第五节 激光的基本原理
一、光与物质的关系
前述过光、原子、能级和光谱。物质是由一些同类微粒组成(即原子、分子、离子)。由于这些能级处于不同的能级上，而在这些能级中，用E1及E2分别表示两个能级量，E1所带的能量少，属低能级。E2所带的能量多。为高能级(见图18)。由于粒子所含的能量不同，总的来说粒子在低能级的占多数，高能级的占少数。因此在低能级(E1)中的粒子数大于高能级中(E2)的粒子数。可用图18表示、低能级(E1E2)上粒子数的分布。
图18 粒子二能级分布图
光与物质作用有三方面
(1)受激吸收 低能级E1的粒子当吸收一定频率r21的外来光能时，粒子的能量就会增到E2＝E1+hr21(h)表示普朗克常数)，粒子就从低能级E1跃迁到高能级E2上，(见图19)，这一过程叫做受激吸收，而外来光的能量被吸收，使光减弱。粒子进行跃迁不是自发的，要靠外来光子刺激而进行。粒子是否能吸收发来的光子，还得取决于两个能级(E1和E2)性质和趋近于粒子的光子数的多少有关。而与其它方向。位相等方面就无任何限制。
(2)自发辐射 处于高能级的粒子很不稳定，不可能长时间的停留在高能级上。以氢原子为例，在高能级停留的时间只有10-8秒(粒子在高能级停留的时间为粒子的寿命，寿命长的为亚稳态能级)。因此，在高能级E2中的粒子会迅速跃迁到低能级E1上，同时以光子的形式放出能量hr21＝E2-E1(hr21为辐射光子频率)。(见图20)。这一过程不受到外界的作用时完全是自发的。所产生的光没有一定规律，相位和方向都不一致。不是单色光。我们在日常生活中也可以看到的如日光灯，高压汞灯和一些充有气体的灯，发光都是自发辐射的过程，这些光是向各个方向传播。因此与受辐射发出的光，其相位和方向完全相反。这种以光的形式辐射出来的，叫做自发辐射跃迁。可是在跃迁的过程中有一些不产生光辐射的跃迁，而它们主要是以热的运动形式消耗能量，即为无辐射跃迁。自发辐射的特点，即每一个粒子的跃迁都是自发的，孤立地进行，也就是相互独立，彼此无联系。产生的光子杂乱无章，无规律性。
图19 1.基能级上的粒子
2.粒子被激发到E2能级上
图20 1.处于高能级E2上的粒子
2.粒子跃迁到低能级E1上，同时发射出一干光子
(3)受激辐射 它是与受激发吸收的相反过程。处于高能级的粒子，在某种频率r21光子诱发下，从原来所在的能级上E2，放出与外来光子完全相同光子，此时既产生了一个光子(受激发前后共有2个光子)，使原来的能量减少△E＝hr21。把高能级上的粒子跃迁到低能级E1上的这一过程称做受激辐射(见图21)。
受激辐射的特点本身不是自发跃迁，而是受外来光子的刺激产生。因而粒子释放出的光子与原来光子的频率、方向传播、相位及偏振等完全一样，无法区别出哪一个是原来的光子，哪一个是受激发后而产生的光子，受激辐射中由于光辐射的能量与光子数成正比例，因而在受激辐射以后，光辐射能量增大一倍。以波动观点看，设外来光子为一种波，受激辐射产生的光子为另一种波，由于两个波的相位、振动方向，传播的方向及频率相同。两个波合在一起能量就增大一倍，即通过受激辐射光波被放大。外来光子量越多，受激发的粒子数越多，产生的光子越大，能量越高。(参见图22)。
图21 1.处于高能级E2上的粒子。
2.粒子跃迁到低能级E1上，同时发射出一个光子。
图22 受激辐射时光束放大
从上可知，受激辐射及吸收同时存在于光辐射与粒子体系，是在同一整体之中相互对立的两个方面，它们发生的可能性是同等的，这两个方面即受激辐射与吸收哪一个占主导地位，取决于粒子在两个能级上的分布。激光器发出的激光就是利用受激辐射而实现的，也就是在基发态的粒子数尽可能多些。以实现受激辐射。
二、粒子数反转与光放大
在受激辐射中怎样把粒子数提高到高能级上，总的来说粒子数在能级上的分布有两种：一种是热平衡分布，即粒子体系(同种粒子)在热平衡状态下，各能级上的粒子数遵从玻耳兹曼分布：公式Ni＝Ne-Ei/KT，Ni为单位体积中总的粒子数，K为玻耳兹曼常数(1.38×10-6)，T为绝对温度。把两上能级上的粒子数相比时可以看到，N2/N1＝e(-E2-E1)/KT，由于E2>E1，而绝对T≠0，K是正整数，KT>0因此N2
