醫(yī)學(xué)中常用的激光器

1、醫(yī)學(xué)中常用的激光器自第一臺(tái)激光器問世后，人們對(duì)激光器件及技術(shù)進(jìn)行了大量的研制工作，取得了相當(dāng)可觀的成果。目前能實(shí)現(xiàn)激光運(yùn)轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)達(dá)數(shù)百種以上，大體上分為氣體、固體、半導(dǎo)體、染料等幾大類。人們?cè)谔剿骷す猱a(chǎn)生機(jī)理的同時(shí)，擴(kuò)展了激光的頻譜范圍，幾千條譜線遍布于真空紫外到遠(yuǎn)紅外的廣闊光譜區(qū)域。激光方向性好、強(qiáng)度大，可以使被照物體在11000s內(nèi)產(chǎn)生幾千度的高溫，瞬間發(fā)生汽化。由于激光的物理特性決定了其具有明顯的生物學(xué)效應(yīng)，。各種不同的激光具

2、有不同的特性和組織效應(yīng)，正確認(rèn)識(shí)激光的這些特點(diǎn)，是選擇和合理利用激光的基礎(chǔ)。一氣體激光器氣體激光器，按工作物質(zhì)的性質(zhì)，大致可分成下列三種：(1)原子激光器：利用原子躍遷產(chǎn)生激光振蕩，以氦氖激光器為代表。氬、氪、氙等惰性氣體，銅、鎘、汞等金屬蒸氣，氯、溴、碘等鹵素，它們的原子均能產(chǎn)生激光。原子激光器的輸出譜線在可見和紅外波段，典型輸出功率為10毫瓦數(shù)量級(jí)。(2)分子激光器：利用分子振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的變化產(chǎn)生輻射制成的，輸出的激光是分子的振

3、轉(zhuǎn)光譜。分子激光器以二氧化碳(CO2)激光器為代表，其他還有氫分子(H2)，氮分子(N2)和一氧化碳(CO)分子等激光器。分子激光器的輸出光譜大多在近紅外和遠(yuǎn)紅外波段，輸出功率從數(shù)十瓦到數(shù)萬(wàn)瓦。(3)離子激光器：這類激光器的激活介質(zhì)是離子，由被激發(fā)的離子產(chǎn)生激光放大作用，如氬離子(激活介質(zhì)為Ar＋)激光器。氦鎘激光器(激活介質(zhì)為Cd＋)等。離子激光器的輸出光譜大多在可見光和紫外波段，輸出功率從幾毫瓦到幾十瓦。氣體激光器是覆蓋波譜范圍最廣

4、的一類器件，能產(chǎn)生連續(xù)輸出。其方向性、單色性也比其他類型器件好，加之制造方便、成本低、可靠性高，因此成為目前應(yīng)用最廣的一類器體。1、氦氖激光器氦氖激光器能輸出波長(zhǎng)為632.8nm的可見光，具有連續(xù)輸出的特性。它的光束質(zhì)量很好(發(fā)散角小，單色性好，單色亮度大)。激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但輸出功率較小。氦氖激光器在工業(yè)、科研、國(guó)防上應(yīng)用很廣，醫(yī)療上主要用于照射，有刺激、消炎、鎮(zhèn)痛、擴(kuò)張血管和針灸等作用，廣泛用于內(nèi)科、皮膚科、口腔科及細(xì)胞的

5、顯微研究。氦氖激光器有三種結(jié)構(gòu)形式：內(nèi)腔式、外腔式和半內(nèi)腔式。它們均由放電管、諧振腔、激勵(lì)電源等三部分組成。以內(nèi)腔式為例，放電毛細(xì)管是產(chǎn)生氣體放電和激光的區(qū)域，它的內(nèi)徑很小，約在1到幾毫米。電極A為陽(yáng)極，由鎢桿或鉬(或鎳)筒制成。陰極K為金屬圓筒，由鋁、鉬、鉭等制成，它們均有足夠的電子發(fā)射能力和抗濺射能力。組成諧振腔的兩塊反射鏡緊貼于放電管兩端，并鍍以多層介質(zhì)膜。其中一個(gè)為全反射鏡，另一個(gè)則為部分反射鏡，整個(gè)諧振腔在出廠前已調(diào)整完畢，

