第八章 医用激光器的管理与安全防护

激光在医学上的应用已得到拓展，而且应用的领域不断扩大，在应用过程中如不注意对激光的安全防护，则可能造成意外伤害，在临床应用中发生的意外事故已有报道。在充分发挥和使用好激光的同时，必须进行安全防护。

激光波长与眼睛伤害：在激光的伤害中，以机体中眼睛的伤害最为严重。波长在可见光和近红外光的激光，眼屈光介质的吸收率较低，透射率高，而屈光介质的聚焦能力（即聚光力）强。强度高的可见或近红外光进入眼睛时可以透过人眼屈光介质，聚积光于视网膜上。此时视网膜上的激光能量密度及功率密度提高到几千甚至几万倍，大量的光能在瞬间聚中于视网膜上，致视网膜的感光细胞层温度迅速升高，以至使感光细胞凝固变性坏死而失去感光的作用。激光聚于感光细胞时产生过热而引起的蛋白质凝固变性是不能可逆的损伤。一旦损伤以后就会造成眼睛的永久失明。
激光的波长不同对眼球作用的程度不同，其后果也不同。远红外激光对眼睛的损害主要以角膜为主，这是因为这类波长的激光几乎全部被角膜吸收，所以角膜损伤最重，主要引起角膜炎和结膜炎，患者感到眼睛痛，异物样刺激、怕光、流眼泪、眼球充血，视力下降等。发生远红外光损伤时应遮住保护伤眼，防止感染发生，对症处理。
紫外激光对眼的损伤主要是角膜和晶状体，此波段的紫外激光几乎全部被眼的晶状体吸收，而中远以角膜吸收为主，因而可致晶状体及角膜混浊。

激光损害眼睛的程度除了与不同波长的激光有关外（CO2激光10.6μm；Nd：YAg laser1.06μm，He-Ne laser 632.8nm），还与激光进入眼睛总的光能量、能量密度及功率密度相关联。
激光的种类中，当可见或近红外激光功率密度很低时不引起眼睛的急性损害。主要原因是由于激光的功率密度低，视网膜组织虽接受了激光光子能量逐渐变热，但热量一方面通过分子振动把热量传给周围组织，再传到眼睛外面；而另一方面可以将热量传给密布于网膜底层脉络膜里的微血管，随着微血管中血液循环再散发到眼外去。因此，视网膜至整眼的温度无明显升高，或略有微温变化，仍是在对眼睛完全无害的范围内。
视网膜的损伤取决于功率、时间，如当可见或近红外连续激光的功率密度不断增加，致视网膜上的热量聚累速度大于散热速度时，或功率密度不是很高，但视网膜吸收时间太长，视网膜接受光子流部位的温度必升高，即照射时间越长，温度升高越大，温度升高越大，超过正常眼温10℃以上，就要引起视网膜损害。
1．瞳孔大小及损害程度　瞳孔的大小对受伤程度有一定比例关系。缩小的瞳孔可以减少进入眼底的激光量。瞳孔越大进入眼内的激光量越大，眼底损伤程度越重，越更不可逆转。因此，瞳孔缩小对保护眼底视网膜，防止激光束损伤有一定的意义。
2．瞳孔的变化与环境不同　在光线较暗的室内，瞳孔散开就大，在这样的环境中调试，使用激光器者，必须慎重保护眼睛。因此时眼睛的瞳孔外于最大状态，进光量虽少，也最容易伤害眼睛视网膜。缩小的瞳孔，除能减少进光量而外，瞳孔外的激光量可被虹膜吸收、而将热量由虹膜的微血管扩散转移。一般人的眼睛，在适应暗的环境时，瞳孔直径为7～8mm，在可见的强光下可以缩小到只有1.5mm，通常在白天瞳孔直径约2～3mm。因而，最大瞳孔与最小瞳孔之间的透光面积相差20倍以上。

