1、第 卷 第 期 量 子 电 子 学 报 年 月 （ 文 章编号： ） 医用二氧化碳激光器波长问题的研 究 黄 丹， 叶 中琛 ， 杜 堑 ， 孙 瑜 ， 叶岳 顺 （国家食品药品监督管理局杭州医疗器械质量监督检验中心， 浙江 杭州 ） 摘 要 ： 从 医疗应用的角度出发，研 究二 氧化碳激光器 输出的激 光波长不在 附近的问题。通过理论 分析和实验研究证 明二 氧化碳激光跃迁 谱线是丰富性的，在 到 之 间，并对二氧化碳激光 治疗机 在激光波长参数上的控制提 出了建议 。 关 键 词 ： 激光应 用；医疗应 用；二氧 化碳激光 器；激光波长 中图分类号 ： 文献 标识码 ： 引 言 二氧化碳激
2、光器是一种常用的气体激光器，由于其转化效率高并且激光能被人体组织很好地吸收而广 泛 应 用于激 光外科 手术 。医用 的 二氧 化碳 激光 器 一般 是纵 向 电激 励水 冷 内腔式 激 光 器 ，由于它 是二 氧化碳激光治疗机的光源，因此对激光波长等参数的控制主要 围绕激光器来进行 根据理论 计算，在室温 二氧化碳激 条件下，激光器最容易在 附近发生激光振荡，因此历年出版的国家标准 ）明确规 定激 光波 长 为 ，而且所 有 生产企 业都 声 称 自己治 疗机 的波 长是 光 治疗机 ） 但 是 从 理论和 实验 测 量的情 况来 看 ，许多 国 内生产 二氧 化碳 激光 治疗 机的 波长
3、都不 是 ，测 量 的结果 分 布在 到 之 间，因此 有必 要从 理论 和 实验上 对这 个 问题进 行讨 论 。 理 论 激光 的热效 应 激 光对 生物 组织 的 作 用，主要 有 光热 作 用 、光 化 学 作用 、 电磁 场 作 用 、压强 作 用 以 及弱 激 光 刺激 等 光热 作 方 面 。根据 二氧 化碳激 光 的波 长 、照射 时 间等 参数 ，它对 人体 组 织 的生物 效 应主要 表 现 为热 效 应 （用）。通过二氧化碳激光的照射 ， 凝 使生物组织发生局部热损伤，以汽 化、 固、切除病灶组织等。在组织特 性 中，吸收是 一 个重要 的指 标 。激 光被 人体 组 织
4、的 吸收 主要是 由水分子 、蛋 白质和 色 素等 大分 子 引起 的 。在 可见光 范 围 内，水 的 吸收 系数 极小 ，黑 色素和 蛋 白质 中的血 红蛋 白的吸收 比水 的 要 高得 多 ，因此 在 紫外 和可见光区域，主要考虑蛋白质和色 素的吸收。但是 ，当到达红外 光谱 区域 时 ，由于 水分 子 的吸 收系数 增 加了好 几个 数量 级 ，所 以它 起 主要 的吸收 作 用。而 二氧 化碳 激光 的波 长处 于 中红外 区域 ，因此 主要 考虑 它被 水 的吸收 。图 所示 为水 的吸 收系 数 图。 水 从 图 中可以看 到 ， 的吸 收系数 从可 见光 区域到 红外 区域 呈
5、 不 断上升 的趋 势 ，上 升幅度 很 大 ，如 比 增 加 了大 约 个数量级 ，比 增 加 了大约 个 数量级 。在 到 的二氧 化碳 激光 光谱 范 围 内，吸收 系数略 有上 升 ，但基 本 处于 同 一数量级 内。现在还 未找 到相关 的 实验 数据 来表 明这 些不 同波 长 一 ）的激光 对手 术存 在 不 同的影 响。 ； 收稿 日期 ： 修改 日期 ： ： 量 子 电 子 学 报 卷 能级 和波 长 是产生激光辐射的气 二氧化碳激光器的主要工作物质由 、 和 三种气体组成。其中 分子电子基态的两个振动 一体， 和 为辅助性气体。激光跃迁发生在 转动能级之间。 ， 、 图 为
6、 与二 氧 化碳激 光 跃 迁 有关 的 几 个振 动能 ， 级 。当二 氧化 碳激 光器 工作 时， 由于 分 子受 电子 碰撞 的 几率 很大 ， 因此被 有效地 激发 到第一激 发 态， 。）的能量 十分 靠近 ， 其 能量与 分子 上 能级 （ 能 量很快 从 分 子第 一激 发 态共 振转 移 到 激 分子上能级 光上能级上，使其粒子数增加。当 【】 ） ） ） 。） （ 与下能级 （ 和 （ 形成粒子 数反转时 ， ） 。） 。 通 过受激辐 射产 生跃迁 ： （ （： ： （ （： 。但 除振 动外 ， 分子 还 】 ） 【） ） 有转动 ， 故每 个振 动能级可 以分 成一 系
