前述過光、原子、能級(jí)和光譜。物質(zhì)是由一些同類微粒組成(即原子、分子、離子)。由于這些能級(jí)處于不同的能級(jí)上,而在這些能級(jí)中,用E1及E2分別表示兩個(gè)能級(jí)量,E1所帶的能量少,屬低能級(jí)。E2所帶的能量多。為高能級(jí)(見圖18)。由于粒子所含的能量不同,總的來說粒子在低能級(jí)的占多數(shù),高能級(jí)的占少數(shù)。因此在低能級(jí)(E1)中的粒子數(shù)大于高能級(jí)中(E2)的粒子數(shù)?捎脠D18表示、低能級(jí)(E1E2)上粒子數(shù)的分布。
圖18 粒子二能級(jí)分布圖
光與物質(zhì)作用有三方面
(1)受激吸收低能級(jí)E1的粒子當(dāng)吸收一定頻率r21的外來光能時(shí),粒子的能量就會(huì)增到E2=E1+hr21(h)表示普朗克常數(shù)),粒子就從低能級(jí)E1躍遷到高能級(jí)E2上,(見圖19),這一過程叫做受激吸收,而外來光的能量被吸收,使光減弱。粒子進(jìn)行躍遷不是自發(fā)的,要靠外來光子刺激而進(jìn)行。粒子是否能吸收發(fā)來的光子,還得取決于兩個(gè)能級(jí)(E1和E2)性質(zhì)和趨近于粒子的光子數(shù)的多少有關(guān)。而與其它方向。位相等方面就無任何限制。
(2)自發(fā)輻射處于高能級(jí)的粒子很不穩(wěn)定,不可能長(zhǎng)時(shí)間的停留在高能級(jí)上。以氫原子為例,在高能級(jí)停留的時(shí)間只有10-8秒(粒子在高能級(jí)停留的時(shí)間為粒子的壽命,壽命長(zhǎng)的為亞穩(wěn)態(tài)能級(jí))。因此,在高能級(jí)E2中的粒子會(huì)迅速躍遷到低能級(jí)E1上,同時(shí)以光子的形式放出能量hr21=E2-E1(hr21為輻射光子頻率)。(見圖20)。這一過程不受到外界的作用時(shí)完全是自發(fā)的。所產(chǎn)生的光沒有一定規(guī)律,相位和方向都不一致。不是單色光。我們?cè)谌粘I钪幸部梢钥吹降娜缛展鉄簦邏汗療艉鸵恍┏溆袣怏w的燈,發(fā)光都是自發(fā)輻射的過程,這些光是向各個(gè)方向傳播。因此與受輻射發(fā)出的光,其相位和方向完全相反。這種以光的形式輻射出來的,叫做自發(fā)輻射躍遷。可是在躍遷的過程中有一些不產(chǎn)生光輻射的躍遷,而它們主要是以熱的運(yùn)動(dòng)形式消耗能量,即為無輻射躍遷。自發(fā)輻射的特點(diǎn),即每一個(gè)粒子的躍遷都是自發(fā)的,孤立地進(jìn)行,也就是相互獨(dú)立,彼此無聯(lián)系。產(chǎn)生的光子雜亂無章,無規(guī)律性。
圖19 1.基能級(jí)上的粒子
2.粒子被激發(fā)到E2能級(jí)上
圖20 1.處于高能級(jí)E2上的粒子
2.粒子躍遷到低能級(jí)E1上,同時(shí)發(fā)射出一干光子
(3)受激輻射它是與受激發(fā)吸收的相反過程。處于高能級(jí)的粒子,在某種頻率r21光子誘發(fā)下,從原來所在的能級(jí)上E2,放出與外來光子完全相同光子,此時(shí)既產(chǎn)生了一個(gè)光子(受激發(fā)前后共有2個(gè)光子),使原來的能量減少△E=hr21。把高能級(jí)上的粒子躍遷到低能級(jí)E1上的這一過程稱做受激輻射(見圖21)。
受激輻射的特點(diǎn)本身不是自發(fā)躍遷,而是受外來光子的刺激產(chǎn)生。因而粒子釋放出的光子與原來光子的頻率、方向傳播、相位及偏振等完全一樣,無法區(qū)別出哪一個(gè)是原來的光子,哪一個(gè)是受激發(fā)后而產(chǎn)生的光子,受激輻射中由于光輻射的能量與光子數(shù)成正比例,因而在受激輻射以后,光輻射能量增大一倍。以波動(dòng)觀點(diǎn)看,設(shè)外來光子為一種波,受激輻射產(chǎn)生的光子為另一種波,由于兩個(gè)波的相位、振動(dòng)方向,傳播的方向及頻率相同。兩個(gè)波合在一起能量就增大一倍,即通過受激輻射光波被放大。外來光子量越多,受激發(fā)的粒子數(shù)越多,產(chǎn)生的光子越大,能量越高。(參見圖22)。
圖21 1.處于高能級(jí)E2上的粒子。
2.粒子躍遷到低能級(jí)E1上,同時(shí)發(fā)射出一個(gè)光子。
圖22 受激輻射時(shí)光束放大
從上可知,受激輻射及吸收同時(shí)存在于光輻射與粒子體系,是在同一整體之中相互對(duì)立的兩個(gè)方面,它們發(fā)生的可能性是同等的,這兩個(gè)方面即受激輻射與吸收哪一個(gè)占主導(dǎo)地位,取決于粒子在兩個(gè)能級(jí)上的分布。激光器發(fā)出的激光就是利用受激輻射而實(shí)現(xiàn)的,也就是在基發(fā)態(tài)的粒子數(shù)盡可能多些。以實(shí)現(xiàn)受激輻射。
在受激輻射中怎樣把粒子數(shù)提高到高能級(jí)上,總的來說粒子數(shù)在能級(jí)上的分布有兩種:一種是熱平衡分布,即粒子體系(同種粒子)在熱平衡狀態(tài)下,各能級(jí)上的粒子數(shù)遵從玻耳茲曼分布:公式Ni=Ne-Ei/KT,Ni為單位體積中總的粒子數(shù),K為玻耳茲曼常數(shù)(1.38×10-6),T為絕對(duì)溫度。把兩上能級(jí)上的粒子數(shù)相比時(shí)可以看到,N2/N1=e(-E2-E1)/KT,由于E2>E1,而絕對(duì)T≠0,K是正整數(shù),KT>0因此N2<N1。其主要原理是高能級(jí)上的粒子數(shù),要比低能級(jí)的粒子數(shù)少(在受激發(fā)時(shí))。光輻射在熱平衡狀態(tài)下的粒子體系在相互作用下,粒子體系吸收光子的數(shù)大于受激輻射產(chǎn)生的光子數(shù),光吸收起主導(dǎo)作用。在一般的情況下觀察不到光的放大現(xiàn)象,但可以觀察到光的吸收現(xiàn)象。要想實(shí)現(xiàn)光的放大作用,必須得把熱平衡分布倒轉(zhuǎn)過來,就可使粒子數(shù)在能級(jí)中進(jìn)行另一種新的分布,即非熱平行分布。這種新的分布使高能級(jí)上粒子分布的數(shù)量大于在低能級(jí)上粒子分布的數(shù)量,即N2>N1。這時(shí)受激輻射的過程大于吸收過程,從而實(shí)現(xiàn)光放大,一般常稱為粒子反轉(zhuǎn)分布。所謂的“反轉(zhuǎn)”,是對(duì)熱平衡分布比較而言。
