激光是20世纪60年代初出现的重大科技成果之一, 它同原子能、半导体、计算机一起被称为现代科学技术的四大发明。目前, 激光技术得到了很大的发展, 在人们的生活、生产、科研和医学等各个领域都有较为广泛的应用。
通常, 原子发光与原子能级的跃迁有关, 而原子能级的跃迁有自发和受激两种, 因此, 原子发光也有自发辐射和受激辐射两种。
处于激发态的原子是不稳定的 (其停留时间一般为10-8秒) , 它总是力图向基态或较低能态跃迁。原子在没有外界作用时, 处于高能级的原子会自发地向低能级跃迁, 并同时辐射出一个光子, 这个过程称作自发辐射。自发辐射时, 光源中大量原子各自互不相关地向外辐射光, 所发出的光在频率、振动方向和传播方向上各不相同。大量原子自发辐射发出的光包含有各种频率、各种振动方向, 这种光称为自然光。
原子也可以接受外界能量, 由较低能级激发到较高能级上。这种由于吸收外界能量而使原子被激发到较高能级的过程, 称为受激吸收。有些物质的原子, 在被激发到较高能级时, 其停留时间可达, 这比通常情况下原子在高能级的停留时间要长得多。
如果处在这种高能级上的原子在未自发辐射前, 恰好受到能量等于两能级之差的外来光子的诱发, 原子就会发射出一个同外来光子的行为完全一样的光子, 并跃迁到较低能级上, 这种发光过程称为受激辐射。受激辐射产生的光子跟外来光子的频率、振动方向和传播方向都完全相同。这两个完全相同的光子在介质中传播时, 再次引起其它原子受激辐射, 这样就能在极短时间内, 引发越来越多行为完全相同的光子, 使同频率的光被放大加强。这种因受激辐射而得到加强 (放大) 的光, 称为激光。
就一般物质而言, 自发辐射、受激吸收和受激辐射这三种过程总是同时进行的。在正常情况下, 处于低能级的原子数, 总是大于处于高能级的原子数。通常情况下, 因为自发辐射在任何条件下都能进行, 因此自发辐射的概率明显地大于受激辐射的概率。
实现粒子数反转, 是产生激光的一个必要条件。为了产生激光, 首先要使工作物质中处于高能级的原子数大于低能级上的原子数, 这种粒子数的反常分布, 称为粒子数反转。
能够产生激光的物质, 其原子必须具有某种特殊的激发态能级 (即亚稳态) , 其能够停留时间 (10-3s) 要比通常情况下激发态的停留时间 (10-8s) 长得多, 这种相对稳定的激发态称为亚稳态。只有具有亚稳态的物质才有可能用来实现粒子数反转。
人们通过大量实验, 已经找到了许多种具有亚稳态能级、可以顺利实现粒子数反转的工作物质, 如红宝石、二氧化碳、氦、氖等。虽然激光工作物质能实现粒子数反转, 可以产生光放大, 但这还是不能得到激光。因为部分处于亚稳态的粒子也会发生自发辐射, 这些自发辐射是随机的, 虽然也产生各自的光放大, 但从总体上来看, 由于它们各向四面八方传播, 步调也不可能是一致的, 所以它仍属自然光。
要产生能够实际应用的激光, 还必须有一个光学谐振腔。光学谐振腔有多种, 其中有一种称为平面平行腔。它由放置在激光工作物质两端与谐振腔轴线垂直的、一对严格互相平行的反射镜构成, 其中一个为全反射镜, 另一个为部分反射镜。
在光学谐振腔内, 如果受激辐射产生的光子偏离了谐振腔轴线方向, 这部分光子则会直接逸出腔外或经过几次反射后而逸出腔外。只有沿轴线方向传播的光, 才能在腔内来回往返反射, 并得到雪崩式放大, 使腔内光子数骤增而获得很强的光, 这种现象称为光振荡。这种基于受激辐射光放大原理所产生的相干辐射, 称为激光。在一定条件下, 可使受激辐射而放大的光从部分反射镜中输出, 这就是激光。
综上所述, 产生激光要具备三个条件:一是要有具有亚稳态原子能级, 可以实现粒子数反转的工作物质;二是要有具有能够产生诱发工作物质发生受激辐射的外来光子的激励源;三是要有具有能使工作物质中的光子发生光振荡的谐振腔。这种可以产生激光的装置, 称为激光器。
