氦氖激光器在醫(yī)學中的應(yīng)用(共11頁)

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1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上 普通物理實驗C 課程論文 題 目________________________ 學 院 _____________________ 專 業(yè) _____________________ 年 級 _____________________ 學 號 _____________________ 姓 名 _____________________ 指 導 教 師 _____________________ 論 文 成 績 _____________________

2、 答 辯 成 績 _____________________ 年 月 日 氦氖激光器在醫(yī)學中的應(yīng)用 摘要：氦氖激光器是以氖為工作物質(zhì)、氦為輔助氣體的激光器。氦氣起產(chǎn)生激光的媒介和增加激光輸出功率的作用，氖氣起產(chǎn)生激光的作用。氦氖激光器在可見光區(qū)和紅外區(qū)可產(chǎn)生多種波長的激光譜線。氖氦激光器有非常的方向性和相干性，起結(jié)構(gòu)簡單，壽命長，小巧價廉，頻率穩(wěn)定。七十年代以來，大量臨床資料證明，使用低功率（毫瓦級） 氦氖激光器照射炎癥部位、禿發(fā)區(qū)、潰瘍面、傷口等，具有消炎止痛、鎮(zhèn)靜止癢、頭發(fā)再生、促進肉芽和上皮生長、加速傷口和潰瘍

3、愈合等作用。 關(guān)鍵詞：氦氖激光器；共焦球面掃描干涉儀；臨床應(yīng)用；氖氦激光照射；七十年代；毫瓦 氦氖激光器是以氖為工作物質(zhì)、氦為輔助氣體的激光器。氦氣起產(chǎn)生激光的媒介和增加激光輸出功率的作用，氖氣起產(chǎn)生激光的作用。氦氖激光器在可見光區(qū)和紅外區(qū)可產(chǎn)生多種波長的激光譜線。氖氦激光器有非常的方向性和相干性，起結(jié)構(gòu)簡單，壽命長，小巧價廉，頻率穩(wěn)定。在印刷工業(yè)的電子分色機、激光照排機、激光制版機、全息照片制片和激光印字機以及計算技術(shù)、測距（高炮射擊模擬），臨床治療，自動控制等方面應(yīng)用得較多。 1、激光器模的形成 在激光器的生產(chǎn)與應(yīng)用中，我們常常要先知道激光器的模式狀況，如精密測量，全息技術(shù)等工

4、作需要基橫模磨輸出的激光器，而激光器穩(wěn)頻和激光測距等不僅要基橫模而且要求單縱模運行的激光器。因此，進行模式分析是激光器的一項基本又重要的性能測試。 我們知道，激光器的三個基本組成部分是增益介質(zhì)、諧振腔、激勵能源。如果用某種激勵方式，將介質(zhì)的某一對能級間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，由于自發(fā)輻射和受激輻射的作用，將有一定頻率的光波產(chǎn)生，在腔內(nèi)傳播，并被增益介質(zhì)逐漸增強、放大，見圖1。被傳播的光波絕不是單一頻率的（通常所謂某一波長的光，不過是指中心波長而已）。因能級有一定寬度，加之粒子在諧振腔內(nèi)運動受多種因素的影響，實際激光器輸出的光譜線寬度是由自然增寬、碰撞增寬和多普勒增寬疊加而成。不同類型的激光器，工

5、作條件不同，以上諸影響有主次之分。例如低氣壓、小功率的He-Ne激光器6328埃譜線，以多普勒增寬為主，增寬線型基本呈高斯函數(shù)分布，寬度約為1500MHz。只有頻率落在展寬范圍內(nèi)的光在介質(zhì)中傳播時，光強將獲得不同程度的放大。但只有單程放大，還不足以產(chǎn)生激光，還需要有諧振腔對其光學反饋，使光在多次往返傳播中形成穩(wěn)定、持續(xù)的振蕩，才有激光輸出的可能。而形成持續(xù)振蕩的條件是，光在諧振腔內(nèi)往返一周的光程差應(yīng)是波長的整數(shù)倍，即 （1） 這正是光波相干極大條件，滿足此條件的光將獲得極大增強，其他則互相抵消。式中，是折射率，對氣體；是腔長；是正整數(shù)。每一個對應(yīng)縱向

