激光基本知識及激光美容發(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，現(xiàn)為 第四軍 醫(yī)大學西京 醫(yī)院皮膚科激光美容中心副主任，醫(yī)學博士。

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 個字 母 的縮 寫 ，1964 年根據(jù)錢學森教授 的建議 ，始正名為 “激光 ”。港 、澳 、

臺則悔 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，激光具有在時間、空間和單位頻寬內高度集中的光能量，使得普通光所不顯示的生物效應在應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)光機制迥然不同。

2．1 普通光的發(fā)光機理：在一·個物質體系中，其內部總有大量的粒子(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躍遷，而有些則由高向低能級返同。根據(jù)能量最小原理，高能級的粒子會迅速躍遷劍低能級上，同時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)光機理 。

2．2 激光的發(fā)光機理：愛因斯坦在 19 17 年就指出，除自發(fā)輻射外，光與物質粒子的作用還存在“受激收”和“受激輻射”過程 所謂受激吸收，是指處于低能級的粒子當吸收一定頻率的外來光能后會躍遷到高能級上。與受激吸收相對應的過程稱受激輻射 ，即處于高能級 的粒子 ，在一定頻率的外來光子逼近它時就可能受此光子的作用，躍遷到低能級上，同時發(fā)射一個與外來光子相同的光予。受激輻射的特點本身不是自發(fā)躍迂，而是受外來光子的刺激產生。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)別出哪一個是原來的光子，哪一個是受激發(fā)后產生的光子。激光的發(fā)光機理正是受激輻射發(fā)光。

3 產 生激光的條件和過程

3．1 粒子數(shù)反轉：對于一個粒子系統(tǒng)而言，當自發(fā)輻射一經產生，受激吸收和受激輻射總是不可分割地同時存在。從玻耳茲曼分布規(guī)律可知 ，在熱平衡狀態(tài)下 ，處于低能級的粒子數(shù)日總是多于高能級的粒子數(shù) 目，因此在總體上受激吸收比受激輻射占優(yōu)勢，所以當外來光子照射粒子系統(tǒng)時，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，即必須使高能級的粒子數(shù)多于低能級的粒子數(shù) ，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉 (反分布)。

3．2 激光工作物質：能在兩個能級之間產生粒子數(shù)反轉的物頃，稱為激光 作物質 ．并非各種物質都能產生粒子數(shù)反轉，這是因為處于高能級的粒子很不穩(wěn)定 ，總會自發(fā)的或在外加的刺激下迅速回到低能級上 ，即粒子在高能級上時鄙具有一定的“壽命”。很顯然壽命較短的粒子足不能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉的 (就好比水庫的大壩漏水，難以形成高水位)；壽命較長的粒子數(shù)能級叫做亞穩(wěn)態(tài)能級 ，激光的T 作物質必須是具備有亞穩(wěn)態(tài)能級性質的物質(尤其是 Q 開關的激光對粒子的壽命要求更高)。

3．3 外界激勵源：使激光工作物質達到粒子數(shù)反轉 的外界能源稱為激勵源 ，也稱為泵浦源 。激勵方式 以電抽運 和光抽運最為常見。電抽運常見于氣體激光器，光抽運幾乎用于所有的固體和液體激光器 ，此外還有化學抽運、核抽運 、熱抽運等。

3．4 光學諧振腔：實現(xiàn) 了粒子數(shù)反轉分布的工作物質 ，可以做成光放大器，但還不是一臺激光器。為了產生激光通常使用光學諧振腔，即在工作物質兩端加上一對互相平行的且垂直于工作物質軸線的反射鏡 (平面、凹球面或一平一凹)，反射鏡之間就構成光學諧振腔(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)

被激勵后工作物質先會產生自發(fā)輻射，其產生光子的方向是任意的，凡是偏離諧振腔軸線的光子，就會從側面逸出腔外，而沿軸線方向的光子，將在腔內兩反射面間振蕩，在其前進過程 中就會與腔 內其 他受激粒子作用 ，從 而形成受激輻射。當它能克服傳播過程的損失時，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)能級的工作物質、激勵能源和光學諧振腔三部分組成。這三種因素缺一不可。在諧振腔中產生激光的過程可歸納為：激勵一工作物質實現(xiàn)粒子數(shù)反轉一偶爾發(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生。