6、因此使用簡(jiǎn)單、方便。放電管的管徑比放電毛細(xì)管粗幾十倍，用以保持氦氖氣壓比及加固諧振腔。為了避免放電管變形而引起激光輸出下降，內(nèi)腔管的長(zhǎng)度不宜過大，一般不超過一米。外腔式激光器可以更換不同的反射鏡，使輸出功率最大，光束發(fā)散角最小。也可在反射鏡和放電管之間插入光學(xué)元件，以研究激光器的輸出特性，調(diào)制它的頻率或幅度，并可制成單頻大功率激光器。2、二氧化碳激光器二氧化碳激光器的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)20～25%(氦氖激光器的能量轉(zhuǎn)換效率僅為千分之幾)。

7、它的輸出波長(zhǎng)為10.6微米，屬于遠(yuǎn)紅外區(qū)，連續(xù)輸出功率可達(dá)萬(wàn)瓦級(jí)，常用電激勵(lì)，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單緊湊，使用方便，是目前最常用的激光器之一，在醫(yī)學(xué)上，CO2激光器作為手術(shù)刀使用日益引起人們的重視。CO2激光器也用于皮膚科、外科、神經(jīng)外科、整形外科、婦科和五官科的手術(shù)，在癌癥的治療上也有一定成效。最常見的封離型內(nèi)腔式二氧化碳激光器的管殼是由硬質(zhì)玻璃或石英材料制成的。常見為三層玻璃套管結(jié)構(gòu)，其最內(nèi)層是放電管，中間層是水冷套，外層是儲(chǔ)氣管。在內(nèi)外層

8、之間有氣體循環(huán)通路，這是為了保證混合氣體的均勻分布而設(shè)計(jì)的。其光學(xué)諧振腔通常用平凹球面腔。球面鏡可用石英或其他光學(xué)玻璃做基片，然后，在表面上鍍層金屬膜。平面鏡是輸出窗片，要求它對(duì)10.6μm的激光有很好的透過率，且表面不易損傷，機(jī)械性能好等。一般中小功率的激光器常常采用鍺單晶做輸出片，加工也有一定要求，固體激光器的工作物質(zhì)常制成棒形(截面為圓形或矩形，稱為激光棒)，其長(zhǎng)度和直徑比為10∶1左右。對(duì)連續(xù)工作的器件，為提高散熱效果可取12∶

9、1到15∶1。棒兩端面的平面平行度應(yīng)小于10″，光潔度優(yōu)于PⅢ。為了減少側(cè)壁效應(yīng)，提高泵浦效率，激光棒的側(cè)面應(yīng)磨毛。下面具體敘述各種固體激光器的結(jié)構(gòu)和特性。1、紅寶石激光器紅寶石是一種晶體，主要成份是Al2O3，摻入的激活離子是三價(jià)鉻離子Cr3＋，離子密度約為1.61019cm3，Cr3＋的重量摻雜比約為0.035～0.05%。整個(gè)紅寶石晶體呈淡紅色，表示式為Al2O3：Cr３＋。當(dāng)入射光為700nm時(shí)，o光的折射率為1.769，

10、e光的折射率為1.761。紅寶石的機(jī)械性能很好，質(zhì)硬，熔點(diǎn)高，熱變形小，熱導(dǎo)率高，化學(xué)性能穩(wěn)定，具有較高的抗激光破壞能力，是較好的晶體材料之一。它屬于三能級(jí)結(jié)構(gòu)，激光輸出波長(zhǎng)為694.3nm。紅寶石棒和脈沖氙燈同置于聚光腔內(nèi)。全反射鏡和部分反射鏡組成光學(xué)諧振腔(光學(xué)諧振腔也可由激光棒的二端面構(gòu)成)。電源的脈沖高電壓使氙燈閃光，對(duì)紅寶石進(jìn)行光激勵(lì)，以產(chǎn)生激光。聚光器的作用是使光源發(fā)出的光盡量多地匯聚于工作物質(zhì)，并使照明盡量均勻，以形成較

11、好的光耦合。前者用以提高整個(gè)系統(tǒng)的效率，后者則決定輸出激光束的質(zhì)量(光強(qiáng)度分布均勻性和發(fā)散角大小)。紅寶石激光器的激勵(lì)光源為脈沖氙燈，其充氣氣壓較高(大于幾百乇)。在較短的時(shí)間內(nèi)(幾微秒到幾毫秒)通過大電流放電(幾千安培厘米2)使管內(nèi)放電氣體等離子體瞬時(shí)達(dá)到高溫(104K)，從而發(fā)出高亮度的以連續(xù)光譜為主的白光輻射，其色溫為5000～15000K。脈沖氙燈作單次閃光后間歇時(shí)間較長(zhǎng)，通常不需采取冷卻措施。它在高于100次秒的重復(fù)閃光頻率

