臨床激光治療學(xué):第五節(jié)　激光的基本原理

一、光與物質(zhì)的關(guān)系

前述過光、原子、能級和光譜。物質(zhì)是由一些同類微粒組成（即原子、分子、離子)。由于這些能級處于不同的能級上，而在這些能級中，用E1及E2分別表示兩個能級量，E1所帶的能量少，屬低能級。E2所帶的能量多。為高能級（見圖18)。由于粒子所含的能量不同，總的來說粒子在低能級的占多數(shù)，高能級的占少數(shù)。因此在低能級（E1)中的粒子數(shù)大于高能級中（E2)的粒子數(shù)�？捎脠D18表示、低能級（E1E2)上粒子數(shù)的分布。

圖18　粒子二能級分布圖

光與物質(zhì)作用有三方面

（1)受激吸收低能級E1的粒子當(dāng)吸收一定頻率r21的外來光能時，粒子的能量就會增到E2＝E1＋hr21(h)表示普朗克常數(shù))，粒子就從低能級E1躍遷到高能級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，還得取決于兩個能級（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)輻射處于高能級的粒子很不穩(wěn)定，不可能長時間的停留在高能級上。以氫原子為例，在高能級停留的時間只有10-8秒（粒子在高能級停留的時間為粒子的壽命，壽命長的為亞穩(wěn)態(tài)能級)。因此，在高能級E2中的粒子會迅速躍遷到低能級E1上，同時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。我們在日常生活中也可以看到的如日光燈，高壓汞燈和一些充有氣體的燈，發(fā)光都是自發(fā)輻射的過程，這些光是向各個方向傳播。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)動形式消耗能量，即為無輻射躍遷。自發(fā)輻射的特點，即每一個粒子的躍遷都是自發(fā)的，孤立地進(jìn)行，也就是相互獨立，彼此無聯(lián)系。產(chǎn)生的光子雜亂無章，無規(guī)律性。

圖19　1.基能級上的粒子

2.粒子被激發(fā)到E2能級上

圖20　1.處于高能級E2上的粒子

2.粒子躍遷到低能級E1上，同時發(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。處于高能級的粒子，在某種頻率r21光子誘發(fā)下，從原來所在的能級上E2，放出與外來光子完全相同光子，此時既產(chǎn)生了一個光子（受激發(fā)前后共有2個光子)，使原來的能量減少△E＝hr21。把高能級上的粒子躍遷到低能級E1上的這一過程稱做受激輻射（見圖21)。

受激輻射的特點本身不是自發(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)別出哪一個是原來的光子，哪一個是受激發(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。以波動觀點看，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，由于兩個波的相位、振動方向，傳播的方向及頻率相同。兩個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E2上的粒子。

2.粒子躍遷到低能級E1上，同時發(fā)射出一個光子。

圖22　受激輻射時光束放大

從上可知，受激輻射及吸收同時存在于光輻射與粒子體系，是在同一整體之中相互對立的兩個方面，它們發(fā)生的可能性是同等的，這兩個方面即受激輻射與吸收哪一個占主導(dǎo)地位，取決于粒子在兩個能級上的分布。激光器發(fā)出的激光就是利用受激輻射而實現(xiàn)的，也就是在基發(fā)態(tài)的粒子數(shù)盡可能多些。以實現(xiàn)受激輻射。

二、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與光放大

在受激輻射中怎樣把粒子數(shù)提高到高能級上，總的來說粒子數(shù)在能級上的分布有兩種：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為絕對溫度。把兩上能級上的粒子數(shù)相比時可以看到，N2/N1＝e(-E2-E1)/KT，由于E2＞E1，而絕對T≠0，K是正整數(shù)，KT＞0因此N2＜N1。其主要原理是高能級上的粒子數(shù)，要比低能級的粒子數(shù)少（在受激發(fā)時)。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上粒子分布的數(shù)量大于在低能級上粒子分布的數(shù)量，即N2＞N1。這時受激輻射的過程大于吸收過程，從而實現(xiàn)光放大，一般常稱為粒子反轉(zhuǎn)分布。所謂的“反轉(zhuǎn)”，是對熱平衡分布比較而言。

處于高能級被反轉(zhuǎn)上去的粒子很不穩(wěn)定，常會自發(fā)在或在外加的刺激下輻射出能量，從高能級粒子躍遷到低能級上，促使粒子體系回到熱平衡分布狀態(tài)。因而可以看出，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是實現(xiàn)受激輻射的必要條件之一。粒子數(shù)如何實現(xiàn)反轉(zhuǎn)分布，涉及兩個方面：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能級間達(dá)到非熱平衡狀態(tài)，而實現(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。有一部分壽命相對較長些，如鉻離子在高能級E2上壽命只不過是幾個毫秒。壽命較長的粒子數(shù)能級叫做亞穩(wěn)態(tài)能級，除鉻離子外，還有一些亞穩(wěn)態(tài)能級，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，在這一時間內(nèi)就可以實現(xiàn)某一能級與亞穩(wěn)態(tài)能級實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，以達(dá)到對特定頻率輻射光進(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？既對亞穩(wěn)態(tài)能級粒子體系（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的粒子數(shù)，總是大于處在高能級上的粒子數(shù)，當(dāng)要實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，就得給粒子體系增加一種外界的作用，促使大量低能級上的粒子反轉(zhuǎn)到高能級上，這種過程被叫做激勵，或被稱為泵浦，尤如把低處的水抽到高處一樣。

