激光的基本原理Word文档下载推荐.docx
《激光的基本原理Word文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《激光的基本原理Word文档下载推荐.docx（13页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
图2
1.基能级上的粒子
2.粒子被激发到E2能级上
图3
1.处于高能级E2上的粒子
2.粒子跃迁到低能级E1上，同时发射出一个光子
（3）受激辐射它是与受激发吸收的相反过程。
处于高能级的粒子，在某种频率r21光子诱发下，从原来所在的能级上E2，放出与外来光子完全相同光子，此时既产生了一个光子（受激发前后共有2个光子），使原来的能量减少△E＝hr21。
把高能级上的粒子跃迁到低能级E1上的这一过程称做受激辐射（见图4）。
受激辐射的特点本身不是自发跃迁，而是受外来光子的刺激产生。
因而粒子释放出的光子与原来光子的频率、方向传播、相位及偏振等完全一样，无法区别出哪一个是原来的光子，哪一个是受激发后而产生的光子，受激辐射中由于光辐射的能量与光子数成正比例，因而在受激辐射以后，光辐射能量增大一倍。
以波动观点看，设外来光子为一种波，受激辐射产生的光子为另一种波，由于两个波的相位、振动方向，传播的方向及频率相同。
两个波合在一起能量就增大一倍，即通过受激辐射光波被放大。
外来光子量越多，受激发的粒子数越多，产生的光子越大，能量越高。
（参见图5）。
图4
1.处于高能级E2上的粒子。
2.粒子跃迁到低能级E1上，同时发射出一个光子。
图5
受激辐射时光束放大
从上可知，受激辐射及吸收同时存在于光辐射与粒子体系，是在同一整体之中相互对立的两个方面，它们发生的可能性是同等的，这两个方面即受激辐射与吸收哪一个占主导地位，取决于粒子在两个能级上的分布。
激光器发出的激光就是利用受激辐射而实现的，也就是在基发态的粒子数尽可能多些。
以实现受激辐射。
二、粒子数反转与光放大
在受激辐射中怎样把粒子数提高到高能级上，总的来说粒子数在能级上的分布有两种：
一种是热平衡分布，即粒子体系（同种粒子）在热平衡状态下，各能级上的粒子数遵从玻耳兹曼分布：
公式Ni＝Ne－Ei/KT，Ni为单位体积中总的粒子数，K为玻耳兹曼常数（1.38×
10-6），T为绝对温度。
把两上能级上的粒子数相比时可以看到，N2/N1＝e（-E2-E1）/KT，由于E2＞E1，而绝对T≠0，K是正整数，KT＞0因此N2＜N1。
其主要原理是高能级上的粒子数，要比低能级的粒子数少（在受激发时）。
光辐射在热平衡状态下的粒子体系在相互作用下，粒子体系吸收光子的数大于受激辐射产生的光子数，光吸收起主导作用。
在一般的情况下观察不到光的放大现象，但可以观察到光的吸收现象。
要想实现光的放大作用，必须得把热平衡分布倒转过来，就可使粒子数在能级中进行另一种新的分布，即非热平行分布。
这种新的分布使高能级上粒子分布的数量大于在低能级上粒子分布的数量，即N2＞N1。
这时受激辐射的过程大于吸收过程，从而实现光放大，一般常称为粒子反转分布。
所谓的“反转”，是对热平衡分布比较而言。
处于高能级被反转上去的粒子很不稳定，常会自发在或在外加的刺激下辐射出能量，从高能级粒子跃迁到低能级上，促使粒子体系回到热平衡分布状态。
因而可以看出，实现粒子数反转是实现受激辐射的必要条件之一。
粒子数如何实现反转分布，涉及两个方面：
一是粒子体系（工作物质）的内结构；
二是给工作物质施加外部作用。
所讲的工作物质是指在特定条件下能使两个能级间达到非热平衡状态，而实现光放大，不是每一种物质都能做工作物质。
