解塑身。,激 光 美 容,随着物质文化和人们生活水平的提高，人们对与美的追求也与日俱增，与之相适应的现代激光激光为代表的各项美容技术在近年得到了长足的发展。,激光在医学领域的发展,激光第一个被应用的领域是医学，并得到了日新月异的发展，,激光医学的发展大致经历了四个阶段：,20世纪60年代为基础研究阶段,激光医学的基本理论研究大部分在60年代就完成了。自第一台激光器问世后，被称为“激光医学奠基人”的GoldmanL（著名皮肤病学专家）等就开始在皮肤上研究了激光与生物组织的相互作用；1961年有人将红宝石激光试用于对剥离的视网膜进行焊接；1963年，GoldmanL开始将红宝石激光应用于良性皮肤损害和文身治疗并取得成功，开创了激光医学应用的先河。,60年代中后期还相继研制出氩离子（Ar）激光、低功率CO2激光和钕玻璃激光，但临床应用不多。我国在激光器研究的初期走在了世界前列，1961年长春光机所研制了我国的首台红宝石激光器，1965年北京同仁医院开始了红宝石激光视网膜凝固的动物实验，1968年上海研制出Nd：YAG（掺钕钇铝石榴石）激光。,20世纪70年代为临床试用阶段,1970年GoldmanL等人首次用连续CO2激光治疗基底细胞癌和皮肤血管瘤，由于连续地提供有效的激光功率和能量密度，克服了早期脉冲激光功率低、效率低的缺点，从而掀起了国内外首次激光医疗热潮，连续CO2激光被广泛地用于外科、皮肤科、五官科、妇科、理疗料、针灸科和肿瘤科等，并取得了较满意的效果。,70年代应用于皮肤美容的连续激光还有Ar+、Cu蒸气和Nd：YAG等激光。这些连续激光对组织的热损伤属非选择性的，治疗后常伴随皮肤瘢痕色素减退等副作用，尚达不到良好的美容效果。,20世纪80年代为学科形成阶段,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，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。,根据选择性光热作用设计的脉冲激光机在80年代有很大进步。相继出现了铒激光、准分子激光、以及不断完善的CO2激光和脉冲染料激光，激光新技术已经比较成熟地用于研究、诊治疾病和美容治疗，并且已经形成了一支庞大的专业化队伍，这是激光医学学科形成的重要标志之一。