书城科普读物百科知识-科学百科-激光科技(科普新课堂)
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第7章

采用这一技术时应注意控制光能,光能太低,对污染物没有影响,光能太高,有可能破坏基质材料。Lama可将激光能量自动地控制在这两个极限值之间,一旦玷污被清除,激光脉冲也不会破坏基质表面,石头仍可保持它原有的光泽。

激光与雕刻

德国着名的Frauenkirche教堂,现在已被人们用激光雕刻在透明的铅玻璃里面,作为艺术品留着纪念。激光雕刻已经成为人们制作精美艺术品的重要手段,人们将激光(如Q开关、锁模Nd∶YLF激光器)聚焦后所形成的小光斑,射入玻璃内部,在焦点处产生微区等离子体,引起玻璃的微小破裂,形成白点。在计算机的控制下,无数个这样的白点就形成美丽的图案。在雕刻教堂时,激光器的重复频率为500Hz,雕刻一个白点所花的时间为2毫秒。激光脉冲的总宽度为500纳秒,在脉冲里面含有许多60皮秒的尖峰,峰值功率2兆瓦,在焦点,功率密度达1012瓦/厘米2,所产生的非线性效应有利于光的吸收。

目前,还不能充分利用激光器的高重复频率,因X-Y-Z机械传动装置的速度有限。雕刻时间与光学系统有关,可在几分钟到一刻钟之间变化。如果在X方向引入光学扫描,则雕刻时间将会缩短。

除了制作艺术品之外,3-D雕刻还可用于产生无法擦除的标记。

激光技术提高扬声器质量

音响系统设计人员的一项重要任务就是要不断提高声音产品(如扬声器)的质量,使其音质达到最佳水平。过去,扬声器的制造方法很落后,通常先将它做好,试听它的声音,再用手这儿捏捏,那儿捏捏,以期达到最佳效果。这种方法十分原始,很费时。后来,一家扬声器制造商,Mackie Design,采用扫描激光振动测试仪来制作扬声器,使扬声器的生产从手工进入科学生产的新时代。

他们在生产HR824扬声器时,就采用了VP14000扫描激光振动测量系统。让一束低功率激光射向扬声器,并在其表面扫描。通过快速表面参数的傅里叶分析,就能在一秒钟内获得扬声器圆盘或锥面区的振动图像。用激光测量表面振动图像,不需要对表面进行特别处理,即使表面结构十分复杂也能使用。该公司对该项技术的评价很高,认为就像在电子学领域采用示波器那样重要。尽管,目前该系统的价格很贵,但对于HR824扬声器的生产来说,还是很值得的。

此外,人们还在利用激光技术来制造其它乐器,如钟铃、小鼓、钢鼓、洋琴、小提琴、吉他、钗钹等。人们常在寺庙里或在小城镇听到美妙的钟声,但是,如何才能使钟发出的声音最好听呢?

现在,人们利用时间平均激光全息干涉技术,可以对手铃等乐器的质量进行研究。将一束He-Ne激光(输出波长632纳米,功率20毫瓦)分成两束,一束射向被研究的乐器(如手铃),一束直接射向记录介质,以便进行全息测量。采用时间平均(曝光时间为几秒钟)的全息干涉技术,可记录钟的基频振动模式,材料不同,钟酌基频振动模式也不同。

这是观察离钟振动的最佳方法,与人耳无关。如果发现振动模式异常,可以判断钟壁厚度的均匀性有问题。研究结果表明:尽管铜质小钟声音优美,但铜质大钟向空气中辐射低频声波的效率却大大降低,因而低频段较弱,音质很差。现在,人们已决定采用铝材来制作大钟,不仅声音好听,而且重量也大大减轻。

激光与食品加工

食品质量低劣,不仅会影响人的食欲,而且,还会由于携带细菌而影响健康。食品卫生就越来越引起人们的高度重视,因而人们对食品质量探测技术的需求就越来越迫切。消费者、生产者、卫生监督部门都在迫切要求采用最新探测技术来探测食品中的病原体和残留农药。据估计,这种探测系统的市场规模,1998年为1.047亿美元,2003年已达到1.

506亿美元。其中,92%为病原体探测系统,而绝大多数是光子学探测技术。

亚特兰大Georgia技术研究所正在研制的激光生物传感器,根据光学特性的变化来判断细菌的存在,主要用于测量肉制品中的沙门氏菌类,测量速度比现有技术快得多,仅需几个小时就能得到测试结果。

SatCon技术公司的Tucson研制了一种能实时测量大肠杆菌和沙门氏菌类的生物传感器,根据肉表面的激光反射情况,就可获得有关病原体的特性。

康乃尔大学利用激光可读出有关细菌的信息。传感器由硅片组成,上有一个衍射光栅印记,并附有吸引细菌的抗体,如有细菌,则细菌就会粘在硅片上。用激光照射硅片,衍射强辐照,仅需25秒钟,就使细菌生存力下降99.9%。