粒子体系中有一些粒子的寿命很短暂，只有10-8秒。
有一部分寿命相对较长些，如铬离子在高能级E2上寿命只不过是几个毫秒。
寿命较长的粒子数能级叫做亚稳态能级，除铬离子外，还有一些亚稳态能级，主要有钕离子、氖原子、二氧化碳分子、氪离子、氩离子等。
有了亚稳态能级，在这一时间内就可以实现某一能级与亚稳态能级实现粒子数反转，以达到对特定频率辐射光进行光放大。
意即粒子数反转是产生光放大的内因。
那外因是什么？
既对亚稳态能级粒子体系（主要工作物质）增加某种的外部作用。
由于热平衡的分布中粒子体系处于低能级的粒子数，总是大于处在高能级上的粒子数，当要实现粒子数反转，就得给粒子体系增加一种外界的作用，促使大量低能级上的粒子反转到高能级上，这种过程被叫做激励，或被称为泵浦，尤如把低处的水抽到高处一样。
经过大量实践，了解并掌握了一些粒子数反转的有效方法。
对固体形的工作物质常应用强光照射的办法，即为光激励。
这类工作物质常应用的有掺铬刚玉、掺钕玻璃、掺钕钇铝石榴石等等。
对气体形的工作物质，常应用放电的办法，促进特定储存气体物质按一定的规律经放电而激励，常应用的工作气体物质，有分子气体（如CO2气体）及原子气体（如He-Ne原子气体）（见图6）。
如工作物质为半导体的物质，采用注入大电流方法激励发光，常见的有砷化镓，这类注入大电流的方法被叫做注入式激励法。
此外，还可应用化学反应方法（化学激励法）、超音速绝热膨胀法（热激励），电子束甚至用核反应中生成的粒子进行轰击（电子束泵浦、核泵浦）等方法，都能实现粒子数反转分布。
从能量角度看，泵浦过程就是外界提供能量给粒子体系的过程。
激光器中激光能量的来源，是由激励装置，其它形式的能量（诸如光、电、化学、热能等）转换而来。
图6
三、光学谐振腔
处于粒子数反转状态的粒子体系（工作物质）。
具有特定频率的光进行放大。
激光振荡器中工作物质发出的光不是外来的，而是工作物质本身自发跃迁而产生的，即自发辐射（非受激辐射）。
由于自发辐射没有确定的频率及传播方向，且杂乱无章。
为使自发辐射频率单一性，就需要有一装置来实现，即光学谐振腔。
要解决自发辐射，使其呈单一性的方法是只有在工作物质的两侧放置两块反射镜。
而且两块反射镜必须彼此平行，并与工作物质的光轴垂直（见图7）。
两个反射镜中，一个是全反射镜，反射有效率为99.8％，一个是半反射镜。
反射率为40％～60％。
谐振腔即指两块反射镜构成的空间。
在谐振腔中，初始的光辐射是来自自发辐射，即处于高能级上粒子自发辐射光子跃迁到低能级。
由于这类辐射出来的光子初相位无规律地向四面八方射出。
这种光不是激光。
而是像点燃的一个火种——尤如生炉子点火一样。
图7
激光振荡反射示意图
自发辐射光子不断产生，同时射向工作物质，再激发工作物质产生很多新光子（受激辐射）。
光子在传播中一部分射到反射镜上，另一部分则通过侧面的透明物质跑掉。
光在反射镜的作用下又回到工作物质中，再激发高能级上的粒子向低能级跃迁，而产生新的光子。
在这些光子中，不在沿谐振腔轴方向运动的光子，就不与腔内的物质作用。
沿轴方向运动的光子，经过谐振腔中的两个反射镜多次反射，使受激辐射的强度越来越强。
促使高能级上的粒子不断地发出光来。
如果光放大到超过光损耗时（衍射、吸收、散射等损失）产生光的振荡，使积累在沿轴方向的光，从部分反射镜中射出这就形成激光。
在谐振腔的反馈过程中，我们了解到光只能沿谐振腔的轴向传播，因此激光具有很高的方向性。
又由于谐振腔中两个反射镜之间距离不同，光在腔内不断地反射，得到加强。
而其它波长的光在腔内很快被衰减掉，谐振腔就可以选择一固定波长，说明激光具有单色性。
而激光的亮度高是由光放大产生的。
