激光基本知識(shí)及激光美容發(fā)展史

                                     — —激光美容系列講座一、孫林潮，

孫林潮 畢業(yè)于第四軍醫(yī)大學(xué)，現(xiàn)為 第四軍 醫(yī)大學(xué)西京 醫(yī)院皮膚科激光美容中心副主任，醫(yī)學(xué)博士。

1 激光的基本概念激 光的英文 LA SE R 是受激輻射光放 大 (“ t A m plif ication byStim ulated Em ission of R adiation)英 文單詞 的第 一 個(gè)字 母 的縮 寫 ，1964 年根據(jù)錢學(xué)森教授 的建議 ，始正名為 “激光 ”。港 、澳 、

臺(tái)則悔 LA SE R 音譯為“雷射”。激光也是由光子組成的，因此激光與普通光就其光子本質(zhì)的微觀上而言，兩者無差別，但是，從宏觀上而言，激光的光子與普通光的光子所組成的光束則完全不同，激光具有在時(shí)間、空間和單位頻寬內(nèi)高度集中的光能量，使得普通光所不顯示的生物效應(yīng)在應(yīng)用激光后變得明顯起來，普通光所無能為力的特異診治，激光則可大顯身手。

2 激光 的發(fā)射原理激光與普通光兩者發(fā)光機(jī)制迥然不同。

2．1 普通光的發(fā)光機(jī)理：在一·個(gè)物質(zhì)體系中，其內(nèi)部總有大量的粒子(原子、分子、或離子)相 互碰撞并交換能量，有些粒子由低向高能級(jí)躍遷，而有些則由高向低能級(jí)返同。根據(jù)能量最小原理，高能級(jí)的粒子會(huì)迅速躍遷劍低能級(jí)上，同時(shí)以光子的形式釋放能量，這一過程完全是 白發(fā)的 ，因而稱 為“自發(fā)輻射”。自發(fā)輻射所產(chǎn)生的光子雜亂無章，沒有一定的規(guī)律，光子的頻率、相位和方向都不一致，并且受激粒子的總數(shù)很有限，岡此只能發(fā)出低亮度的光，這正是普通光源的發(fā)光機(jī)理 。

2．2 激光的發(fā)光機(jī)理：愛因斯坦在 19 17 年就指出，除自發(fā)輻射外，光與物質(zhì)粒子的作用還存在“受激收”和“受激輻射”過程 所謂受激吸收，是指處于低能級(jí)的粒子當(dāng)吸收一定頻率的外來光能后會(huì)躍遷到高能級(jí)上。與受激吸收相對(duì)應(yīng)的過程稱受激輻射 ，即處于高能級(jí) 的粒子 ，在一定頻率的外來光子逼近它時(shí)就可能受此光子的作用，躍遷到低能級(jí)上，同時(shí)發(fā)射一個(gè)與外來光子相同的光予。受激輻射的特點(diǎn)本身不是自發(fā)躍迂，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、相位等完全一樣，無法區(qū)別出哪一個(gè)是原來的光子，哪一個(gè)是受激發(fā)后產(chǎn)生的光子。激光的發(fā)光機(jī)理正是受激輻射發(fā)光。

3 產(chǎn) 生激光的條件和過程

3．1 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：對(duì)于一個(gè)粒子系統(tǒng)而言，當(dāng)自發(fā)輻射一經(jīng)產(chǎn)生，受激吸收和受激輻射總是不可分割地同時(shí)存在。從玻耳茲曼分布規(guī)律可知 ，在熱平衡狀態(tài)下 ，處于低能級(jí)的粒子數(shù)日總是多于高能級(jí)的粒子數(shù) 目，因此在總體上受激吸收比受激輻射占優(yōu)勢(shì)，所以當(dāng)外來光子照射粒子系統(tǒng)時(shí)，看到的都是光的吸收現(xiàn)象。很顯然為得到激光，必須使受激輻射壓倒受激吸收，即必須使高能級(jí)的粒子數(shù)多于低能級(jí)的粒子數(shù) ，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) (反分布)。