6、一種穩(wěn)定的電磁場分布，叫一個縱模，稱作縱模序數(shù)。是一個很大的數(shù)，通常我們不需要知道它的數(shù)值，而關(guān)心的是有幾個不同的值，即激光器有幾個不同的縱模。從式（1）中我們還看出，這也是駐波形成的條件，腔內(nèi)的縱模是以駐波形式存在的，值反映的恰是駐波腹的數(shù)目?？v模的頻率為 （2） 相鄰兩個縱模地頻率間隔為： （3） 從式（3）看出，相鄰的縱模頻率間隔和激光器的腔長成反比，即腔越長，縱越小，滿足振蕩條件的縱模個數(shù)越多；相反，腔越短，越大，在相同的增寬曲線范圍內(nèi)，縱模個數(shù)就越少。因而

7、用縮短腔長的方法是獲得單縱模運行激光器的方法之一。 任何事物都具有兩重性。光波在腔內(nèi)往返振蕩時候，一方面有增益，使光不斷增強；另一方面也存在著不可避免的多種損耗，使光強減弱，如介質(zhì)的吸收損耗、散射損耗、鏡面透射損耗、放電毛細管的衍射損耗等。所以，不僅要滿足諧振條件，還需要增益大于各種損耗的總和，才能形成持續(xù)振蕩，有激光輸出，如圖所示， 圖1：縱模和縱模間隔 圖1中，增益線寬內(nèi)雖有五個縱模滿足諧振條件，但只有三個縱模地增益大于損耗，能有激光輸出，對于縱模的觀測，由于值很大，相鄰縱模頻率差異很小，眼睛不能分辨，必須借用一定的檢測儀器才能觀測到。 諧振腔對光多次反饋，在縱

8、向形成不同的場分布，那么對橫向是否也會產(chǎn)生影響呢？回答是肯定的。這是因為光每經(jīng)過放電毛細管反饋一次，就相當于一次衍射，多次反復衍射，就在橫向的同一波腹處形成一個或者多個穩(wěn)定的衍射分布，稱為一個橫模，我們見到的復雜的光斑則是這些基本光斑的疊加。圖4中，我們介紹了幾種常見的基本橫模光斑圖樣。 圖2：常見的橫模光斑圖 總之，任一個模，既是縱模，又是橫模，它同時有兩個名稱，不過是對兩個不同方向的觀測結(jié)果分開稱呼而已。一個模由三個量子數(shù)來表示，通常寫作，是縱模標記，和是橫模標記。對方形鏡來說，是沿軸場強為零的節(jié)點數(shù)，是沿軸場強為零的節(jié)點數(shù)。 前面已知，不

9、同的縱模對應(yīng)不同的頻率，那么同一縱模序數(shù)內(nèi)的不同橫模又如何呢？同樣，不同橫模也是對應(yīng)不同的頻率。橫模序數(shù)越大，頻率越高。通常我們也不需要求出橫模頻率，關(guān)心的是不同橫模間的頻率差，經(jīng)推導得 （4） 其中，，分別表示，方向上橫模模序差，，為諧振腔的兩個反射鏡的曲率半徑，由（3）和（4）可知相鄰的橫模頻率間隔和相鄰的縱模頻率間隔的關(guān)系： （5） 從上式中還可以看出，相鄰的橫模頻率間隔與縱模頻率間隔的比值是一個分數(shù)， 例如圖5。 圖3： 在增益線寬內(nèi)，縱模和橫模分布圖 分數(shù)的大小由激光器的腔長和曲率半徑?jīng)Q定。

10、腔長與曲率半徑的比值越大，分數(shù)值越大。當腔長等于曲率半徑時（，即共焦腔），分數(shù)值達到極大，即橫模間隔是縱模間隔的1/2，橫模序數(shù)相差為2的譜線頻率正好與縱模序數(shù)相差為1的譜線頻率兼并。 激光器中能產(chǎn)生的橫模個數(shù)，除前述增益因素外，還與放電毛細管的粗細、內(nèi)部損耗等因素有關(guān)。一般說來，放電管直徑越大，可能出現(xiàn)的橫模個數(shù)越多。橫模序數(shù)越高的，衍射損耗越大，形成穩(wěn)定的振蕩越困難。但是激光器輸出光中橫模的強弱決不能僅從衍射損耗一個因素考慮，而是由多種因素共同決定的，這是在模式分析實驗中，辨認哪一個是高階橫模時易出錯的地方。因僅從光的強弱來判斷橫模階數(shù)的高低，即認為光最強的譜線一定是基橫模，這是不對的

