《臨床激光治療學》 五、激光器的分類

臨床上應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、半導體激光器、化學激光器等。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)媪私饧皯眯詤⒖肌?/p>

（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，應用方便。由于工作物質(zhì)很復雜，造價高。當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呈白藍色光；釹玻璃工作物質(zhì)，輸出波長1.06μm呈紫藍色光；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。

氣體激光器大多應用電激勵發(fā)光，即用直流，交流及高頻電源進行氣體放電，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)輸出功率可達到一W，壽命也達到一萬小時以上。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極以高速向正極運動。在運動中與工作物質(zhì)內(nèi)的氦原子進行碰撞，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)射過程也較復雜。分子有三種不同的運動，即分子里電子的運動，其運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)，分子的這種運動決定了分子的轉(zhuǎn)動能態(tài)。分子運動極其復雜，因而能級也很復雜。

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，應根據(jù)管長而定。管長的粗一點，管短的細一點。放電管長度與輸出功率成正比。臨床上廣泛應用的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

光學諧振腔：CO2激光器的諧振腔常用平凹腔，反射鏡用K8光學玻璃或光學石英，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98.8％，且化學性質(zhì)穩(wěn)定。二氧化碳發(fā)出的光為紅外光。所以反射鏡需要應用透紅外光的材料，因為普通光學玻璃對紅外光不透。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。

導光系統(tǒng)：用于傳遞激光束的工具即為導光系統(tǒng)——借助此導光系統(tǒng)就可將光束聚焦似手術(shù)刀一樣拿在手中進行組織切割、燒灼、氣化及再將光束分散（擴焦）照射治療等。當今臨床上使用的是CO2激光——導光關(guān)節(jié)臂，由于CO2激光光束溫度高，至今還未有導光纖維能傳送CO2激光。另一種是Nd：YAG激光——主要光波1.06μm經(jīng)石英光導纖維傳輸，應用靈活，而且手術(shù)治療方便，適應癥廣。作者經(jīng)過改進的光刀柄。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手。術(shù)后療效觀察非常滿意。

導光關(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到活動自如的目的。醫(yī)療上常用的導光關(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)的導光關(guān)節(jié)臂，設(shè)計有聚焦及發(fā)散裝置。導光系統(tǒng)根據(jù)需要可上、下，前后，左右及俯仰等多方位的轉(zhuǎn)動，因此臨床上進行各種治療時非常靈活方便。