經(jīng)過大量實踐，了解并掌握了一m.gydjdsj.org.cn些粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的有效方法。對固體形的工作物質(zhì)常應(yīng)用強(qiáng)光照射的辦法，即為光激勵。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。對氣體形的工作物質(zhì)，常應(yīng)用放電的辦法，促進(jìn)特定儲存氣體物質(zhì)按一定的規(guī)律經(jīng)放電而激勵，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法。此外，還可應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)方法（化學(xué)激勵法)、超音速絕熱膨脹法（熱激勵)，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

三、光學(xué)諧振腔

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)。兩個反射鏡中，一個是全反射鏡，反射有效率為99.8％，一個是半反射鏡。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，即處于高能級上粒子自發(fā)輻射光子躍遷到低能級。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。而是像點烯的一個火種——尤如生爐子點火一樣。

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)高能級上的粒子向低能級躍遷，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)動的光子。就不與腔內(nèi)的物質(zhì)作用。沿軸方向運(yùn)動的光子，經(jīng)過諧振腔中的兩個反射鏡多次反射，使受激輻射的強(qiáng)度越來越強(qiáng)。促使高能級上的粒子不斷地發(fā)出光來。如果光放大到超過光損耗時（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，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。

四、產(chǎn)生激光的條件和過程

激光的產(chǎn)生，必須有激光器，而激光器必須具備三個主要的組成部分。

1．激活物質(zhì)　即被激勵后能發(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)能級性質(zhì)的物質(zhì)。

2．激勵裝置　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→激活介質(zhì)（即工作物質(zhì))粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；被激勵后的工作物質(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所產(chǎn)生的傷害。由于激光波長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。

五、激光器的分類

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。在本章中僅對激光器的種類結(jié)構(gòu)作一介紹，目的是能使人們?nèi)�面了解及�?yīng)用性參考。

（一)固體激光器

實現(xiàn)激光的核心主要是激光器中可以實現(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)，輸出的波長為1.06μm呈白藍(lán)色光；釹玻璃工作物質(zhì)，輸出波長1.06μm呈紫藍(lán)色光；紅寶石工作物質(zhì)，輸出波長為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，即光激勵工作物質(zhì)。

固定激光器的結(jié)構(gòu)由三個主要部分組成：工作物質(zhì)，光學(xué)諧振腔、激勵源。聚光腔是使光源發(fā)出的光都會聚于工作物質(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可加速電子，帶有一定能量，在工作物質(zhì)中運(yùn)動的電子與粒子（氣體的原子或分子)碰撞時將自身的能量轉(zhuǎn)移給對方，使分子或原子被激發(fā)到某一高能級上而形成粒子數(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)相對簡單得多，造價較低，操作簡便，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)點外，還具有結(jié)構(gòu)簡單、壽命長、價廉、頻率穩(wěn)定等特點。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（在電場作用下氣體放電)，放電管中的電子就會由負(fù)極以高速向正極運(yùn)動。在運(yùn)動中與工作物質(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)原子躍遷到高能級的激發(fā)態(tài)。這時如有基態(tài)氖原子與兩能級上的氦原子相碰，氦原子的能量傳遞給氖原子，并從基態(tài)躍遷到激發(fā)的能級狀態(tài)，而氦原子回到了基態(tài)上。因為放電管上所加的電壓，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，分別發(fā)出波長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�，F(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，管長幾厘米到十幾厘米，放電管越長功率越大，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激光器的外界激勵能源與固體激光器不相同，不能使用光泵激勵，而采用電激勵的方法。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間的躍遷產(chǎn)生激發(fā)振蕩的一和種激光器，分子能級躍遷形式與原子能級躍遷相同。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，按激勵方式分電激勵，化學(xué)激勵，熱激勵，光激勵與核激勵等。在醫(yī)療中使用的CO2激光器幾乎百分之百是電激勵。

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，即分子里電子的運(yùn)動，其運(yùn)動決定了分子的電子能態(tài)；二是分子里的原子振動，即分子里原子圍繞其平衡位置不停地作周期性振動——并決定于分子的振動能態(tài)；三是分子轉(zhuǎn)動，即分子為一整體在空間連續(xù)地旋轉(zhuǎn)，分子的這種運(yùn)動決定了分子的轉(zhuǎn)動能態(tài)。分子運(yùn)動極其復(fù)雜，因而能級也很復(fù)雜。