由于眼球的特殊解剖及特殊生理关系，激光对视网膜的损伤与入射眼睛角度有紧密关系。原因是眼球自身为一聚光透镜系统，射入的激光光束与视轴线平行进入眼内时，于眼底黄斑区中央凹处聚焦成很小的光斑，其能量密度比角膜处高3～4倍。而黄斑区中央凹是眼睛视觉功能最灵敏及最重要的区域，一旦受损视觉功能将发生不同程度的改变。严重者将终身失明。因为视觉受激光光子的损伤后，致感光细胞凝固变性坏死，造成不可逆性损伤。
白天，人眼的色视觉完全靠黄斑部的感光作用获得，黄斑部的面积虽只占视网膜总面积的很少一部分，中央凹直径只有0.5mm左右。但反映的视野（眼睛凝视前方所能看清的总面积）却占很大比例。生理结构上黄斑部中央凹有2～3万个长而细的锥体感光细胞组成，感光细胞分布密度很高，主要担负视觉功能。在受到损伤后对白昼色视觉功能就丧失。再者，视网膜黄斑的中央凹处无血管及神经分布，因此这部位的热量扩散功能很差，一旦损伤后，再修复的希望很渺盲。中央凹是视网膜最薄弱的地方，在受到激光作用后比视网膜中其他部位更容易遭到破坏，因此激光直射眼睛非常危险。
当激光稍偏离视轴角度入射眼睛时，聚焦光斑不会落于黄斑区，而落在其外围的视网膜上。因此入射角度不同，其损伤就不一样，即使和直射时所进入眼睛的能量完全相同，但所引起的伤害就轻得多。其原因是黄斑以外的部位上感光细胞比黄斑区分布密度要少的多，而且黄斑以外的视网膜较厚，单位面积上接受到相同的能量，其温度升高的程度要小得多。此外，黄斑区以外的视网膜里密布着微血管，血液循环中可带走部分热量，就使温度升高的可能性减少。温度升高，损伤越重；反之，温度升高的程度越小，损伤的可能性越轻。激光对视网膜的急损伤主要的作用是热效应引起。
激光入射角不与视轴同步，偏离角度越大，视网膜的损伤越轻，虹膜可挡住偏离的激光而不会进入眼底。由于黄斑部位中央凹在视觉功能中起的作用极重要，而且这部位又最容易受损伤，所以直视激光束的危险程度要比偏离视轴一个角度射入眼睛射入眼睛的危险程度大很多，必须绝对避免。

眼底色素含量多少及受到激光伤害程度有特定关系。色素组织极容易吸收激光能量，故色素含量多少直接影响到激光对视网膜的损伤适度。文献报道机体肤色深浅与眼底色素呈正相关联系，皮肤黑色重者，其眼底所含的色素数量也多；皮肤色白者，眼底含色素数量相对较少。故而色素含量越多，对激光的吸收程度也强，遭受损伤的程度越大。眼睛组织吸收了超过其本身的致伤阈值的能量以后就将受到伤害。超出越多，受到的伤害就越重。