现在,激光消毒正在电子工业的某些超纯水消毒系统中应用。进一步改善系统的性能,加速商品化的进程,激光消毒将会在食品工业中获得广泛应用。

激光与外科手术

在医院里,一提起动手术,总会引起病人和家属们的恐慌。这也难怪,因为传统的外科手术动刀动剪,都免不了要流血。为了保证手术的顺利进行,护士们总要准备一大堆止血器械和脱脂棉、纱布之类的东西,更增添了手术室的紧张气氛。

现在,外科手术中的很多场合已用上了激光刀,它改变了人们认为开刀就一定得流血的观念。

所谓激光刀,就是利用激光束对人体组织作切除、凝固、止血、汽化等手术的一种新型医疗仪器。它通过激光器辐射一种波长很容易被人体组织吸收的激光束,在人体组织吸收的过程中,将光能转化为热能,以破坏病态组织,达到治疗的目的。

人体的各个部位对激光的吸收程度是不同的,而不同波长、不同功率激光对人体的某个部位的作用也不相同。所以采用不同振荡频率的激光器,获得不同波长的激光,制成各种激光刀,就可以有选择性地对人体组织产生不同的影响,达到不同的治疗目的。目前常用的激光刀有以下几种:

(一)二氧化碳激光手术刀

这种激光器能辐射波长为10.6微米的激光束。这种波长的激光,几乎全部能被人体组织中的水所吸收。激光被组织表层吸收后,光能迅速转换为热能,使表层组织中的水顿时沸腾起来,被蒸发汽化。伴随着散发的缕缕白烟,患病的组织被脱水、汽化、凝固。因此用这种激光刀切除患病组织不会流血。二氧化碳激光辐射穿入组织仅0.5~1毫米深,在切口侧面形成较窄的热灼区,因此作为“光刀”,它可用于外科的许多方面。

(二)掺钕钇铝石榴石激光手术刀

这种激光器的辐射波长为1.064微米。人体组织中的水对这种波长的吸收能力比较弱,用它作为切除组织的手术刀,效果要比二氧化碳激光器略差一点。但这种波长的激光束穿透能力较强,能深深地渗透到组织内部,使其中的蛋白质凝固,达到治病目的。与二氧化碳激光束不同的另一方面,是它可以顺利地通过光纤传输,利用内窥镜技术对人体内部不易到达的部位(如胸腔、腹腔等)加热和止血。

(三)氩离子激光手术刀

氩离子激光器的辐射波长为0.488~0.515微米,几乎不能被人体组织中的水所吸收、但它能被血液中的血红朊吸收,使血管中的血因此而被凝固,因此有很好的止血作用。

(四)组合式激光手术刀

近年来,出现了一些“组合式激光手术刀”。如由钇铝石榴石激光器与二氧化碳激光器合成的所谓“组合激光手术器”,就是两种激光同轴工作,经反射镜和聚焦作用到人体组织上。血液丰富的器官(如肝、脾)可用此法。其特点是一边止血凝固,一边开刀切割,所以出血极少,时间又短。

二氧化碳激光器和钇铝石榴石激光器所辐射的红外激光,常常是看不见的,这给切除内脏等要求精确度较高的手术带来了困难。为了解决这个问题,在早期的国产激光手术器中,与二氧化碳激光器并排安装了一台能发出鲜红的可见光激光束的氦-氖激光器。两台激光器同步工作,由光学系统将两束激光引导在同轴的光路上,这样就能按一束鲜艳的红光束的指示进行手术了。为了降低成本、减小体积、节省能源,在近期进口的二氧化碳激光手术器械中,普遍采用了激光二极管作为引导光束,效果与采用氦氖激光器的差不多,很值得我国技术人员借鉴。

目前二氧化碳激光手术刀的光路中,有装有光学反射镜的接头若干个,以便可以有较大的自由度,但这种接头一多,就会带来操作上的不便。所以,已开始研制特殊的光纤材料,以期将可挠性较好的光纤引用到二氧化碳激光刀中,以代替笨重的光学接头。如KBS-5、TIBr等结晶纤维等。而在钇铝石榴石激光刀中,则用石英光纤就可以作为可挠性好的导光光路,配合内窥镜,将激光引向体内。

(五)二极管激光手术刀

众所周知,采用半导体二极管的激光器,功率一般都比较小,只能适用于通信、音响、监控等领域,而直接用于切割的产品极为罕见。但英国推出的Diomed型二极管手术系统则打破了这一传统观念。据称是世界上第一台应用于外科手术的这种激光器,波长为805纳米,能使用单模光纤,输出30~35瓦的功率。它能应用于任何接触或非接触的外科手术。其具有强大的市场竞争力的因素有三个,一是采用了二极管激光器,降低了投资费用;二是较之其他激光器而言,二极管激光系统寿命长,而且免于维护。三是整个系统结构紧凑、尺寸小、携带方便,可在临床应用中随意移动。

激光整容术

随着科技的发展、社会的进步、人们生活水平的提高,人们对自己的容貌有了新的要求。而相貌有缺陷的人在社交活动中常因此而造成自卑的心理,为了解除他们的这种心理负担,这就需要求助于整形外科。而激光整形外科则为他们带来了福音。

