激光医学在皮肤科的应用 光与激光基础物理光与激光基础物理 光与激光束都是磁的辐射形式，它们涉及光与激光束都是磁的辐射形式，它们涉及 从伽马射线到无线电波。从伽马射线到无线电波。 光在空间的传播可通过波动理论或粒子理光在空间的传播可通过波动理论或粒子理 论来描述的波长。论来描述的波长。 光的性质光的性质 The Wave TheoryThe Wave Theory 频率频率( (u u or or ) ) (H (H z z ) ) 无波长无波长 1 1 波长波长纳米纳米nmnm或微米或微米 短波长短波长 高频率高频率 长波长长波长 低频率低频率 每个光子都携带了一个每个光子都携带了一个“ “量子量子” ”能量的（能量的（E E）: : E = E = h hu u ( ( h h 普郎克常数普郎克常数) ) 短波长短波长 高频率 高能光子高能光子 长波长波 低频率低频率 低能光子低能光子 粒子理论粒子理论 光粒子光粒子“光子光子” ” 电磁光谱电磁光谱 x-rays cosmic rays Microwaves TV and radio waves UVUV VISIBLEVISIBLE INFRAREDINFRARED 400 nm400 nm700 nm700 nm 常见光源常见光源 uu热灯丝或煤气燃烧热灯丝或煤气燃烧 uu 宽带光谱（白色是所有颜色的混合）宽带光谱（白色是所有颜色的混合） uu 向各方向散发向各方向散发 uu 或许是连续的或脉冲的（或许是连续的或脉冲的（“ “闪光灯闪光灯” ”） uu 有限聚焦性能有限聚焦性能 L Lightight光光 振幅振幅; ;放大率放大率 A A mplificationmplification by the by the S S timulatedtimulated刺激刺激 放射放射 E E missionmission of of R R adiationadiation辐射辐射 受激辐射光放大受激辐射光放大 基础于以下原理基础于以下原理 : : 激激 光光 源源 激光发射原理 l自发辐射：在一个体系中，热平衡时低能级的粒子数总比 高能级的粒子数目多。高能级的粒子总是向低能级跃迁而 趋于稳定，多余能量转变为光子向外辐射。 l受激吸收：低能级的粒子如吸收外来光子的能量可激发到 高能级上去。 l受激辐射：受激吸收后，高能级粒子向低能级跃迁同时， 发射一个与外来光相同的光子。 l产生激光的条件：受激辐射受激吸收。 受激辐射光放大受激辐射光放大 h 1 1 光子光子 受激发的受激发的 原子原子 h h h h 2 2 个光子个光子 激光器基本工作原理 激光器的基本结构： 工作物质、激励能源和光学谐振腔。 激光器的基本工作原理： 启动泵浦源 粒子数反转 辐射几率 吸收几率 光学谐振腔 定向、单色辐射 场不断加强 受激辐射场 激光 激光示意图激光示意图 激 光 介 质 泵泵 浦浦 能能 量量 后后 反射镜反射镜 R 100%R 100% 前前 反射镜反射镜 R 90%R 90% 激光束激光束 激光的特性 l单色性好 用于精确测量物体的长度。 l相干性好 a.时间相干性；b.空间相干性。 用于全息照相、激光衍射仪。 l方向性好 用于定位、导向、测距等。医学上用作普通手术刀和微手 术刀（直接对DNA等生物大分子进行切割或对接）。 l亮度高 能量在空间和时间上高度集中。激光武器；激光 切割金属；炭化和气化组织。 激光脉冲激光脉冲 类型类型 uuC.W.C.W.连续连续 (CO(CO 2 2 , Nd:YAG, Diode), Nd:YAG, Diode) uu电脉冲电脉冲 (CO(CO 2 2 , Nd:Yag, Diode), Nd:Yag, Diode) uu自由输出自由输出 (Ruby, Er, Ho, Alex)(Ruby, Er, Ho, Alex) uuQ Q 开关开关 (Ruby, Nd:YAG)(Ruby, Nd:YAG)用来改变光学谐用来改变光学谐 振腔的振腔的QQ值，以获得一定脉冲宽度值，以获得一定脉冲宽度( (几到几十纳秒几到几十纳秒) ) 的激光强辐射的装置的激光强辐射的装置 脉冲宽度脉冲宽度 连续波连续波 10 10 微秒微秒 - 1 - 1 秒秒 0.25 - 2 0.25 - 2 毫秒毫秒 5 - 40 5 - 40 纳秒纳秒 激光束强度功率表示激光束强度功率表示 uu连续光束连续光束瓦特瓦特（功率单位）（功率单位） 指示一秒钟传输的总能量，典型范围为指示一秒钟传输的总能量，典型范围为mWmW至至 100W100W（瓦）瓦） uu电脉冲光电脉冲光相同，对于小于毫秒级脉冲光可以是毫焦相同，对于小于毫秒级脉冲光可以是毫焦 耳级的能量。耳级的能量。 uu自由输出及自由输出及QQ开关开关焦耳焦耳（能量单位）指单脉冲总的（能量单位）指单脉冲总的 能量。能量。 