由于激光具有生物刺激效应, 可用激光作刺激源, 在分子水平上调整蛋白质和核酸的合成与活性, 改变各种酶的活性与功能。利用激光的生物效应, 可对细胞的繁殖、分化、遗传、发育、代谢及死亡等过程进行研究, 也可对组织的损伤与修复进行研究。
应用激光的微光束技术, 可对细胞进行俘获、转移、穿孔、移植、融合等。应用激光多普勒技术, 可对人的口唇、舌间等微循环与视网膜微血管的血流速度进行检测, 在血液流变学、病理学、免疫学等研究方面都有广泛应用。
应用激光微探针技术, 使标本的细微处在激光束的照射下汽化, 用摄谱仪或质谱仪进行记录, 从而实现对生物组织中的各种离子、微量元素进行定性和定量的分析。另外, 激光扫描聚焦显微镜, 可运用于细胞形态学、细胞生物学、神经科学、遗传学、药理学等方面的研究。
以光学分析分类, 激光诊断一般有激光光谱分析法 (如荧光光谱) 、激光干涉分析法 (如全息术) 、激光透射分析法、激光散射分析法、激光衍射分析法。
激光诊断技术为诊断学向非侵入性、微量化、自动化和实时快速的方向发展开辟了许多新的途径。例如, 应用激光透射分析法检查软组织中的病变, 应用激光偏振法来鉴别诊断肿瘤细胞的性质等。
激光治疗广泛应用于眼科、外科、妇科、皮肤科和肿瘤科等临床学科, 并可兼有中、西医疗法。主要包括激光手术治疗、激光内镜术治疗、弱激光治疗和激光光动力学疗法等。
(1) 激光手术。激光手术是用激光代替传统的手术刀, 对组织进行分离、切除、凝固、汽化, 焊接组织、血管、淋巴管、神经等, 可进行多种手术。
用激光手术刀, 可以进行多种外科手术。激光的能量高度集中, 能使被照组织迅速凝固, 可用来封闭血管和淋巴管, 治疗血管瘤和淋巴瘤。
眼科用激光可以治疗近视眼、青光眼、眼底血管瘤等疾病。应用激光对脱落的视网膜进行焊接, 封闭视网膜上的裂孔。激光刀切割时间短、切割的同时能将组织内的部分小血管封闭, 出血少, 切口愈合平滑整齐, 效果优于传统手术。
例如, 手术中常用的激光的波长为10.6μm, 属人眼不可见的中红外光, 人体的细胞组织对其有强烈的吸收, 而与细胞的颜色无关。激光在临床应用中具有人体吸收激光效率高、创伤面积小、伤口深度浅、能封闭细小血管及减少出血等优点, 深受广大外科医生的青睐, 在激光外科手术中得到了广泛应用。激光器是目前激光外科临床中使用最多的激光器。
(2) 激光内镜术治疗。通过光纤内镜对人体内腔疾病进行激光治疗, 可用于腔内手术、理疗和光动力治疗。用光纤内镜可以方便地导入激光, 由于不用开胸、剖腹、开颅, 从而使这种疗法具有很大的发展优势。
(3) 弱激光治疗。主要有扩束照射和激光针灸两大类。
扩束照射将激光进行扩束, 使激光密度减小, 使之成为弱激光, 用弱激光对人体组织进行照射, 具有镇痛、消肿、止痒、促进创面愈合等疗效。对骨关节炎、软组织扭伤、皮炎、湿疹等具有较好的治疗效果。
激光针灸利用弱激光束直接照射在人体的一些穴位上, 会产生较强的“针”感, 激光的能量被穴位吸收, 能起到“灸”的作用。利用激光针灸, 可以治疗传统针灸所能治疗的各种疾病, 激光针灸还具有安全卫生、无痛、疗效较高等多种优点。
(4) 激光光动力疗法。激光光动力疗法 (PDT) , 在欧美等国家已取得很多的成功案例。此法广泛地应用在肿瘤治疗等领域。其主要机理是, 机体在接受光敏剂后的一定时间段里, 光敏剂即可聚集在肿瘤组织内, 此时以特定波长的激光照射肿瘤, 光敏剂经光照后被激活, 发生光化学反应, 产生具有高反应性的自由基和活性单线态氧, 起到破坏肿瘤细胞和肿瘤基质的作用, 还由于局部血栓素的释放, 可造成肿瘤血管内血小板凝聚、血管收缩变窄导致栓塞发生, 肿瘤细胞组织继而缺血、坏死, 从而达到治疗肿瘤的目的。
摘要：本文分析了激光的基本原理与医学应用。主要内容包括激光的基本原理, 激光的性质和特点, 激光的生物效应与防护, 激光在医学上的主要应用等。
关键词：激光,医学应用,医用物理,教学研究
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