光的量子特性與激光及其醫學應用1第一頁，共三十四頁，2022年，8月28日Lecture7光的量子特性與激光及其醫學應用（第十五章、第十八章）2第二頁，共三十四頁，2022年，8月28日電磁波光子或光量子光的波動性光的粒子性

波長l頻率n波速cm

動質量e能量p動量波的干涉波的衍射橫波偏振有波動參量如：有波的行為特性如：有粒子參量如：有粒子的行為特性如：黑體輻射光電效應激光,光的這種雙重特性,稱為光的波粒二象性。既具有波動性又具有粒子性光3第三頁，共三十四頁，2022年，8月28日物質的發光原理及光源光發射的本質實際上就是原子或分子能級躍遷的結果。產生光的方法有很多：4第四頁，共三十四頁，2022年，8月28日一.熱輻射現象任何物體在任何溫度下都能輻射出電磁波。這種與溫度有關的輻射稱為熱輻射。熱輻射不透明體發射各種波長的熱輻射能TT一處于某溫度溫度越高，輻射出的總能量越大，短波成分越多。熱輻射的光譜是連續譜，波長覆蓋范圍理論上可從0直至∞，一般的熱輻射主要靠波長較長的可見光和紅外線傳播。5第五頁，共三十四頁，2022年，8月28日

利用紅外線檢測人體的健康狀態；本圖片是人體的背部熱圖，可根據不同顏色判斷病變區域。人體輻射紅外線-----

醫學臨床診斷中的人體紅外熱像圖:6第六頁，共三十四頁，2022年，8月28日黑體輻射實驗規律

不透明的材料制成帶小孔的空腔,可近似看作黑體。黑體模型

研究黑體輻射的規律是了解一般物體熱輻射性質的基礎。黑體如果一個物體在任何溫度下，對任何波長的電磁波都完全吸收，而不反射和透射，這種物體就叫做黑體。（黑體是理想模型）7第七頁，共三十四頁，2022年，8月28日

黑體的輻射強度與黑體絕對溫度的四次方成正比：（1）斯特藩-玻耳茲曼定律（如右圖）同一物體，溫度越高，輻射電磁波的能力就越大，表現在高溫物體的輻射曲線整個都在低溫物體輻射曲線的上方。通過黑體輻射實驗，總結出兩條實驗規律斯特藩—玻爾茲曼常量0100020001.00.5

可見光區3000K6000K8第八頁，共三十四頁，2022年，8月28日2000K()MBTM

(T)0l黑體的單色輻出度1750K()MBT1500K()MBT1000K()MBT10m-6123456波長

l0lm

對于給定溫度T，黑體的單色輻出度都有一最大值,其對應波長為，稱為峰值波長。（2）維恩位移定律物體溫度越高，峰值波長越短，成反比。當溫度很低時，主要輻射出遠紅外、紅外線，基本不輻射可見光。人體表面溫度約300K，從人體輻射的電磁波最大波長則為9600nm，位于遠紅外區太陽表面溫度約6000K，因而輻射出的波長正好在可見光范圍。當然還有大量的紅外線和紫外線9第九頁，共三十四頁，2022年，8月28日

能量量子化假說：輻射黑體中分子、原子的振動可看作線性諧振子。但是這些諧振子的能量只能是某一最小能量ε（稱為量子）的整數倍，不能連續變化，即：ε,1ε,2ε,3ε,...nε。n為正整數，稱為量子數。對于頻率為ν的諧振子的能量最小單元，稱為量子：能量量子經典

振子從一個狀態躍遷到另一個狀態時，輻射出或吸收的能量也是量子化的，是不連續的。而經典的熱力學和電磁場理論的觀點則認為，振子的能量變化是連續的，可以是任意值。普朗克假說使得多種微觀線性得以正確的解釋。普朗克常量10第十頁，共三十四頁，2022年，8月28日第二節光電效應一.光電效應的基本規律U+G++加速電勢差U光電流i光電子石英窗K陰極金屬板A陽極外接極性反向測遏止電勢差Ua光強I光頻率n

適當頻率的光束照射到金屬表面使電子從金屬中脫出的現象稱為光電效應。i0U21光強較強光強較弱頻率相同nHI1HI2aU11第十一頁，共三十四頁，2022年，8月28日U0e應與光強有關m120v2max電子從具有一定振幅的光波中吸收與光強無關I不論什么頻率，只要光足夠強，總可連續供給電子足夠的能量而逸出。nn0金屬材料的截止頻率時，無論多強，均無電子逸出。I初動能與光強有關無紅限有紅限光電子的最大初動能與遏止電壓U有關，與光強無關瞬時響應響應快慢取決光強光強越弱，電子從連續光波中吸收并累積能量到逸出所需的時間越長。只要不論光強多弱，nn0幾乎同時觀察到光電效應。（小于）s019能量而逸出其初動能光的波動理論光電效應實驗規律光的波動理論與光電效應實驗規律相矛盾12第十二頁，共三十四頁，2022年，8月28日二.愛因斯坦的光子假設

1.不僅在發射和吸收時輻射能是量子化的，而且輻射能在傳遞過程中也是量子化的。

2.