人体皮肤由于生理结构有很敏感的触、疼、温等功能，构成一个完整的保护层。而且皮肤由多组织层次组成，在每一层中都有不同的细胞。激光照到皮肤时，如其能量（功率）过大时可引起皮肤的损伤，当然损伤灶可以由组织修复，虽然功能有所下降，但不影响整体功能结构，与对眼睛的损伤要轻得多。但也须引起高度重视。激光损害皮肤的阈值也很高，各种激光器的输出能量相差很大，目前使用大功率激光器的范围很广泛。激光对皮肤的损伤程度与激光的照射剂量，激光的波长，肤色深浅，组织水分以及皮肤的角质层厚薄诸因素有关，以前三个因素为主要。
激光剂量及皮肤损害程度：经大量实践，照射皮肤时使用的激光功率密度（或能量密度）越大，则皮肤受到的损伤越大，二者呈正相关比例。皮肤吸收超过安全阈值的激光能量后，受照部位的皮肤将随剂量的增大而依次出现热致红斑、水泡、凝固及热致炭化、沸腾，燃烧及热致汽化。因此激光损伤皮肤的机理主要是由激光的热作用所致。皮肤吸收激光能量以后，局部的皮肤温度在短时内升高，温度升高的程度不同，造成的损害也不同。尤其是红外激光突出，如CO2激光（汽体激光），皮肤对此类10.6μm波长红外激光吸收率很高，透过率很低，皮肤对CO2激光产生强烈吸收，使皮肤的局部温度快速升高，极容易造成损害。
激光损害皮肤的严重程度是由皮肤对激光吸收率决定的，皮肤对激光的吸收率由激光的波长所决定。皮肤对某波长激光的吸收率越高，受到的损伤也越严重。如皮肤对紫外激光和红外激光的吸收率很高时，这两类激光就是损伤皮肤的主要波段激光。红外激光对皮肤主要作用是热烧伤，此类激光照射皮肤，功率比较小时而致毛细血管扩张，皮肤发红发热。随着激光功率密度增大，热损伤程度也随着增大。相反的是，紫外激光对皮肤的作用主要是光作用。在紫外激光照射皮肤时可以引起皮肤红斑、老化，过量时严重的致癌变。对皮肤危害性最大的紫外光波在270～290nm，波长比270～290nm大的或小的其危害程度都相对地减少。

皮肤的颜色越深，意味着皮肤里细胞含有的黑色素颗粒越多，色素颗粒可以将各种不同波长的激光能量转变成热能，在吸收激光能量后，局部形成一个热源，并很快向四周扩散热能，从而引起细胞及组织破坏和死亡。皮肤内含的黑色素颗粒越多，形成的热源也将越多，光能转变成热能效率越高，造成蛋白质凝固变性率越大，细胞死亡率越大。肤色越浅的人，受到的损伤越轻。

激光器按波长分各种类型，由于不同波长的激光对人体组织器官伤害不同。因而在各类型的激光器中按其功率输出大小及对人体伤害分以下四级。
第一级激光器：即无害免控激光器。这一级激光器发射的激光，在使用过程中对人体无任何危险，即使用眼睛直视也不会损害眼睛。对这类激光器不需任何控制。
第二级激光器：即低功率激光器。输出激光功率虽低，用眼睛偶尔看一下不至造成眼损伤，但不可长时间直视激光束。否则，眼底细胞受光子作用而损害视网膜。但这类激光对人体皮肤无热损伤。
第三级激光器：即中功率激光器。这种激光器的输出功率如聚焦时，直视光束会造成眼损伤，但将光改变成非聚焦，漫反射的激光一般无危险，这类激光对皮肤尚无热损伤。
第四级激光器：即大功率激光器，此类激光不但其直射光束及镜式反射光束对眼和皮肤损伤，而且损伤相当严重，并且其漫反射光也可能给人眼造成损伤。
根据上述激光器的分级来看，对人眼睛及皮肤损害最大的是第四级激光器。前述了激光对人体的危害，尤其是对眼睛的损伤，其损伤程度可以使眼睛视力降低，甚至完全失明。但这种损伤并非所有量级激光能引起，而是有一最低限度——即致伤阈值，只有当激光能量密度或功率密度超过此阈值时才能对眼睛造成伤害。激光器的级别分类给我们提供了一个安全的参考值。