四、产生激光的条件和过程
激光的产生，必须有激光器，而激光器必须具备三个主要的组成部分。
1．激活物质
即被激励后能发生粒子数反转的工作物质，也称做激光工作物质。
诸如氖、氩、CO2、红宝石及钕玻璃等。
必须具备有亚稳态能级性质的物质。
2．激励装置
能使激活介质发生粒子数反转分布的能源，既称为激励装置。
如各种激光器所具备的电源。
3．光学谐振腔能使光子在其中重复振荡并多次被放大的一种由硬质玻璃制成的谐振腔。
产生激光的过程可归纳为：
激励→激活介质（即工作物质）粒子数反转；
被激励后的工作物质中偶然发出的自发辐射→其它粒子的受激辐射→光子放大→光子振荡及光子放大→激光产生。
基于以上所述，在激光产生的原则中缺一因素不可。
从原理了解激光形成的过程，对具体使用好激光很重要。
并可能在工作中能得心应手地掌握激光。
能尽量大限度地维护激光器，及防止在使用激光工作时所产生的伤害。
由于激光波长与不同种类的激光器中的工作物质密切相关，在后将作详述。
五、激光器的分类
目前，应用的激光器种类很多，如以组成激光器的工作物质来说可分为气体激光器、液体激光器、固定激光器、半导体激光器、化学激光器等。
在同一类型的激光器中又包括有许多不同材料的激光器。
如固体激光器中有红宝石激光器、钇铝石榴石（Nd∶YAG）激光器。
气体型的激光器主要有He-Ne（氦－氖）、CO2及氩离子激光器等。
由于工作物质不同，产生不同波长的光波不同，因而在工业加工应用也不相同。
最常用而范围广的有CO2laser及Nd∶YAG激光。
有的激光器可连续工作，如He-Nelaser；
有的以脉冲形式发光工作。
如红宝石激光。
而另一些激光器既可连续工作，又可以脉冲工作的有CO2laser及Nd∶YAGlaser。
在我国的医疗单位，以应用最广、使用率最高是主要是CO2激光和Nd∶YAGlaser，He-Nelaser。
前二者主要用于破坏性治疗，俗称汽化、炭及止凝，切割；
后者主要用于做软组织病变（炎性改变）照射或穴位、及经CO2、Nd∶YAG激光手术后的照射补充治疗。
CO2laser及Nd∶YAGlaser由于功率大，常称大功率激光器，即光刀；
He-Ne功率小，称弱激光或光针。
在本章中仅对激光器的种类结构作一介绍，目的是能使人们全面了解及应用性参考。
（一）固体激光器
实现激光的核心主要是激光器中可以实现粒子数反转的激光工作物质（即含有亚稳态能级的工作物质）。
如工作物质为晶体状的或者玻璃的激光器，分别称为晶体激光器和玻璃激光器，通常把这两类激光器统称为固体激光器。
在激光器中以固体激光器发展最早，这种激光器体积小，输出功率大，应用方便。
由于工作物质很复杂，造价高。
当今用于固体激光器的物质主要有三种：
掺钕铝石榴石（Nd∶YAG）工作物质，输出的波长为1.06μm呈白蓝色光；
钕玻璃工作物质，输出波长1.06μm呈紫蓝色光；
红宝石工作物质，输出波长为694.3nm，为红色光。
主要用光泵的作用，产生光放大，发出激光，即光激励工作物质。
固体激光器的结构由三个主要部分组成：
工作物质，光学谐振腔、激励源。
聚光腔是使光源发出的光都会聚于工作物质上。
工作物质吸收足够大的光能，激发大量的粒子，促成粒子数反转。
当增益大于谐振腔内的损耗时产生腔内振荡并由部分反射镜一端输出一束激光。
工作物质有2条主要作用：
一是产生光；
二是作为介质传播光束。
因此，不管哪一种激光器，对其发光性质及光学性质都有一定要求。
（二）气体激光器
工作物质主要以气体状态进行发射的激光器在常温常压下是气体，有的物质在通常条件下是液体（如非金属粒子的有水、汞），及固体（如金属离子结构的铜，镉等粒子），经过加热使其变为蒸气，利用这类蒸气作为工作物质的激光器，统归气体激光器之中。
