光的量子特性与激光及其医学应用[可修改版ppt]

格式：ppt
大小：1.69 MB
文档页数：4

下载文档原格式

激光及其医学应用课件

2024/4/8
33
激光手术的分类
激光手术按作用机理来分成热光刀和冷光刀，热光刀机理:光致发热作用、热致二次压强作用冷光刀机理:光致化学分解作用
按手术功能分类：激光打孔、激光止血、激光焊接、激光切割按激光作用后组织反应水平分类：激光凝固、激光汽化、激光切分按激光器所附属导光系统不同分为：激光显微手术刀、光纤光刀、关节臂光刀
• 1960年7月7日美国休斯飞机公司maiman研制出世界上第一台激光器——红宝石激光器(694.3nm)。
2024/4/8
8
§11.1 激光基本原理
•光吸收和辐射原理 •激光产生条件 •激光的特点 •激光对生物组织的作用
2024/4/8
9
激光波长范围宽：远红外----X射线
波长特点：单一或可调
计算机：1946数字积分 1954晶体管计算机
激光器
2024/4/8
3
激光的发展史：
• 1917年爱因斯坦《关于辐射的量子理论》 • 1958年汤斯、肖洛发表《激光器》经典论文 • 1960年梅曼第一台红宝石激光器诞生 • 1961年中国第一台红宝石激光器诞生 • 1965年大功率CO2激光器问世 • 1967年X射线激光器 • 1997年原子激光器
双缝干涉
pxx2
x
2px
x越大
即激光光波有很好的相干长度
2024/4/8
29
圆孔衍射
I
r
注意：光的单色性越好，则其相干性也越好。二者是统一的.
2024/4/8
30
1、影响激光生物效应的激光参量
• 激光的波长、频率、光量子能量、颜色 • 激光的能量、功率和功率密度 • 激光的聚焦光斑、扩束光斑和原光斑 • 激光的连续和脉冲工作方式 • 激光的摸式 • 激光的相干和偏振

激光原理及应用PPT课件

激光治疗
通过激光照射病变组织，达到治疗目的，如激光治疗近视、祛斑
等。
激光手术
利用激光进行微创手术，具有出血少、恢复快、精度高等优点，如激光心脏手术、激光眼科手术
等。
激光诊断
利用激光光谱技术对人体组织进行检测和分析，为疾病诊断提供
依据。
军事国防领域应用
激光雷达
利用激光雷达进行目标探测、识别和跟踪，具有高分辨率、抗干扰能力强等特点。
微型化与集成化
发展微型激光器，实现与其他光电器件的集成，推动光电子集成技术的发展。
新型激光技术
研究新型激光技术，如光纤激光器、化学激光器等，拓展激光器的应用领域。
高功率、高效率、高稳定性挑战
高功率激光器
提高激光器的输出功率，满足高能激光武器、激光聚变等领域的需求。
高效率激光器
优化激光器的能量转换效率，降低能耗，提高激光器的实用性。
02
03
工作原理
通过激励固体增益介质（如晶体、玻璃等）中的粒子，实现粒子数反转并产生激光。
特点
结构紧凑、效率高、光束质量好。
应用领域
工业加工、医疗、科研等。
气体激光器
工作原理
利用气体放电激励气体分子或原子，使其产生能级跃迁并辐射出激光。
特点
应用领域
激光切割、焊接、打孔等工业应用。
输出功率大、光束质量好、效率高。
激光原理及应用PPT课件
contents
目录
• 激光原理基本概念 • 激光技术发展历程及现状 • 激光器类型及其特点分析 • 激光在各领域应用案例分析 • 激光安全问题及防护措施探讨 • 未来发展趋势预测与挑战分析
激光原理基本概念

