激光及其在生物医学中的运用精选课件.ppt
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1、返回返回关于激光及其在生物医学中的运用第一页,本课件共有57页返回返回教学要求教学要求:1.重点掌握激光形成的原理重点掌握激光形成的原理;2.确切理解激光关键参数的物理意义确切理解激光关键参数的物理意义;3.了解典型的激光生物效应和在医学检查、治了解典型的激光生物效应和在医学检查、治疗中的典型应用疗中的典型应用.第二页,本课件共有57页返回返回14.1 激光基本原理激光基本原理14.2 激光关键参数与特性激光关键参数与特性14.3 激光生物效应与技术激光生物效应与技术14.4 激光在临床医学中的应用激光在临床医学中的应用第三页,本课件共有57页返回返回14.1 激光基本原理激光基本原理第四页,
2、本课件共有57页返回返回14.1.1 光与物质的相互作用理论光与物质的相互作用理论 物质由原子物质由原子(或分子、离子或分子、离子)组成组成,原子具有原子具有一系列分立的运动状态一系列分立的运动状态,相应地有一系列分立相应地有一系列分立的不连续的能量值的不连续的能量值,称为称为原子系统的能级原子系统的能级,其中最其中最低能级状态称为低能级状态称为基态基态.光与物质相互作用有三个不同的基本过程光与物质相互作用有三个不同的基本过程,即自发辐射、受激辐射及受激吸收(简称为吸即自发辐射、受激辐射及受激吸收(简称为吸收)收).第五页,本课件共有57页返回返回1.自发辐射自发辐射(spontaneous
3、radiation)前前后后 若处于若处于E2能级的原子密度为能级的原子密度为N2,则自发辐射则自发辐射过程可表示为过程可表示为第六页,本课件共有57页返回返回由此可得由此可得式中式中A21是自发辐射系数是自发辐射系数第七页,本课件共有57页返回返回2.吸收吸收(absorption)式中式中B12是吸收系数是吸收系数第八页,本课件共有57页返回返回3.受激辐射受激辐射(stimulated radiation)式中式中B21是受激辐射系数是受激辐射系数第九页,本课件共有57页返回返回第十页,本课件共有57页返回返回14.1.2 粒子数反转原理粒子数反转原理(population invers
4、ion principle)物质系统在一个入射光子作用下物质系统在一个入射光子作用下,引起大引起大量处于高能级的粒子产生受激发射量处于高能级的粒子产生受激发射,产生出产生出大量特征完全相同光子的现象称为大量特征完全相同光子的现象称为光光放大放大.第十一页,本课件共有57页返回返回 单位时间内吸收的光能量为单位时间内吸收的光能量为 由由于受激发射产生的光能量为于受激发射产生的光能量为 所以所以产生的净光能量是产生的净光能量是(这里(这里B=B12=B21)第十二页,本课件共有57页返回返回 取物质横截面积为取物质横截面积为S,通过通过dz厚度后厚度后,在单位体在单位体积和单位时间产生的净光能量表
5、示为积和单位时间产生的净光能量表示为zOI0dzII+dI第十三页,本课件共有57页返回返回利用光强与光能量的关系利用光强与光能量的关系因而上式写成因而上式写成带入带入,得到得到第十四页,本课件共有57页返回返回若令若令积分得到积分得到称为物质的增益系数称为物质的增益系数k是玻耳兹曼常数是玻耳兹曼常数;T是热力学温度是热力学温度.第十五页,本课件共有57页返回返回 由上式看到由上式看到,在通常情况下在通常情况下N2N1的粒子数分布叫的粒子数分布叫粒子数反转粒子数反转.所所以以,只有在粒子反转的特定条件下只有在粒子反转的特定条件下,才能实现光放才能实现光放大大.将实现粒子数反转的物质叫做将实现粒
