医用物理学第9章 激光

第9章

激光Laser激光又名镭射(Laser)它的全名是“辐射的受激发射光放大”。(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)激光是二十世纪六十年代出现的一种新型光源——激光器发出的光。1960年美国休斯研究实验室的梅曼制成了第一台红宝石激光器,1961年9月中国科学院长春光学精密机械研究所制成了我国第一台激光器。此后,在激光器的研制、激光技术的应用以及激光理论方面都取得了巨大进展，并带动了一些新型学科的发展,如全息光学、傅立叶光学、非线性光学、光化学等，激光还与当今的重点产业——信息产业密切相关。

光源发射辐射的发光体反射辐射的物体（次级光源）特性：大小、强度、颜色点光源线度小到可以忽略的光源一、光源的发光机理原子发光激发态寿命10-11～10-8s自发辐射一定频率，长度有限的光波列E1E2基态激发态分子，凝聚物质发光能级分布准连续连续频率的光波列光源发光大量原子和分子持续、随机地发射的光波列二、单色辐射和多色辐射热辐射光源白炽灯、弧光灯、太阳非热辐射光源气体放电管、钠光灯、水银灯、日光灯光谱

光的强度按频率（或波长）的分布线光谱连续光谱400nm500nm600nm700nmH2HgNa太阳吸收光谱自发辐射的过程与外界作用无关，各个原于的辐射都是自发地、独立地进行的，因而各个光子的发射方向和初位相都不相同。激光产生原理自发辐射此外，由于大量原子所处的激发态不尽相同，可以发出不同频率的光，这是普通光源发光机理。由此可见，自发辐射的光一般总不是单色光，而且不是相干光。自发辐射1、吸收过程：2、自发辐射过程：激发态E2E3E4基态E1处在激发态能级上的原子，若有一个外来光子趋近它，这原子就可能受到外来光子的“刺激”(或者称“感应”)，从高能级En向基态Em跃迁而辐射出光子，这个过程称做受激辐射．受激辐射:受激辐射产生的光子和外来光子有完全相同的特征，就是它们的频率、位相、振动方向和传播方向都相同,是特征完全相同的相干光.受激辐射过程：

E1

E2受激辐射的特点结论：受激辐射产生的光子与原来的光子具有完全相同的状态。结论：受激辐射而得到的光是相干光。

实用激光器中，主要构件的大体情况如下：反射镜激励源工作物质激光谐振腔1．激光工作物质必须能在该物质中实现粒子数反转。可以是气体、液体、固体或半导体。现已有工作物质近千种，可以产生波长从紫外到远红外波段的激光。E1E2粒子数反转粒子数反转粒子数反转分布具有亚稳态的原子结构，才能实现粒子数反转。红宝石激光器（三能级系统）E2E3E1E2E3E1(10-8s)E2E3E1(10-3s)