使用不同级别激光器的管理措施
1．使用第一级激光器的管理由于第一级激光器是无害免控激光器，因此不需任何控制措施。激光器不必使用警告标记，但须避免不必要长久地直视第一级激光束。
2．第二级激光器的使用安全措施　　第二级激光器为低水平激光器，如偶尔照射到人眼还不至于引起伤害，可连续观察激光束时能损伤眼睛。因此，不能长时间地直视激光束，此是对第二级激光器的最重要控制措施。此外，还应该在安放第二级激光器的房门上及激光的外壳及其操作面板上张贴警告标记。
3．第三级激光器的使用安全措施　　由于第三级激光器是中等功率激光器，可能对眼有损伤，必须对这一级激光器定出措施，确保安全：
（1）对操作激光器的工作人员进行教育和培训，使他（她）们明白操作此级激光器时可能出现的潜在危险，并对他（她）们进行恰当的激光安全训练，以及出现危险时紧急处理方法。由于激光对眼睛的损伤均为不可逆性，培训教育了解和掌握激光器的安全运用实属必要。
（2）工程技术管理　　管理使用激光器必须由专业（职）人员来进行，未经培训教育人员不得擅自开启使用激光机。如激光器上的触发系统上装设联锁钥匙开关，确保只有用钥匙打开联锁开关以后才能触发启动，拔出钥匙就不能启动。对于安放激光器的房间要有明亮的光线，人在明亮光线的环境中，眼睛的瞳孔缩小，以防在激光光束射入眼睛时可减少透射到视网膜上的进光量。对于安放激光器的高度，激光束路径应避开正常人站立或坐着时的眼睛的水平位置，视轴不能与出光口平行对视。
（3）激光器应严格控制　　在存放使用的激光器房间内不要无故地把激光束对准人体，尤其是眼睛。因为激光对眼睛的损伤要恢复极其困难，均为永久性损害，而且每一个人的一生中只有一双眼睛，大家务必时刻牢记，在开动激光器之前，必须告诫现场中人员可能出现的危害，并戴上安全防护眼镜。在有强激光器的工作区内外明显的位置上及激光手术室、实验室的房门上张贴出危险标记。
（4）激光受控区　　第三级激光器必须只能在一定的区域内使用激光设备。按一般要求设立门卫及安全的弹簧锁、联锁等，以确保外人与未受保护人员不得进入受控区，即使意外门被打开时，激光器的激励也能立即停止。房间不应透光，以阻止有害激光束泄漏出去。同时设立紧急开关，使得处于危险情况下时能将激光器停止发射。
（5）激光器的使用人员必须了解激光器的结构、安全防护，在经过考核后可以发给第三级激光器使用执照，领有执照的工作人员才有资格操作激光器。
对于非工作人员必须严格禁止与工作无关的人员进入激光控制区。参观人员须得到监督人员的许可，并使其了解此类激光器的潜在危险性，再采取必要的防护措施后才能进入。非工作人员更不能随意在未允许后进入激光控制区开启设备。
（6）调试激光器　　调试激光器的光学系统时采取严格的防护措施，保证人的眼睛不受到原激光束及镜式反射束的照射。即视轴不与原光束及镜反光束同轴。
（7）用光学仪器观察激光束，使用的如为双筒镜、显微镜、望远镜之类观察激光束，激光对眼睛损伤的可能性增加较大。系非用此类光学仪器时必须经过严格地安全计算，添加滤光器和适当的联锁类防护设备，以保证人眼所受到的照射量低于激光的安全标准值。
（8）眼睛的保护　　在采取以上措施以后，人眼还可能受到超安全标准值的激光照射时，必须根据此类激光器的波长，选用光密度合适的保护眼镜加强保护眼睛。
（9）在激光手术室的门上及激光器外壳和操作面板的显眼位置张贴警告标记，根据激光器的具体危害程度的大小采用“危险”或者“注意”的标记，以醒目为好。
4．第四级激光器　　由于第四级激光器功率输出最高，而且光波非肉眼所感受到，是最危险的激光器，对人体的损害机会及严重程度最大。不仅激光的原光束和镜式反射光束可以伤害人体，而且漫反射光束也能伤害人体。因此必须对第四级激光器采取更为严格的控制措施，须增加一些特殊管理才行。
激光室内要尽可能地把全光路完全封闭起来，即尽可能把原光束，镜式反射光束和漫反射光束都封闭起来。外罩应装联锁开关，确保人员安全健康。对于第四级激光器只允许具有正确操作人员而且持有执照，并有钥匙专管的工作人员才能启动激光器。必须有“危险”警告标记。
由于红外激光和紫外激光都是不可见的激光，对于这2类激光器的控制措施，除前节所述的一些控制措施外，必须严格操作管理程序。在激光手术室内，一旦启动激光器，随时都有触发输出激光的可能性。这就取决于手术人员的责任心，往往是很多意外的事故都是由于不严格控制，不按程序操作引起。手术前，除只对接受激光手术治疗的患者进入外，其于非受术者及非工作人员不得进入激光室内。由于激光手术的大小难度不同，所需激光功率不一样。较大手术需要的激光功率高，而且参加手术人员相对较多，这给室内控制带来一定的复杂性，必须由具有经验、或主刀手术全权支配或指挥整个手术中的激光应用才能确保安全。