激光整形外科除了恢复机体功能外,更重要的还有改善形态的任务。它的对象是先天或后天组织和器官的缺损与畸形,皮肤软组织、肌肉、骨骼等创伤和某些疾病的后遗症。

在整形外科中,术后出血和形成血肿是整形手术的重要障碍,有时即便是细微的出血也会影响手术的成败。用激光作整形手术可以封闭小血管,使手术区达到几乎完全无血的状态。医生可以根据不同区域皮肤的厚度与应去除病损的深度而掌握激光剂量,可有效地防止术后遗留瘢痕。激光在切割或气化创口时的同时可以消灭细菌,不致伤口感染,伤口愈合很快。

用激光整容的适应范围很广,但可以分为激光切割和激光汽化两大类。适应于激光作切割手术的大都为位置较深的,病变和深部整形手术,如皮肤良恶性肿瘤、重睑成形术和腹部脂肪切除等,激光汽化适用于治疗表浅的皮肤病损和作美容手术。如雀斑、黄褐斑、皱纹、各种瘢痕、色素痣、舌系带过短、异常疣和扁平疣等。

以激光除痣为例,医生把激光聚焦后的光束对准病灶、只需一、两分钟,有痣部分便在高能量下被汽化。手术完毕之后不需特殊处理,医生只是在伤口涂点药膏,并会嘱咐在一个星期内不要让伤口沾水。大约一周后,疤结脱落,色痣就完全被割掉了。我国同济大学附属协和医院,10多年来,用二氧化碳激光治疗了300多名面部色素痣患者,均获得了满意的效果,其中有279人连一点痕迹都没留下。

一些用传统的手术无法处理的美容手术也可以考虑选用激光。如对皮肤异常色调的处理,传统的方法是无能为力的。

但色素斑、血管瘤、移植皮肤变色、瘢痕等皮肤色调异常的患者特别多,这往往会成为患者的最大苦恼。而钕玻璃、铜蒸气和染料等激光器对变色的皮肤比正常的皮肤有较强的作用,可以在不损伤皮肤的功能和形态的情况下,只去掉色调异常的部分。美国坎德拉激光公司宣称,他们制成了一种新型激光器,可消除良性着色病变而无疤痕和白斑,并强调这是同类产品中第一个通过了联邦食品药物管理局苛刻的考评而获得了许可证书。这种仪器首先得到了高加索人的欢迎,因为他们有70%的人有不雅观的雀斑和老年斑。据负责临床审查的一位博士介绍,其平均治愈率为85~90%。

激光与关节治疗

传统的矫形外科,为修复膝关节和其他关节受损伤的软骨,都采用切开和剥离、研磨的方法。尽管最近在切口和挟取的工具以及方法等方面有了较大的改进,但仍会导致出血和留有伤口。患者会产生手术痛疼并需几个月的时间来恢复组织损伤。

新的外科手术通过仅4~5毫米长的两、三个切口进行。

医生把被称之为“关节器”的一种装在不锈钢探头里的彩色成像装置,插入一个切口,当看到关节并确定病变组织所要采取的手术后,再将装在不锈钢探头里的光纤插入第二个切口,在医生的观察下,把激光能量通过光纤引导到关节上,切去受伤的软骨而不损伤邻近的组织。由于这种手术是采用热量切割,产生瞬间烧蚀,几乎消灭了出血现象。与机械切除的另外不同之处,还在于机械切除后的软骨不会再生,切口有毛刺。

而激光切除的创面光滑,还能刺激有益的自愈再生。

之所以要选用钇铝石榴石激光器,是因为它所辐射的2.1微米波长的激光束,可以通过很细的柔性光纤传递,医生可以借此到达以前不可能接近的部位。所以类似的手术并非仅仅适用于膝关节腔。如在内窥镜的控制下,可以通过光纤把激光能量传输到膀胱内,以粉碎膀胱结石。目前还有报道配合内窥镜技术,作胆囊切除术,因为可以通过光纤将胆囊里的结石用激光粉碎,否则医生往往因结石太大,无法从小孔拉出而中途采用开腹手术补救。

激光与眼睛手术

眼睛是人们工作、生活、学习不可缺少的重要器官,人们80%的信息、95%以上的工作都要靠眼睛来获取或协助才能完成。没有眼睛,世界就是一片黑暗。眼睛又是精密、娇嫩的组织,人们常用“眼睛揉不进沙子”来形容。所以眼睛就成为了人们重点保护的对象,是人的“第二生命”。由于眼睛所处的重要地位,所以任何新技术的出现都能首先引起眼科医生的注意。这样激光刚一出现,最先应用的医疗领域就是眼科也就不足为奇了。

矫正视力的激光

不知是什么原因,目前人们患近视的越来越多。这部分患者戴眼镜有的觉得有碍美观,或影响某些运动性工作,而流行的隐形眼镜不但太累赘,而且还存在导致新的炎症发生的危险性。

既然人的眼睛如同照相机一样,可以调节成像的焦距,那么为什么不能像照相机镜头一样,用旋转螺纹的方法来调节呢?这从理论上来讲是成立的,并且很早以前就有人设想过,但只是缺乏调整“螺纹”的“扳手”——精密的眼科手术器械。