Transcript 激光知识半导体激光与医疗

激光基本知识
激光的最初的中文名叫做
“镭射”、“莱塞”，
它的英文名称LASER的音译，
是取自英文Light
Amplification by Stimulated
Emission of Radiation的各
单词头一个字母组成的缩
写词。意思是"通过受激发
射光扩大"。激光的英文全
名已经完全表达了制造激
光的主要过程。1964年按
照我国著名科学家钱学森
建议将“光受激发射”改
称“激光”。
• 光与物质的相互作用，实
质上是组成物质的微观粒
子吸收或辐射光子，同时
改变自身运动状况的表现。
•
微观粒子都具有特定
的一套能级（通常这些能
级是分立的）。任一时刻
粒子只能处在与某一能级
相对应的状态（或者简单
地表述为处在某一个能级
上）。与光子相互作用时，
粒子从一个能级跃迁到另
一个能级，并相应地吸收
或辐射光子。光子的能量
值为此两能级的能量差△E，
频率为=△E/h（h为普朗克
常量）。
激光波长与视觉关系
激光的特性
• （一）单色性好
•
单色性好
• 光的颜色由光的不同波
长决定，不同的颜色，
是不同波长的光作用于
人的视觉的不同而反映
出来。激光的波长基本
一致，谱线宽度很窄，
颜色很纯，单色性很好。
由于这个特性，激光在
通信技术中应用很广。
• （二）相干性好
• 相干性是所有波的
共性，但由于各种
光波的品质不同，
导致它们的相干性
也有高低之分。普
通光是自发辐射光，
不会产生干涉现象。
激光不同于普通光
源，它是受激辐射
光，具有极强的相
干性，所以称为相
干光。
• （三）方向性好
• 激光发射后发散角非常小，激光射出20公
里，光斑直径只有20——30厘米，激光射到
38万公里的月球上，其光斑直径还不到2公
里。
• （四）亮度高
• 由于激光的发射能力
强和能量的高度集中，
所以亮度很高，它比
普通光源高亿万倍，
比太阳表面的亮度高
几百亿倍。亮度是衡
量一个光源质量的重
要指标，若将中等强
度的激光束经过会聚，
可在焦点出产生几千
到几万度的高温。
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激光分类
激光分类：
激光器的分类基本上是根据其可达发射极限AEL（Accessible Emission Limit）
来划分的，而可达发射极限定义：在确定的危害类别内，允许激光器发射的
最大辐射功率和能量，一个激光器可能发射4类激光，但在该激光产品被定为
4类之前，其辐射必须真正超过3B类激光发射极限：
I类激光（class 1 Laser product）是无危险不需要进行危害控制的激光产品，
在设计的最大发射持续时间内，可达到的发射极限低于照射限值，即使通过
光学放大仪器进行光束内视，也不会引起眼损伤。
II类激光（class 2 Laser product）是低危险低功率的可见激光产品，输出功
率大于I类，但小于或等于1mw的连续激光产品或在设计的最大发射持续时间
内，输出功率超过相应光束内视照射极限，但不超过0.25s照射时间的眼照射
限值的重复频率脉冲激光产品。
IIIA类激光产品（class 3A Laser product）是低危险中功率的激光产品，输出
功率为1-5mw，辐照度不大25w/m^2的可见光连续波或重复频率脉冲激光产
品.
IIIB类激光产品（class 3B Laser product）是中等危险,中功率的激光产品,这类
激光产品包括:辐照量超过相应极限,但小于或等于10j/m^2的脉冲激光产品,辐
射功率超过相应眼照射限值,但小于或等于0.5w的连续波或重复频率脉冲激光
产品。
IV类激光产品（class 4 Laser product）是高功率的激光产品，即辐射功率超过
0.5w的连续波或重复频率脉冲激光产品或辐射量。
激光的生物学作用原理
（1）激光生物热效应
激光照射生物组织时，激光的光子作用于生物分子，分子运
动加剧，与其他分子的碰撞频率增加，由光转化为分子的动能后
变成热能，可能会引起蛋白质变性，生物组织表面收缩、脱水、
组织内部因水分蒸发而受到破坏，造成组织凝固坏死。当局部温
度急剧上升达几百度甚至上千度时，可以造成照射部分碳化或汽
化。在照射生物组织时，不同波长的激光产生热效应的机制也不
尽同。红外激光的光子能量小，生物组织吸收后只能增加生物分
子的热运动导致温度升高，所以它是直接生热可见光和紫外光的
光子能量大，生物组织吸收了光子能量后引起生物分子电子态跃
迁，在它从电子激发态回到基态的驰豫过程中释放能量，该能量
可能引起光化反应，也可能转化为热量产生温度升高，所以它们
是间接生热。
• 激光热效应究竟应表现为哪种形式，在激光方
面取决于其输出参数、作用时间，在生物组织
方面则取决于其光学、热学特性等诸多因
素。
热效应是激光致伤的最重要因素。激光损
伤区与正常组织的界缘十分清楚，这是由于激
光脉冲时程短，生物组织的导热性差，瞬间放
热来不及扩散到受照射部位以外的缘故。辐照