光的量子性和激光

平衡态下，腔内辐射场应是均匀、稳定
且各向同性，
因此系统中的各个物体得到的辐射照度
的谱密度应当相等。
即：e1( ,T )
e2 ( ,T )
e( ,T )
c 4
uT
( )
标准能谱uT ( )：与物质无关的普适函数
因此有：r1( ,T ) a1( ,T )
r2 ( ,T ) a2 ( ,T )
uT
(
)
3）基尔霍夫热辐射定律对热辐射现象的解释
维恩常数：b 0.288cm K
3）由维恩位移定律得到的一些结论
（1）温度不太高时，热辐射的绝大部分是红外线
（2） 3800K时，M 7600A0
（3） 6000K（太阳表面的温度）时，
M 4600A0 ，这是青色光的波长。
此时全部可见光都较强，人眼的感觉是白色光，
因此，这个温度的光谱称为白光光谱，所以太阳光是白光。
6．黑体辐射的经典理论及其与实验的矛盾
1）维恩公式维恩假设：
黑体辐射由许多可视为谐振子的
分子的辐射形成，频率为的
，
v 辐射只与速率为的辐射物质的
分子有关，频率正比于分子的动能：
1 m v2
2
由此推导出 r(，T )按频率的辐射分布公式：
维恩r0 (公r0,式(T)在,T短)c波23区ce52x与pex(实p(验曲/cT线/ )符T )合得较好，
则：
exp( / kT)d
0
kT
0 exp( / kT)d
得到如下的辐射分布公式：
r0 (
,T
)
2
c2
2kT ,
r0 (,T )
2c 4
k

《光的量子性与激光》PPT课件

M T
1 4.9651
hc k
b
19
普朗克辐射公式的讨论：
普朗克在推导过程中仍然使用了经典的波尔兹曼分布，且最小能量为零；实际上振子在最低的
能量状态，也还有能量h/2 。玻色和爱因斯坦
应用量子统计，重新导出了普朗克辐射公式，并消除了波尔兹曼分布的在推导过程中的存在。
普朗克获得1918年诺贝尔物理学奖。
获得1923年诺贝尔物理学奖
2020年11月29日
29
§6 康普顿效应(1922~1923)
2020年11月29日
30
1.X射线在石墨上的散射实验结果：
I
康普顿散射
=0o
准直系统
入射光0
散射光
石墨
散射体
探测器
I
=45o
(1) 散射的射线中有与入射波长相同的射线,也有波长
的射线.
0
0

。
2020年11月29日热辐射的光谱是连续光谱。
3
基尔霍夫定律：
定义辐射体在其波长附近的单位波长间隔
内的辐出度为单色辐出度：
(,T ) dM 0 d
物体在其波长附近的单位波长间隔内的吸收率，
称为单色吸收率： (,T ) dA d
基尔霍夫定律：处于平衡辐射中的任何物体
，其单色辐出度和单色吸收率之比是温度和波
由波尔兹曼分布，热平衡下，能量为的几率
正比于e-/kT：
e kTd
( ,T )
0
e kTd
kT
0
这个结果对应的，正是瑞利――金斯公式。
普朗克意识到，失败的原因就是引用了“谐振
子的能量是连续变化的”这个概念；他考虑谐振

第八章光的量子性和激光

要实现受激光放大，需要 N2 > N1，即粒子数反转（布居反转）
仅增加光强（提高温度），无法实现布居反转
uT
A21 N2 B12 N1 N2
即使 uT 也只能使 N2 =N1
光场在向高能级输送电子的同时，也将高能级的电子向低能级输送！
8.4.4 布居反转与光放大
N2 :10-44~10-100 N1
8.4.3 自发辐射、受激辐射和受激吸收
爱因斯坦辐射理论
• 高能级向低能级跃迁放出一个光子，
• 低能级向高能级跃迁吸收一个光子。
光子的频率为：
v E2 E1 h
辐射、吸收过程和爱恩斯坦系数
(1) 自发辐射，高能态的粒子自发向低能态跃迁：

dN21 dt
能级的寿命
由于自发辐射，使能级上的粒子数减少
N2 N2 dN2 dN2 dN21 A21N2dt
dN2 N2
A21dt
积分
N2

N e A21t 20

N
et
20
/
1
A21
经过时间 τ 后，该能级上的粒子数为
N2

N20 e
τ：能级的寿命
E2
N2
激发态寿命 << 108s
8.4.3 自发辐射、受激辐射和受激吸收
B21uT N2 +A21N2 =B12uT N1
uT ( )
A21 N 2 B12 N1 B21N2