激励源（泵）为使工作物质中出现粒子数反转，必须用一定的方法激励原子体系，使处于高能级的粒子数增加。反射镜激励源工作物质激光谐振腔用气体放电的办法激发物质原子，称为电激励，也可用脉冲光源去照射工作物质，称为光激励，还有热激励，化学激励等。为了不断地得到激光输出，就需不断地将处于低能级的原子抽运到高能级上去，激励源形象地称为泵。谐振腔所谓光学谐振腔，实际上是在激光器两端，面对面地装上两块反射率很高的平面镜，一块平面镜对光几乎全反射，另一块则让光大部分反射，少部分透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。反射镜的一个作用是使光沿工作物质轴线在反射镜间来回反射，每经过一次工作物质光就得到一次放大，被反射回到工作物质的光，继续诱发新的受激辐射，光在谐振腔内来回振荡，造成连锁反应，雪崩式地获得放大。光在放大介质中经历的路程越长，和越多的原子发生作用，才能获得越有效的光放大。但是把工作物质作得无限长是不现实的。光放大受激辐射的起始光信号来源于自发辐射，而自发辐射的光包含较大的波长范围，这样较大范围的波长都有可能被放大，从而导致了非单一波长的光输出。在反射镜上镀一层对一定波长光具有反射率的薄膜，使只有该波长的光才能在谐振腔内来回反射，而其它波长的光在经过一次反射镜时就逸出腔外。激光出射波长选取激光的理论基础是爱因斯坦博士奠定的。1960年7月7日，梅曼成功制成了世界上第一台红宝石激光器，梅曼仍两次获得诺贝尔奖提名因病于温哥华，享年79岁。梅曼罹患的是系统性肥大细胞增多症(systemicmastocytosis)，一种罕见的遗传疾病。常用激光器工作物质:工作方式固体激光器气体激光器半导体激光器液体激光器单脉冲激光器连续激光器巨脉冲激光器(加Q开关)激光器的种类现在人们已经按照实际应用的需求，造出了各种各样的激光器。通常可以按工作物质、激励方式、运转方式、输出波长范围等几方面来进行分类。一．按工作物质分类1.固体激光器工作物质有红宝石、钕玻璃、钇铝石榴石（YAG）等，是在作为基质的材料的晶体或玻璃中均匀地掺入少量离子，称为激活离子。产生激光发射作用的是掺入的离子。可作为激活离子的有过渡族金属离子如铬离子(Cr3+)、稀土金属离子如钕离子(Nd3+)、锕系离子等。一般来说固体激光器具有器件体积小，坚固，使用方便，输出功率大的特点。气体激光器工作物质是气体或金属蒸气。气体激光的特点是激光输出波长范围较宽。常用的氦-氖激光器，是通过气体放电使Ne原子产生粒子数反转，输出激光的波长为632.8nm（红光）。气体激光器具有结构简单、造价低、操作方便、光束质量好以及能长时间较稳定连续工作的特点，是目前品种最多应用最广泛的激光器。

3.半导体激光器以半导体为工作物质，产生激光的方法有p-n结注入式、电子束激发、光激发、雪崩式击穿等。它体积小重量轻，寿命长，结构简单而坚固，特别适于飞机、车辆、宇宙飞船之用。现在的光驱、VCD、DVD的激光头都是一个小型半导体激光发射器。4.液体激光器常用有机染料作工作物质，大多数情况是把有机染料溶于乙醇、丙酮、水等，也有以蒸汽状工作的。液体激光器的工作原理比较复杂，但输出的波长连续可调，且覆盖面宽。

5.自由电子激光器以自由电子为工作物质。把凡是利用自由电子与电磁波相互作用所产生的从微波到X射线的受激辐射均称为自由电子激光。这是一种特殊类型的新型激光器，被电子加速器加速的电子流注入周期变化的磁场。只要改变电子束的速度就可产生波长连续变化的相干电磁辐射，原则上其相干辐射谱可从X射线波段过渡到微波区域，其峰值功率和平均功率高且可调，相干性好，可获得偏振输出，因此具有很诱人的前景。其它还有光纤激光器、化学激光器、单原子激光器、X射线激光器等。

按运转方式分类可分为连续激光器、单次脉冲激光器、重复脉冲激光器，调Q激光器、锁模激光器、单模和稳频激光器、可调谐激光器等等。按激励方式分类可分为光泵式激光器，电激励式激光器，化学激励激光器（又称化学激光器），核泵激光器。

按输出激光的波段范围分类可分为远红外激光器、中红外激光器、近红外激光器、可见激光器、近紫外激光器、真空紫外激光器、X射线激光器等。氦氖激光器为使气体放电，两极间加几千伏高压，混合气体产生受激辐射的是氖原子，氦原子是起传递能量的作用。工作介质是氦-氖的混合气体，比例5:1~10:1，压强250~400Pa。激光器用气体激励，即用电子碰撞来激发原子。因为气体放电使氦激发比使氖激发容易得多，所以先激发氦原子到某亚稳态(与氖原子中某亚稳态非常接)，氦原子可以通过碰撞把能量转移到氖原子，使氖原子激发。氖原子产生激光的基本过程类似于四能级系统。激光束的主要特性普通光源发出的光是向各个方向辐射并随着传播距离的增加而衰减。主要原因是这些光源发的光是组成光源的大量分子或原子在自发辐射过程中“各自为政”辐射光子。激光是入射光子经受激辐射过程被放大。由于激光产生的机理与普通光源的发光不同，这就使激光具有不同于普通光的一系列性质。