3．2 激光工作物質(zhì)：能在兩個(gè)能級(jí)之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物頃，稱為激光 作物質(zhì) ．并非各種物質(zhì)都能產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，這是因?yàn)樘幱诟吣芗?jí)的粒子很不穩(wěn)定 ，總會(huì)自發(fā)的或在外加的刺激下迅速回到低能級(jí)上 ，即粒子在高能級(jí)上時(shí)鄙具有一定的“壽命”。很顯然壽命較短的粒子足不能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的 (就好比水庫的大壩漏水，難以形成高水位)；壽命較長(zhǎng)的粒子數(shù)能級(jí)叫做亞穩(wěn)態(tài)能級(jí) ，激光的T 作物質(zhì)必須是具備有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)性質(zhì)的物質(zhì)(尤其是 Q 開關(guān)的激光對(duì)粒子的壽命要求更高)。

3．3 外界激勵(lì)源：使激光工作物質(zhì)達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 的外界能源稱為激勵(lì)源 ，也稱為泵浦源 。激勵(lì)方式 以電抽運(yùn) 和光抽運(yùn)最為常見。電抽運(yùn)常見于氣體激光器，光抽運(yùn)幾乎用于所有的固體和液體激光器 ，此外還有化學(xué)抽運(yùn)、核抽運(yùn) 、熱抽運(yùn)等。

3．4 光學(xué)諧振腔：實(shí)現(xiàn) 了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的工作物質(zhì) ，可以做成光放大器，但還不是一臺(tái)激光器。為了產(chǎn)生激光通常使用光學(xué)諧振腔，即在工作物質(zhì)兩端加上一對(duì)互相平行的且垂直于工作物質(zhì)軸線的反射鏡 (平面、凹球面或一平一凹)，反射鏡之間就構(gòu)成光學(xué)諧振腔(光腔)．其中后反射鏡為全反射鏡 ，前反射鏡 為部分反射鏡 。(見圖 1)

被激勵(lì)后工作物質(zhì)先會(huì)產(chǎn)生自發(fā)輻射，其產(chǎn)生光子的方向是任意的，凡是偏離諧振腔軸線的光子，就會(huì)從側(cè)面逸出腔外，而沿軸線方向的光子，將在腔內(nèi)兩反射面間振蕩，在其前進(jìn)過程 中就會(huì)與腔 內(nèi)其 他受激粒子作用 ，從 而形成受激輻射。當(dāng)它能克服傳播過程的損失時(shí)，受激輻射光子密度將雪崩式地猛增，最終由部分反射面輸出一束單色性好 (頻率、波長(zhǎng)單一)、方向性好(諧振腔軸線方向)和亮度高的光——激光。由上可知，一般激光器是由具有亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的工作物質(zhì)、激勵(lì)能源和光學(xué)諧振腔三部分組成。這三種因素缺一不可。在諧振腔中產(chǎn)生激光的過程可歸納為：激勵(lì)一工作物質(zhì)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)一偶爾發(fā)生的自發(fā)輻射一其他粒子的受激輻射一光子放大一光子振蕩及光子放大一激光產(chǎn)生。

4 激光的特性

激光的發(fā)射原理及產(chǎn)生過程的特殊性決定了激光具有普通光所不具有 的特點(diǎn) ：即三好 (單色性好 、相干性好 、方 向性好)一高(亮度高)。

4．1 單色性好：普通光源發(fā)射的光子 ，在頻率上是各不相同的，所以包含有各種顏色。而激光發(fā)射的各個(gè)光子頻率相同，因此激光是最好的單色光源。由于光的生物效應(yīng)強(qiáng)烈地依賴于光的波長(zhǎng)，使得激光的單色性在臨床選擇性治療上獲得重要應(yīng)用。此外，激光的單色特性在光譜技術(shù)及光學(xué)測(cè)量中也得到廣泛應(yīng)用 ，已成為基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究 與臨床診斷的重要手段