手术使用的激光种类，主要有二氧化碳（CO2）汽体激光（波长10.6红外激光）及掺钕钇铝石榴石激光（Nd：YAG），波长1.06（红外激光），两种激光用于切割、凝固，后者可用于各种内窥镜下的治疗。
激光已广泛应用于医学，在临床上的应用越来越广，可用于多种肿瘤的切割。由于激光的性质特殊，使用功率高，对人体有一定的危害性，因此必须强调激光手术器械使用的安全措施。

激光手术刀最常见的危害是眼和皮肤损伤。电击、有害物质产生、燃烧、爆炸、X线产生及噪音等，为了防止这些事故发生，手术时必须采用安全措施，建立安全系统。
安全系统：在安全系统中，闭合反馈圈的采用似有效，即事故情报收集、分析、体系化、制定措施和实施。安全系统包括：事故情报收集、性质分析、体系化、措施研究、措施实施。安全系统规范的可分为技术、管理和人的因素。

在激光使用注意事项中分一般注意事项，和特殊注意事项两种。
1．管理方法
（1）医疗部门保管激光手术设备，选定管理人员正、副各1人。
（2）管理人员对激光管理区和激光保管、管理负有责任。
（3）管理人员指定激光使用人员，并对其进行基本和技术发展方面的教育。
（4）激光刀使用者必须听从管理人员意见。
（5）管理人员制定使用人员花名册，并妥善保存。
（6）使用人员必须是经过严格培训，并对激光全面了解、掌握激光刀的使用、安全管理法和危险防止法。
2．管理区
（1）管理区由经营者选择设计，而且应标明“管理区标志”。
（2）管理区于显眼处悬挂警告标志，使用激光名称和管理、注意事项等。
（3）进小管理区人员须经得管理者许可，并认真听取管理者讲述管理区注意事项和保护措施后方可进入。
（4）进入管理区人员前后应该进行视力检查，视力减弱者须加注意。
管理区设备及物品的设置：①管理者根据装置说明安装和设置。②激光装置和安全管理需要的设备和物品，由管理者负责。③管理者按照使用说明书进行保养。定期检查，并把结果记录在案。
使用说明书记载事项：①激光基本工作原理。②激光对人体的作用。③皮肤和眼睛的防护措施。④患者安全措施。⑤使用人员和其他人员的安全措施。⑥防止手术器械、机器等反射措施。
其它必要的安全措施：①对高压电应注意触电时处理（复苏法）。②装置用前准备及使用方法。③装置停止步骤。④工作性能不良时发生故障，装置使用限度规定。⑤保养、检查范围规定。
3．激光外科和安全管理　 激光除对眼睛和皮肤的损害作用外，还会引起其它并发症，如反射性烧伤，错误照射等。激光手术时的注意事项应作为手术室的外科医生、护士和其他有关人员教育的重要课目（注意事项已前述）。手术室激光安全管理项目包括：
（1）手术室安全管理组织。
（2）医生和护士教育。
（3）激光管理区的设置。
（4）激光使用中的标志。
（5）确保患者、术者、护士和见习人员的安全。