光在真空中是以光速c運動的粒子流，這些粒子稱為光量子(lightquantum),即光子(photon)。單個光子的能量為。

3.根據能量守恒，金屬中一個電子吸收一個光子的能量hv，一部分用來克服電子的逸出功A，另一部分轉換成光電子的初動能，即

愛因斯坦光電效應方程m120v2nhA+該方程可以全面地解釋光電效應的實驗規律。13第十三頁，共三十四頁，2022年，8月28日三光電效應在近代技術中的應用光控繼電器、自動控制、自動計數、自動報警等.光電倍增管放大器接控件機構光光控繼電器示意圖第二節光電效應愛因斯坦的光量子論14第十四頁，共三十四頁，2022年，8月28日

第四節激光(Laser)

激光又名鐳射,它的全名是:

“受激輻射的光放大”。(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)激光（錢學森教授建議得名）:

利用光能、熱能、電能、化學能或核能等外部能量激勵工作物質，使其發生受激輻射而產生的一種特殊的光。成為新的光源。愛因斯坦于1917年在光量子論的基礎上發展了自發輻射和受激輻射理論，預言了原子產生受激輻射放大的可能性。15第十五頁，共三十四頁，2022年，8月28日激光輸出的波長范圍，可以從遠紅外直到紫外甚至到x光波段；波長可以是單一的，也可以是多種可調的；輸出方式可以是連續的，也可以是脈沖的。激光的功率范圍可以從mW到百kW，脈沖峰值可達1013W激光器的品種已達數百種，激光以其特殊的發光機制與激光器結構而具有普通光源發出的光所無可比擬的優點，激光技術已滲透到工業、通訊、生物、醫學等領域，形成激光生物學、激光醫學等邊緣學科。16第十六頁，共三十四頁，2022年，8月28日（一）激光的基本原理當分子、原子或離子在處于較高能級E2時，是比較不穩定的，它會自動躍遷到較低能級E1上，并釋放一定的能量。釋放能量的方式有兩種：一種是無輻射躍遷（非光能的形式），轉變為熱能被吸收或者釋放；另一種是以光能的形式吸收或釋放，輻射出一個光子，叫做輻射躍遷，輻射光子的頻率滿足：這種躍遷，每一個粒子的躍遷都是自發地獨立地進行，因而它們所輻射的光的相位、方向以及偏振方向都是隨機的，因此是非相干光。例如日光燈發出的光。17第十七頁，共三十四頁，2022年，8月28日按照原子的量子理論，光和原子的相互作用可能引起受激吸收、自發輻射和受激輻射三種躍遷過程。

受激吸收：原來處于低能態E1的原子，受到頻率為，能量為的光子照射時，該原子就有可能吸收此光子的能量，向高能態E2躍遷，這種過程稱為受激吸收，或稱為原子的光激發。E1E2受激吸收18第十八頁，共三十四頁，2022年，8月28日自發輻射

原子受激后，處于高能態E2，是不穩定的，一般只能停留10-8S。在沒有外界的作用下，會自發地回到低能態，同時向外輻射出一個能量為的光子，這稱為自發輻射。普通光源的發光就屬于自發輻射。由于發光物質中各個原子自發地、獨立地進行輻射，因而各個光子的位相、偏振態和傳播方向之間沒有確定的關系。E1E2自發輻射19第十九頁，共三十四頁，2022年，8月28日

受激輻射

處于高能級E2的原子，如果在自發輻射以前受到能量為的外來光子的誘發作用，就有可能從高能態躍遷到低能態，同時發射一個與外來光子頻率、相位、偏振態和傳播方向都相同的光子，這一過程稱為受激輻射。

激光光源發光的機制..。

發光前發光后

受激輻射光放大結果是，出射光比入射光增加一倍，而且是相干光。如果能將這個過程持續下去，就能獲得大量的狀態相同的光子，即形成了光放大。20第二十頁，共三十四頁，2022年，8月28日（二）激光產生的條件及激光器的構成光與物質的相互作用時，總是同時存在受激吸收、自發輻射以及受激輻射，到底哪一方占主導，取決于粒子在兩個能級上的分布多少。低能態的原子數目多，則受激吸收占主導，觀察不到光的放大現象；若高能態的原子數目多，則受激輻射總體上占優勢，能觀察到持續的光放大。通常情況下，原子是處于熱平衡態，即能量越高的粒子的數目越少，所以常溫下，原子幾乎全部都處于基態。這樣，即使有滿足能級差的光子能量到來，也幾乎全部被低能級的原子吸收，而很少被高能級原子吸收而產生受激輻射，無法產生持續的光放大。所以，為了實現光放大，必須使得高能態的原子數目多于低能態，即“粒子數反轉”的狀態。21第二十一頁，共三十四頁，2022年，8月28日粒子數的正常分布.....。。。。。。。。。。。。。粒子數反轉分布...............。。。。。條件一：要求介質有適當的能級結構，即存在亞穩態能級的介質能實現粒子數反轉，這種介質稱為激活介質，或者工作物質。可以是固體、液體或是氣體。亞穩態基態激發態(10-8S)(10-3S）2.粒子數反轉22第二十二頁，共三十四頁，2022年，8月28日不同類型的激光器，常見的工作物質有：氣體激光器：He-Ne氣體，CO2氣體，氣態的Ar+，Kr+固體激光器：紅寶石，釹玻璃，摻釹釔鋁石榴石Nd:YAG半導體激光器：砷化鎵GaAs，硫化鎘CdS，磷化銦InP，硫化鋅ZnS液體激光器：若丹明染料23第二十三頁，共三十四頁，2022年，8月28日條件二