4．2 相干性好：由于受激輻射 的光子在相化 是一致 的，冉加之諧振腔的選模作用 ，使激光束橫截面 上各點(diǎn)問有固定 的相位關(guān)系 ，所 以激光的卒IN CH干惟很好 (由自發(fā)輻射產(chǎn)牛的普通光足非相_ T 光)。激光為我們提供了最好的相干光源。正是 由于激光器 的問世 ，才促使相干技 術(shù)獲得飛躍發(fā)展 ，全息技術(shù)才得 以實(shí)現(xiàn) 。

4．3 方向性好：激光束的發(fā)散角很小，幾乎是一平行的光線，激光照射到月球上形成的光斑直徑僅有 1公里左右。而普通光源發(fā) 的光射向四面八方，為 了將普通光滑某個(gè)方向集中起來常使用聚光裝置，但即便是最好的探照燈 ，如將其光投射到月球J：，光斑直徑將擴(kuò)大到 1 000 公里以上。激光束的方向性好這一特性在醫(yī)學(xué) E 的應(yīng)用主要是激光能量能在空問高度集中，從而可將激光束制成激光手術(shù)刀。另外，由幾何光學(xué)可知，平行性越好的光束經(jīng)聚焦得到的焦斑尺寸越小，再加之激光單色性好，經(jīng)聚 后無色散像差，使光斑尺寸進(jìn)一步縮小，可達(dá)微米級(jí)以 卜，甚至可用作切割細(xì)胞或分子的精細(xì) 的“手術(shù) 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，強(qiáng)激_ )匕甚至可產(chǎn)生 J 億度的高溫。激光的高能量是保證激光臨床治療有效的最可貴的基本特性之。 利用激光的高能量還可使激光應(yīng)片j于激光加_[工業(yè)及困防事業(yè)等。

5 激光美容發(fā)展史

早在 1917 年愛 因斯坦就預(yù) 言受激輻射的存住和光放大的可能 ，繼 建市 _『激光的基本理 論。 1954 年 GoM on JP 和Townes C H 根據(jù)愛 因斯坦的理論制成 r 受激輻射光放大器 ，196(1年梅曼 (M aim an TH ) 制成 了世界上第 一臺(tái)激光器——紅寶石激光 ，從此 ，一種完全新穎 的光源誕牛了。激光第一 個(gè)被應(yīng)用的領(lǐng)域是 醫(yī)學(xué) ，并得到 r 【]新月異的發(fā)展 ，激光醫(yī)學(xué)的發(fā)展大致經(jīng)歷 了四個(gè)階段 。

5．1 20 世紀(jì) 60 年代為基礎(chǔ)研究階段：激光醫(yī)學(xué)的基本理論研究大部分在 60 年代就完成了．．自第一臺(tái)激光器問世后，被稱為“激光醫(yī)學(xué)奠基人”的G oldm an I|(著名皮膚病學(xué)專家)等就開始在皮膚上研究了激光與生物組織 的相互作用 ；l961 年有人將紅寶石 激光 試用于對(duì)剝 離的視網(wǎng)膜進(jìn)行焊 接 ；l963年 ，G oldm an l 開始將紅寶石激光應(yīng)用于 良性皮膚損害千¨文身治療并取得成功，開創(chuàng)了激光醫(yī)學(xué)應(yīng)用的l 先河。60 年代中后期還相繼研制 出氬離子 (A r )激光 、低功率 CO 激光和釹玻璃激光，但臨床應(yīng)用不多。我國(guó)在激光器研究的初期走在了世界前列，l96 1 年長(zhǎng)春光機(jī)所研制 J，我閡的首臺(tái)紅寶石激光器，1965 年J匕京同仁醫(yī)院開始了紅寶石激光視網(wǎng)膜凝同的動(dòng)物實(shí)驗(yàn) 。1968 年上海研制 出 Nd：-／A( l摻釹釔鋁石榴石)激光。