11、，而應(yīng)根據(jù)高階橫模具有高頻率來確定。 橫模頻率間隔的測量同縱模間隔一樣，需借助展現(xiàn)的頻譜圖進行計算。但階數(shù)和的確定僅從頻譜圖上是不夠的，因為頻譜圖上只能看到有幾個不同的，可以測出的差值，然而不同的和可對應(yīng)相同的，即簡并，在頻譜圖上則是相同的，因此要確定和各是多少，還需結(jié)合激光器輸出的光斑圖形進行。當我們對光斑進行觀察時，看到的應(yīng)是它全部橫模的疊加圖（即圖2中一個或幾個單一態(tài)圖形的組合）。當只有一個橫模時，很易辨認。如果橫模個數(shù)比較多，或基橫模很強，掩蓋了其他的橫模，或者高階模太弱，都會給分辨帶來一定的難度。但由于我們有頻譜圖，知道了橫模的個數(shù)及彼此強度上的大致關(guān)系，就可縮小考慮的范圍，從而

12、能準確地確定出每個橫模的和。 綜上所述，模式分析的內(nèi)容，就是要測量和分析出激光器所具有的縱模個數(shù)、縱模頻率間隔值、橫模個數(shù)、橫模頻率間隔值、每個模的和的階數(shù)及對應(yīng)的光斑圖形。 2、共焦球面掃描干涉儀 共焦球面掃描干涉儀是一種分辨率很高的分光儀器，已成為激光技術(shù)中一種重要的測量設(shè)備。本實驗正是通過它將彼此頻率差異甚?。◣资翈装費HZ），用眼睛和一般光譜儀器都分不清的各個不同縱模、不同橫模展現(xiàn)成頻譜圖來進行觀測的。在本實驗中，它起著關(guān)鍵作用。 共焦球面掃描干涉儀是一個無源諧振腔，由兩塊球形凹面反射鏡構(gòu)成共焦腔，即兩塊鏡的曲率半徑和腔長相等，R1= R2=l。反射鏡鍍有高反射膜，兩塊鏡

13、中的一塊是固定不變的，另一塊固定在可隨外加電壓而變化的壓電陶瓷環(huán)上，如圖4所示。 圖4：掃描儀內(nèi)部示意圖 圖中，①為由低膨脹系數(shù)制成的間隔圈，用以保持兩球形凹面反射鏡和總是處在共焦狀態(tài)。②為壓電陶瓷環(huán)，其特性是若在環(huán)的內(nèi)外壁上加一定數(shù)值的電壓，環(huán)的長度將隨之發(fā)生變化，而且長度的變化量與外加電壓的幅度成線性關(guān)系，這正是掃描干涉儀被用來掃描的基本條件。由于長度的變化量很小，僅為波長數(shù)量級，它不會改變腔的共焦狀態(tài)。但是當線性關(guān)系不好時，會給測量帶來一定誤差。 掃描干涉儀有兩個重要的性能參數(shù)，即自由光譜范圍和精細常數(shù)，下面對他

14、們進行討論。 ⑴自由光譜范圍 當一束激光以近光軸方向射入干涉儀后，在共焦腔中經(jīng)四次反射呈形路徑，光程近似為，如圖5所示， 圖5：共焦球面掃描儀內(nèi)部光路圖 光在腔內(nèi)每走一個周期都會有部分光從鏡面透射出去，如在，點，形成一束束透射光1，2，3，…和1’，2’，3’…，這時我們在壓電陶瓷上加一線性電壓，當外加電壓使腔長變化到某一長度，正好使相鄰兩次透射光束的光程差是入射光中模波長為的這條譜線的整數(shù)倍時，即 （6） 此時模將產(chǎn)生相干極大透射，而其他波長的模則相互抵消（為掃描干涉儀的干涉序數(shù)，是一個整數(shù)）。同理，外加電壓又可使腔長變化到，使模