處于高能級(jí)被反轉(zhuǎn)上去的粒子很不穩(wěn)定,常會(huì)自發(fā)在或在外加的刺激下輻射出能量,從高能級(jí)粒子躍遷到低能級(jí)上,促使粒子體系回到熱平衡分布狀態(tài)。因而可以看出,實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是實(shí)現(xiàn)受激輻射的必要條件之一。粒子數(shù)如何實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)分布,涉及兩個(gè)方面:一是粒子體系(工作物質(zhì))的內(nèi)結(jié)構(gòu);二是給工作物質(zhì)施加外部作用。所講的工作物質(zhì)是指在特定條件下能使兩個(gè)能級(jí)間達(dá)到非熱平衡狀態(tài),而實(shí)現(xiàn)光放大,不是每一種物質(zhì)都能做工作物質(zhì)。粒子體系中有一些粒子的壽命很短暫,只有10-8秒。有一部分壽命相對(duì)較長(zhǎng)些,如鉻離子在高能級(jí)E2上壽命只不過是幾個(gè)毫秒。壽命較長(zhǎng)的粒子數(shù)能級(jí)叫做亞穩(wěn)態(tài)能級(jí),除鉻離子外,還有一些亞穩(wěn)態(tài)能級(jí),主要有釹離子、氖原子、二氧化碳分子、氪離子、氬離子等。有了亞穩(wěn)態(tài)能級(jí),在這一時(shí)間內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)某一能級(jí)與亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn),以達(dá)到對(duì)特定頻率輻射光進(jìn)行光放大。意即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是產(chǎn)生光放大的內(nèi)因。那外因是什么?既對(duì)亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)粒子體系(主要工作物質(zhì))增加某種的外部作用。由于熱平衡的分布中粒子體系處于低能級(jí)的粒子數(shù),總是大于處在高能級(jí)上的粒子數(shù),當(dāng)要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn),就得給粒子體系增加一種外界的作用,促使大量低能級(jí)上的粒子反轉(zhuǎn)到高能級(jí)上,這種過程被叫做激勵(lì),或被稱為泵浦,尤如把低處的水抽到高處一樣。
經(jīng)過大量實(shí)踐,了解并掌握了一gydjdsj.org.cn些粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的有效方法。對(duì)固體形的工作物質(zhì)常應(yīng)用強(qiáng)光照射的辦法,即為光激勵(lì)。這類工作物質(zhì)常應(yīng)用的有摻鉻剛玉、摻釹玻璃、摻釹釔鋁石榴石等等。對(duì)氣體形的工作物質(zhì),常應(yīng)用放電的辦法,促進(jìn)特定儲(chǔ)存氣體物質(zhì)按一定的規(guī)律經(jīng)放電而激勵(lì),常應(yīng)用的工作氣體物質(zhì),有分子氣體(如CO2氣體)及原子氣體(如He-Ne原子氣體)(見圖23)。如工作物質(zhì)為半導(dǎo)體的物質(zhì),采用注入大電流方法激勵(lì)發(fā)光,常見的有砷化鎵,這類注入大電流的方法被叫做注入式激勵(lì)法。此外,還可應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)方法(化學(xué)激勵(lì)法)、超音速絕熱膨脹法(熱激勵(lì)),電子束甚至用核反應(yīng)中生成的粒子進(jìn)行轟擊(電子束泵浦、核泵浦)等方法,都能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。從能量角度看,泵浦過程就是外界提供能量給粒子體系的過程。激光器中激光能量的來源,是由激勵(lì)裝置,其它形式的能量(諸如光、電、化學(xué)、熱能等)轉(zhuǎn)換而來。
圖23
處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的粒子體系(工作物質(zhì))。具有特定頻率的光進(jìn)行放大。激光振蕩器中工作物質(zhì)發(fā)出的光不是外來的,而是工作物質(zhì)本身自發(fā)躍遷而產(chǎn)生的,即自發(fā)輻射(非受激輻射)。由于自發(fā)輻射沒有確定的頻率及傳播方向,且雜亂無章。為使自發(fā)輻射頻率單一性,就需要有一裝置來實(shí)現(xiàn),即光學(xué)諧振腔。