1．
2．
3．操纵器和机头熟练操作。
4．不用易燃性物质（尼龙盖物、麻醉气体）。
5．使用防止反射的器械（黑色镀金(铬)器械）。

激光刀一般使用高功率激光，必须具有高压电源，电动力装置的冷却水供应设备和具有安全设备的手术室及附属实施。
1．激光手术室激光手术室应具备各类激光设备，适合于各种手术。随着激光外科的发展，即使一种手术，想用一种激光进行理想的激光手术是不大可能的，有时需要2～3种激光组合使用，或与传统手术相结合。
激光手术室应宽敞，约12～20m2，与普通型手术室邻接，有的可设立专门激光手术间。以供其它激光手术同时使用。激光手术室由器械室、器材室、各种测定仪器、激光手术器械等附属设施和激光管理区组成。
2．激光手术装置的电源 激光手术装置（激光刀）必须用高压电源。一般情况下，二氧化碳（CO2）激光手术装置（功率60W）用100V，40A，需要时用200V，20A。Nd：YAG激光装置（功率100W）用三相电源，220V，40A。手术室电源应该用有双重绝缘变压器的非触地型电源，能防止电击事故。
3．冷却水供给设备　 激光手术装置的发电管及其外周容易发热，小型二氧化碳（CO2）激光现在可用空冷式冷却装置冷却，但Nd：YAG或其它大功率激光需要循环水冷却装置。冷却Nd：YAG激光装置的冷却水流量8L/分钟。因而激光手术室必须设有冷水供给装置。有的冷却水装置比较先进，当冷却水供给装置不足的时候，激光装置内部温度上升至一定温度时激光动力系统自动终止。
4．激光管理区激光手术室及其附属室都应视为激光管理区。在此区内不准许不了解激光知识的人员进入，要进入激光管理区的人员必须经过激光管理员的同意，并且由管理人员向其说明管理区的注意事项和必要的保护方法后才可入内。正在进行激光手术的手术室门口应悬挂标记。
随着激光医学的发展，激光管理区逐渐扩大，在我国名城天津已发展扩大办成激光专科医院，配备有各种不同类型的激光手术装置，可进行各科的特殊激光手术治疗及以激光为主，其它方法为辅的综合性治疗。为拓展激光医学创造了良好的条件。

为了保证激光安全使用，需要制定如下标准：
1．激光本身对机体损害防护标准。
2．激光器械制造安全标准。
3．激光器械使用安全标准。
4．激光手术安全管理标准。
5．除制定激光安全标准以外，安全教育也是一个重要问题。
6．激光手术中排烟标准：在激光手术中产生的汽化烟雾由于病灶性质不同，产生的毒副作用不同。应有特殊排烟装置，将有害烟雾排除，保持室内空气清闲，不影响手术人员视野。

当前这类标准较多，但都未经充分地研究和检验，而切实可行者并不多，需进一步努力改进，制定出更合适的标准。按激光四级分级法，激光手术器的损害以皮肤及眼睛最易伤害，大都分属于3或4级激光，必须采取防护措施和医疗监视。

激光手术器械的使用安全标准因手术所使用的激光种类不同各有规定。目前常用的二氧化碳（CO2）、Nd：YAG激光共同点较多，但为确保安全起见，根据不同对象分述：
（1）术者和助手必须详细了解器械的性能和使用方法。
（2）出入人员配戴防护眼镜。使用二氧化碳激光刀时配戴无色玻璃眼镜或塑料眼镜；使用Nd：YAG激光时配戴能切断波长为1.06m射线的滤过眼镜（D7－BG8．AO584等）。在激光手术室内所有人员必须配戴防护眼镜。但Nd：YAG激光的防护眼镜着色浓，影响视力，给操作增加困难，有待改进。操作熟练人员，只要加强严格使用管理，不带眼镜也可手术。
（3）操作器和机头等需熟使用。
（4）激光手术操作须熟练。如聚焦照射、离焦照射、机头转向组织方法、在组织移动速度、组织切开法、凝固法、汽化法等。
（5）术前可用木板或塑料地板进行照射试验。
（6）光束勿照射于照射野以外，照射野周围的组织用湿纱布保护。
（7）使用黑色镀金器械，黑色镀金器械可使激光反射波减弱60％～70％。
（8）患者周围不能放置易燃性布料、塑料类和使用易燃性或易爆性气体。
（9）使用特殊专用设备排除烟尘。