5．2 20 世紀(jì) 70 年代為臨床試用階段：l970 年 (；0ldm an L等人首次用連續(xù) C O 激光治療基底細(xì)胞癌和皮膚血管瘤，由于連續(xù)地提供有效的激光功率和能量密度，克服了早期脈沖激光功率低、效率低的缺點(diǎn)，從而掀起了國(guó)內(nèi)外首次激光醫(yī)療熱潮，連續(xù) CO 激光被廣泛地用于外科 、皮膚科 五官科 、婦科、理療料、針灸科和腫瘤科等，并取得了較滿意的效果。70 年代應(yīng)用于皮膚美容的連續(xù)激光還有 Ar 、cu 蒸氣和 Nd ：Y A G 等激光。這些連續(xù)激光對(duì)組織的熱損傷屬非選擇性的，治療后常伴隨皮膚瘢痕色素減退等副作用，尚達(dá)不到良好的美 容效果。

5．3 20 世紀(jì) 80 年代為學(xué)科形成 階段 ：1983 年 ，AndersonRR 和 Parrish JA 提出了選擇性光熱作用理論——即“光熱分離”理論，其含意為根據(jù)不同組織的生物學(xué)特性，選擇合適的波長(zhǎng)、能量、脈沖持續(xù)時(shí)間，以保證對(duì)病變組織進(jìn)行有效治療之 同時(shí) ，盡量避免對(duì)周 圍的正 常組織造成損傷 。該理論實(shí)現(xiàn)了激光的有效性和安全性的完美統(tǒng)一，是激光醫(yī)學(xué)特別是激光美容醫(yī)學(xué)發(fā)展史上的里程碑。根據(jù)選擇性光熱作用設(shè)計(jì)的脈沖激光機(jī)在 80 年代有很大進(jìn)步。相繼出現(xiàn)了鉺激光、準(zhǔn)分子激光、以及不斷完善的 CO 激光和脈沖染料激光，激光新技術(shù)已經(jīng)比較成熟地用于研究、診治疾病和美容治療，并且已經(jīng)形成了一支龐大的專業(yè)化隊(duì)伍，這是激光醫(yī)學(xué)學(xué)科形成的重要標(biāo)志之一。

5．4 20 世紀(jì) 9O 年代為發(fā)展成熟階段：90 年代起，隨著科學(xué)的進(jìn)步和激光技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)用激光器與電子計(jì)算機(jī)、纖維內(nèi)鏡、圖像分析 、攝像錄像、熒光光譜、X 線和超聲等新技術(shù)不斷結(jié)合，使醫(yī)用激光器朝著高性能、智能化、微型化及?？苹?向發(fā)展。新型美容激光機(jī)如雨后春筍般涌現(xiàn)，并取得了非 告顯著的成就：90 年代初期應(yīng)用 Q 開關(guān)激光治療色素性疾病如太田痣、文身等已取得了近乎完美的治療效果；90 年代中、后期可變脈寬倍頻激光治療血管性疚病也取得了較好的療效；與此 時(shí)長(zhǎng)脈沖紅寶石激光、翠綠寶石激光 、N d：Y A G 激光 以及半 導(dǎo)體激 光的相繼 出現(xiàn)也使激 光脫 毛技 術(shù) 13益： 芟展成熟；此外，高能超脈沖 CO 激光和鉺激光的問世使激： 磨削除皺風(fēng)靡西方世界 (由于色素沉著問題 ，該技術(shù)在黃 色人種 中未能大量展開 )，近來還 出現(xiàn)了一些無損激光除皺 系統(tǒng) ，如 CoolToueh 、Sm oothBeam 及 N llte 等 ，應(yīng)用這些儀器術(shù)后反應(yīng)輕微，臨床上也可取得了一定的療效。20 世紀(jì) 90 年代初期，激光美容術(shù)在我國(guó)一些大城市逐步開展起來，至 90 年代中、后期美國(guó)、以色列、英國(guó)、德國(guó)及日本 等國(guó)先進(jìn)成套 的激 光美容儀迅速 涌進(jìn) 國(guó) 內(nèi)，并趨 向普及 ，一些 國(guó)產(chǎn)的激光美 容儀 在國(guó) 內(nèi)也得到 了越 米越多 的應(yīng)用 。激光美容在整個(gè)激光治療 中獨(dú) 占鰲頭 ，且其前景不斷看好?，F(xiàn)代激光美容已成為當(dāng)代醫(yī)學(xué)美容中最具有魅力和遠(yuǎn)大前途的部分 。

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