气体激光器中除了发出激光的工作气体外，为了延长器件的工作寿命及提高输出功率，还加入一定量的辅助气体与发光的工作气体相混合。
气体激光器大多应用电激励发光，即用直流，交流及高频电源进行气体放电，两端放电管的电压增压时可加速电子，带有一定能量，在工作物质中运动的电子与粒子（气体的原子或分子）碰撞时将自身的能量转移给对方，使分子或原子被激发到某一高能级上而形成粒子数反转，产生激光。
气体激光器与固体激光器相比较，两者中以气体激光器的结构相对简单得多，造价较低，操作简便，但是输出功率常较小。
因气体激光器中的工作物质不同。
因此分中性（惰性）原子、离子气体、分子气体三种激光器。
中性原子气体激光器这类激光器中主要充有以惰性气体（氦、氖、氩、氪等）的物质。
氦－氖（He-Ne）激光器
首台氦－氖激光器诞生于1960年，它可以在可见光区及红外区中产生多种波长和激光谱线，主要产生的有632.8nm红光、和1.15μm及3.39μm红外光。
632.8nm氦－氖激光器最大连续输出功率可达到一W，寿命也达到一万小时以上。
借助调节放大电流大小，使功率稳定性达到30秒内的误差为0.005％，十分钟内的误差为0.015％的功率稳定度；
发散角仅为0.5毫弧度。
氦氖激光器除了具有一般的气体激光器所固有的方向性好，单色性好，相干性强诸优点外，还具有结构简单、寿命长、价廉、频率稳定等特点。
氦氖激光在医疗卫生方面有很广泛的用途。
氦氖激光器的工作原理：
氦氖激光器的激光放电管内的气体在拥有一定高的电压及电流（在电场作用下气体放电），放电管中的电子就会由负极以高速向正极运动。
在运动中与工作物质内的氦原子进行碰撞，电子的能量传给原子，促使原子的能量提高，基态原子跃迁到高能级的激发态。
这时如有基态氖原子与两能级上的氦原子相碰，氦原子的能量传递给氖原子，并从基态跃迁到激发的能级状态，而氦原子回到了基态上。
因为放电管上所加的电压，电流连续不断供给，原子不断地发生碰撞。
这就产生了激光必须具备的基本条件。
在发生受激辐射时，分别发出波长3.39μm，632.8nm，1.53μm三种激光，而这三种激光中除632.8nm为可见光中的红外光外，另二种是红外区的辐射光。
因反射镜的反射率不同，只输出一种较长的光波632.8nm的激光。
He-Ne激光器结构：
此类激光器的结构大体可分为三部分，既放电管、谐振腔和激发的电源。
现在临床上最常应用的为内腔式。
He-Ne激光的放电管，最外层是用硬质玻璃制成。
放电的内管直径约2～3mm，管长几厘米到十几厘米，放电管越长功率越大，相应的放电电压就高。
管内主要按5∶1～10∶1的比例充入氦氖混合气体达到总气压约2.66～3.99Pa。
管的一端装有铝圆筒作阴极（其圆管状结构主要是为了减少放电测射），另一端装有钨针作阳极，放电管两端装有反射镜（即一头为全反射镜，出光一端为半反射镜）。
这就构成了激光放电管。
在氦氖激光器中，采用的谐振腔有球面腔或平凹腔。
一般腔镜内侧镀有高反射率的介质。
在其中一端反射率为100％，另一端反射率由激光器的增益而定。
放电毛细管长度约15～20cm，He-Ne激光器的半反射镜的半反射镜的反射率98.5％～99.5％。
谐振腔的轴线和放电毛细管轴偏离不超过0.1mm。
He-Ne激光器的外界激励能源与固体激光器不相同，不能使用光泵激励，而采用电激励的方法。
把工作物质封入放电管中，供以直流、交流及射频等方式激励气体放电。
通过放电过程把能量传给工作物质，促使气体中的离子、原子被激发。
医疗中使用的激励方法主要是以直流电激发出光。
