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激光基本知识及激光美容发展史

泰然健康网
2024-12-12 16:22

激光基本知识及激光美容发展史

— —激光美容系列讲座一、孙林潮，

孙林潮毕业于第四军医大学，现为第四军医大学西京医院皮肤科激光美容中心副主任，医学博士。

1 激光的基本概念激光的英文 LA SE R 是受激辐射光放大 (“ t A m plif ication byStim ulated Em ission of R adiation)英文单词的第一个字母的缩写，1964 年根据钱学森教授的建议，始正名为 “激光 ”。港、澳、

台则悔 LA SE R 音译为“雷射”。激光也是由光子组成的，因此激光与普通光就其光子本质的微观上而言，两者无差别，但是，从宏观上而言，激光的光子与普通光的光子所组成的光束则完全不同，激光具有在时间、空间和单位频宽内高度集中的光能量，使得普通光所不显示的生物效应在应用激光后变得明显起来，普通光所无能为力的特异诊治，激光则可大显身手。

2 激光的发射原理激光与普通光两者发光机制迥然不同。

2．1 普通光的发光机理：在一·个物质体系中，其内部总有大量的粒子(原子、分子、或离子)相互碰撞并交换能量，有些粒子由低向高能级跃迁，而有些则由高向低能级返同。根据能量最小原理，高能级的粒子会迅速跃迁剑低能级上，同时以光子的形式释放能量，这一过程完全是白发的，因而称为“自发辐射”。自发辐射所产生的光子杂乱无章，没有一定的规律，光子的频率、相位和方向都不一致，并且受激粒子的总数很有限，冈此只能发出低亮度的光，这正是普通光源的发光机理。

2．2 激光的发光机理：爱因斯坦在 19 17 年就指出，除自发辐射外，光与物质粒子的作用还存在“受激收”和“受激辐射”过程所谓受激吸收，是指处于低能级的粒子当吸收一定频率的外来光能后会跃迁到高能级上。与受激吸收相对应的过程称受激辐射，即处于高能级的粒子，在一定频率的外来光子逼近它时就可能受此光子的作用，跃迁到低能级上，同时发射一个与外来光子相同的光予。受激辐射的特点本身不是自发跃迂，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、相位等完全一样，无法区别出哪一个是原来的光子，哪一个是受激发后产生的光子。激光的发光机理正是受激辐射发光。

3 产生激光的条件和过程

3．1 粒子数反转：对于一个粒子系统而言，当自发辐射一经产生，受激吸收和受激辐射总是不可分割地同时存在。从玻耳兹曼分布规律可知，在热平衡状态下，处于低能级的粒子数日总是多于高能级的粒子数目，因此在总体上受激吸收比受激辐射占优势，所以当外来光子照射粒子系统时，看到的都是光的吸收现象。很显然为得到激光，必须使受激辐射压倒受激吸收，即必须使高能级的粒子数多于低能级的粒子数，实现粒子数反转 (反分布)。

3．2 激光工作物质：能在两个能级之间产生粒子数反转的物顷，称为激光作物质．并非各种物质都能产生粒子数反转，这是因为处于高能级的粒子很不稳定，总会自发的或在外加的刺激下迅速回到低能级上，即粒子在高能级上时鄙具有一定的“寿命”。很显然寿命较短的粒子足不能实现粒子数反转的 (就好比水库的大坝漏水，难以形成高水位)；寿命较长的粒子数能级叫做亚稳态能级，激光的T 作物质必须是具备有亚稳态能级性质的物质(尤其是 Q 开关的激光对粒子的寿命要求更高)。

3．3 外界激励源：使激光工作物质达到粒子数反转的外界能源称为激励源，也称为泵浦源。激励方式以电抽运和光抽运最为常见。电抽运常见于气体激光器，光抽运几乎用于所有的固体和液体激光器，此外还有化学抽运、核抽运、热抽运等。