7、列转动 能级 ， 的范围 使得二氧化碳激光器的输出波长在 。） 。）跃 都 有可 能 出现 ，相邻 两 条激光 谱 线 的波 数 间隔在 一 。例 如 ，在 （ （ 迂 中，可能 （ ） ， （ （ 出现许 多振 荡波 长 ：如 ）的 ， （ 的 ）的 ， ）的 【。 。） ） （ （ 的 ， （ 的 ， （ ） 等。 （ 】 ） （ 跃迁中也会出现： ） ） （ 的 的 ； ） 等 等 。 实 验 本实验对 四 台二 氧化碳激光 治疗 机进行 了波 长测试 ，分 ， ， ， 别记 为 。其 中前三 台为 国产治疗 机 ，最后 一 台为进 口治 疗 机。光 谱分析仪 是 由光栅 和球面镜 组
8、成的光 栅光 谱仪 。按 图 建 立实验 测量装 置 ，观察 并记录 光谱 分析 仪 的结果 。同时改变 激光 的输 出功率 的大 小， 观察激 光波 长 的变化情 况。对每 台治疗机 进行 相 同的测 量。实验 测量 结果 所 如表 示。 从实验结果可以看到，每台二氧化碳激光治疗机并不是仅具有单一的波长，而是存在多条不同的波长 范 谱 线，并且存 在 同时输 出多条 谱线 的现 象 。 治疗 机 的波 长在 至 围内 ， 治疗 机 第 期 黄 丹等：医用二氧化碳激光器波 长问题 的研究 ， 和 附近 ， 治 疗机 的 波长 在 和 附近 ， 治疗 的波 长在 激光 的 波长 不仅 取 决 于
9、其分 子 振 机的 波长 在 和 附近 。从前 面 的理论 分析 可 知 ， 动 ，还 与分子 转 动能级 有关 。正是 由于 分 子 运动 的多 样性决 定 了其 波长 的 多样 性 。 分 析 和建 议 根据二氧化碳激光器理论分析， 附近。 二氧化碳受激辐射后产生的 谱线是丰富的，不局限在 至 从实验结果可以看到，二氧化碳激光器的 谱线在 和 至 之 间， 实验 结 果与理论 分析 一致 。 同时在激光的生物效应中，未找到临床实验数据表明不同的二氧化碳激光波长对激光手术存在不同的 ，效 果。因此 ，从 理论分 析 到实 践 应用说 明，二 氧化 碳激 光 治疗 机的波 长 不一 定 只有
10、都 是 其谱线 范 围，均 可 以作手术 治疗 。但 是制 造商 应该 将激 光 波长 作为 一 个基本 参 数进 行控 制 ，明确 自己治 疗 机的 波长 ，并 使之 处于 合理 的误 差 范 围内。 另外 实验 结 果表 明，这 些 二 氧化 碳激 光 治疗 机 的波 长不 仅偏 离 波 长 ，同 时其 单 色性 也 不够 好。 ） ， 之 分析其原因可能如下： 由于输 出功率不高 （ ） 并且有两台治疗机的波长都在 间，故这些 治疗机可 能采 用 了玻 璃 毛细管 的波 导二 氧化 碳激光 器 ，因为该 波段 内的波导 损耗 小，比 ）更容易达到振荡 阈值； 激光管结构、工作气体的混合比
11、例、 气体温度等因素影响了激光器的增益系数， 从而使 其它 波长 的激 光得 到放 大 ， ）未 附近的 激光 被抑 制 ； 采用 合适 的纵 模选 择 技术 ，使 其产 生多纵 模 振荡 。 ） 为此 ，可 采用 下列措 施 来提高 二 氧化 碳激 光治疗 机 的单 色性 ，并 获得需 要 的激 光波 长 ： 选 择合 适 的激光管结构和抽运条件，调节工作气体的混合 比例， ） 控制气体温度； 采取合适 的纵模选择技术，利用 不 同纵模 之 问的增 益差 异，或 人 为引入 损耗 差 ，来 选 出单纵 模 振荡 。如短 腔 法 ， 标 准 具 法 ，注入 锁定 等。由于 分子 的 振动 和旋 转 ，二 氧化 碳激 光器 有 着 丰富 的输 出谱线 。为 了使 二 氧化 碳 激光 治 疗 机输 附近， 出的波长在 制造商应采用合适的激光管结构和工作气体混合 比例、纵模选择技术等措施， 以获得 到 的二 氧 化碳 激光 对手 术 存 左右 的振 荡波 长。由于 没有相 关 的实验 数据 表 明 在 明显 的影 响，因此也 可 以根据 实 际的需 要 ，使二 氧 化碳激 光 治疗机 输 出其 它波 长 的谱 线 ，但需 要 保证 其 标示波 长和 实际输 出波长 一致 。 参 考文 献 ： ， 光 术） ： ， （ ） （ 子技 高等原子分子物理学） ， （ （ .
