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臨床激光治療學(xué):第四節(jié) 激光的原理與維修

光是被我們熟知的,自然界的光為人們帶來黑白晝夜,人們利用光從事各種實(shí)踐活動(dòng),迄今又有很大發(fā)展,它不僅應(yīng)用于生活,而且還用于生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)等各個(gè)方面。一、激光的本質(zhì)人類對(duì)光的認(rèn)識(shí),經(jīng)歷了一個(gè)曲折的認(rèn)識(shí)過程。英國物理學(xué)家牛頓,在德國天文學(xué)家開普勒等人的理論基…

光是被我們熟知的,自然界的光為人們帶來黑白晝夜,人們利用光從事各種實(shí)踐活動(dòng),迄今又有很大發(fā)展,它不僅應(yīng)用于生活,而且還用于生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)等各個(gè)方面。

一、激光的本質(zhì)

人類對(duì)光的認(rèn)識(shí),經(jīng)歷了一個(gè)曲折的認(rèn)識(shí)過程。英國物理學(xué)家牛頓,在德國天文學(xué)家開普勒等人的理論基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提出了光是從源中發(fā)出的微粒,構(gòu)成一種特殊的物質(zhì),光的顏色是由微粒的大小而定的。但在同一世紀(jì)中,荷蘭物理學(xué)家惠更斯,提出了與牛頓微粒理論截然不同的理論,既光的波動(dòng)理論。他認(rèn)為光是一種波,而不是什么微粒,還認(rèn)為光在水、空氣等物體里有一種特殊的物質(zhì)“以太”。

由于牛頓的微粒說和惠更斯的波動(dòng)說都可闡明一定的現(xiàn)象。所以在當(dāng)時(shí)的科學(xué)技術(shù)水平中不能定出哪一個(gè)學(xué)說的理論更加優(yōu)越。因當(dāng)時(shí)牛頓在科學(xué)界的貢獻(xiàn)大而其威信極高,光的微粒學(xué)說占了上風(fēng)。致惠更斯的波動(dòng)學(xué)說的觀點(diǎn)被忽視,甚至被遺忘了近百年之久。

一世紀(jì)以后,有人使用雙縫干涉實(shí)驗(yàn),測出了可見光的相應(yīng)波長。于是光的波動(dòng)學(xué)說戰(zhàn)勝了光的微粒學(xué)說而居于主導(dǎo)地位。到了十九世紀(jì)中期,電磁理論得到大力發(fā)展,英國的物理學(xué)家麥克期韋當(dāng)時(shí)根據(jù)電磁理論,推斷光也是一種電磁波。并推算出電磁波的傳播速度為每秒30萬公里,而且使推斷得以證實(shí)。后來,德國一位名叫普朗克的人在做了大量的實(shí)驗(yàn)后又提出了電磁波這種形式的能量輻射。從而使人們認(rèn)識(shí)到電磁波是某種粒子,既光量子。為了強(qiáng)調(diào)光的粒子屬性,光量子被稱之為“光子”。光子的質(zhì)量在運(yùn)動(dòng)中顯示出來。

光的基本特性,從光的量子理論可以得知,輻射的頻率為光子的能量。從波動(dòng)理論可以了解到。不同的振動(dòng)波,其頻率r是不一樣的。量子理論又說明,在其間存在著E=hr關(guān)系。表明了光具有波動(dòng)性和微粒性兩重屬性。這就使人們對(duì)光的波動(dòng)性和微粒性兩個(gè)矛盾,得以辨證統(tǒng)一起來,并用以敘述光的本質(zhì)。但是,人類對(duì)光的本質(zhì)認(rèn)識(shí)將進(jìn)一步得以深化。

二、什么是激光

激光簡稱萊塞laser.即Light Amplification by Stimulation Emission of Radiation各字頭的縮寫,中文意思是受激輻射光放大。在本世紀(jì)60年代中發(fā)展最活躍的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域之一。激光是一種特殊的光源。正如我們了解到的陽光、燈光等,都是向四面八方輻射的,沒有一個(gè)確定的方向傳播。但激光具有高亮度、單色性、方向性及相干性好等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學(xué)技術(shù)、國防等。但在醫(yī)療方面的應(yīng)用更廣闊。為了能很好的了解激光,就必須了解物質(zhì)的分子、原子結(jié)構(gòu)。