15、符合諧振條件，極大透射，而等其他模又相互抵消……因此，透射極大的波長值與腔長值有一一對應(yīng)關(guān)系，只要有一定幅度的電壓來改變腔長，就可以使激光器具有的所有不同波長（或頻率）的模依次相干極大透過，形成掃描。但值得注意的是，若入射光波長范圍超過某一限定時，外加電壓雖可使腔長線性變化，但一個確定的腔長有可能使幾個不同波長的模同時產(chǎn)生相干極大，造成重序，例如，當腔長變化到可使極大時， 會再次出現(xiàn)極大，有 （7） 即序中的和序中的 同時滿足極大條件，兩種不同的模被同時掃出，疊加在一起。所以掃描干涉儀本身存在一個不重序的波長范圍限制。所謂自由光譜范圍（S。R。）就是指掃描干涉儀

16、所能掃出的不重序的最大波長差或者頻率差。用或者表示。假如上例中為剛剛重序的起點，則即為此干涉儀的自由光譜范圍值。經(jīng)推導，可得 （8） 由于與間相差很小，可共用近似表示 （9） 用頻率表示，即為 （10） 在模式分析實驗中，由于我們不希望出現(xiàn)式（7）中的重序現(xiàn)象，故選用掃描干涉儀時，必須首先知道它的和待分析的激光器頻率范圍，并使，才能保證在頻譜圖上不重序，腔長與模的波長或頻率間是一一對應(yīng)關(guān)系。 自由光譜范圍還可用腔長的變

17、化量來描述，即腔長變化量為時所對應(yīng)的掃描范圍。因光在共焦腔內(nèi)呈型，四倍路程的光程差正好等于，干涉序數(shù)改變?yōu)?。 另外，還可看出，當滿足條件后，如果外加電壓足夠大，可使腔長的變化量是的倍時，那么將會掃描出個干涉序，激光器的所有模將周期性地重復出現(xiàn)在干涉序，，…， 中，如圖6所示。 圖6：展現(xiàn)出多個干涉序 ⑵精細常熟 精細常數(shù)是用來表征掃描干涉儀分辨本領(lǐng)的參數(shù)，它的定義是：自由光譜范圍與最小分辨極限之比，即在自由光譜范圍內(nèi)能分辨得最多的譜線數(shù)目。精細常數(shù)的理論公式為 （11） 為凹面鏡的反射率，從式（11）

18、看，只與鏡片的反射率有關(guān)，實際上還與共焦腔地調(diào)整精度，鏡片加工精度，干涉儀的入射和出射光孔的大小及使用時的準直精度等因素有關(guān)。因此精細常數(shù)的實際值應(yīng)由實驗來確定。根據(jù)精細常數(shù)的定義 （12） 顯然， 應(yīng)是干涉儀能分辨出的最小波長差，我們用儀器的半寬度代替，實驗中就是一個模的半值寬度，從展開的頻譜圖中我們可以測定出值的大小。 3、氦氖激光器在臨床醫(yī)學中的應(yīng)用 七十年代以來，大量臨床資料證明，使用低功率（毫瓦級）氦氖激光器照射炎癥部位、禿發(fā)區(qū)、潰瘍面、傷口等，具有消炎止痛、鎮(zhèn)靜止癢、頭發(fā)再生、促進肉芽和上皮生長、加速傷口和潰瘍愈合等作用。目前國內(nèi)

19、報告所使用的氦氖激光器， 輸出功率為1.2至30mW。 JGZ-I型氦氖激光治療機（汕頭無線電一廠）、706-B型醫(yī)用氦氖激光器（桂林激光通訊研究所制），上述兩種激光器輸出電流調(diào)節(jié)范圍為4～6mA,電壓為200～220V。DN-I型全內(nèi)腔單模氦氖激光管（上海海光玻璃制品廠生產(chǎn)），規(guī)格型號DN-250，輸出功率1mW ，發(fā)射連續(xù)波單色紅光波長6328埃,光斑直徑2㎜。用原光束進行照射，注意光束須與病變區(qū)垂直，距離10㎝，時間每次5～10 分鐘。每天1次，10次為1療程。病變面積大者用多點照射。照光前除潰瘍面應(yīng)清潔后照光外，其他無須特殊準備。照射期間均未用其他藥物治療。療效標準： 癥狀與體征全部