要解決自發(fā)輻射,使其呈單一性的方法是只有在工作物質(zhì)的兩側(cè)放置兩塊反射鏡。而且兩塊反射鏡必須彼此平行,并與工作物質(zhì)的光軸垂直(見圖24)。兩個(gè)反射鏡中,一個(gè)是全反射鏡,反射有效率為99.8%,一個(gè)是半反射鏡。反射率為40%~60%。諧振腔即指兩塊反射鏡構(gòu)成的空間。在諧振腔中,初始的光輻射是來自自發(fā)輻射,即處于高能級(jí)上粒子自發(fā)輻射光子躍遷到低能級(jí)。由于這類輻射出來的光子初相位無規(guī)律地向四面八方射出。這種光不是激光。而是像點(diǎn)烯的一個(gè)火種——尤如生爐子點(diǎn)火一樣。
圖24 激光振蕩反射示意圖
自發(fā)輻射光子不斷產(chǎn)生,同時(shí)射向工作物質(zhì),再激發(fā)工作物質(zhì)產(chǎn)生很多新光子(受激輻射)。光子在傳播中一部分射到反射鏡上,另一部分則通過側(cè)面的透明物質(zhì)跑掉。光在反射鏡的作用下又回到工作物質(zhì)中,再激發(fā)高能級(jí)上的粒子向低能級(jí)躍遷,而產(chǎn)生新的光子。在這些光子中,不在沿諧振腔軸方向運(yùn)動(dòng)的光子。就不與腔內(nèi)的物質(zhì)作用。沿軸方向運(yùn)動(dòng)的光子,經(jīng)過諧振腔中的兩個(gè)反射鏡多次反射,使受激輻射的強(qiáng)度越來越強(qiáng)。促使高能級(jí)上的粒子不斷地發(fā)出光來。如果光放大到超過光損耗時(shí)(衍射、吸收、散射等損失)產(chǎn)生光的振蕩,使積累在沿軸方向的光,從部分反射鏡中射出這就形成激光。
在諧振腔的反饋過程中,我們了解到光只能沿諧振腔的軸向傳播,因此激光具有很高的方向性。又由于諧振腔中兩個(gè)反射鏡之間距離不同,光在腔內(nèi)不斷地反射,得到加強(qiáng)。而其它波長(zhǎng)的光在腔內(nèi)很快被衰減掉,諧振腔就可以選擇一固定波長(zhǎng),說明激光具有單色性。而激光的亮度高是由光放大產(chǎn)生的。
激光的產(chǎn)生,必須有激光器,而激光器必須具備三個(gè)主要的組成部分。
1.激活物質(zhì) 即被激勵(lì)后能發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì),也稱做激光工作物質(zhì)。諸如氖、氬、CO2、紅寶石及釹玻璃等。必須具備有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)性質(zhì)的物質(zhì)。
2.激勵(lì)裝置 能使激活介質(zhì)發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的能源,既稱為激勵(lì)裝置。如各種激光器所具備的電源。
3.光學(xué)諧振腔能使光子在其中重復(fù)振蕩并多次被放大的一種由硬質(zhì)玻璃制成的諧振腔。產(chǎn)生激光的過程可歸納為:激勵(lì)→激活介質(zhì)(即工作物質(zhì))粒子數(shù)反轉(zhuǎn);被激勵(lì)后的工作物質(zhì)中偶然發(fā)出的自發(fā)輻射→其它粒子的受激輻射→光子放大→光子振蕩及光子放大→激光產(chǎn)生。
基于以上所述,在激光產(chǎn)生的原則中缺一因素不可。從原理了解激光形成的過程,對(duì)具體使用好激光手術(shù)刀很重要。并可能在工作中能得心應(yīng)手地掌握激光。能盡量大限度地維護(hù)激光器,及防止在使用激光治療各類疾病時(shí)所產(chǎn)生的傷害。由于激光波長(zhǎng)與不同種類的激光器中的工作物質(zhì)密切相關(guān),在后將作詳述。
臨床上應(yīng)用的激光器種類很多,如以組成激光器的工作物質(zhì)來說可分為氣體激光器、液體激光器、固定激光器、半導(dǎo)體激光器、化學(xué)激光器等。在同一類型的激光器中又包括有許多不同材料的激光器。如固體激光器中有紅寶石激光器、釔鋁石榴石(Nd:YAG)激光器。氣體型的激光器主要有He-Ne(氦-氖)、CO2及氬離子激光器等。由于工作物質(zhì)不同,產(chǎn)生不同波長(zhǎng)的光波不同,因而在臨床上的病例應(yīng)用也不相同。最常用而范圍廣的有CO2laser及Nd:YAG激光。有的激光器可連續(xù)工作,如He-Ne laser;有的以脈沖形式發(fā)光工作。如紅寶石激光。而另一些激光器既可連續(xù)工作,又可以脈沖工作的有CO2laser及Nd:YAGlaser。在我國(guó)不論大小醫(yī)療單位,以應(yīng)用最廣、使用率最高是主要是CO2激光和Nd:YAg laser,He-Nelaser。前二者主要用于破壞性治療,俗稱汽化、炭及止凝,切割;后者主要用于做軟組織病變(炎性改變)照射或穴位、及經(jīng)CO2、Nd:YAG激光手術(shù)后的照射補(bǔ)充治療。CO2laser及Nd:YAGlaser由于功率大,常稱大功率激光器,即光刀;He-Ne功率小,稱弱激光或光針。在本章中僅對(duì)激光器的種類結(jié)構(gòu)作一介紹,目的是能使人們?nèi)媪私饧皯?yīng)用性參考。
(一)固體激光器
實(shí)現(xiàn)激光的核心主要是激光器中可以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的激光工作物質(zhì)(即含有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的工作物質(zhì))。如工作物質(zhì)為晶體狀的或者玻璃的激光器,分別稱為晶體激光器和玻璃激光器,通常把這兩類激光器統(tǒng)稱為固體激光器。