必須有外界能源提供能量，使激活介質有盡可能多的原子吸收能量后躍遷到高能態。這一能量供應過程稱為“激勵”，又稱為“抽運”或“泵浦”。激勵的方法一般有光激勵、氣體放電激勵、化學激勵、核能激勵等。基態E1E3E2激發態亞穩態抽運無輻射躍遷（能量轉移給晶格）三能級系統24第二十四頁，共三十四頁，2022年，8月28日實現了粒子數反轉分布的激活介質盡管能夠對光進行放大，但是還不可能得到方向性和單色性很好的激光。激發態原子

基態自發輻射受激輻射

在實現了粒子數反轉分布的激活介質內，但是受激輻射最初是由自發輻射或其他形式來激勵的，所輻射的光的相位、偏振態、頻率和傳播方向都是互不相關，也是隨機的。無諧振腔時受激輻射的方向是隨機的

條件三.光學諧振腔25第二十五頁，共三十四頁，2022年，8月28日M1M2M1M2M1M2全反射鏡100%反射部分反射鏡90%以上反射諧振腔對光束方向的選擇性沿光軸方向運動的光子，反復多次反射產生雪崩式放大，從部分反射鏡射出形成激光。偏離軸線方向的光子逸出腔外

沿軸線方向的光子，在腔內來回反射，產生連鎖式放大

在一定條件下，從部分反射鏡射出很強的光束—--激光光學諧振腔:26第二十六頁，共三十四頁，2022年，8月28日部分反射鏡激勵能源全反射鏡激光輸出工作物質

光學諧振腔——工作物質——激勵能源——光學諧振腔產生激光必要條件1.實現粒子數反轉２.使原子被激發３.要實現光放大L

4.激光器的結構基本組成部分27第二十七頁，共三十四頁，2022年，8月28日激光器的分類

（按工作物質分類）

激光器氣體激光器固體激光器半導體激光器染料激光器

氣體激光器，按工作物質的性質又分為原子激光器、分子激光器和離子激光器。波譜范圍廣，能連續輸出，單色性、方向性比其它類型的激光器好。且制造方便、成本低、可靠性高。常用的固體激光器為紅寶石、釹玻璃、摻釹釔鋁石榴石。體積小、功率大、使用方便，但工作物質較貴，結構制造復雜。半導體激光器的種類很多。不同類型的工作物質，不同方式的激勵，以及提供振蕩的不同結構，都可構成不同類型的激光器。光譜結構復雜，單色性差，但其重量輕、耗電省。利用有機染料分子獨特的光譜結構，可以得到在一定范圍內連續可調的激光。28第二十八頁，共三十四頁，2022年，8月28日5.激光的特點1）方向性好

激光束發散角很小(10-4~10-2弧度)。利用方向性好的特點，激光可定位、導向、測距等。3）單色性好

在普通光源中單色性最好的是作為長度基準器的氪燈,其譜線寬度為4.7×10-4nm，而激光譜線寬為10-8nm，為氪燈譜線寬度的5萬分之一。在臨床治療及基礎醫學研究有重要作用。

激光能量在時間和空間上高度集中，能在極小區域產生幾百萬度的高溫。利用了高亮度的特點，激光可作激光打孔、焊接、切割、激光手術、激光武器等。2）能量集中、亮度極高、強度大29第二十九頁，共三十四頁，2022年，8月28日

普通光源的相干長度約為1毫米至幾十厘米;激光可達幾十公里。全息照相、全息存儲等就利用了相干性好的特點。4）相干性好5）偏振性好

激光束中各個光子的偏振狀態相同，因此激光具有良好的偏振性。30第三十頁，共三十四頁，2022年，8月28日激光既是能量載體，可以用于疾病治療，又是信息載體，可以用于疾病診斷。1）激光兼有多種治療功能，可通過選擇波長和劑量，即可代替手術刀，也可以代替針灸、灸療；2）是不出血的手術刀，熱凝固可減少出血，手術視野清晰，腫瘤不擴散；3）將激光通過光纖導入消化道、泌尿道、呼吸道、血管等實施內腔手術，如碎石、通血栓、切腔內腫瘤；4）脫毛、消皺、消色