激光专业知识课件.ppt
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1、激光基础知识许本芳1激光/许本芳01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目目录录06设备与美容2激光/许本芳第一节 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3激光/许本芳第二节 激光简介 激光是20世纪以来,继原子能、计算机、
2、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4激光/许本芳第三节 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5激光/许本芳第一章 激光的概述理论基础:R.C.Tolman(托尔曼)指出:具有粒子数反转
3、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6激光/许本芳第三节 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7激光/许本芳第三节 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)
4、的新想。Schawlow肖洛Townes汤斯8激光/许本芳第三节 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9激光/许本芳第三节 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
5、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10激光/许本芳第四节 我国激光器研究情况第一章 激光的概述11激光/许本芳第五节 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。12激光/许本芳第五节 激光技术的应用光
6、盘第一章 激光的概述光盘存储器原理激光刻蚀与读出13激光/许本芳第一章 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14激光/许本芳第一章 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15激光/许本芳第一章 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)16激光/许本芳第一章 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17激光/许本芳第一节 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18激光/许本芳第一节 激光器的结构图内部结构图详解第二章 激光
7、的认识19激光/许本芳第二节 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(active medium)或工作物质。第二章 激光的认识20激光/许本芳第二节 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
8、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21激光/许本芳第二节 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
9、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。22激光/许本芳第三节 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
10、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23激光/许本芳第四节 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图一图二24激光/许本芳受激辐射:处于高能态(Eh)的原子,受入射光子(h=Eh-El)的诱导
11、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 图三25激光/许本芳光放大: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四26激光/许本芳第四节 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
12、数反转图二:光子反射图四:光能跃迁图五:光能放大、透射Light Amplification by Stimulated Emission of RadiationLASER/激光27激光/许本芳第五节 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210-9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。28激光/许本芳 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、
13、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)29激光/许本芳 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
14、二章 激光的认识第五节 激光的特性相干性30激光/许本芳密集性: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)31激光/许本芳亮度高: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32激光/许本芳第一节 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
15、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)33激光/许本芳第二节 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。Anderson RR&Parish JA,Scienc
16、e 1983 适当的波长 适当的脉宽 适当的能量Rox Anderson 博士Parish JA博士第三章 选择性光热理论(原理)34激光/许本芳波长: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35激光/许本芳能量:选择能够在耙组织上产生足够的温度使之破坏
17、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(Thermal Relation Time)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36激光/许本芳第三节 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
18、的损伤明显加强。结论:脉冲宽度应该靶组织热驰豫时间。治疗原则:科学选择光源并将热量限制在靶组织。第三章 选择性光热理论(原理)37激光/许本芳第四章 激光的效应第一节 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、输出方式以及皮肤组织本身的特性都有密切关系。反射散射透射吸收38激光/许本芳 由于一种介质进入另一种介质在界面上折射系数的改变而引起的。如空气和皮肤的折射系数不同,垂直的入射光5%-7%在角质层就被反射了,在可见光中这个表面反射系数相对不变。研究表明,皮肤对激光的反射与波长有关,在40
19、0700nm的可见光范围内,波长越长,反射越多。在激光的防护中具有重要意义。第四章 激光的效应第一节 激光在人体皮肤组织上的效应反射39激光/许本芳 激光进入皮肤组织后,由于分子、粒子、细胞而导致光的方向发生改变,散射可以发生在各个方向,是影响穿透的重要因素。第四章 激光的效应第一节 激光在人体皮肤组织上的效应散射40激光/许本芳 激光在传播过程中如果遇到一种便于可穿透的物质,其电子的激活的能量远远高于或者低于光子的能量需求,这样该物体不能吸收任何光子,光就可以毫不受影响地穿过它了,这就是光的透射原理。第四章 激光的效应第一节 激光在人体皮肤组织上的效应透射(传导)41激光/许本芳激光的能量进
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