光与激光的特性

第一章 光与激光的特性 一、光的基本特性 1、 光在真空中的传播速度是： ___________ ，但在媒质中，其速度为 __________ ，其中 n 是媒质的折射率（仅取决于媒质 的物质构成和光的颜色） 。 2、 光具有波粒二象性。光是横波。

3、 光被吸收时，它的能量一般转化为热——红外加热。 ——有些物质在紫外作用下可发出荧光，荧光的强弱和颜色取决于紫外光的波长和荧光物质的化学成分。 4、 光在所有物质的表面或多或少有反射。 ——反射：漫反射（光在粗糙表面向四面八方的散射） ；镜面反射。 5、 光在通过介质时， 若介质具有光学不均匀的结构 （介质的各向异性； 局部的密度与平均密度的统计偏离造成的密度 起伏），就会发生散射。 ——瑞利散射：散射光波长与入射光波长相同的散射。 ——喇曼散射：散射光波长与入射光波长不同的散射，形成双散射谱线 ——布里渊散射：散射光波长与入射光波长不同的散射，形成双散射谱线

二、激光的产生与特性 1、 普通光源发光特点 1） 普通光源中处于激发态的原子数总是少于基态的原子数， 而且受激原子的总数也有限， 所以只能发出低强度的光； 2） 自发辐射光子的方向是杂乱地随机分布，因此所发出光线的方向性很差； 3） 普通光源发光，有可能从不同的高能级原子向不同的低能级跃迁，因此产生光子的频率便会有多种不同，导致其 辐射的光是广谱的。

2、 激光产生的条件 1） 形成受激辐射：受激辐射所发射出的光子等于入射光子的两倍，使光子数量增多，能量增大； 2） 实现粒子数的反转：前提是有合适的具有亚稳态的工作物质，有强大的激励能源。 ——激励能源将物质中低能级的粒子抽运到高能级上，处于激发态的粒子不稳定，但由于物质具有亚稳态，故粒 子会再跃迁到亚稳态上，亚稳态的寿命相对较长，从而使该物质中处于高能级的粒子数可能会多于低能级的粒子 数，实现粒子数反转。 ――光激励，电激励（用于气体激光器，通过 AC,DC等） 3） 光学谐振腔：能不断地从电源获取能量以补充被物质所吸收的光能量，并进行光的放大；只对某一方向传播的光 才起放大作用。 ――由两块严格相互平行的光学反射镜组成 （法布里 -珀罗装置） ，一块是反射镜， 反射率 99%以上， 一块部分反射 镜，小部分投射，大部分反射。 ――原理：工作物质置于中间，沿镜面共法线方向往返的光，被镜面反射后可以多次通过工作物质，逐次放大、 增强，使光子数量获得雪崩式的增加。而和轴线不平行的光就从侧面逃逸了。因此，当这种光波增强到足以抵挡 谐振腔内各种损耗时，就可以在谐振腔内形成持续的震荡。这时，从部分反射镜透射出来的那部分振荡光就形成 了激光。 ――最终在端面上出射的激光便具有相同的位相、传播方向、偏振频率。 总结：工作物质，激励源，谐振腔是产生激光最基本的三个条件。

3、 激光的特性 1） 单色性好 ――谱线宽度是衡量光源单色性好坏的标志。 ――单色性最好的是氟（Kr）灯. ――激光单色性好的原因： 激光是受激辐射光的放大，只有频率满足一定的能级跃迁的光才能得到放大，即受到荧光谱线宽度的限制； 受到激光器选频作用的限制：由于在某一条荧光谱线之内不是全部频率都能起振的，只有那些落在荧光谱线之 内的共振频率（即不同的纵模或驻波）才能起振，而每个共振频率的振荡谱线宽度比荧光谱线宽度要窄得多。 ――脉冲宽度 和激光线宽 成反比关系： 2） 方向性好 ――激光的发光面积仅限于 0.2cm^2，并且局限在很小的发散角内发光。