3．4 光学谐振腔：实现了粒子数反转分布的工作物质，可以做成光放大器，但还不是一台激光器。为了产生激光通常使用光学谐振腔，即在工作物质两端加上一对互相平行的且垂直于工作物质轴线的反射镜 (平面、凹球面或一平一凹)，反射镜之间就构成光学谐振腔(光腔)．其中后反射镜为全反射镜，前反射镜为部分反射镜。(见图 1) QQ截图20170604113212.png

被激励后工作物质先会产生自发辐射，其产生光子的方向是任意的，凡是偏离谐振腔轴线的光子，就会从侧面逸出腔外，而沿轴线方向的光子，将在腔内两反射面间振荡，在其前进过程中就会与腔内其他受激粒子作用，从而形成受激辐射。当它能克服传播过程的损失时，受激辐射光子密度将雪崩式地猛增，最终由部分反射面输出一束单色性好 (频率、波长单一)、方向性好(谐振腔轴线方向)和亮度高的光——激光。由上可知，一般激光器是由具有亚稳态能级的工作物质、激励能源和光学谐振腔三部分组成。这三种因素缺一不可。在谐振腔中产生激光的过程可归纳为：激励一工作物质实现粒子数反转一偶尔发生的自发辐射一其他粒子的受激辐射一光子放大一光子振荡及光子放大一激光产生。

4 激光的特性

激光的发射原理及产生过程的特殊性决定了激光具有普通光所不具有的特点：即三好 (单色性好、相干性好、方向性好)一高(亮度高)。

4．1 单色性好：普通光源发射的光子，在频率上是各不相同的，所以包含有各种颜色。而激光发射的各个光子频率相同，因此激光是最好的单色光源。由于光的生物效应强烈地依赖于光的波长，使得激光的单色性在临床选择性治疗上获得重要应用。此外，激光的单色特性在光谱技术及光学测量中也得到广泛应用，已成为基础医学研究与临床诊断的重要手段

4．2 相干性好：由于受激辐射的光子在相化是一致的，冉加之谐振腔的选模作用，使激光束横截面上各点问有固定的相位关系，所以激光的卒IN CH干惟很好 (由自发辐射产牛的普通光足非相_ T 光)。激光为我们提供了最好的相干光源。正是由于激光器的问世，才促使相干技术获得飞跃发展，全息技术才得以实现。

4．3 方向性好：激光束的发散角很小，几乎是一平行的光线，激光照射到月球上形成的光斑直径仅有 1公里左右。而普通光源发的光射向四面八方，为了将普通光滑某个方向集中起来常使用聚光装置，但即便是最好的探照灯，如将其光投射到月球J：，光斑直径将扩大到 1 000 公里以上。激光束的方向性好这一特性在医学 E 的应用主要是激光能量能在空问高度集中，从而可将激光束制成激光手术刀。另外，由几何光学可知，平行性越好的光束经聚焦得到的焦斑尺寸越小，再加之激光单色性好，经聚后无色散像差，使光斑尺寸进一步缩小，可达微米级以卜，甚至可用作切割细胞或分子的精细的“手术刀”。

4．4 亮度高：激光的亮度町比普通光源高出 10 一l0 倍，是目前最亮的光源，强激_ )匕甚至可产生 J 亿度的高温。激光的高能量是保证激光临床治疗有效的最可贵的基本特性之。利用激光的高能量还可使激光应片j于激光加_[工业及困防事业等。

5 激光美容发展史

早在 1917 年爱因斯坦就预言受激辐射的存住和光放大的可能，继建市 _『激光的基本理论。 1954 年 GoM on JP 和Townes C H 根据爱因斯坦的理论制成 r 受激辐射光放大器，196(1年梅曼 (M aim an TH ) 制成了世界上第一台激光器——红宝石激光，从此，一种完全新颖的光源诞牛了。激光第一个被应用的领域是医学，并得到 r 【]新月异的发展，激光医学的发展大致经历了四个阶段。