1.方向性好激光要在谐振腔内来回反射，若光线偏离轴线，则多次反射后终将逸出腔外，因此从部分透明的反射镜射出的激光方向性好。良好的方向性使激光是射得最远的光，应用于测距、通讯、定位方面。2.亮度高激光的辐射范围在1×10-3rad（0.06º）左右，激光的亮度将是普通光源的上百万倍。1962年人类第一次从地球上发出激光束射向月球，由于激光的方向性好、亮度高，加上颜色鲜红，所以能见到月球上有一红色光斑。激光的高亮度在激光切割、手术、军事上有重要应用，现正研究用高亮度的激光引发热核反应。3.单色性好光的颜色取决于光的波长，通常把亮度为最大亮度一半的两个波长间的宽度定义为这条光谱线的宽度，谱线宽度越小，光的单色性越好。可见光部分的颜色有七色，每种颜色的谱线宽度为40-50nm，激光的单色性远远好于普通光源，如氦-氖激光器输出的红色激光谱线宽度只有10-8nm。激光良好的单色性使激光在测量上优势极为明显。4.相干性好当激光束分成两束进行迭加时，产生的干涉条纹非常清晰。

激光特点方向性好亮度高单色性好相干性好激光应用热效应电磁场效应压力效应光效应

激光的应用一．激光在自然科学研究上的应用非线性光学效应在熟悉的反射、折射、吸收等光学现象中，反射光、折射光的强度与入射光的强度成正比，这类现象称为线性光学现象。如果强度除了与入射光强度成正比外，还与入射光强度成二次方、三次方乃至更高的方次，这就属非线性光学效应。这些效应只有在入射光强度足够大时才表现出来。当高功率的激光器问世后，人们在激光与物质相互作用过程中观察到非线性光学现象，如频率变换，拉曼频移、自聚焦、布里渊散射等。用激光固定原子气态原子、分子处在永不停息的运动中（速度接近340m/s），且不断与其它原子、分子碰撞，要“捕获”操纵它们十分不易。1997年华裔科学家、美国斯坦福大学朱棣文等人，首次采用激光束将原子束冷却到极低温度，使其速度比通常作热运动时降低，达到“捕获”操纵的目的。1997年朱文棣、科恩、飞利浦三人因此而获诺贝尔物理学奖。此项技术在光谱学、原子钟、研究量子效应方面有着广阔的应用前景。具体作法是，用六路两两成对的正交激光束，沿三个相互垂直的方向射向同一点，光束始终将原子推向这点，于是约106个原子形成的小区，其温度在240μK以下。这样使原子的速度减至10m/s量级。后来又制成抗重力的光-磁陷阱，使原子在约1s内从控制区坠落后被捕获。激光测距激光雷达激光准直利用激光的高亮度和极好的方向性，做成激光测距仪、激光雷达和激光准直仪。激光测距的原理与声波测距的道理差不多，因为光速c已知，只要测量从激光发射至接收到从物体反射回来的激光的时间间隔即可。激光雷达对准的是运动目标或相对运动的目标。激光制导的导弹，头部有四个排成十字形的激光接收器（四象限探测仪）。如果四个接收器收到的激光一样多，就按原来方向飞行，如果有一个接收器接收的激光少了，它就自动调整方向。另一类可用激光束照射要打击的目标，经目标反射的激光被导弹上的接收器收到，引导导弹击中目标。激光用在加工领域以激光良好的单色性和相干性为基础。激光全息技术可以用作无损探伤，即不用损坏零件便可检测出零件内部的缺陷。利用激光的亮度高和方向性好可以在机加工领域大有作为。如可以在零件上打一般钻头不能打的异形孔和尺寸达微米级的小孔。利用激光进行切割，具有速度快，切面光洁，不发生形变的特点。激光焊接可焊一般焊接法不能焊的难熔金属。还可以利用激光亮度高、能量集中、可通过理论计算进行控制的特点对金属工件表面进行改性处理。