B12
A21
B N1
N2
21
利用普朗克公式uT() Nhomakorabea
4 c
r0

光的量子特性与激光及其医学应用(ppt)

为 εh 。
3.根据能量守恒，金属中一个电子吸收一个光子的能量 hv，一部分用来克服电子的逸出功A，另一部分转换成光电子的初动能，即
该方程可以全面地解释光电效应的实验规律。
第二节光电效应爱因斯坦的光量子论三光电效应在近代技术中的应用
光控继电器、自动控制、自动计数、自动报警等.
光控继电器示意图
光
既具有波动性又具有粒子性
,光的这种双重特性,称为光的波粒二象性。
物质的发光原理及光源
• 光发射的本质实际上就是原子或分子能级跃迁的结果。
• 产生光的方法有很多：
一. 热辐射现象
温度越高，辐射出的总能量越大，短波成分越多。
热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从0直至∞，一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线传播。
频率
光强较强
相同
光强较弱
光电子的最大初动能与遏止电压U有关，与光
二.爱因斯坦的光子假设
1.不仅在发射和吸收时辐射能是量子化的，而且辐射能在传递过程中也是量子化的。
2. 光在真空中是以光速c运动的粒子流，这些粒子称为光量子(light quantum), 即光子(photon)。单个光子的能量
无谐振腔时受激辐射的方向是随机的
光学谐振腔:
偏离轴线方向的光子逸出腔外
M
1
M2
沿轴线方向的光子，在腔内来
回反射，产生连锁式放大
M
1
M2
在一定条件下，从部分反射镜
射出很强的光束—--激光
M
1
全反射镜 100%反射
M2
部分反射镜 90%以上反射
谐振腔对光束方向的选择性
沿光轴方向运动的光子，反复多次反射产生雪崩式放大，从部分反射镜

激光的特性与应用(共8张PPT)

由于激光的亮度高、颜色纯，可以大大改善图像的清晰度，印出来的书质量很高。激光光盘是利用激光记录和再现信息的一种新技术。激光是现代最亮的光源，它可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量。人的眼睛很像照相机，瞳孔和瞳孔后的晶状体是一个光线可以进入的“窗口”，激光束可以从这里射入眼内。激光照相排版是通过计算机把文字和图像变成点阵，然后控制激光扫描感光相纸，再经过显影和定影就形成照相底片，然后就可以用载着文字和图像的底片去印书报、杂志了。另外激光束读出信息是非接触式的，不会损伤记录介质，使用寿命长。三是方向性好。而激光排版也可以采用类似的原理，印刷出优美的彩色画面来。普通光源发出的光杂乱无章，不能发生干涉，不是相干光。激光通信具有信息容量大、传送线路多、保密性强、可传送距离远、设备轻便、费用低廉等优点。二是单色性好。与磁盘相比，光盘具有更大的信息存储密度，因为激光聚集后光束直径可达微米量级。激光钻孔还可用来加工手表钻石，每秒钟可以钻20～30个孔，比机械加工效率高几百倍，而且质量高。（优选）第二节激光的特性与应用
彩色电视机之所以能显示红、绿、蓝三色，是由于荧屏上涂有三色荧光粉，它们在电子撞击下会显出三种颜色。而激光排版也可以采用类似的原理，印刷出优美的彩色画面来。
第6页，共8页。
用激光可以焊接脱落的视网膜。人的眼睛很像照相机，瞳孔和瞳孔后的晶状体是一个光线可以进入的“窗口”，激光束可以从这里射入眼内。晶状体像透镜一样，把激光聚焦在视网膜上。焦点非常小，只有几十微米，和头发丝直径差不多，因此能量高度
有自己独特的产生激光的方法。
第3页，共8页。
二、激光的特性
一是亮度高。激光是现代最亮的光源，它可以在很小的空间和很短的时间内集中很大的能量。如果把强大的激光束会聚起来照射到物体上，可以使物体的被照部分在不到千分之一秒的时间内产生几千万度的高温，最难熔化的物质在这一瞬间也要汽化了。