1．安全管理者选定。
2．操作者选定。
3．编制操作者花名册。
4．操作者的教育。
5．管理区的设置。
6．保养管理。
以上安全标准为设立激光设备、发挥更好作用，防止意外伤害事故发生提供重要参考、防护。

光是被我们熟知的，自然界的光为人们带来黑白昼夜，人们利用光从事各种实践活动，迄今又有很大发展，它不仅应用于生活，而且还用于生产、医学等各个方面。

人类对光的认识，经历了一个曲折的认识过程。英国物理学家牛顿，在德国天文学家开普勒等人的理论基础上，进一步提出了光是从源中发出的微粒，构成一种特殊的物质，光的颜色是由微粒的大小而定的。但在同一世纪中，荷兰物理学家惠更斯，提出了与牛顿微粒理论截然不同的理论，既光的波动理论。他认为光是一种波，而不是什么微粒，还认为光在水、空气等物体里有一种特殊的物质“以太”。
由于牛顿的微粒说和惠更斯的波动说都可阐明一定的现象。所以在当时的科学技术水平中不能定出哪一个学说的理论更加优越。因当时牛顿在科学界的贡献大而其威信极高，光的微粒学说占了上风。致惠更斯的波动学说的观点被忽视，甚至被遗忘了近百年之久。
一世纪以后，有人使用双缝干涉实验，测出了可见光的相应波长。于是光的波动学说战胜了光的微粒学说而居于主导地位。到了十九世纪中期，电磁理论得到大力发展，英国的物理学家麦克期韦当时根据电磁理论，推断光也是一种电磁波。并推算出电磁波的传播速度为每秒30万公里，而且使推断得以证实。后来，德国一位名叫普朗克的人在做了大量的实验后又提出了电磁波这种形式的能量辐射。从而使人们认识到电磁波是某种粒子，既光量子。为了强调光的粒子属性，光量子被称之为“光子”。光子的质量在运动中显示出来。
光的基本特性，从光的量子理论可以得知，辐射的频率为光子的能量。从波动理论可以了解到。不同的振动波，其频率r是不一样的。量子理论又说明，在其间存在着E＝hr关系。表明了光具有波动性和微粒性两重属性。这就使人们对光的波动性和微粒性两个矛盾，得以辨证统一起来，并用以叙述光的本质。但是，人类对光的本质认识将进一步得以深化。

激光简称莱塞laser.即Light Amplification by Stimulation Emission of Radiation各字头的缩写，中文意思是受激辐射光放大。在本世纪60年代中发展最活跃的科学技术领域之一。激光是一种特殊的光源。正如我们了解到的阳光、灯光等，都是向四面八方辐射的，没有一个确定的方向传播。但激光具有高亮度、单色性、方向性及相干性好等特点。广泛应用于工业、农业、科学技术、国防等。但在医疗方面的应用更广阔。为了能很好的了解激光，就必须了解物质的分子、原子结构。