uu以瓦特表示的能量等于每次脉冲（用焦耳表示）乘以频以瓦特表示的能量等于每次脉冲（用焦耳表示）乘以频 率（赫兹）率（赫兹） 激光计量及有关参数激光计量及有关参数 1.1.能量（能量（E E） 概念：脉冲输出的激光器，其每一脉冲所具有的做功能力。概念：脉冲输出的激光器，其每一脉冲所具有的做功能力。 单位：焦耳（单位：焦耳（J J） 相关参数：相关参数： 脉冲幅度脉冲幅度- -脉冲可有多种形状，脉冲所能达到的最大值脉冲可有多种形状，脉冲所能达到的最大值 脉冲宽度脉冲宽度- -脉冲的持续时间脉冲的持续时间 脉冲频率脉冲频率- -周期性重复的脉冲每秒出现的个数周期性重复的脉冲每秒出现的个数 脉冲周期脉冲周期- -频率的倒数频率的倒数 峰值功率峰值功率- -脉冲能量与脉冲宽度之比脉冲能量与脉冲宽度之比 平均功率平均功率- -脉冲能量与脉冲能量与脉冲频率的乘积脉冲频率的乘积 激光计量及有关参数激光计量及有关参数 2.2.功率功率（P P） 概念：概念： 连续输出的激光器在单位时间内所做的功。连续输出的激光器在单位时间内所做的功。 它表征激光器在每秒（它表征激光器在每秒（S S）内输出的能量。内输出的能量。 从光子水平上看，功率代表单位时间内通过从光子水平上看，功率代表单位时间内通过 的光子数。的光子数。 单位：单位： 瓦（瓦（WW）或毫瓦（或毫瓦（mWmW） W=J/s W=J/s （P=E/S P=E/S 功率功率= =能量能量/ /时间）时间） mWmW= =mJ/smJ/s 激光计量及有关参数激光计量及有关参数 3.3.光斑面积光斑面积（A A） 概念：概念： 通常指激光束落在受照组织表面的光斑的面积。通常指激光束落在受照组织表面的光斑的面积。 单位：平方厘米（单位：平方厘米（mm 2 2 ） 测量方法：测量方法： 可见见激光直接测测量 不可见见激光用特殊的转换转换 材料，显显示其光斑大小 高斯光斑取强度为为幅值值1/e2的两点间间距离定义为义为 光斑的直径 激光计量及有关参数激光计量及有关参数 4.4.照射时间（照射时间（T T） 概念：概念： 激光束照射于组织表面所持续的时间激光束照射于组织表面所持续的时间。 单位：秒（单位：秒（S S） 相关参数：相关参数： 功率密度（功率密度（P/A=P/A=功率功率/ /面积）面积）-即幅照度，这是表示即幅照度，这是表示 激光光强度的重要参数，表征单位面积受照组织所接激光光强度的重要参数，表征单位面积受照组织所接 受的光功率。从光子水平看，功率密度代表单位时间受的光功率。从光子水平看，功率密度代表单位时间 内通过单位面积的光子数。内通过单位面积的光子数。 单位：单位： 瓦瓦/ /平方厘米平方厘米 (W/cm(W/cm 2 2 ) ) 激光计量及有关参数激光计量及有关参数 5.5.激光计量（激光计量（D D） 概念：幅照到组织上能量密度的多少概念：幅照到组织上能量密度的多少。 单位：焦耳单位：焦耳/ /平方厘米（平方厘米（J/cmJ/cm 2 2 ） 以以 连续激光垂直照射，则：连续激光垂直照射，则： D=P/ATD=P/AT = =功率功率/ /面积面积 时间时间 以以 单位脉冲激光垂直照射，则：单位脉冲激光垂直照射，则： D=E/AD=E/A 如果激光束并非垂直而是以入射角如果激光束并非垂直而是以入射角 照射组织，则：照射组织，则： D=P/AT D=P/AT coscos D= E /D= E /AscosAscos 上式表明，入射角 上式表明，入射角 越大，生物体所接受的激光剂量越小。越大，生物体所接受的激光剂量越小。 由此可见，我们在用激光做治疗时，在一般情况下应尽量使光由此可见，我们在用激光做治疗时，在一般情况下应尽量使光 束与组织表面垂直。临床用激光做穴位照射或其他非损伤性照束与组织表面垂直。临床用激光做穴位照射或其他非损伤性照 射治疗时，调节激光射剂量的最简便的方法是改变激光的照射射治疗时，调节激光射剂量的最简便的方法是改变激光的照射 时间。时间。 激光激光 / / 光组织影响光组织影响 反射反射散射散射 传输传输 吸收吸收 组织内部光的吸收组织内部光的吸收 波长（微米）波长（微米）) ) 1.01.00.20.210102020 100,000100,000 10,00010,000 1,0001,000 100100 1010 1.01.0 0.10.1 0.010.01 0.0010.001 0.00010.0001 水 黑色素 血色素 氧合血红素 吸收系数吸收系数 ( (每厘米每厘米) ) COCO 2 2 铒铒:YAG:YAG 3.03.0 白色肤的光学穿透白色肤的光学穿透 (50% (50% 吸收深度吸收深度 单位单位m mmm) ) (nm)(nm) 532532 585585 694694 755755 10601060 21002100 29