医用激光仪器绪论

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'医用激光仪器绪论'
?50 年前,1960 年5 月16 日,一名32 岁的工程师Theodore Maiman 按了休斯( Hughes) 实验室里的一个开关,从红宝石晶体里射出了一束光,人类历史上第一束激光就诞生了.激光技术所依据的理论,最早来自爱因斯坦. 1916 年,爱因斯坦提出了受激发射理论:受激发处于高能级的原子,受外来光子的作用,若外来光子的频率正好与它的跃迁频率一致,就会诱导原子从高能级跳到低能级,发出与外来光子完全相同的另一光子. 新发出的光子不仅频率与外来光子一样,而且发射方向、偏振态、位相也都一样. 如果条件合适,光就可以象雪崩一样得到放大和加强. 这样放大的光是一般自然条件下得不到的“相干光”. 这年他37 岁.不过爱因斯坦的理论并没有立即用来实现光的放大. 因为根据玻尔兹曼统计分布,平衡态中低能级的粒子数总是比高能级多,靠受激辐射来实现光的放大实际上是不可能的. 因此在爱因斯坦提出受激辐射理论的许多年里,这个理论并没有实际应用. 经过二次大战之后,微波技术有了很大的发展. 1952 —1953 年,美国哥伦比亚大学的Townes 采用非相干抽运机制,形成 原子系统两个能级间的粒子束反转,然后用长柱形介质腔内 一对反射镜之间的反射,对共振频率的辐射进行放大,发明 了微波激射. 除了工作频率是位于微波波段以外,工作原理已 和激光非常接近.接着,大家自然考虑如何把受激发射对电磁波的放大推进到波长更短的可见光. 由于光频远高于微波频率,这是很困难的一件事. 1957 —1958 年,Townes 和Schawlow 提出了方案,建议采用开放式的法布里- 珀罗谐振腔. Schawlow 是Townes 的同事和连襟,他由于对激光光谱学的贡献获得1981 年诺贝尔物理学奖. 他们的方案引发了研制激光器的热潮,终于在1960 年由Maiman 拔得头筹. 同年底,贝尔实验室的A. J avan (伊朗人) 制出首台发射连续激光的氦氖激光器. 还没有发行过J avan 的邮票. 差不多同时,苏联列别捷夫物理研究所的 Prokhorov 和Basov 也独立进行同样的研究 工作并获得成功. 他们三人分享了 1964 年的诺贝尔物理学奖. Gordon Gould 提出的发明权问题是激光发展史的一个插曲. 当 Townes 和Schawlow 在构思光学激光器之际,Gould 正在 哥伦比亚大学P. Kusch 教授手下当博士研究生,做铊原子束共振 实验. 就在这时,Gould 产生了用光泵方法实现粒子数反转的 想法,认为需要用法布里- 珀罗谐振腔,并为光学激射器起了一个 名字叫LASER. 他在笔记本上写下了自己的想法和计算, 请人签字旁证后密封. 他曾参加曼哈顿计划,由于政治观点左倾被 解雇. 他想成立公司研制激光器,又被军方认为不符合保密 条件不许他参加. Gould 心中不平,多次向专利局申请专利,遭到 拒绝. 于是请律师对专利局打官司,直到1987 年11 月4 日终 于得到胜诉,但时光已经过去快30 年. 他被承认是激光的发明者, 1991 年被列入美国发明家名人堂,并得到一大笔专利费,但 80 %付给了律师. 激光 Laser 光受激辐射放大的简称 light amplification by stimulated emission of radiation 字面的意思是“通过辐射的受激发射实 现光放大”,实质是光的受激放大。 l964年经钱学森教授建议取名为“激光”,而港澳台至今仍用译名“镭射”。 激光是一个沿着一个方向传播、发散角极小的光束,振幅、频率、相位都是非常整齐而有序的,具有单色性好、方向性强、相干性高等特点。 通过激光系统和显微镜的组合, 产生一种无接触、无菌的光学 控制和精密加工生物材料的工激光与生物学 具。如“激光光镊” 激光显微加工、控制 激光分析、检测 微观:例如激光基因分析 激光成像 宏观: 例如激光流式细胞仪 扫描近场光学显微、 激光共焦扫描显微、 时间分辨荧光显微 激光治疗视网膜裂孔、眼 底病变、矫正屈光不正,清除 血管堵塞物,激光结合光敏药激光与医学 物治疗恶性肿瘤,激光美容等。 