1．原子结构　一切物质中我们都知道，分子是由原子组成的，而原子又是由原子核和电子构成。原子核带正电荷，电子带负电荷。原子核中所带的正电荷与核外电子带的负电荷在数值正相等，其代数和是零，使整体的原子呈中性。原子核是原子的核心，它的密度很大，不计核外电子质量，那么原子的质量就可以由核的质量来决定。核外电子一面绕原子核转，一面不停的自转。这样的运动与太阳系中各个星球围绕太阳的旋转相似。
原子核由带正电的质子及不带电的中子组成，在核内质子与中子的数目是相等的，每个质子与电子所带的电量相等，所以使原子整体呈中性。在原子核周围的电子是由静电引力把它们吸引在原子核的周围。并且电子与原子核保持一定距离。在某种原因的作用下失去核外电子，使原子转变成离子而带电。即具有电的性质。
原子核外的电子排列比较规律，不是杂乱无章地排列，是以不同层次及不同轨道排列。最靠近原子核的第一层电子与原子核的结合力最强，离原子核越远的电子层，电子与原子核之间的作用力就越小，由于二者之间的作用力越小，越容易推动电子。外层电子与原子核的结合力松散。因此在较小能量的作用下电子就可以脱离原子核，使原子变成离子。在化学反应中最外层电子为价电子。在光学中，最外层电子参与光学过程，如光的吸出，光的发射等，因此在光学中最外层电子叫光学电子。光电子与价电子指的是同一电子。
2．能级和状态原子核中电子总是不停地在自动轨道上运动，由于电子的运动时产生一定的动能，电子被核吸引则有一定势能，这两个能在原子中构成了原子内能。内能取决于核外电子与核的距离，距离增大，内能增大，反之缩小。由于核与电子距离对内能有影响，那么原子内的电子从一个自行轨道跳跃到另一轨道，这就反应了整个原子内能量的变化。一般表示原子能量的方法是把能量的大小，按比例画出数条横线，每一条线代表一个能量值。从而体现出原子能量的不断连续性只有在这些横线上能量存在。其它的地方无能量。这主要是由于原子中的电子运动的轨道是固定的。每一横线叫做原子的一个能级，把这些线画在坐标轴中，所形成的图为原子能级图。实际上要比这复杂。最下面的能级为E1，在E1能级上原子的能量状态叫原子基态，基态以上的能级叫高能级，如E2、E3…，都为激发态。一般正常情况下大多数原子都处于低能级上，只有少数在高能级中。
近代物理学中已经知道，原子核外的电子是以主量子数n，角量子数L，磁量子数m和自旋量子数s来排布。并遵循泡利不相容原理和能量最低原理逐步添满各层电子。
3．原子光谱　在正常的条件下原子外层电子总是处于最低能级轨道，以保持稳定状态。当外界有足够的力量作用于基态的原子时就可以使基态原子中的电子从它所在的轨道能级跃迁到外层高能级的轨道。这种由低能级跳跃到高能级过程叫激发。激发态的原子不稳定，总要从高能级回到低能级，以致回到基态的趋势。当原子从高能级跃迁到低能级时把所吸收的能量以光波的形式发散出来，形成大家熟知的发光现象。原子所吸收的能量，还是原子所放出的能量，都是相应能级上的能量之差。即r＝1/h(En－Ek)，在此公式中r是发射光波的频率，h是普朗克常数（6.623×10-24J/S），En是原子在高能级上的能量，Ek是过渡到低能级上的能量。从能量之差，可以了解到，原子核中的电子跃迁越高，在复回原级位置上时，释放的能量就越高。因此这就是产生原子光谱的原因。

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。
linchuangjiguangzhiliaoxue047.jpg粒子二能级分布图
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。
linchuangjiguangzhiliaoxue048.jpg基能级上的粒子
图19　1.基能级上的粒子
2.粒子被激发到E2能级上
linchuangjiguangzhiliaoxue049.jpg处于高能级E2上的粒子
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）。
linchuangjiguangzhiliaoxue050.jpg处于高能级E2上的粒子
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。
linchuangjiguangzhiliaoxue051.jpg受激辐射时光束放大
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。

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＜N1。其主要原理是高能级上的粒子数，要比低能级的粒子数少（在受激发时）。光辐射在热平衡状态下的粒子体系在相互作用下，粒子体系吸收光子的数大于受激辐射产生的光子数，光吸收起主导作用。在一般的情况下观察不到光的放大现象，但可以观察到光的吸收现象。要想实现光的放大作用，必须得把热平衡分布倒转过来，就可使粒子数在能级中进行另一种新的分布，即非热平行分布。这种新的分布使高能级上粒子分布的数量大于在低能级上粒子分布的数量，即N2＞N1。这时受激辐射的过程大于吸收过程，从而实现光放大，一般常称为粒子反转分布。所谓的“反转”，是对热平衡分布比较而言。
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。
linchuangjiguangzhiliaoxue052.jpg粒子数反转与光放大
图23