在激光器中以固體激光器發(fā)展最早,這種激光器體積小,輸出功率大,應(yīng)用方便。由于工作物質(zhì)很復(fù)雜,造價(jià)高。當(dāng)今用于固體激光器的物質(zhì)主要有三種:摻釹鋁石榴石(Nd:YAG)工作物質(zhì),輸出的波長(zhǎng)為1.06μm呈白藍(lán)色光;釹玻璃工作物質(zhì),輸出波長(zhǎng)1.06μm呈紫藍(lán)色光;紅寶石工作物質(zhì),輸出波長(zhǎng)為694.3nm,為紅色光。主要用光泵的作用,產(chǎn)生光放大,發(fā)出激光,即光激勵(lì)工作物質(zhì)。
固定激光器的結(jié)構(gòu)由三個(gè)主要部分組成:工作物質(zhì),光學(xué)諧振腔、激勵(lì)源。聚光腔是使光源發(fā)出的光都會(huì)聚于工作物質(zhì)上。工作物質(zhì)吸收足夠大的光能,激發(fā)大量的粒子,促成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)增益大于諧振腔內(nèi)的損耗時(shí)產(chǎn)生腔內(nèi)振蕩并由部分反射鏡一端輸出一束激光。工作物質(zhì)有2條主要作用:一是產(chǎn)生光;二是作為介質(zhì)傳播光束。因此,不管哪一種激光器,對(duì)其發(fā)光性質(zhì)及光學(xué)性質(zhì)都有一定要求。
(二)氣體激光器
工作物質(zhì)主要以氣體狀態(tài)進(jìn)行發(fā)射的激光器在常溫常壓下是氣體,有的物質(zhì)在通常條件下是液體(如非金屬粒子的有水、汞),及固體(如金屬離子結(jié)構(gòu)的銅,鎘等粒子),經(jīng)過加熱使其變?yōu)檎魵,利用這類蒸氣作為工作物質(zhì)的激光器,統(tǒng)歸氣體激光器之中。氣體激光器中除了發(fā)出激光的工作氣體外,為了延長(zhǎng)器件的工作壽命及提高輸出功率,還加入一定量的輔助氣體與發(fā)光的工作氣體相混合。
氣體激光器大多應(yīng)用電激勵(lì)發(fā)光,即用直流,交流及高頻電源進(jìn)行氣體放電,兩端放電管的電壓增壓時(shí)可加速電子,帶有一定能量,在工作物質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的電子與粒子(氣體的原子或分子)碰撞時(shí)將自身的能量轉(zhuǎn)移給對(duì)方,使分子或原子被激發(fā)到某一高能級(jí)上而形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn),產(chǎn)生激光。氣體激光器與固體激光器相比較,兩者中以氣體激光器的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單得多,造價(jià)較低,操作簡(jiǎn)便,但是輸出功率常較小。因氣體激光器中的工作物質(zhì)不同。因此分中性(惰性)原子、離子氣體、分子氣體三種激光器。
中性原子氣體激光器這類激光器中主要充有以惰性氣體(氦、氖、氬、氪等)的物質(zhì)。
氦-氖(He-Ne)激光器 首臺(tái)氦-氖激光器誕生于1960年,它可以在可見光區(qū)及紅外區(qū)中產(chǎn)生多種波長(zhǎng)和激光譜線,主要產(chǎn)生的有632.8nm紅光、和1.15μm及3.39μm紅外光。632.8nm氦-氖激光器最大連續(xù)輸出功率可達(dá)到一W,壽命也達(dá)到一萬小時(shí)以上。借助調(diào)節(jié)放大電流大小,使功率穩(wěn)定性達(dá)到30秒內(nèi)的誤差為0.005%,十分鐘內(nèi)的誤差為0.015%的功率穩(wěn)定度;發(fā)散角僅為0.5毫弧度。氦氖激光器除了具有一般的氣體激光器所固有的方向性好,單色性好,相干性強(qiáng)諸優(yōu)點(diǎn)外,還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)、價(jià)廉、頻率穩(wěn)定等特點(diǎn)。氦氖激光在醫(yī)療衛(wèi)生方面有很廣泛的用途。
氦氖激光器的工作原理:氦氖激光器的激光放電管內(nèi)的氣體在涌有一定高的電壓及電流(在電場(chǎng)作用下氣體放電),放電管中的電子就會(huì)由負(fù)極以高速向正極運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)中與工作物質(zhì)內(nèi)的氦原子進(jìn)行碰撞,電子的能量傳給原子,促使原子的能量提高,基態(tài)原子躍遷到高能級(jí)的激發(fā)態(tài)。這時(shí)如有基態(tài)氖原子與兩能級(jí)上的氦原子相碰,氦原子的能量傳遞給氖原子,并從基態(tài)躍遷到激發(fā)的能級(jí)狀態(tài),而氦原子回到了基態(tài)上。因?yàn)榉烹姽苌纤拥碾妷,電流連續(xù)不斷供給,原子不斷地發(fā)生碰撞。這就產(chǎn)生了激光必須具備的基本條件。在發(fā)生受激輻射時(shí),分別發(fā)出波長(zhǎng)3.39μm,632.8nm,1.53μm三種激光,而這三種激光中除632.8nm為可見光中的紅外光外,另二種是紅外區(qū)的輻射光。因反射鏡的反射率不同,只輸出一種較長(zhǎng)的光波632.8nm的激光。
He-Ne激光器結(jié)構(gòu):此類激光器的結(jié)構(gòu)大體可分為三部分,既放電管、諧振腔和激發(fā)的電源。現(xiàn)在臨床上最常應(yīng)用的為內(nèi)腔式。