临床治疗 医学测量和诊断 激光多普勒流速计可以用 非接触地法测量血流速度;激 显微外科手术 光流式细胞计技术能对大量细 胞的多项指标进行快速测定; 激光光谱分析法大大提高了分 辨率、灵敏度;激光全息、激 光透照等有独特的检查效果。 激光聚焦照射并摧毁活细胞体内的某个区域;激光诱导细胞融合;激光裁剪DNA生物大分子等。一、激光医学的特点 (一)与普通医学比较其特点 1.激光医学是一门技术性很强的学科 首先,激光技术本身包含了现代光学技术、电子 技术和机械技术等多种学科的技术。 其次,在医用时常需光纤内窥镜技术和电子计算 机等技术配合。 激光医学在不少领域比普通医学更具优越性,但在很多领域,前者有局限性,并常作为后者的一个进展或补充。 3.激光医学是一门中西医相结合的学科 激光医学不但包括了现代医学也包括了祖国医学。(二)与其他边缘学科比较其特点 1、作为应用科学,激光医学用途比较全面 冷冻医学多用于治疗,医用计算机科学多用于诊 断,核医学多用于肿瘤,电子医学和超声医学各自的 用途也非常有限。激光医学既可用于西医也可用于中 医,既可用于研究生命科学也可用于诊断、预防和治 疗疾病。2、作为生物医学工程的一个成员,激光医学的工程技术涉及面较广 激光医学不但涉及到一整套现代光学体系,包括辐射度学、光谱学、成像光学、信息光学、量子光学、分子光学、非线性光学、纤维光学、显微光学、光学传输和光学计量,而且都离不开电子技术,有时还需要超声技术和计算机技术配合。 (三)与普通光的光医学比较其特点 光与生物组织相互作用后的一些主要的原初级效 应如热效应和光化效应都与光量子能量大小有关。 小能量的光量子主要引起—— 热效应 较大能量的光量于则主要引起—— 光化效应1、激光与普通光源的相同处 (1)从光量子能量大小而言,激光因其光谱都 在普通光的波谱范围之内,所以与普通光的光量子 一样。 因此,普通光所致的光生物效应,治病作用, 以及对生物组织的有害作用,激光都能引起。 (2)目前医学上常用的激光和普通光的光量子都不是高能粒子,因而都不能电离气体分子,所以都称之为非电离辐射。 2、激光与普通光源的不同处: 激光技术能使光量子在空间上、时间上和波长上高度集中,致使激光的光功率密度之高比普通光所能达到的最高值还要高出10个以上数量级。因此,激光可使光生物作用大大提高了有效性和针对性,从而使得普通光所不显示的生物效应在用激光后变得明显起来,普通光所无能为力的特异诊治,激光却能大显身手。 1、X光跟激光、普遍光一样也是一种光,也具有波粒二象性:是电磁波,也是光粒子。 2、X光与普通光的不同之处:是光量子能量不同(相差悬殊) 如:X光的光量子能量比黄色普通光的光量子能量高出5 个数量级,几十万倍!因此,用X光照射人体组织有很强的穿 透能力,可用来诊断疾病,但它的高光量子能量可使蛋白质 肽链的碳原子发生电离,可致细胞受损甚至癌变。当然因此 也可用来杀死癌细胞。 3、激光与普通光的不同之处:激光的光量子数量可以在单位面积、单位时间和单位波长上高度集中。 二、激光医学的研究内容 研究、诊断和治疗疾病 (一)用激光新技术研究生命现象和规律 1、借助激光微束仪把激光束直径聚焦到0.5~ 1μm ,用以切割或焊接细胞,研究生物遗传规律。 2、借助激光拉曼光谱分析技术,研究生物大分子 的结构及其变化。 3、借助于红外吸收光谱仪,通过对唇部的测定, 能测定人血液内所存在的元素。 4、借助于激光多普勒测速技术测量皮肤、肠粘膜、胃粘膜的血流特征,可瞬时或连续地直接测量任何使光束可到达之处的组织的毛细血管的血流等。(二)激光诊断 用于检验和诊断的激光技术主要有,激光荧 光光谱术,激光喇曼光谱分析术,激光全息术, 激光散斑分析术,激光多普勒测速术,激光流动 式细胞分析术,激光干涉术,激光透照术和激光 偏振技术等等,分别用来测量血液、尿液和人体 其他组织的成份、微量元素的含量等,以及识别 和分辨细胞是否病变或癌变。(三)激光治疗 激光手术治疗 大体可分为三类 激光非手术治疗 激光光敏治疗 1.激光手术治疗用强激光 (1)与传统的解剖刀比,激光刀多不出血或少出血 较高功率密度的激光束对病灶施行凝固、汽 化和切割等各级水平的手术。 (2)与传统的冷刀、超声刀和高频电刀比,激光刀的切割能力强,切口锋利,损伤少 (3)激光刀还能通过光导纤维进人体内施行手术而不用剖腹等开腔手术;能透过眼屈光介质对眼底施行手术而不用切开任何部位,这对于任何其他
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