处于高能级被反转上去的粒子很不稳定，常会自发在或在外加的刺激下辐射出能量，从高能级粒子跃迁到低能级上，促使粒子体系回到热平衡分布状态。因而可以看出，实现粒子数反转是实现受激辐射的必要条件之一。粒子数如何实现反转分布，涉及两个方面：一是粒子体系(工作物质)的内结构；二是给工作物质施加外部作用。所讲的工作物质是指在特定条件下能使两个能级间达到非热平衡状态，而实现光放大，不是每一种物质都能做工作物质。粒子体系中有一些粒子的寿命很短暂，只有10-8秒。有一部分寿命相对较长些，如铬离子在高能级E2上寿命只不过是几个毫秒。寿命较长的粒子数能级叫做亚稳态能级，除铬离子 外，还有一些亚稳态能级，主要有钕离子、氖原子、二氧化碳分子、氪离子、氩离子等。有了亚稳态能级，在这一时间内就可以实现某一能级与亚稳态能级实现粒子数反转，以达到对特定频率辐射光进行光放大。意即粒子数反转是产生光放大的内因。那外因是什么？既对亚稳态能级粒子体系(主要工作物质)增加某种的外部作用。由于热平衡的分布中粒子体系处于低能级的粒子数，总是大于处在高能级上的粒子数，当要实现粒子数反转，就得给粒子体系增加一种外界的作用，促使大量低能级上的粒子反转到高能级上，这种过程被叫做激励，或被称为泵浦，尤如把低处的水抽到高处一样。
经过大量实践，了解并掌握了一些粒子数反转的有效方法。对固体形的工作物质常应用强光照射的办法，即为光激励。这类工作物质常应用的有掺铬刚玉、掺钕玻璃、掺钕钇铝石榴石等等。对气体形的工作物质，常应用放电的办法，促进特定储存气体物质按一定的规律经放电而激励，常应用的工作气体物质，有分子气体(如CO2气体)及原子气体(如He-Ne原子气体)(见图23)。如工作物质为半导体的物质，采用注入大电流方法激励发光，常见的有砷化镓，这类注入大电流的方法被叫做注入式激励法。此外，还可应用化学反应方法(化学激励法)、超音速绝热膨胀法(热激励)，电子束甚至用核反应中生成的粒子进行轰击(电子束泵浦、核泵浦)等方法，都能实现粒子数反转分布。从能量角度看，泵浦过程就是外界提供能量给粒子体系的过程。激光器中激光能量的来源，是由激励装置，其它形式的能量(诸如光、电、化学、热能等)转换而来。
图23
三、光学谐振腔
处于粒子数反转状态的粒子体系(工作物质)。具有特定频率的光进行放大。激光振荡器中工作物质发出的光不是外来的，而是工作物质本身自发跃迁而产生的，即自发辐射(非受激辐射)。由于自发辐射没有确定的频率及传播方向，且杂乱无章。为使自发辐射频率单一性，就需要有一装置来实现，即光学谐振腔。
要解决自发辐射，使其呈单一性的方法是只有在工作物质的两侧放置两块反射镜。而且两块反射镜必须彼此平行，并与工作物质的光轴垂直(见图24)。两个反射镜中，一个是全反射镜，反射有效率为99.8%，一个是半反射镜。反射率为40%～60%。谐振腔即指两块反射镜构成的空间。在谐振腔中，初始的光辐射是来自自发辐射，即处于高能级上粒子自发辐射光子跃迁到低能级。由于这类辐射出来的光子初相位无规律地向四面八方射出。这种光不是激光。而是像点烯的一个火种——尤如生炉子点火一样。
图24 激光振荡反射示意图
自发辐射光子不断产生，同时射向工作物质，再激发工作物质产生很多新光子(受激辐射)。光子在传播中一部分射到反射镜上，另一部分则通过侧面的透明物质跑掉。光在反射镜的作用下又回到工作物质中，再激发高能级上的粒子向低能级跃迁，而产生新的光子。在这些光子中，不在沿谐振腔轴方向运动的光子。就不与腔内的物质作用。沿轴方向运动的光子，经过谐振腔中的两个反射镜多次反射，使受激辐射的强度越来越强。促使高能级上的粒子不断地发出光来。如果光放大到超过光损耗时(衍射、吸收、散射等损失)产生光的振荡，使积累在沿轴方向的光，从部分反射镜中射出这就形成激光。
在谐振腔的反馈过程中，我们了解到光只能沿谐振腔的轴向传播，因此激光具有很高的方向性。又由于谐振腔中两个反射镜之间距离不同，光在腔内不断地反射，得到加强。而其它波长的光在腔内很快被衰减掉，谐振腔就可以选择一固定波长，说明激光具有单色性。而激光的亮度高是由光放大产生的。
四、产生激光的条件和过程
激光的产生，必须有激光器，而激光器必须具备三个主要的组成部分。