――工业上用于准直测量与指示；医用激光刀 3） 咼亮度 ——10M4-17W/ （cmA2 * Sr） ――激光亮度高是因为方向性好 ――激光亮度（每球面度的功率， W/sr）,光束的强度可用透镜增大，但亮度不会。在使用焦点透镜对激光聚焦的 时候，可使输出光束的强度大于输入光束强度， 然而输出光束的发散度也因此而大于输入光束的发散度， 因此亮度 保持不变 ――亮度才是反映激光本身特性指标的参数。 4） 相干性（振动方向、频率相同，恒定相位差）好 ――分为空间（横向）相干性和时间（纵向）相干性 ――空间相干性：同一时间内发光面上不同两点辐射的相干性。相干面积越大空间相干性越好； ――时间相干性：光源中统一辐射元在不同时间辐射出的光束之间的相干性。 ――光源的单色性越好，谱线宽度越窄，相干时间越长。 ――激光的谱线宽度与激光在其共振腔内沿轴方向形成的每一种稳定驻波形式的光振荡方式 （即纵模）有关，对于 多模振荡的激光器，单色性取决于纵模数，所以激光的时间相干性与纵模有关。 ――单色性好，发散角窄，时间空间相干性好 ――时间相干性归纳为单色性，激光全息术测定牙的材料性质和应变，骨的应力等。 5） 激光的偏振性 ――所有激光都是偏振光 ――激光工作物质本身会导致电矢量在某一方向上有优先取向。 多数固体工作物质在略高于阈值水平工作时， 其辐 射几乎只在一个平面振动；许多气体激光器都以布儒斯特窗作为输出窗以减少某一振动面的损失。 一一激光高度平 面偏振。

第二章激光器的种类和激光的特性参数与测量 一、激光器的分类 1、 按发光粒子分：原子，粒子，分子，自由电子 2、 按工作物质分：

优点 缺点 工作物质 气体激光器 单色性高，波长分布

广，工作物质有原子， 分子，离子

输出功率小（因为气体 密度低），体积大，能 量转换率低

He-Ne,二氧化碳

液体激光器 波长可调谐，可在一 定

波长范围内连续改 变 相干性差，染料溶液易 老

化 有机染料溶液和含有稀土金属 离子

的无机化合物

固体激光器 能量高，功率大 谱线分布窄，单色性差 将能够产生受激辐射作用的金 属离子按定比例人工掺入到 晶体或玻璃基质中制成的晶体 棒货玻璃棒 半导体激光 器 体积小，重量轻，效 率

高，速度快，波长 范围宽，结构简单

相干性差

准分子激光 器 波长短，功率高，输 出波长从真空紫外到 可见光区 毒性大，消耗气体要加 气 由受激的稀有气体原子和卤素 原子结合成的准分子

自由电子激 光器 较大范围内连续改变 波

长输出高强度高功 率激光

装置大，运作复杂 高能自由电子束

3、按工作方式分类： 1）连续激光器：对工作物质连续激励从而能长时间连续产生激光辐射 2）脉冲激光器：较短时间内施加较强激励，使激光工作物质获得较大程度的粒子数反转，然后在万分之几秒至亿分之 几秒内输出一个较强的激光脉冲。 ——单脉冲激光器，重复脉冲激光器 ——激光打孔，临床视网膜凝结，虹膜切除。 3）巨脉冲激光器：提高激光输出功率，一亿份之几秒至十亿分之一秒内释放

总结： 1） 氦氖激光器（方向性，单色性，相干性最好）最早用，检测，止血，针灸。糖尿病末期眼角膜出血，小腿溃疡，用 此治疗。 2） 二氧化碳去痣 3） Ar 离子检测分析，喇曼 4） 氮气光剪

三、激光的参数与测量 1、 能量 测量能量的方法按激光束在接受元件上所产生的物理效应分类： 1） 光热法：基于光的热效应，测量吸收体吸收光辐射后发生的温度变化。 ——吸收体 +热电转换元件（前二者为探头） +显示器 ——吸收体：反射率低，对各种波长的光辐射有广谱吸收的材料，结构特殊以最大吸收激光能量 ――优点：灵敏度高（0.1卩J）,测量范围大（1mW-5kW）,重复性好。 ——缺点：两次测量之间必须使吸收体恢复到环境温度，因此测量时间间隔大 2） 光电法：根据光电效应中光能与物质产生的电流成正比 ――光电管，半导体光电元件两类 ――对光的响应时间快（10A-9s），恢复快，对波长有限制，量子效率不高有疲劳效应。