4 激光的特性

激光的發(fā)射原理及產生過程的特殊性決定了激光具有普通光所不具有 的特點 ：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。由于光的生物效應強烈地依賴于光的波長，使得激光的單色性在臨床選擇性治療上獲得重要應用。此外，激光的單色特性在光譜技術及光學測量中也得到廣泛應用 ，已成為基礎醫(yī)學研究 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 上各點問有固定 的相位關系 ，所 以激光的卒IN CH干惟很好 (由自發(fā)輻射產牛的普通光足非相_ 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 術獲得飛躍發(fā)展 ，全息技術才得 以實現(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：，光斑直徑將擴大到 1 000 公里以上。激光束的方向性好這一特性在醫(yī)學 E 的應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刀。另外，由幾何光學可知，平行性越好的光束經聚焦得到的焦斑尺寸越小，再加之激光單色性好，經聚 后無色散像差，使光斑尺寸進一步縮小，可達微米級以 卜，甚至可用作切割細胞或分子的精細 的“手術 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，強激_ )匕甚至可產生 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 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 個被應用的領域是 醫(yī)學 ，并得到 r 【]新月異的發(fā)展 ，激光醫(yī)學的發(fā)展大致經歷 了四個階段 。

5．1 20 世紀 60 年代為基礎研究階段：激光醫(yī)學的基本理論研究大部分在 60 年代就完成了．．自第一臺激光器問世后，被稱為“激光醫(yī)學奠基人”的G oldm an I|(著名皮膚病學專家)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 試用于對剝 離的視網(wǎng)膜進行焊 接 ；l963年 ，G oldm an l 開始將紅寶石激光應用于 良性皮膚損害千¨文身治療并取得成功，開創(chuàng)了激光醫(yī)學應用的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，但臨床應用不多。我國在激光器研究的初期走在了世界前列，l96 1 年長春光機所研制 J，我閡的首臺紅寶石激光器，1965 年J匕京同仁醫(yī)院開始了紅寶石激光視網(wǎng)膜凝同的動物實驗 。1968 年上海研制 出 Nd：-／A( l摻釹釔鋁石榴石)激光。

5．2 20 世紀 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，從而掀起了國內外首次激光醫(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，尚達不到良好的美 容效果。

5．3 20 世紀 80 年代為學科形成 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)不同組織的生物學特性，選擇合適的波長、能量、脈沖持續(xù)時間，以保證對病變組織進行有效治療之 同時 ，盡量避免對周 圍的正 常組織造成損傷 。該理論實現(xiàn)了激光的有效性和安全性的完美統(tǒng)一，是激光醫(yī)學特別是激光美容醫(yī)學發(fā)展史上的里程碑。根據(jù)選擇性光熱作用設計的脈沖激光機在 80 年代有很大進步。相繼出現(xiàn)了鉺激光、準分子激光、以及不斷完善的 CO 激光和脈沖染料激光，激光新技術已經比較成熟地用于研究、診治疾病和美容治療，并且已經形成了一支龐大的專業(yè)化隊伍，這是激光醫(yī)學學科形成的重要標志之一。

5．4 20 世紀 9O 年代為發(fā)展成熟階段：90 年代起，隨著科學的進步和激光技術的發(fā)展，醫(yī)用激光器與電子計算機、纖維內鏡、圖像分析 、攝像錄像、熒光光譜、X 線和超聲等新技術不斷結合，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 年代初期應用 Q 開關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 時長脈沖紅寶石激光、翠綠寶石激光 、N d：Y A G 激光 以及半 導體激 光的相繼 出現(xiàn)也使激 光脫 毛技 術 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： 磨削除皺風靡西方世界 (由于色素沉著問題 ，該技術在黃 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 ，應用這些儀器術后反應輕微，臨床上也可取得了一定的療效。20 世紀 90 年代初期，激光美容術在我國一些大城市逐步開展起來，至 90 年代中、后期美國、以色列、英國、德國及日本 等國先進成套 的激 光美容儀迅速 涌進 國 內，并趨 向普及 ，一些 國產的激光美 容儀 在國 內也得到 了越 米越多 的應用 。激光美容在整個激光治療 中獨 占鰲頭 ，且其前景不斷看好?，F(xiàn)代激光美容已成為當代醫(yī)學美容中最具有魅力和遠大前途的部分 。

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