12、下也能工作，但必須采取專門的風(fēng)冷或水冷措施。脈沖氙燈的電能和光能轉(zhuǎn)換效率較高，可達(dá)50～60%以上。紅寶石的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是它的激光為紅光，這種激光人眼可見，對(duì)絕大多數(shù)光敏材料和器件來(lái)說(shuō)，也易于進(jìn)行探測(cè)和測(cè)量。紅寶石激光器是最早應(yīng)用于醫(yī)療上的激光器：在眼科中用于視網(wǎng)膜的焊接，治療青光眼，進(jìn)行虹膜的切除等，在皮膚科中用于照射治療，在生物學(xué)方面，用于細(xì)胞的研究等等。紅寶石屬于三能級(jí)結(jié)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，至少需要把半數(shù)以上的工作粒子激勵(lì)到激光

13、躍遷的高能級(jí)，因此產(chǎn)生激光所要求的閾值激勵(lì)功率較高。此外，當(dāng)晶體升溫時(shí)(大于50℃)，熒光量子效率顯著下降，譜線寬度增大，使激光輸出水平下降，甚至停振，故一般應(yīng)采取冷卻措施。紅寶石激光器的效率較低，對(duì)脈沖式激光器，輸出能量可達(dá)幾焦耳到幾十焦耳以上，器件總效率大約為0.2～0.5%左右。此外，紅寶石激光器的輸出發(fā)散角較大，一般約為3～10毫弧度。2.摻釹釔鋁石榴石激光器摻釹釔鋁石榴石晶體的化學(xué)表示式Nd3＋：Y3Al5O12，簡(jiǎn)寫為為

14、Nd３＋:YAG。它是在釔鋁石榴石基質(zhì)中摻入1%濃度(重量比)左右的氧化釹(Nd2O3)，以取代部分釔而制成的。其中Nd３＋是激活離子，激光就是通過這些離子受激輻射而得到的。Nd３＋:YAG晶體為淡粉紫色，硬度高，機(jī)械性能好，導(dǎo)熱性及化學(xué)穩(wěn)定性都較好。在濾掉紫外輻射的情況下，其抗光照性也較好。激光輸出波長(zhǎng)為1.064微米(室溫)的激發(fā)，譜線寬度為0.7～1nnm，采用倍頻技術(shù)可獲得0.532微米的綠色可見光。Nd３＋:YAG晶體為四

15、能級(jí)結(jié)構(gòu)，因此實(shí)現(xiàn)激光振蕩所需光泵的功率較小。同時(shí)，良導(dǎo)熱性使它在室溫條件下能連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)或以較高重復(fù)頻率運(yùn)轉(zhuǎn)，這是它的兩個(gè)主要特點(diǎn)。與紅寶石激光器相同，Nd３＋:YAG激光器也由激光棒、諧振腔、聚光器及光源組成。激光棒的直徑一般為4～7毫米，光學(xué)均勻性好，二端面磨成平面，平面度為λ4，局部平面誤差≤λ10，并鍍以增透膜(透過率≥99.5%)，端面的光潔度優(yōu)于PⅢ，平行度為10″左右。為了防止寄生振蕩，圓棒的側(cè)面必須磨毛。連續(xù)工作的Nd３＋

16、：YAG激光器，光泵通常用連續(xù)氪弧燈，因?yàn)樗木€光譜圖中位于750nm和800nm處的極強(qiáng)發(fā)射譜線正好與Nd３＋的強(qiáng)吸收帶相匹配，所以效率很高。例如7114毫米的激光棒，用氪燈激勵(lì)，波長(zhǎng)為1.064微米的激光輸出功率可大于100瓦。目前Nd３＋:YAG連續(xù)激光器的最大輸出功率已超過1000瓦，每秒30次的重復(fù)頻率調(diào)Q激光器的峰值功率已達(dá)150兆瓦。連續(xù)工作的激光器，要求用流動(dòng)水冷卻。對(duì)大功率Nd３＋：YAG激光器，光泵常采用脈沖氙燈，而