He-Ne激光的放電管,最外層是用硬質(zhì)玻璃制成。放電的內(nèi)管直徑約2~3mm,管長(zhǎng)幾厘米到十幾厘米,放電管越長(zhǎng)功率越大,相應(yīng)的放電電壓就高。管內(nèi)主要按5:1~10:1的比例充入氦氖混合氣體達(dá)到總氣壓約2.66~3.99Pa。管的一端裝有鋁圓筒作陰極(其圓管狀結(jié)構(gòu)主要是為了減少放電測(cè)射),另一端裝有鎢針作陽極,放電管兩端裝有反射鏡(即一頭為全反射鏡,出光一端為半反射鏡)。這就構(gòu)成了激光放電管。
在氦氖激光器中,采用的諧振腔有球面腔或平凹腔。一般腔鏡內(nèi)側(cè)鍍有高反射率的介質(zhì)。在其中一端反射率為100%,另一端反射率由激光器的增益而定。放電毛細(xì)管長(zhǎng)度約15~20cm,He-Ne激光器的半反射鏡的半反射鏡的反射率98.5%~99.5%。諧振腔的軸線和放電毛細(xì)管軸偏離不超過0.1mm。
He-Ne激光器的外界激勵(lì)能源與固體激光器不相同,不能使用光泵激勵(lì),而采用電激勵(lì)的方法。把工作物質(zhì)封入放電管中,供以直流、交流及射頻等方式激勵(lì)氣體放電。通過放電過程把能量傳給工作物質(zhì),促使氣體中的離子、原子被激發(fā)。醫(yī)療中使用的激勵(lì)方法主要是以直流電激發(fā)出光。大體結(jié)構(gòu)主要有高壓變壓器、整流與濾波回路、限流與穩(wěn)流回路組成。
(三)分子氣體激光器
分子氣體激光器與原子氣體激光器不一樣,分子氣體由碳和氧組成(最常用),其原則上是能夠?qū)崿F(xiàn)高效率與高功率輸出。分子氣體激光器通過分子能級(jí)間的躍遷產(chǎn)生激發(fā)振蕩的一和種激光器,分子能級(jí)躍遷形式與原子能級(jí)躍遷相同。只不過是工作物質(zhì)為分子與原子的差別。分子氣體激光器中主要使用的為CO2激光器,下面將詳述。
CO2激光器 CO2激光器效率高,不造成工作介質(zhì)損害,發(fā)射出10.6μm波長(zhǎng)的不可見激光,是一種比較理想的激光器。按氣體的工作形式可分封閉式及循環(huán)式,按激勵(lì)方式分電激勵(lì),化學(xué)激勵(lì),熱激勵(lì),光激勵(lì)與核激勵(lì)等。在醫(yī)療中使用的CO2激光器幾乎百分之百是電激勵(lì)。
CO2激光器的工作原理:與其它分子激光器一樣,CO2激光器工作原理其受激發(fā)射過程也較復(fù)雜。分子有三種不同的運(yùn)動(dòng),即分子里電子的運(yùn)動(dòng),其運(yùn)動(dòng)決定了分子的電子能態(tài);二是分子里的原子振動(dòng),即分子里原子圍繞其平衡位置不停地作周期性振動(dòng)——并決定于分子的振動(dòng)能態(tài);三是分子轉(zhuǎn)動(dòng),即分子為一整體在空間連續(xù)地旋轉(zhuǎn),分子的這種運(yùn)動(dòng)決定了分子的轉(zhuǎn)動(dòng)能態(tài)。分子運(yùn)動(dòng)極其復(fù)雜,因而能級(jí)也很復(fù)雜。
CO2分子為線性對(duì)稱分子,兩個(gè)氧原子分別在碳原子的兩側(cè),所表示的是原子的平衡位置。分子里的各原子始終運(yùn)動(dòng)著,要繞其平衡位置不停地振動(dòng)。根據(jù)分子振動(dòng)理論,CO2有三種不同的振動(dòng)方式:①二個(gè)氧原子沿分子軸,向相反方向振動(dòng),即兩個(gè)氧在振動(dòng)中同時(shí)達(dá)到振動(dòng)的最大值和平衡值,而此時(shí)分子中的碳原子靜止不動(dòng),因而其振動(dòng)被叫做對(duì)稱振動(dòng)。②兩個(gè)氧原子在垂直于分子軸的方向振動(dòng),且振動(dòng)方向相同,而碳原子則向相反的方向垂直于分子軸振動(dòng)。由于三個(gè)原子的振動(dòng)是同步的,又稱為變形振動(dòng)。③三個(gè)原子沿對(duì)稱軸振動(dòng),其中碳原子的振動(dòng)方向與兩個(gè)氧原子相反,又叫反對(duì)稱振動(dòng)能。在這三種不同的振動(dòng)方式中,確定了有不同組別的能級(jí)。
CO2激光的激發(fā)過程:CO2激光器中,主要的工作物質(zhì)由CO2,氮?dú),氦氣三種氣體組成。其中CO2是產(chǎn)生激光輻射的氣體、氮?dú)饧昂鉃檩o助性氣體。加入其中的氦,可以加速010能級(jí)熱弛預(yù)過程,因此有利于激光能級(jí)100及020的抽空。氮?dú)饧尤胫饕贑O2激光器中起能量傳遞作用,為CO2激光上能級(jí)粒子數(shù)的積累與大功率高效率的激光輸出起到強(qiáng)有力的作用(見圖25)。
圖25 CO2分子激光躍遷能級(jí)圖
CO2激光器的激發(fā)條件:放電管中,通常輸入幾十mA或幾百mA的直流電流。放電時(shí),放電管中的混合氣體內(nèi)的氮分子由于受到電子的撞擊而被激發(fā)起來。這時(shí)受到激發(fā)的氮分子便和CO2分子發(fā)生碰撞,N2分子把自己的能量傳遞給CO2分子,CO2分子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)上形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)發(fā)出激光。
結(jié)構(gòu):①激光管:是激光機(jī)中最關(guān)鍵的部件。常用硬質(zhì)玻璃制成,一般采用層套筒式結(jié)構(gòu)。最里面一層是放電管,第2層為水冷套管,最外一層為儲(chǔ)氣管。二氧化碳激光器放電管直徑比He-Ne激光管粗。放電管的粗細(xì)一般來說對(duì)輸出功率沒有影響,主要考慮到光斑大小所引起的衍射效應(yīng),應(yīng)根據(jù)管長(zhǎng)而定。管長(zhǎng)的粗一點(diǎn),管短的細(xì)一點(diǎn)。放電管長(zhǎng)度與輸出功率成正比。臨床上廣泛應(yīng)用的CO2激光器放電管長(zhǎng)度約1m,便攜式CO2激光器的放電管約40cm。在一定的長(zhǎng)度范圍內(nèi),每米放電管長(zhǎng)度輸出的功率隨總長(zhǎng)度而增加。加水冷套的目的是冷卻工作氣體,使輸出功率穩(wěn)定。放電管在兩端都與儲(chǔ)氣管連接,即儲(chǔ)氣管的一端有一小孔與放電管相通,另一端經(jīng)過螺旋形回氣管與放電管相通,這樣就可使氣體在放電管中與儲(chǔ)氣管中循環(huán)流動(dòng),放電管中的氣體隨時(shí)交換(見圖26)。