大学物理8光的量子性ppt课件

3. 康普顿散射实验的意义
支持了“光量子”概念，进一步证实 e = h 。
了首次实验证实了爱因斯坦提出的“光量子具有动量”的假设
P = E/c = h/c = h/
证实了在微观的单个碰撞事件中，动量和能量守恒定律仍然是成立的
1o光子与束缚很紧的电子发生碰撞
相当于光子和整个原子碰撞,原子质量大；
依据能量守恒得到：
h
1m2
2m
W. m
Wm 为逸出功
3.对实验规律的解释光强与入射光子数成正比，光电流与电子数成正比，即光电流与光强成正比。由爱因斯坦光电效应方程，初动能随频率线性增加，与光强无关。
当 < Wm/h = 0 时，不产生光电效应。
电子是一次性吸收光子能量，不需要积累能量的时间。
E h 1.0 510 3321 026
E 1kA 2 510 8 2
现在可实现分辨率为： E 1016
E
所以宏观的能量变化看起. 来都是连续的。
18.2 光电效应和爱因斯坦光子假说
一、光电效应（photoelectric effect)
1.光电效应现象光照射某些金属时能从表面释放出电子的效
应。这时产生的电子称为光电子。赫兹在1887年发现勒纳德才证明带电粒子是电子。
德布罗意：建立波粒二象性概念
主要内容：
波粒二象性
激光
.
18.1 热辐射和普朗克能量子学说
一、热辐射（heat radiation）
1. 基本概念物体在一定时间内辐射能量多少和辐射能按
波长分布与温度相关的电磁辐射称为热辐射。
温度发射的能量电磁波的短波成分 —— 低温物体发出的是红外光； —— 炽热物体发出的是可见光; —— 高温物体发出的是紫外光；