大体结构主要有高压变压器、整流与滤波回路、限流与稳流回路组成。
（三）分子气体激光器
分子气体激光器与原子气体激光器不一样，分子气体由碳和氧组成（最常用），其原则上是能够实现高效率与高功率输出。
分子气体激光器通过分子能级间的跃迁产生激发振荡的一和种激光器，分子能级跃迁形式与原子能级跃迁相同。
只不过是工作物质为分子与原子的差别。
分子气体激光器中主要使用的为CO2激光器，下面将详述。
CO2激光器CO2激光器效率高，不造成工作介质损害，发射出10.6μm波长的不可见激光，是一种比较理想的激光器。
按气体的工作形式可分封闭式及循环式，按激励方式分电激励，化学激励，热激励，光激励与核激励等。
在医疗中使用的CO2激光器几乎百分之百是电激励。
CO2激光器的工作原理：
与其它分子激光器一样，CO2激光器工作原理其受激发射过程也较复杂。
分子有三种不同的运动，即分子里电子的运动，其运动决定了分子的电子能态；
二是分子里的原子振动，即分子里原子围绕其平衡位置不停地作周期性振动——并决定于分子的振动能态；
三是分子转动，即分子为一整体在空间连续地旋转，分子的这种运动决定了分子的转动能态。
分子运动极其复杂，因而能级也很复杂。
CO2分子为线性对称分子，两个氧原子分别在碳原子的两侧，所表示的是原子的平衡位置。
分子里的各原子始终运动着，要绕其平衡位置不停地振动。
根据分子振动理论，CO2有三种不同的振动方式：
①二个氧原子沿分子轴，向相反方向振动，即两个氧在振动中同时达到振动的最大值和平衡值，而此时分子中的碳原子静止不动，因而其振动被叫做对称振动。
②两个氧原子在垂直于分子轴的方向振动，且振动方向相同，而碳原子则向相反的方向垂直于分子轴振动。
由于三个原子的振动是同步的，又称为变形振动。
③三个原子沿对称轴振动，其中碳原子的振动方向与两个氧原子相反，又叫反对称振动能。
在这三种不同的振动方式中，确定了有不同组别的能级。
CO2激光的激发过程：
CO2激光器中，主要的工作物质由CO2，氮气，氦气三种气体组成。
其中CO2是产生激光辐射的气体、氮气及氦气为辅助性气体。
加入其中的氦，可以加速010能级热弛预过程，因此有利于激光能级100及020的抽空。
氮气加入主要在CO2激光器中起能量传递作用，为CO2激光上能级粒子数的积累与大功率高效率的激光输出起到强有力的作用（见图8）。
图8
CO2分子激光跃迁能级图
CO2激光器的激发条件：
放电管中，通常输入几十mA或几百mA的直流电流。
放电时，放电管中的混合气体内的氮分子由于受到电子的撞击而被激发起来。
这时受到激发的氮分子便和CO2分子发生碰撞，N2分子把自己的能量传递给CO2分子，CO2分子从低能级跃迁到高能级上形成粒子数反转发出激光。
结构：
①激光管：
是激光机中最关键的部件。
常用硬质玻璃制成，一般采用层套筒式结构。
最里面一层是放电管，第2层为水冷套管，最外一层为储气管。
二氧化碳激光器放电管直径比He-Ne激光管粗。
放电管的粗细一般来说对输出功率没有影响，主要考虑到光斑大小所引起的衍射效应，应根据管长而定。
管长的粗一点，管短的细一点。
放电管长度与输出功率成正比。
广泛应用的CO2激光器放电管长度约1m，便携式CO2激光器的放电管约40cm。
在一定的长度范围内，每米放电管长度输出的功率随总长度而增加。
加水冷套的目的是冷却工作气体，使输出功率稳定。
放电管在两端都与储气管连接，即储气管的一端有一小孔与放电管相通，另一端经过螺旋形回气管与放电管相通，这样就可使气体在放电管中与储气管中循环流动，放电管中的气体随时交换（见图9）。
图9CO2激光器结构图
光学谐振腔：