6、子数反转的物质叫做激光工作物质激光工作物质.第十七页,本课件共有57页返回返回14.1.3 光学谐振腔光学谐振腔(optical harmonic oscillator)1.光学谐振腔的作用与结构光学谐振腔的作用与结构 能够稳定实现来回光反馈的装置称为能够稳定实现来回光反馈的装置称为光学谐光学谐振腔振腔.M1M2第十八页,本课件共有57页返回返回2.光振荡的阈值条件光振荡的阈值条件 要产生激光振荡要产生激光振荡,必须满足一定条件必须满足一定条件,称之为称之为阈值条件阈值条件.有如下阈值条件有如下阈值条件式中式中L为谐振腔的长度为谐振腔的长度,r1、r2是两反射镜的光强是两反射镜的光强反射率反射
7、率.第十九页,本课件共有57页返回返回3.激光的纵模与横模激光的纵模与横模激光的纵模激光的纵模O z L第二十页,本课件共有57页返回返回腔内允许存在的波长和频率为腔内允许存在的波长和频率为 通常将由整数通常将由整数N所表征的腔内纵向场分布称所表征的腔内纵向场分布称为为腔的纵模腔的纵模.第二十一页,本课件共有57页返回返回 普通普通Ne放电管中光波的中心频率放电管中光波的中心频率0=4.741014Hz,线宽线宽 ,在谐振腔中在谐振腔中实际存在频率的范围为实际存在频率的范围为相邻两个纵模之间的频率间隔为相邻两个纵模之间的频率间隔为第二十二页,本课件共有57页返回返回激光的横模激光的横模 激光束
8、在横截面上光强的分布常成一系列有激光束在横截面上光强的分布常成一系列有规则的图样规则的图样,这种稳定分布的图样这种稳定分布的图样,称为称为激光的横激光的横模模.TEM00称为基横模称为基横模,TEM10,TEM11称为称为高阶横高阶横模模.一种稳定的横向光场分布对应一个横模一种稳定的横向光场分布对应一个横模.第二十三页,本课件共有57页返回返回 激励装置也称泵浦源激励装置也称泵浦源,是指向工作物质供给能是指向工作物质供给能量的能源量的能源.电子注入电子注入光学泵浦光学泵浦气体放电泵浦气体放电泵浦离子束泵浦离子束泵浦化学泵浦化学泵浦14.1.4 激励装置激励装置第二十四页,本课件共有57页返回返
9、回14.2 激光关键参数与特性激光关键参数与特性第二十五页,本课件共有57页返回返回14.2.1 激光关键参数激光关键参数代表增益系数代表增益系数分贝分贝(dB)单位单位:1.增益增益(gain)频率为频率为 的光强的光强 随随z变化的规律变化的规律,可用可用下式表示下式表示.第二十六页,本课件共有57页返回返回 在受激辐射产生后在受激辐射产生后,要经历各种损耗要经历各种损耗,如工作如工作物质的内部吸收、衍射、散射物质的内部吸收、衍射、散射,以及腔壁、腔面以及腔壁、腔面的各种损耗的各种损耗,此外还要向外输出激光此外还要向外输出激光.激光器的总激光器的总损耗等于上述各项损耗之和损耗等于上述各项损
10、耗之和.2.损耗损耗 第二十七页,本课件共有57页返回返回3.阈值阈值(threshold)在刚好进入振荡状态时在刚好进入振荡状态时,即增益等于总损耗时即增益等于总损耗时的激光器状态的激光器状态,称为阈值状态称为阈值状态.这时泵浦源提供给激这时泵浦源提供给激光材料的能量、功率、电流光材料的能量、功率、电流,就称为阈值能量、阈就称为阈值能量、阈值功率、阈值电流值功率、阈值电流.第二十八页,本课件共有57页返回返回4.输出功率输出功率在方形脉冲的情况下在方形脉冲的情况下P平均平均=P峰值峰值脉冲宽度脉冲宽度重复重复第二十九页,本课件共有57页返回返回5.效率效率光光-光效率光效率,这是指在光学泵浦
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- 激光 及其 生物医学 中的 运用 精选 课件
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