1.激活物质 即被激励后能发生粒子数反转的工作物质，也称做激光工作物质。诸如氖、氩、CO2、红宝石及钕玻璃等。必须具备有亚稳态能级性质的物质。
2.激励装置 能使激活介质发生粒子数反转分布的能源，既称为激励装置。如各种激光器所具备的电源。
3.光学谐振腔 能使光子在其中重复振荡并多次被放大的一种由硬质玻璃制成的谐振腔。产生激光的过程可归纳为：激励→激活介质(即工作物质)粒子数反转；被激励后的工作物质中偶然发出的自发辐射→其它粒子的受激辐射→光子放大→光子振荡及光子放大→激光产生。
基于以上所述，在激光产生的原则中缺一因素不可。从原理了解激光形成的过程，对具体使用好激光手术刀很重要。并可能在工作中能得心应手地掌握激光。能尽量大限度地维护激光器，及防止在使用激光治疗各类疾病时所产生的伤害。由于激光波长与不同种类的激光器中的工作物质密切相关，在后将作详述。
五、激光器的分类
临床上应用的激光器种类很多，如以组成激光器的工作物质来说可分为气体激光器、液体激光器、固定激光器、半导体激光器、化学激光器等。在同一类型的激光器中又包括有许多不同材料的激光器。如固体激光器中有红宝石激光器、钇铝石榴石(Nd∶YAG)激光器。气体型的激光器主要有He-Ne(氦-氖)、CO2及氩离子激光器等。由于工作物质不同，产生不同波长的光波不同，因而在临床上的病例应用也不相同。最常用而范围广的有CO2 laser及Nd∶YAG激光。有的激光器可连续工作，如He-Ne laser；有的以脉冲形式发光工作。如红宝石激光。而另一些激光器既可连续工作，又可以脉冲工作的有CO2 laser及Nd∶YAG laser。在我国不论大小医疗单位，以应用最广、使用率最高是主要是CO2激光和Nd∶YAG laser，He-Ne laser。前二者主要用于破坏性治疗，俗称汽化、炭及止凝，切割；后者主要用于做软组织病变(炎性改变)照射或穴位、及经CO2、Nd∶YAG激光手术后的照射补充治疗。CO2 laser及Nd∶YAG laser由于功率大，常称大功率激光器，即光刀；He-Ne功率小，称弱激光或光针。在本章中仅对激光器的种类结构作一介绍，目的是能使人们全面了解及应用性参考。
(一)固体激光器
实现激光的核心主要是激光器中可以实现粒子数反转的激光工作物质(即含有亚稳态能级的工作物质)。如工作物质为晶体状的或者玻璃的激光器，分别称为晶体激光器和玻璃激光器，通常把这两类激光器统称为固体激光器。
在激光器中以固体激光器发展最早，这种激光器体积小，输出功率大，应用方便。由于工作物质很复杂，造价高。当今用于固体激光器的物质主要有三种：掺钕铝石榴石(Nd∶YAG)工作物质，输出的波长为1.06μm呈白蓝色光；钕玻璃工作物质，输出波长1.06μm呈紫蓝色光；红宝石工作物质，输出波长为694.3nm，为红色光。主要用光泵的作用，产生光放大，发出激光，即光激励工作物质。
固定激光器的结构由三个主要部分组成：工作物质，光学谐振腔、激励源。聚光腔是使光源发出的光都会聚于工作物质上。工作物质吸收足够大的光能，激发大量的粒子，促成粒子数反转。当增益大于谐振腔内的损耗时产生腔内振荡并由部分反射镜一端输出一束激光。工作物质有2条主要作用：一是产生光；二是作为介质传播光束。因此，不管哪一种激光器，对其发光性质及光学性质都有一定要求。
(二)气体激光器
工作物质主要以气体状态进行发射的激光器在常温常压下是气体，有的物质在通常条件下是液体(如非金属粒子的有水、汞)，及固体(如金属离子结构的铜，镉等粒子)，经过加热使其变为蒸气，利用这类蒸气作为工作物质的激光器，统归气体激光器之中。气体激光器中除了发出激光的工作气体外，为了延长器件的工作寿命及提高输出功率，还加入一定量的辅助气体与发光的工作气体相混合。
气体激光器大多应用电激励发光，即用直流，交流及高频电源进行气体放电，两端放电管的电压增压时可加速电子，带有一定能量，在工作物质中运动的电子与粒子(气体的原子或分子)碰撞时将自身的能量转移给对方，使分子或原子被激发到某一高能级上而形成粒子数反转，产生激光。气体激光器与固体激光器相比较，两者中以气体激光器的结构相对简单得多，造价较低，操作简便，但是输出功率常较小。因气体激光器中的工作物质不同。因此分中性(惰性)原子、离子气体、分子气体三种激光器。