CO2分子為線性對稱分子，兩個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)動著，要繞其平衡位置不停地振動。根據(jù)分子振動理論，CO2有三種不同的振動方式：①二個氧原子沿分子軸，向相反方向振動，即兩個氧在振動中同時達(dá)到振動的最大值和平衡值，而此時分子中的碳原子靜止不動，因而其振動被叫做對稱振動。②兩個氧原子在垂直于分子軸的方向振動，且振動方向相同，而碳原子則向相反的方向垂直于分子軸振動。由于三個原子的振動是同步的，又稱為變形振動。③三個原子沿對稱軸振動，其中碳原子的振動方向與兩個氧原子相反，又叫反對稱振動能。在這三種不同的振動方式中，確定了有不同組別的能級。

CO2激光的激發(fā)過程：CO2激光器中，主要的工作物質(zhì)由CO2，氮氣，氦氣三種氣體組成。其中CO2是產(chǎn)生激光輻射的氣體、氮氣及氦氣為輔助性氣體。加入其中的氦，可以加速010能級熱弛預(yù)過程，因此有利于激光能級100及020的抽空。氮氣加入主要在CO2激光器中起能量傳遞作用，為CO2激光上能級粒子數(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，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分子從低能級躍遷到高能級上形成粒子數(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)管長而定。管長的粗一點，管短的細(xì)一點。放電管長度與輸出功率成正比。臨床上廣泛應(yīng)用的CO₂激光器放電管長度約1m，便攜式CO₂激光器的放電管約40cm。在一定的長度范圍內(nèi)，每米放電管長度輸出的功率隨總長度而增加。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氣管連接，即儲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氣管中循環(huán)流動，放電管中的氣體隨時交換（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，因為普通光學(xué)玻璃對紅外光不透。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，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)到活動自如的目的。醫(yī)療上常用的導(dǎo)光關(guān)節(jié)是用六個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，因此臨床上進(jìn)行各種治療時非常靈活方便。

六、激光機(jī)的使用與維護(hù)

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)療人員不但會使用，更要了解在使用中出現(xiàn)常見的故障時能及時地排除。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，因此使用時必須注意這一點。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。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　可能是鏡片有污物，霉點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定時器停在零位上。②定時器已損壞或未接通電源。檢查定時器，轉(zhuǎn)動齒輪，定位置及接觸點。處理：將定時器置于所需時間上。③定時器損壞嚴(yán)重時更換。

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：用萬用表歐姆檔測量后，修復(fù)或更換。

限流電阻開路：用萬用表測量限流電阻阻值，損壞時更換。

高壓變壓器開始：用萬用表測量，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。檢查時觀察陽極區(qū)有無濺射發(fā)黑及用萬用表測量限流電阻阻值。排除措施：①更換激光管；②修復(fù)或更換損壞的限流電阻。

激光輸出時有時無，則為限流電阻或機(jī)內(nèi)有時通時斷的地方。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。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：①保險絲斷；②電源進(jìn)線接觸不良；③指示燈損壞，檢查方法：用萬用表逐級檢測。處理：①更換保險絲。②更換損壞的導(dǎo)線及指示燈。

連續(xù)燒保險絲：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：逐級方法：逐級檢查線路，要特別注意振蕩部分及高壓部分。處理：①排除短路點；②清除機(jī)內(nèi)污物。

注意，在維修時要先切斷電源，并對高壓進(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)象時為激光老化。更換新管時紅線（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氣管，可使放電時氣體稍低，促使氣體循環(huán)流動，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向兩極分離的現(xiàn)象。同時延長激光管的壽命和提高激光的穩(wěn)定性，并防止儲氣管中產(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�？梢蕴岣哌_(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m.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、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。特別是長期使用或使用后長期靜置的激光機(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)或手動開關(guān)接觸不良。檢查：用萬用表測量。處理：修理或更換。②電壓表無指示 常見保險絲斷，或電路有開路。檢查用萬用表測量。處理：更換保險絲，或接通電路。③電源指示燈不亮 常見保險絲斷，進(jìn)線接觸不良，指示燈線路不良或指示燈已壞。檢查：檢查保險絲，檢查電源進(jìn)線，檢查指示燈回路。處理：更換保險絲，修復(fù)導(dǎo)線及更換指示燈。④連續(xù)燒保險絲常見于機(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。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。檢查：逐級查線。處理：更換導(dǎo)線，重新焊接線頭，清潔處理。

4．注意事項

（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，應(yīng)立即關(guān)機(jī)，進(jìn)行檢修。

（2)激光機(jī)在低電流時可連續(xù)工作4小時，大電流時可酌情縮短使用時間。

（3)機(jī)殼要接地線，電源線為單相三線。

（4)導(dǎo)光關(guān)節(jié)臂不用時請放置在干燥箱內(nèi)，防止鏡片發(fā)霉。

（5)檢修時要先切斷電源并進(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系統(tǒng)特點，實現(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。

Nd：YAG結(jié)構(gòu)比CO2激光及He-Ne laser相對復(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)。整個機(jī)內(nèi)才能通電。Nd：YAG輸出1.0μ6m激光，而且須用三項高壓電才能激發(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。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，對全密封Nd：YAG泵不可亂拆。

（3)處理修復(fù)開路，更換保險絲及指示燈，進(jìn)出線接頭修復(fù)。

出光不良時重新校對光路，光纖有無拆斷，或更換完整光纖。