三、原子結(jié)構(gòu)與光譜

1.原子結(jié)構(gòu) 一切物質(zhì)中我們都知道,分子是由原子組成的,而原子又是由原子核和電子構(gòu)成。原子核帶正電荷,電子帶負(fù)電荷。原子核中所帶的正電荷與核外電子帶的負(fù)電荷在數(shù)值正相等,其代數(shù)和是零,使整體的原子呈中性。原子核是原子的核心,它的密度很大,不計(jì)核外電子質(zhì)量,那么原子的質(zhì)量就可以由核的質(zhì)量來決定。核外電子一面繞原子核轉(zhuǎn),一面不停的自轉(zhuǎn)。這樣的運(yùn)動(dòng)與太陽系中各個(gè)星球圍繞太陽的旋轉(zhuǎn)相似。

原子核由帶正電的質(zhì)子及不帶電的中子組成,在核內(nèi)質(zhì)子與中子的數(shù)目是相等的,每個(gè)質(zhì)子與電子所帶的電量相等,所以使原子整體呈中性。在原子核周圍的電子是由靜電引力把它們吸引在原子核的周圍。并且電子與原子核保持一定距離。在某種原因的作用下失去核外電子,使原子轉(zhuǎn)變成離子而帶電bhskgw.cn/pharm/。即具有電的性質(zhì)。

原子核外的電子排列比較規(guī)律,不是雜亂無章地排列,是以不同層次及不同軌道排列。最靠近原子核的第一層電子與原子核的結(jié)合力最強(qiáng),離原子核越遠(yuǎn)的電子層,電子與原子核之間的作用力就越小,由于二者之間的作用力越小,越容易推動(dòng)電子。外層電子與原子核的結(jié)合力松散。因此在較小能量的作用下電子就可以脫離原子核,使原子變成離子。在化學(xué)反應(yīng)中最外層電子為價(jià)電子。在光學(xué)中,最外層電子參與光學(xué)過程,如光的吸出,光的發(fā)射等,因此在光學(xué)中最外層電子叫光學(xué)電子。光電子與價(jià)電子指的是同一電子。

2.能級(jí)和狀態(tài)原子核中電子總是不停地在自動(dòng)軌道上運(yùn)動(dòng),由于電子的運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生一定的動(dòng)能,電子被核吸引則有一定勢能,這兩個(gè)能在原子中構(gòu)成了原子內(nèi)能。內(nèi)能取決于核外電子與核的距離,距離增大,內(nèi)能增大,反之縮小。由于核與電子距離對(duì)內(nèi)能有影響,那么原子內(nèi)的電子從一個(gè)自行軌道跳躍到另一軌道,這就反應(yīng)了整個(gè)原子內(nèi)能量的變化。一般表示原子能量的方法是把能量的大小,按比例畫出數(shù)條橫線,每一條線代表一個(gè)能量值。從而體現(xiàn)出原子能量的不斷連續(xù)性只有在這些橫線上能量存在。其它的地方無能量。這主要是由于原子中的電子運(yùn)動(dòng)的軌道是固定的。每一橫線叫做原子的一個(gè)能級(jí),把這些線畫在坐標(biāo)軸中,所形成的圖為原子能級(jí)圖。實(shí)際上要比這復(fù)雜。最下面的能級(jí)為E1,在E1能級(jí)上原子的能量狀態(tài)叫原子基態(tài),基態(tài)以上的能級(jí)叫高能級(jí),如E2、E3…,都為激發(fā)態(tài)。一般正常情況下大多數(shù)原子都處于低能級(jí)上,只有少數(shù)在高能級(jí)中。

近代物理學(xué)中已經(jīng)知道,原子核外的電子是以主量子數(shù)n,角量子數(shù)L,磁量子數(shù)m和自旋量子數(shù)s來排布。并遵循泡利不相容原理和能量最低原理逐步添滿各層電子。

3.原子光譜 在正常的條件下原子外層電子總是處于最低能級(jí)軌道,以保持穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)外界有足夠的力量作用于基態(tài)的原子時(shí)就可以使基態(tài)原子中的電子從它所在的軌道能級(jí)躍遷到外層高能級(jí)的軌道。這種由低能級(jí)跳躍到高能級(jí)過程叫激發(fā)。激發(fā)態(tài)的原子不穩(wěn)定,總要從高能級(jí)回www.med126.com到低能級(jí),以致回到基態(tài)的趨勢。當(dāng)原子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)時(shí)把所吸收的能量以光波的形式發(fā)散出來,形成大家熟知的發(fā)光現(xiàn)象。原子所吸收的能量,還是原子所放出的能量,都是相應(yīng)能級(jí)上的能量之差。即r=1/h(En-Ek),在此公式中r是發(fā)射光波的頻率,h是普朗克常數(shù)(6.623×10-24J/S),En是原子在高能級(jí)上的能量,Ek是過渡到低能級(jí)上的能量。從能量之差,可以了解到,原子核中的電子躍遷越高,在復(fù)回原級(jí)位置上時(shí),釋放的能量就越高。因此這就是產(chǎn)生原子光譜的原因。

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