CO2激光器的谐振腔常用平凹腔，反射镜用K8光学玻璃或光学石英，经加工成大曲率半径的凹面镜，镜面上镀有高反射率的金属膜——镀金膜，在波长10.6μm处的反射率达98.8％，且化学性质稳定。
二氧化碳发出的光为红外光。
所以反射镜需要应用透红外光的材料，因为普通光学玻璃对红外光不透。
就要求在全反射镜的中心开一小孔。
再密封上一块能透过10.6μm激光的红外材料，以封闭气体。
这就使谐振腔内激光的一部分从这一小孔输出腔外，形成一束激光。
电源及泵浦：
封闭式CO2激光器的放电电流较小，采用冷电极，阴极用钼片或镍片做成圆筒状。
30～40mA的工作电流，阴极圆筒的面积500cm2，不致镜片污染，在阴极与镜片之间加一光栏。
泵浦采用连续直流电源激发。
激励CO2激光器直流电源原理，直流电压为把市内的交流电压，用变压器提升，经高压整流及高压滤波获得高压电加在激光管上。
导光系统：
用于传递激光束的工具即为导光系统——借助此导光系统就可将光束聚焦似手术刀一样拿在手中进行组织切割、烧灼、气化及再将光束分散（扩焦）照射治疗等。
当今临床上使用的是CO2激光——导光关节臂，由于CO2激光光束温度高，至今还未有导光纤维能传送CO2激光。
另一种是Nd∶YAG激光——主要光波1.06μm经石英光导纤维传输，应用灵活，而且手术治疗方便，适应症广。
作者经过改进的光刀柄。
不但解决了光纤柔软不易用力操作的难点，而且完全可以用于各种肿瘤的手术切割。
如试用于乳腺癌、骨疣、肌纤维瘤等切割非常得心应手。
术后疗效观察非常满意。
导光关节臂用反光镜片传光。
安装一定数量的反射镜及轴承可达到活动自如的目的。
医疗上常用的导光关节是用六个安装有反光镜的金属块与七根接管连接而成。
反射镜的金属块一端装有轴承并与接管连接；
另一端采用斜位安装，螺口固定的连接法。
为提高刀头灵活性，近刀头处的金属块均通过轴承与接管连接。
此外，CO2激光也有采用三关节的导光关节臂，设计有聚焦及发散装置。
导光系统根据需要可上、下，前后，左右及俯仰等多方位的转动，因此临床上进行各种治疗时非常灵活方便。
六、激光机的使用与维护
目前在医疗中使用的激光以CO2laser、Nd∶YAGlaser及He-Nelaser三种激光最普通。
为了能用好及维修好设备，充分发挥机器的潜力，这就要求临床医疗人员不但会使用，更要了解在使用中出现常见的故障时能及时地排除。
本章仅就以上三种不同类型的激光作一梗概性的结构及发生故障的排除方法。
（一）He-Ne激光机
氦－氖激光器主要由激光放电管、谐振腔及激励电源三部分组成。
前已述及氖原子从激发能态跃迁到低能态时原子氖放出632.8nm红色光与1.15nm及3.39nm不可见红外光。
He-Ne激光，能级的激发都是在一定条件下进行，但放电电流不宜过大或过小。
电流过大将产生激发过程相反的“消激光”；
过小电流则自由电子与He-Ne，基态原子直接碰撞产生的粒子数反转不够。
因此每根据激光管的放大电流都有其中的最佳值要求。
调整放电电流促使激光输出达到最大，因此使用时必须注意这一点。
He-Ne激光在医疗中主要用于体表照射，经过改进借助光导纤维传输可直接插入静脉内照射。
有加速新陈代谢、促进组织细胞与创伤愈合及消炎、止痛等功效。
He-Ne激光机由激光管、电源、支架及一些附件组成。
可上下、左右、俯仰多方向活动。
后经改进由光导纤维传输He-Ne激光，更为方便。
1．结构由He-Ne激光管、低压电源、高压电源、振荡部分，发散照射部分构成，电源可用市电220V，50Hz。
（1）激光管
为机内的主要部件，装有一定比例的氦、氖气体。
其输出波长为632.8nm可见红光。
（2）低压部分高压及振荡部分把交流市电经变压器变压。
振荡电路，高压变
升级会员 