后，由于继变化，如炎症、出血、再生等，会
使原初清楚的损伤界缘逐渐变得模糊。
• （2）激光生物光化效应
当一个处于基态的分子吸收了能量足够大的光子以后，
受激跃迁到激发态，在它从激发态返回到基态，但又不返回
其原来分子能量状态的弛豫过程中，多出来的能量消耗在它
自身的化学键断裂或形成新键上，其发生的化学反应即为原
初光化学反应，在原初光化学反应过程中形成的产物，大多
数极不稳定，它们继续进行化学反应直至形成稳定的产物，
这种光化反应称为继发光化反应，前后两种反应组成了一个
完整的光化反应过程，这一过程大致可分为光致分解、光致
氧化、光致聚合及光致敏化四种主要类型，光致敏化效应又
包括光动力作用和一般光敏化作用。
• 生物的光化效应产生的根本是生物的而组织有
一定的色度，能选择性地吸收300～1000nm光
谱。生物体内的色素有黑色素和类黑色素、血
红蛋白、胡萝卜素、铁质等，其中黑色素对激
光能量的吸收最大。脱氧血红蛋白在556nm,氧
合血红蛋白在415、542、575nm处有清楚的吸
收带,胡萝卜素吸收带在480nm处，黑色素和类
黑色素在400～450nm波段吸收最强。无论是
正常细胞还是肿瘤细胞，在细胞质和细胞间有
许多黑色素颗粒，它们吸收激光能量使能量在
色素颗粒上积聚而成为一个热源，其能量向周
围传导和扩散，从而引起周围组织细胞损伤。
• （3）激光生物压力效应
由激光照射产生的机械作用可分为两部分：激光
本身的辐射压力对生物组织产生的压强，即光压，称
作一次压强；生物组织吸收强激光造成的热膨胀和相
变以及超声波、冲击波、电致伸缩等引起的压强，叫
二次压强。由激光导致的生物细胞的压强的变化可以
改变生物细胞、组织的形状，使得生物细胞、组织内
部或之间产生机械力，从而对生物细胞、组织产生巨
大的影响。由这种作用产生的冲击波是激光致伤的另
一原因。冲击波在组织中以超声速运动，在组织中产
生空穴现象，引起组织破坏。戈尔德曼指出：脉冲时
程50毫微秒的Q开关激光产生的冲击波压力，可大于
10个大气压。实际上，激光热效应影响范围十分局限，
而由压力效应引起的组织损伤，则可波及到远离受照
区的部位。例如，用红宝石激光照射小鼠头部时，发
现头皮轻度损伤，颅骨和大脑硬膜并无损伤，而大脑
本身却大面积出血，甚至造成死亡。
光束发散角与光斑直径关系
不同位置不同光斑
发散角
不同的导光介质会有不同的发散角；
不同的发散角在距离光源距离相同处会产生不同的光斑；
不同的光斑对患者病灶部位的治疗效果也是不同；
所以选择一个合适的发散角对于疗效好坏至关重要。
我们会对不同的病症匹配最合适的发散角。
半导体激光微创手术优势
• 微创治疗损伤小，手术精度高
因半导体激光手术刀的作用介质为光纤，光纤直径从400µm800µ m可选配，能灵活伸入深部病灶部位进行手术，避免常
规开创手术中的组织、器官被牵拉、分离的机械性损伤。
• 红光导航，术野清晰
已获国家专利的同光路红光指示光，保证手术视野的解剖层
次更清晰，定位 更准确，手术更精细。
•
临床效果好，操作简便
980nm激光波长具有对水及氧合血红蛋白的最佳吸收率，对
病变组织有更优越的气化、切割性能，凝固、止血效果极佳，
操控灵活易掌握。
• 复发、转移率低
980nm激光对肿瘤病变组织有极佳的血管、淋巴管封闭作用。
阻断了扩散途径，复发、转移率极低。
• 患者接受度高，恢复快
避免常规外科手术大切口、大范围切除，因980nm激光其光
学烧灼而非热烧灼的优点，可使周围组织产生极少的损伤，
并能维持较长时间的止血效果
北京协和医院自1995年起采用新型高功率半导体激光
（作妇科腹腔镜手术），与该院以往使用的Nd:YAG激光
手术比较，体会到半导体激光有以下优点：
①半导体激光的光电转换率较高，为Nd:YAG激光的30倍，
因此功率消耗和产热极少，可采用普通220V电源，机器
内无高压，故使用寿命长，而Nd:YAG激光采用380V电源，
需要装冷却水装置或风冷以消除发热，消耗水电较多，
且容易损坏。
②半导体激光器体积小巧，携带方便，配备一台机器，
可供多种手术适用。
③半导体激光术前准备快，效率高，透热最深为2mm，
故临床使用安全，可减少对病灶深处脏器的损伤。而
Nd:YAG激光透热最深达4mm，且温度下降较慢。
④半导体激光手术操作时止血好，出血少，产生烟雾较
Nd:YAG激光少，术中视野较清晰，可避免误伤周围脏器。
半导体激光与Nd：YAG激光的区别
半导体激光安全性高：
半导体激光平均透射深度为3mm左右，是1064nm波长Nd：
YAG激光透射深度的一半，切割速度更快。
半导体激光切割速度快：
在组织表面，半导体激光产生的温度为150℃，而Nd：YAG
激光是95℃，能量更集中。
半导体激光的凝固作用佳：
组织深度加强，温度比Nd：YAG激光下降速度快。
半导体激光吸收效果好：
手术所需功率低，手术时间短，吸收比Nd：YAG激光高3倍。
------《激光医学》 上海科学技术出版社 2003.9