5．1 20 世纪 60 年代为基础研究阶段：激光医学的基本理论研究大部分在 60 年代就完成了．．自第一台激光器问世后，被称为“激光医学奠基人”的G oldm an I|(著名皮肤病学专家)等就开始在皮肤上研究了激光与生物组织的相互作用；l961 年有人将红宝石激光试用于对剥离的视网膜进行焊接；l963年，G oldm an l 开始将红宝石激光应用于良性皮肤损害千¨文身治疗并取得成功，开创了激光医学应用的l 先河。60 年代中后期还相继研制出氩离子 (A r )激光、低功率 CO 激光和钕玻璃激光，但临床应用不多。我国在激光器研究的初期走在了世界前列，l96 1 年长春光机所研制 J，我阂的首台红宝石激光器，1965 年J匕京同仁医院开始了红宝石激光视网膜凝同的动物实验。1968 年上海研制出 Nd：-／A( l掺钕钇铝石榴石)激光。

5．2 20 世纪 70 年代为临床试用阶段：l970 年 (；0ldm an L等人首次用连续 C O 激光治疗基底细胞癌和皮肤血管瘤，由于连续地提供有效的激光功率和能量密度，克服了早期脉冲激光功率低、效率低的缺点，从而掀起了国内外首次激光医疗热潮，连续 CO 激光被广泛地用于外科、皮肤科五官科、妇科、理疗料、针灸科和肿瘤科等，并取得了较满意的效果。70 年代应用于皮肤美容的连续激光还有 Ar 、cu 蒸气和 Nd ：Y A G 等激光。这些连续激光对组织的热损伤属非选择性的，治疗后常伴随皮肤瘢痕色素减退等副作用，尚达不到良好的美容效果。

5．3 20 世纪 80 年代为学科形成阶段：1983 年，AndersonRR 和 Parrish JA 提出了选择性光热作用理论——即“光热分离”理论，其含意为根据不同组织的生物学特性，选择合适的波长、能量、脉冲持续时间，以保证对病变组织进行有效治疗之同时，尽量避免对周围的正常组织造成损伤。该理论实现了激光的有效性和安全性的完美统一，是激光医学特别是激光美容医学发展史上的里程碑。根据选择性光热作用设计的脉冲激光机在 80 年代有很大进步。相继出现了铒激光、准分子激光、以及不断完善的 CO 激光和脉冲染料激光，激光新技术已经比较成熟地用于研究、诊治疾病和美容治疗，并且已经形成了一支庞大的专业化队伍，这是激光医学学科形成的重要标志之一。

5．4 20 世纪 9O 年代为发展成熟阶段：90 年代起，随着科学的进步和激光技术的发展，医用激光器与电子计算机、纤维内镜、图像分析、摄像录像、荧光光谱、X 线和超声等新技术不断结合，使医用激光器朝着高性能、智能化、微型化及专科化：向发展。新型美容激光机如雨后春笋般涌现，并取得了非告显著的成就：90 年代初期应用 Q 开关激光治疗色素性疾病如太田痣、文身等已取得了近乎完美的治疗效果；90 年代中、后期可变脉宽倍频激光治疗血管性疚病也取得了较好的疗效；与此时长脉冲红宝石激光、翠绿宝石激光、N d：Y A G 激光以及半导体激光的相继出现也使激光脱毛技术 13益：芟展成熟；此外，高能超脉冲 CO 激光和铒激光的问世使激：磨削除皱风靡西方世界 (由于色素沉着问题，该技术在黄色人种中未能大量展开 )，近来还出现了一些无损激光除皱系统，如 CoolToueh 、Sm oothBeam 及 N llte 等，应用这些仪器术后反应轻微，临床上也可取得了一定的疗效。20 世纪 90 年代初期，激光美容术在我国一些大城市逐步开展起来，至 90 年代中、后期美国、以色列、英国、德国及日本等国先进成套的激光美容仪迅速涌进国内，并趋向普及，一些国产的激光美容仪在国内也得到了越米越多的应用。激光美容在整个激光治疗中独占鳌头，且其前景不断看好。现代激光美容已成为当代医学美容中最具有魅力和远大前途的部分。