中性原子气体激光器 这类激光器中主要充有以惰性气体(氦、氖、氩、氪等)的物质。
氦-氖(He-Ne)激光器 首台氦-氖激光器诞生于1960年，它可以在可见光区及红外区中产生多种波长和激光谱线，主要产生的有632.8nm红光、和1.15μm及3.39μm红外光。632.8nm氦-氖激光器最大连续输出功率可达到一W，寿命也达到一万小时以上。借助调节放大电流大小，使功率稳定性达到30秒内的误差为0.005%，十分钟内的误差为0.015%的功率稳定度；发散角仅为0.5毫弧度。氦氖激光器除了具有一般的气体激光器所固有的方向性好，单色性好，相干性强诸优点外，还具有结构简单、寿命长、价廉、频率稳定等特点。氦氖激光在医疗卫生方面有很广泛的用途。
氦氖激光器的工作原理：氦氖激光器的激光放电管内的气体在涌有一定高的电压及电流(在电场作用下气体放电)，放电管中的电子就会由负极以高速向正极运动。在运动中与工作物质内的氦原子进行碰撞，电子的能量传给原子，促使原子的能量提高，基态原子跃迁到高能级的激发态。这时如有基态氖原子与两能级上的氦原子相碰，氦原子的能量传递给氖原子，并从基态跃迁到激发的能级状态，而氦原子回到了基态上。因为放电管上所加的电压，电流连续不断供给，原子不断地发生碰撞。这就产生了激光必须具备的基本条件。在发生受激辐射时，分别发出波长3.39μm，632.8nm，1.53μm三种激光，而这三种激光中除632.8nm为可见光中的红外光外，另二种是红外区的辐射光。因反射镜的反射率不同，只输出一种较长的光波632.8nm的激光。
He-Ne激光器结构：此类激光器的结构大体可分为三部分，既放电管、谐振腔和激发的电源。现在临床上最常应用的为内腔式。
He-Ne激光的放电管，最外层是用硬质玻璃制成。放电的内管直径约2～3mm，管长几厘米到十几厘米，放电管越长功率越大，相应的放电电压就高。管内主要按5∶1～10∶1的比例充入氦氖混合气体达到总气压约2.66～3.99Pa。管的一端装有铝圆筒作阴极(其圆管状结构主要是为了减少放电测射)，另一端装有钨针作阳极，放电管两端装有反射镜(即一头为全反射镜，出光一端为半反射镜)。这就构成了激光放电管。
在氦氖激光器中，采用的谐振腔有球面腔或平凹腔。一般腔镜内侧镀有高反射率的介质。在其中一端反射率为100%，另一端反射率由激光器的增益而定。放电毛细管长度约15～20cm，He-Ne激光器的半反射镜的半反射镜的反射率98.5%～99.5%。谐振腔的轴线和放电毛细管轴偏离不超过0.1mm。
He-Ne激光器的外界激励能源与固体激光器不相同，不能使用光泵激励，而采用电激励的方法。把工作物质封入放电管中，供以直流、交流及射频等方式激励气体放电。通过放电过程把能量传给工作物质，促使气体中的离子、原子被激发。医疗中使用的激励方法主要是以直流电激发出光。大体结构主要有高压变压器、整流与滤波回路、限流与稳流回路组成。
(三)分子气体激光器
分子气体激光器与原子气体激光器不一样，分子气体由碳和氧组成(最常用)，其原则上是能够实现高效率与高功率输出。分子气体激光器通过分子能级间的跃迁产生激发振荡的一和种激光器，分子能级跃迁形式与原子能级跃迁相同。只不过是工作物质为分子与原子的差别。分子气体激光器中主要使用的为CO2激光器，下面将详述。
CO2激光器 CO2激光器效率高，不造成工作介质损害，发射出10.6μm波长的不可见激光，是一种比较理想的激光器。按气体的工作形式可分封闭式及循环式，按激励方式分电激励，化学激励，热激励，光激励与核激励等。在医疗中使用的CO2激光器几乎百分之百是电激励。
CO2激光器的工作原理：与其它分子激光器一样，CO2激光器工作原理其受激发射过程也较复杂。分子有三种不同的运动，即分子里电子的运动，其运动决定了分子的电子能态；二是分子里的原子振动，即分子里原子围绕其平衡位置不停地作周期性振动——并决定于分子的振动能态；三是分子转动，即分子为一整体在空间连续地旋转，分子的这种运动决定了分子的转动能态。分子运动极其复杂，因而能级也很复杂。
CO2分子为线性对称分子，两个氧原子分别在碳原子的两侧，所表示的是原子的平衡位置。分子里的各原子始终运动着，要绕其平衡位置不停地振动。根据分子振动理论，CO, 百拇医药