圖26 CO2激光器結(jié)構(gòu)圖
光學(xué)諧振腔:CO2激光器的諧振腔常用平凹腔,反射鏡用K8光學(xué)玻璃或光學(xué)石英,經(jīng)加工成大曲率半徑的凹面鏡,鏡面上鍍有高反射率的金屬膜——鍍金膜,在波長(zhǎng)10.6μm處的反射率達(dá)98.8%,且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。二氧化碳發(fā)出的光為紅外光。所以反射鏡需要應(yīng)用透紅外光的材料,因?yàn)槠胀ü鈱W(xué)玻璃對(duì)紅外光不透。就要求在全反射鏡的中心開一小孔。再密封上一塊能透過10.6μm激光的紅外材料,以封閉氣體。這就使諧振腔內(nèi)激光的一部分從這一小孔輸出腔外,形成一束激光——即光刀。
電源及泵浦:封閉式CO2激光器的放電電流較小,采用冷電極,陰極用鉬片或鎳片做成圓筒狀。30~40mA的工作電流,陰極圓筒的面積500cm2,不致鏡片污染,在陰極與鏡片之間加一光欄。
泵浦采用連續(xù)直流電源激發(fā)。激勵(lì)CO2激光器直流電源原理,直流電壓為把市內(nèi)的交流電壓,用變壓器提升,經(jīng)高壓整流及高壓濾波獲得高壓電加在激光管上。
導(dǎo)光系統(tǒng):用于傳遞激光束的工具即為導(dǎo)光系統(tǒng)——借助此導(dǎo)光系統(tǒng)就可將光束聚焦似手術(shù)刀一樣拿在手中進(jìn)行組織切割、燒灼、氣化及再將光束分散(擴(kuò)焦)照射治療等。當(dāng)今臨床上使用的是CO2激光——導(dǎo)光關(guān)節(jié)臂,由于CO2激光光束溫度高,至今還未有導(dǎo)光纖維能傳送CO2激光。另一種是Nd:YAG激光——主要光波1.06μm經(jīng)石英光導(dǎo)纖維傳輸,應(yīng)用靈活,而且手術(shù)治療方便,適應(yīng)癥廣。作者經(jīng)過改進(jìn)的光刀柄。不但解決了光纖柔軟不易用力操作的難點(diǎn),而且完全可以用于各種腫瘤的手術(shù)切割。如試用于乳腺癌、骨疣、肌纖維瘤等切割非常得心應(yīng)手。術(shù)后療效觀察非常滿意。
導(dǎo)光關(guān)節(jié)臂用反光鏡片傳光。安裝一定數(shù)量的反射鏡及軸承可達(dá)到活動(dòng)自如的目的。醫(yī)療上常用的導(dǎo)光關(guān)節(jié)是用六個(gè)安裝有反光鏡的金屬塊與七根接管連接而成。反射鏡的金屬塊一端裝有軸承并與接管連接;另一端采用斜位安裝,螺口固定的連接法。為提高刀頭靈活性,近刀頭處的金屬塊均通過軸承與接管連接。此外,CO2激光也有采用三關(guān)節(jié)的導(dǎo)光關(guān)節(jié)臂,設(shè)計(jì)有聚焦及發(fā)散裝置。導(dǎo)光系統(tǒng)根據(jù)需要可上、下,前后,左右及俯仰等多方位的轉(zhuǎn)動(dòng),因此臨床上進(jìn)行各種治療時(shí)非常靈活方便。
目前在醫(yī)療中使用的激光以CO2laser、Nd:YAg laser及He-Ne laser三種激光最普通。為了能用好及維修好設(shè)備,充分發(fā)揮機(jī)器的潛力,這就要求臨床醫(yī)療人員不但會(huì)使用,更要了解在使用中出現(xiàn)常見的故障時(shí)能及時(shí)地排除。本章僅就以上三種不同類型的激光作一梗概性的結(jié)構(gòu)及發(fā)生故障的排除方法。
(一)He-Ne激光機(jī)
氦-氖激光器主要由激光放電管、諧振腔及激勵(lì)電源三部分組成。前已述及氖原子從激發(fā)能態(tài)躍遷到低能態(tài)時(shí)原子氖放出632.8nm紅色光與1.15nm及3.39nm不可見紅外光。He-Ne激光,能級(jí)的激發(fā)都是在一定條件下進(jìn)行,但放電電流不宜過大或過小。電流過大將產(chǎn)生激發(fā)過程相反的“消激光”;過小電流則自由電子與He-Ne,基態(tài)原子直接碰撞產(chǎn)生的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)不夠。因此每根據(jù)激光管的放大電流都有其中的最佳值要求。調(diào)整放電電流促使激光輸出達(dá)到最大,因此使用時(shí)必須注意這一點(diǎn)。He-Ne激光在醫(yī)療中主要用于體表照射,經(jīng)過改進(jìn)借助光導(dǎo)纖維傳輸可直接插入靜脈內(nèi)照射。有加速新陳代謝、促進(jìn)組織細(xì)胞與創(chuàng)傷愈合及消炎、止痛等功效。
He-Ne激光機(jī)由激光管、電源、支架及一些附件組成?缮舷、左右、俯仰多方向活動(dòng)。后經(jīng)改進(jìn)由光導(dǎo)纖維傳輸He-Ne激光,更為方便。
1.結(jié)構(gòu) 由He-Ne激光管、低壓電源、高壓電源、振蕩部分,發(fā)散照射部分構(gòu)成,電源可用市電220V,50Hz。
(1)激光管 為機(jī)內(nèi)的主要部件,裝有一定比例的氦、氖氣體。其輸出波長(zhǎng)為632.8nm可見紅光。