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

黑体模型
通过黑体辐射实验，总结出两条实验规律
（1）斯特藩-玻耳兹曼定律（如右图）
黑体的辐射强度与黑体绝对温度的四次方成正比：
M 0 (T ) T 4
1.
斯特藩—玻尔兹曼常量
0
5 .6 1 7 8 W 0m 2 K 4
M (T)/1 (10 W 4 m 3)
可见光区
6000K
同一物体，温度越高，辐射电磁波的能力就越大，表现在高温物体的辐射曲线整个都在低温物体辐射曲线的上方。
释放能量的方式有两种：一种是无辐射跃迁（非光能的形
式），转变为热能被吸收或者释放；另一种是以光能的形式
吸收或释放，辐射出一个光子，叫做辐射跃迁，辐射光子的
频率满迁，每一个粒子的跃迁都是自发地独立地进行，因而它们所辐射的光的相位、方向以及偏振方向都是随机的，因此是非相干光。例如日光灯发出的光。
能量
经典量子
一.光电效应的基本规律
适当频率的光束照射到金属表面使电子从金属中脱出的现象称为光电效应。
频率
光强较强
相同
光强较弱
光电子的最大初动能与遏止电压U有关，与光
二.爱因斯坦的光子假设
1.不仅在发射和吸收时辐射能是量子化的，而且辐射能在传递过程中也是量子化的。
2. 光在真空中是以光速c运动的粒子流，这些粒子称为光量子(light quantum), 即光子(photon)。单个光子的能量
0. 3000K /nm
5 0 m 1000 2000
（2）维恩位移定律
最大对值于,给其定对温应度波T长，为黑体m，的称单为色峰辐值出波度长。M都有0 一
M0 ( T )
T m b
b 2.897 103 m K
物体温度越高，峰值波长越短，成反比。
黑
当温度很低时，主要辐射出远红外、红外
体
线，基本不辐射可见光。
利用红外线检测人体的健康状态；本图片是人体的背部热图，可根据不同颜色判断病变区域。
黑体辐射实验规律
黑体如果一个物体在任何温度下，对任何波长的电磁波都完全吸收，而不反射和透射，这种物体就叫做黑体。（黑体是理想模型）
不透明的材料制成带小孔的空腔,可近似看作黑体。
研究黑体辐射的规律是了解一般物体热辐射性质的基础。
为 εh 。
3.根据能量守恒，金属中一个电子吸收一个光子的能量 hv，一部分用来克服电子的逸出功A，另一部分转换成光电子的初动能，即
该方程可以全面地解释光电效应的实验规律。
第二节光电效应爱因斯坦的光量子论三光电效应在近代技术中的应用
光控继电器、自动控制、自动计数、自动报警等.
光控继电器示意图
光的量子特性与激光及其医学应用
光的波动性
光的粒子性
电磁波有波动参量如：波长频率波速
有波的行为特性如：
光子或光量子
有粒子参量如：
动量 h/ch/
能量 h
动质量
有粒子的行为特性如：
波的干涉波的衍射横波偏振
黑体辐射光电效应激光
光
既具有波动性又具有粒子性
,光的这种双重特性,称为光的波粒二象性。
激光（钱学森教授建议得名）: 利用光能、热能、电能、化学能
或核能等外部能量激励工作物质，使其发生受激辐射而产生的一种特殊的光。成为新的光源。
• 激光输出的波长范围，可以从远红外直到紫外甚至到x光波段；波长可以是单一的，也可以是多种可调的；输出方式可以是连续的，也可以是脉冲的。
• 激光的功率范围可以从mW到百kW，脉冲峰值可达1013W
• 激光器的品种已达数百种，激光以其特殊的发光机制与激光器结构而具有普通光源发出的光所无可比拟的优点，激光技术已渗透到工业、通讯、生物、医学等领域，形成激光生物学、激光医学等边缘学科。
（一）激光的基本原理
当分子、原子或离子在处于较高能级E2时，是比较不稳定的，它会自动跃迁到较低能级E1上，并释放一定的能量。
一般只能停留10-8S。在没有外界的作用下，会自发地
回到低能态，同时向外辐射出一个能量为
hE2E1
的光子，这称为自发辐射。普通光源的发光就属于自
发辐射。
由于发光物质中各个原子自发地、独立地进行辐射，因而各个光子的位相、偏振态和传播方向之间没有确定的关系。
光
放大器接控件机构
光电倍增管
第四节激光 (Laser)
激光又名镭射, 它的全名是: “受激辐射的光放大”。
(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
爱因斯坦于1917年在光量子论的基础上发展了自发辐射和受激辐射理论，预言了原子产生受激辐射放大的可能性。
按照原子的量子理论，光和原子的相互作用可能引起受激吸收、自发辐射和受激辐射三种跃迁过程。
➢ 受激吸收：原来处于低能态E1的原子，受到频率
为，能量为 hE2E1的光子照射时，该原
子就有可能吸收此光子的能量，向高能态E2跃迁，这种过程称为受激吸收，或称为原子的光激发。
E2
h
受激吸收
E1
➢ 自发辐射原子受激后，处于高能态E2，是不稳定的，
物质的发光原理及光源
• 光发射的本质实际上就是原子或分子能级跃迁的结果。
• 产生光的方法有很多：
一. 热辐射现象
温度越高，辐射出的总能量越大，短波成分越多。
热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从0直至∞，一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线传播。
人体辐射红外线----医学临床诊断中的人体红外热像图:
的单色
人体表面温度约300K，从人体辐射的电磁波最大波长则为9600nm，位于远红外区
辐
太阳表面温度约6000K，因而辐射出的波长
出
正好在可见光范围。当然还有大量的红外
度
线和紫外线
0
1
波长
2
3
4
5
6 10- 6 m
能量量子化假说：辐射黑体中分子、原子的振动可看作线性谐振子。但是这些谐振子的能量只能是某一最小能量ε（称为量子）的整数倍，不能连续变化，即： ε, 1ε, 2ε, 3ε, ... nε。n为正整数，称为量子数。
对于频率为ν的谐振子的能量最小单元，称为量子： h
普朗克常量
h6.6 3 1 3 0J 4s
振子从一个状态跃迁到另一个状态时，辐射出或吸收的能量也是量子化的，是不连续的。而经典的热力学和电磁场理论的观点则认为，振子的能量变化是连续的，可以是任意值。普朗克假说使得多种微观线性得以正确的解释。