3） 光压法

2、 功率 / 光强度（光辐射通量密度） 1） 光强就是光波的波印廷矢量的平均值：

例题：假定一输出功率为 1.0mW的氦氖激光器其输出光束直径为 2mm，且该光束的发散度可以忽略，求该光束的光 能量密度，光强度和光波电场强度。

3、 脉宽与波形 1） 用示波器测量脉宽，同时给出了输出的波形 2） Q 开关激光脉宽的测量用光电倍增管或发光二极管作为转换元件，精度达 10A-9s 3） 对脉宽为Ps （皮秒，10A-12S）的锁模激光脉冲持续时间的测量用条纹照相机 4、 波长或光谱

1） 测量可见光波长用光谱比较法 2） 法布里 -珀罗标准具，光学多道分析仪

5、 方向性 1）打靶法，套孔法，光楔法，圆环法 6、 激光输出模式 1） 纵模：输出波长的单色性问题，为光谱的测量；横模：激光输出能量的空间分布 2） 直接观察法： 3） 扫描法，显色硅胶红外激光显示屏 第三章：光与生物组织的相互作用 一、光与生物组织和材料的相互作用方式（ 2 种） 1、光的吸收 1）光在照射生物组织时，当其光子的能量 hv 与组织的原子或分子的跃迁能级相同时，光能便被生物组织或材料所吸 收。——大多数转化为热能 2）生物组织材料对不同波长（或频率）光波的吸收本领不同。选择性吸收——用于识别某种元素或化合物的存在，对 特定生物组织材料的选择性作用。 3）当光源为高强度的脉冲激光时，会发生一个分子吸收多个光子的非线性吸收现象，为多光子吸收。

2、光的散射（波长越短，散射越厉害） 1）当照射到物质上的光远离该物质的吸收谱带时，物质的分子会被光的电磁波所极化，其电荷分布被光波的电场所位 移。光波正旋变化的电磁场会引起电子在分子内进行正旋振荡，这种振荡电荷使每个分子像一个小天线一样，会在非 入射光方向的方向上辐射能量，这就是散射现象。 2）瑞利散射（分子散射）特点： a: 散射光频率与入射光频率相同

b: 散射强度随与 r 的平方减少 c: 散射强度与入射光波长 的四次方成反比

d: 散射光强度随散射角变化 可通过测量散射光瑞利散射比来确定分子量，廻转半径和第二维里系数 3）布里渊散射：因为物质介质中存在弹性热波而在电磁波传播方向的介质空间引起随时间变化的密度涨落而引起 4）喇曼散射：由于物质的分子振动引起分子极化率随时间变化而产生 5）各种散射都是由于散射体的光学不均匀性产生的。 6）廷德尔散射如果物质的光不均匀性结构很大，数量级相当于光波长时，散射会相当强，使得物质呈现浑浊态

二、光对组织的生物作用机制（ 4 种） 1、热作用

1）定义：生物组织材料在吸收光能后，光能可转变为其分子的振动能和转动能，或通过热弛豫使周围的分子获得平移 能（包括振动能和转动能） ，从而产生热量使温度升高。 2）光的温热作用可使毛细血管扩张，使血流量增加，结果还可以使加热区改善供血和营养状态。 3）温度变化与反应 可引起温热感觉，作用相当理疗上的热敷，长时间照射都不会引起热致损伤。 肿瘤细胞死亡，正常细胞没事 可引起热致红斑，但在温度回复正常时，可自行消退。 可在数秒钟之内产生热致水泡，出现灼热感和痛觉 组织蛋白质熔融 约 10 秒钟之内发生热致凝固 发生热致汽化 热致炭化现象，皮肤组织和细胞在热作用下立刻发生干性坏死，迅速呈棕黑色 的现象 热致燃烧，此时组织和细胞会燃烧，可见火光 热值气化，当皮肤温度在瞬时内骤升到超过此温度时，皮肤组织会由固体立刻 变为气体