(2)低壓部分高壓及振蕩部分把交流市電經(jīng)變壓器變壓。振蕩電路,高壓變壓器升壓,硅堆倍壓整流,得到直流高壓加到激光管上。由于激光管的起輝電壓很高,電流很小,工作時(shí)工作電壓較低,但是工作電流較大,因此直流電壓與激光管之間必須要串有降壓電阻。
市內(nèi)用電→降壓變壓器→橋式整流→高頻振蕩→高頻升壓→倍壓整流→激光管。
2.He-Ne激光機(jī)使用中常見故障及排除方法
(1)光斑不圓激光管未裝正,檢查光斑并調(diào)整激光管支架上的調(diào)節(jié)螺絲。
(2)光斑中有嚴(yán)重的斑點(diǎn) 可能是鏡片有污物,霉點(diǎn)或激光管鏡片有損壞。檢查光斑,①用镲鏡紙小心擦拭鏡片。②損壞的鏡片應(yīng)更換激光管。
(3)激光管不亮包括:無高頻振蕩聲:①定時(shí)器停在零位上。②定時(shí)器已損壞或未接通電源。檢查定時(shí)器,轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪,定位置及接觸點(diǎn)。處理:將定時(shí)器置于所需時(shí)間上。③定時(shí)器損壞嚴(yán)重時(shí)更換。
低壓整流部分開始直流電源沒通或晶體三極管接觸不良:用萬用表測(cè)量電壓值。處理:①更換低壓整流二極管或全橋。②更換接通開路部分三極管。
有高頻振蕩聲:高壓部分開路或高壓未加到激光管上,檢查線路,接通開路部分。
整流硅堆開路或擊穿:用萬用表歐姆檔測(cè)量后,修復(fù)或更換。
限流電阻開路:用萬用表測(cè)量限流電阻阻值,損壞時(shí)更換。
高壓變壓器開始:用萬用表測(cè)量,修復(fù)或更換。
(4)激光功率不穩(wěn)見于以下故障濾波電容失效或引線開路,或有輕微漏電:用萬用表測(cè)查,排除措施:①更換電容或引線;②清潔處理。
激光管老化,如伴有工作電壓偏低則為:限流電阻多只短路。檢查時(shí)觀察陽極區(qū)有無濺射發(fā)黑及用萬用表測(cè)量限流電阻阻值。排除措施:①更換激光管;②修復(fù)或更換損壞的限流電阻。
激光輸出時(shí)有時(shí)無,則為限流電阻或機(jī)內(nèi)有時(shí)通時(shí)斷的地方。檢查線路,排除措施:①修復(fù)接線;②限流電阻損壞時(shí)更換。
寄生振蕩:檢查串接電阻;排除措施:在激光管兩端串接10~15千歐姆2W電阻。
機(jī)內(nèi)有放電聲或電弧光:常見于機(jī)內(nèi)積塵垢,積水或空氣濕度大,或有腐蝕性氣體。檢查方法:在暗處觀察放電點(diǎn)。處理措施:①清潔塵垢;②改變工作環(huán)境。
(5)整機(jī)電源加不進(jìn)去常見于接通電源后指示燈不亮,常見故障有三個(gè):①保險(xiǎn)絲斷;②電源進(jìn)線接觸不良;③指示燈損壞,檢查方法:用萬用表逐級(jí)檢測(cè)。處理:①更換保險(xiǎn)絲。②更換損壞的導(dǎo)線及指示燈。
連續(xù)燒保險(xiǎn)絲:常見于機(jī)內(nèi)的短路及機(jī)內(nèi)有嚴(yán)重污物。檢查方法:逐級(jí)方法:逐級(jí)檢查線路,要特別注意振蕩部分及高壓部分。處理:①排除短路點(diǎn);②清除機(jī)內(nèi)污物。
注意,在維修時(shí)要先切斷電源,并對(duì)高壓進(jìn)行放電,原因是機(jī)內(nèi)有幾千伏的高壓。
由于激光束能量密度較大,操作時(shí)務(wù)必提防,避免直射入眼睛,治療及非治療室內(nèi)人員最好戴墨鏡防護(hù)。
He-Ne激光管在使用一段時(shí)間后造成輸出功率減小,放電不穩(wěn),起輝電壓升高,陰極淺射,此時(shí)激光管陰極區(qū)發(fā)黑較嚴(yán)重,應(yīng)考慮更換激光管。因出現(xiàn)此類現(xiàn)象時(shí)為激光老化。更換新管時(shí)紅線(或紅色魚夾)接陽極,黑線(或黑色魚夾)接筒狀陰極,切勿接反。
(二)二氧化碳激光機(jī)
1.結(jié)構(gòu) 醫(yī)療上應(yīng)用的CO2激光機(jī)均為大功率激光器,一般都采用縱向電激勵(lì)的水冷內(nèi)腔式、整機(jī)結(jié)構(gòu)主要有四部分:激光管、激勵(lì)電源,導(dǎo)光系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)。
(1)激光管由放電管、水冷套、儲(chǔ)氣管三層結(jié)構(gòu)組成。激光管兩端有電極,最里層是放電管,放電管長(zhǎng)度與輸出功率成正比。中間是水冷套,在放電管的外層,冷卻放電管中的氣體溫度,以確保輸出功率穩(wěn)定。放電管和水冷套的外層有儲(chǔ)氣管,可使放電時(shí)氣體稍低,促使氣體循環(huán)流動(dòng),一端與螺旋管及放電管相通主要是為了克服氣體在放電時(shí)向兩極分離的現(xiàn)象。同時(shí)延長(zhǎng)激光管的壽命和提高激光的穩(wěn)定性,并防止儲(chǔ)氣管中產(chǎn)生放電。
(2)激光電源大多采用市內(nèi)220V交流電,激光機(jī)內(nèi)都設(shè)有增壓裝置。可以提高達(dá)上萬伏以上的交流高壓加在激光管上。
(3)導(dǎo)光系統(tǒng)激光束產(chǎn)生后的傳遞工作叫激光導(dǎo)光系統(tǒng),由多關(guān)節(jié)臂及多塊鍍金膜片傳輸。借助此導(dǎo)光系統(tǒng)可以將激光束拿在手中以便進(jìn)行組織切割、燒灼、氣化及照射等治療。
(4)水冷系統(tǒng)主要是用水進(jìn)行冷卻,有外接水源冷卻gydjdsj.org.cn/job/,是把水管接到水籠頭上進(jìn)行水循環(huán)冷卻,自循環(huán)冷卻由附水箱、水泵、水管等構(gòu)成。使用方法及注意事項(xiàng)、故障排除見下。