激光信息处理激光技术能大幅度提高信息处理能力，特别是引入激光后。全息技术是1948年英国科学家盖伯提出的一种新的成像原理，“全息”一词引处希腊语，是“完全”的意思。但由于当时没有好的相干光源，因而无法获得好的相干像片。激光的出现，使全息术飞速发展成为一个新领域，盖伯因此获1971年诺贝尔物理学奖。普通照像是把从物体表面发出的光经过透镜，在感光底片上记录下物体的光强分布，再翻印到相纸上，呈现出物体的平面图像。普通照像只记录了物体表面的光强分布，没有记录到物体各部分到观察者的远近和角度，即没记录下物体发出光线的相位分布，这样的像没有立体感。全息照像是用相干光照射物体，从物体反射或漫射的光不是用透镜成像而是直接照射到全息底片上，用干涉现象把那些光的光强分布和相位记录下来。底片上没有被拍物体的形象，在显微镜下可看到的是一幅长短不一、间距不等、走向不同的复杂干涉条纹，称为全息图。要想看到图样，用相干光按一定方式照射全息图，在一定方向可看到物体的像，称为再现。再现的是从物体反射或漫射的光束本身，所以像是立体的。光刻技术，如光刻集成电路、光盘。光盘的外形有点像唱片，写入读出的原理也和机械唱片差不多，只是用激光束来代替唱针，因为激光的相干性很好，用聚光系统可以把激光聚焦成比针头还细小的光束，所以它在介质上写入信息所占空间尺寸可以非常小（小于1nm）因而信息存储密度很大。CD唱片是用声音调制了的激光束刻制光盘，由于在读写光盘时光点与光盘无机械接触，就不存在由摩擦引起的杂音，同时也无磨损，因而光盘音质佳、寿命长。激光通信激光通信也是利用激光束单色性好，方向性好的特点。要想提高传递信息容量比较有效的办法是提高载波的频率，如用波长10cm的电波代替波长100m的电波，通信容量可以提高1千倍，所以从19世纪开始不断发展短波通信，最初使用波长几千米的无线电通信（长波通信），后来发展为波长几百米的中波通信，20世纪50年代又发展厘米级的微波通信，波长再缩短进入光波波段，光波的频率在1014HZ-1015HZ之间，厘米波的频率是1010HZ左右，所以光波通信的容量又比微波通信提高1万倍到10万倍。但普通光源发出光波是不能作通信载波的，因为普通光源发出的光单色性不好，若用这种光波作载波，相当于同时有多套频率的节目到达接收器，所以效果差。激光提供了单色性很好的光波，光波通信才进入实用化阶段。利用光波的载波通信做法与微波通信类似，激光器输出的光束经过光电调制器调制后送到发射天线（一只光学反射镜）发射出去，在用户接收端，接收天线（也是反射镜）把传送过来的光信号汇集到光电接收器上转换为电信号，再经电放大和解调后就可以得到所传递的信息。在实际应用中为避免光波在大气中传播的损失，光信号是在光纤内传递的，光信号在光纤中的损耗很小。现在发展的光计算机是用光波束代替电流构造计算机，会获得更高的运算速率和容量。在显示技术上，激光液晶大屏幕将代替阴极射线管，有可能成为21世纪电视的主角。激光的生物应用生物育种上可以采用“诱发育种”方法培育良种，诱发育种也有化学诱变、核辐射诱变、光诱变等，激光照射属光诱变。生物组织吸收激光能量后，将会使生物体发生光-生物热效应、生物光压效应、生物光化学效应、生物电磁效应和生物刺激效应，由此引起生物遗传异变。我国已用激光照射种子培育新品种，改善品质。激光用于医学领域

1.激光刀是用光学系统聚焦的激光束作用于生物体组织，在短时间内使之烧灼和气化。当光束以一定速度移动