20、消失為痊愈；癥狀明顯好轉(zhuǎn)或病變區(qū)縮小為顯效；癥狀與體征均無變化為無效。治療結(jié)果見附表。本組病例未發(fā)現(xiàn)任何副作用。 氦氖激光是一種單色紅光，具亮度高，方向性好，能量高度集中。一般認為低功率氦氖激光對人體沒有破壞作用，故臨床上廣泛使用。有人報告對淺表的感染性炎癥有效率為92%）。作者觀察到某些范圍小而藥物又難以奏效的細菌性感染或過敏性炎癥等疾病，氦氖激光有良好的抗炎效果；特別是對由金葡菌所致深部毛囊炎如須瘡、枕部多發(fā)性毛囊炎，因毛囊周圍炎癥區(qū)被結(jié)締組織包繞，抗菌藥物難以到達炎癥區(qū)造成頑固難治。用氦氖激光照射可直達病灶，紅腫明顯消退， 疼痛顯著減輕。但國內(nèi)實驗結(jié)果，氦氖激光對金葡菌、綠膿桿菌無直接

21、的抑菌或殺菌作用，對下一代細菌繁殖亦無影響，可能是提高血液中白細胞的吞噬能力， 改善微循環(huán)，促進細胞免疫功能，增強細胞代謝過程而發(fā)揮其抗炎作用。氦氖激光對變應(yīng)性或原因不明的炎癥如結(jié)節(jié)性耳軟骨炎、慢性唇炎、肋軟骨炎、固定性藥疹，有良好的效果。疥瘡炎性結(jié)節(jié)一般認為是由于對疥蟲或其產(chǎn)物產(chǎn)生過敏所致，藥物治療較為困難，用氦氖激光亦有較好的效果。氦氖激光的止痛作用是顯著的。一般認為五輕色胺為致痛物質(zhì)之一，急性炎癥早期及中期五徑色胺可增高，氦氖激光照射后可使局部炎癥區(qū)的五經(jīng)色胺含量降低，其鎮(zhèn)痛的效果是通過消炎作用而生效的。臨床上觀察到氦氖激光對不明原因的單純性女陰痰癢或外陰炎、州淚營養(yǎng)不良所致的疾癢，止癢

22、率為84.8%～94.3%。用低功率氦氖激光照射禿發(fā)區(qū)，有時可獲得良好的生發(fā)效果。其療效可能是通過改善皮膚微循環(huán)而起作用的，因此對斑禿的治療可作為一種輔助療法。本組病例中固定性藥疹所致龜頭、冠狀溝潰瘍、口腔阿夫他潰瘍，大多數(shù)病照射1～3次后疼痛顯著減輕，滲液減少，5～10次后上皮生長、潰瘍愈合，較其他療法優(yōu)越?？傊つ始す馀R床應(yīng)用，由于它有獨特的療效， 在防治疾病中增添了一種新的方法，值得進一步的研究。 4、實驗感想 我們現(xiàn)在學習的都是理論知識，每次上實驗課只是課前看看講義，課堂上聽老師講了以后完成實驗，回來寫好實驗報告交了就算完事，并不知道我們所做的實驗有什么意義，也不知道這些實驗在生

23、活當中有什么實際應(yīng)用，我覺得這是我們的課堂教學最缺失的地方。我們現(xiàn)在的普遍問題就是眼高手低，一方面把知識局限在課堂或者實驗室里，不愿意在圖書館或上網(wǎng)查找它們的實際應(yīng)用，一方面又抱怨在學校學習的知識沒有實際用途。通過這次實驗和寫實驗論文的過程，我慢慢的了解到了我們課本上的內(nèi)容在生活中有著非常廣泛的應(yīng)用或應(yīng)用前景，而我們所學習的都是基礎(chǔ)性的知識，只有打好了基礎(chǔ)，才有可能向著更高的目前努力。我們沒有能力改變這種教學現(xiàn)狀，所以我們只有從自身做起，平時多去圖書館或上網(wǎng)查找一些與自己專業(yè)知識相關(guān)的內(nèi)容，慢慢的了解它們，熱愛它們，這樣才能使我們有更強大的動力向著更高層次的知識殿堂邁進。 參考文獻： [1]WGL-6型氖氦激光模式分析實驗裝置使用說明書[A]。 [2]河北省醫(yī)院理療科: 醫(yī)學資料選編[M] (河北省醫(yī)院編)。 [3]彭大文等：全國第三次醫(yī)用激光交流會資料[R]，1981年3月。(字體不對，格式不對) 致謝： 感謝雷老師在本次試驗當中對我們的悉心教導，以及在論文寫作方面的指導，還有和我一起做實驗的幾位同學，有了他們的付出才能完成這次實驗。 專心---專注---專業(yè)