2.使用方法
(1)使用前檢查整機(jī)是否完整,有無損壞。特別是長(zhǎng)期使用或使用后長(zhǎng)期靜置的激光機(jī),應(yīng)檢查水冷系統(tǒng),有無循環(huán)水用的橡膠管老化及裂開、斷離或管內(nèi)粘連。高壓部分是否清潔干燥。
(2)自循環(huán)水冷系統(tǒng)無損,加水到水箱的五分之一處,接通電源使冷卻水流通,并將激光管內(nèi)水冷套充滿循環(huán)水,最好水冷套內(nèi)無氣體。
(3)1--2分鐘后激光充滿水,踩腳控開頭,并用木板或厚紙板擋住導(dǎo)光關(guān)節(jié)出口,慢轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)壓器旋鈕,增高電壓使激光管起輝。
(4)根據(jù)需要調(diào)節(jié)電壓,放開腳控開關(guān)準(zhǔn)備治療。治療結(jié)束后先將電壓調(diào)節(jié)旋鈕為“O”位。
3.CO2激光機(jī)常見故障排除方法
(1)激光管亮電壓表有指示①出光不正常導(dǎo)光關(guān)節(jié)發(fā)熱 常見于導(dǎo)光關(guān)節(jié)松動(dòng)及激光管沒裝正。檢查方法:同光校正。排除措施:更換或調(diào)整導(dǎo)光節(jié),校正光路。②激光功率下降 常見于激光管老化。檢查:用萬用表電壓檔檢查調(diào)壓器,用高壓表檢查激光管的工作電壓。處理:更換老化的激光管,及調(diào)換損壞的元件。
(2)激光管不亮①電壓表有指示常見于供電線有開路。及腳踏開關(guān)或手動(dòng)開關(guān)接觸不良。檢查:用萬用表測(cè)量。處理:修理或更換。②電壓表無指示 常見保險(xiǎn)絲斷,或電路有開路。檢查用萬用表測(cè)量。處理:更換保險(xiǎn)絲,或接通電路。③電源指示燈不亮 常見保險(xiǎn)絲斷,進(jìn)線接觸不良,指示燈線路不良或指示燈已壞。檢查:檢查保險(xiǎn)絲,檢查電源進(jìn)線,檢查指示燈回路。處理:更換保險(xiǎn)絲,修復(fù)導(dǎo)線及更換指示燈。④連續(xù)燒保險(xiǎn)絲常見于機(jī)內(nèi)有短路,及機(jī)內(nèi)有嚴(yán)重污物。檢查:逐級(jí)查線,多為高壓部分有短路。處理:修復(fù)短路,清除污物。⑤機(jī)內(nèi)有放電聲或電弧光常見機(jī)內(nèi)有塵埃,積水或空氣濕度太大及有腐蝕性氣體。檢查:在暗處觀察放電點(diǎn)。處理:清除塵埃、積水等物,更換工作環(huán)境。⑥激光輸出不穩(wěn) 見于機(jī)內(nèi)有接觸不良之處,機(jī)內(nèi)有輕微斷續(xù)短路點(diǎn)。檢查:逐級(jí)查線。處理:更換導(dǎo)線,重新焊接線頭,清潔處理。
4.注意事項(xiàng)
(3)整機(jī)在調(diào)整使用中如發(fā)現(xiàn)因潮濕或其它原因有放電時(shí),應(yīng)立即關(guān)機(jī),進(jìn)行檢修。
(2)激光機(jī)在低電流時(shí)可連續(xù)工作4小時(shí),大電流時(shí)可酌情縮短使用時(shí)間。
(3)機(jī)殼要接地線,電源線為單相三線。
(4)導(dǎo)光關(guān)節(jié)臂不用時(shí)請(qǐng)放置在干燥箱內(nèi),防止鏡片發(fā)霉。
(5)檢修時(shí)要先切斷電源并進(jìn)行高壓放電,以保安全。
(三)摻釹釔鋁石榴石激光(Nd:YAGlaser)
Nd:YAG激光的基質(zhì)是一種叫做釔鋁石榴石的晶體,這種晶體由三份Y2O2及五份Al2O3化合而成。英文全稱為Yttrium aluminum garnet,取每個(gè)詞的第一字母縮寫成YAG。在YAG晶體中摻入一定比例的Nd2O3,就是摻釹釔鋁石榴石晶體,即Nd:YAG。目前的YAG激光主要采用氪弧燈,它的發(fā)光光譜與YAG的吸收光譜相溶合,發(fā)光效率約為25%,功率負(fù)載較大。
Nd:YAG的工作特性:YAG晶體由于具有四能級(jí)系統(tǒng)特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)光振蕩所需要的光泵功率較小。及YAG晶體導(dǎo)熱性能良好,易于冷卻散熱。釔鋁石榴石激光器在室溫條件下工作,能以連續(xù)的工作方式進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn),這就是此激光器的主要特點(diǎn)。
Nd:YAG結(jié)構(gòu)比CO2激光及He-Ne laser相對(duì)復(fù)雜,雖然產(chǎn)生激光的原理基本相同,但Nd:YAG的輸出功率比較高,而且機(jī)內(nèi)采用雙重控制。在接通電源后,必須水循環(huán),才能打開機(jī)內(nèi)的水壓開關(guān)。在正常水循環(huán)接通電源后再開面板上的電源開關(guān)。整個(gè)機(jī)內(nèi)才能通電。Nd:YAG輸出1.0μ6m激光,而且須用三項(xiàng)高壓電才能激發(fā)。使用中必須注意嚴(yán)守操作規(guī)程。
常見故障處理
(1)整機(jī)無電檢查水壓開關(guān),進(jìn)線有無開路,及機(jī)內(nèi)保險(xiǎn)。指示燈高否(鑰匙開關(guān)打開后)。檢查機(jī)內(nèi)各部件的進(jìn)線及出線接頭。
(2)輸出不良可能光纖入光頭與輸出激光不同步。切忌,對(duì)全密封Nd:YAG泵不可亂拆。
(3)處理修復(fù)開路,更換保險(xiǎn)絲及指示燈,進(jìn)出線接頭修復(fù)。
出光不良時(shí)重新校對(duì)光路,光纖有無拆斷,或更換完整光纖。