半导体激光在医学的应用
本文介绍了半导体激光器在医学中的应用， 以及通过和大多数的激光器的对比，认为半导体激光器结构简单，便于携带，效率高，能量输出稳定，体积小、重量轻、携带运输方便，且不需高电流或外循环冷却水，使半导体激光可用于一些特殊环境，如：手术室、门诊乃至野外。
使用方便关键词：激光器，半导体激光器，半导体激光的实验及临床研究，半导体激光在耳鼻咽喉科的应用一、国内发展现状激光技术是二十世纪与原子能、半导体及计算机齐名的四项重大发明之一。
三十多年来， 以激光器为基础的激光技术在我国得到了迅速的发展，现已广泛用于工业生产、通讯、信息处理、医疗卫生、军事、文化教育以及科学研究等各个领域， 取得了很好的经济效益和社会效益， 对国民经济及社会发展将发挥愈来愈重要的作用。
（一）促进科学技术的发展和进步由于激光具有很好的单色性、相干性、方向性和高能量密度，它已渗透到各个学科领域，形成了新的学科。例如：激光信息存储与处理、激光材料加工、 激光医学及生物学、激光通讯 、激光印刷、激光光谱学、激光化学、 激光分离同位素、激光核聚变、激光检测与计量及军 用激光技术等，极大地促进了这些领域的技术进步和前所未有的发展。
（二）在国民经济中形成新的产业部门激光产业正在我国逐步形成，其中包括激光音像、激光通讯、激光加工、 激光医疗、激光检测、激光印刷设备及激光全息等，这些产业正在作为新的经济增长点而引起高度重视。例如，全国已有 380 多家生产激光音像设备（CD、LD、VCD、DVD） ，1996 年在我国已形成年产值 85 亿元以上的新产业，发展异常迅速。又如，利用激光全息技术开拓了激光模压全息防伪商标和装饰业，也已成为较大规模的新兴产业。
（三）促进医疗技术进步，提高人民健康水平激光医疗技术目前已在眼科、外科、内科、妇科、耳鼻喉科、心血管科、 皮肤科等领域得到广泛应用， 激光医疗设备已进入县以上的医院，这对医疗技术的进步和提高人民健康水平起着重要作用。
国外激光产业发展现状根据《激光集锦》1997 年报导， 世界激光器市场可划分为三大区域：美国（包括北美）占 55% ，欧州占 22%，日本及太平洋地区占 23%。在世界激光市场上日本在光电子技术方面占首位，美国占第二位； 在激光医疗及激光检测方面则美国占首位；而在激光材料加工设备方面则是 德国占首位。
一)、美国激光产业发展现状在激光医疗方面， 美国处于世界领先地位。 激光医疗设备不仅在美国获得广泛应用，而且大量出口，美国的激光医疗设备由美国食品药物管理局（FDA） 统一管理， 只有经过批准注册方可使用和生产， 这样就保证了激光医疗设备的产品的质量和可靠性与安全性。据统计，1986 年美国医院进行的 2100 万例手术中已有 250 万例使用 CO2激光手术刀，占总手术的 12%，美国全国 2/3 的门诊机构已拥有激光医疗设备。在美国新的激光医疗仪器和医疗技术不断出现， 例如， 美国每年有 20-25 万椎间盘突出病人，其中 10-20%可以用激光进行切除；美国有 1400 万人希望除去身上的纹身，美国每年诊断有 45 万例患者有肾结石，其中 1/3 用内窥镜技术或激光碎石术治疗，用准分子激光作角膜刻划来矫正视力已作了 2 万多例，1995 年已为美国 FDA批准使用， 预计1996 年可能有 200-300 台准分子激光器在美国销售，用于治疗近视眼，产值约 8000-12000 万美元；1995 年又推广了 CO2 激光美容手术，特别是去掉皮肤皱纹的手术受到欢迎，这两项手术的推广导致 1995 年医用激光器的收入增加。 这种去掉皮肤皱纹的方法称为皮肤再光滑激光疗法，在美国每次治疗的价格从 800 美元到 4500 美元（不包括保险费） ，由此估算出皮肤再光滑的市场规模可达 15 亿美元，因而吸引了至少 8 家公司为皮肤再光滑激光疗法推出 CO2 激光系统。据预测第一代软组织的激光牙科机在九十年代初期销售可达几千台，销售额 0.9 亿美元， 第二代硬组织激光牙科机可能替代大部分的机械牙钻市场。
二)、日本激光产业发展现状八十年代初，日本产业界积极采用激光加工，并逐步扩大到焊接、钎焊。 统计表明，日本占当今世界上工业用激光设备的 30%左右， 激光加工是日本重要的基础制造技术之一。日本现用于材料加工的是大功率二氧化碳激光器和 Nd：YAG 激光器，少量准分子激光器也已使用，而新开发的气体激光器有波长 10.6微米二氧化碳激光器、 波长 5 微米一氧化碳激光器、 波长 1.3 微米的碘激光器及二极管激励固体激光器的紫外准分子激光器等。 现在的二氧化碳激光器功率多为500W，而理论上可高达 100KW，近期报导已达到 20kW。且其功率越大，效果越好， 故日本对二氧化碳激光器开发研究寄以期望。日本利用激光治疗癌症十分积极，主要是 Ar 激光激励、闪光灯激励、准分子激励的染料激光器。 随着光纤技术的发展， 它们是非切开治疗体腔内癌的划时代的新手段，还能治疗血管狭窄、闭塞、给心脏外科带来革命。光纤腹腔镜已顺利走上应用轨道， 不动手术的腹腔内疾患激光治疗法， 对高龄人口结构的日本具有重要的、现实的意义。准分子的紫外光束有良好的光化学效应，适宜于非热性切开、切除、并能抑止红外光束所常见的切开部的热变性和炭化， 一部分 ArF 激光器 （角腊在 193nm附近有吸收带）适用于角膜切开，进行眼科近视治疗的角膜手术，但能否保持治疗效果仍有疑问。ArF 激光有优秀的骨切开功能，在整形外科中大有用武之地。日本防卫医科大学最近在临床试用准分子激光清除严重烧伤（死）皮肤组织， 时间短、痛苦少，并能有选择地控制照射，无紫外线过量而致癌之忧的新技术。波长 780-830nm，功率 10-1200mW 的 GaAlAs 激光器用眼科白内障、眼睑异常治疗、外科皮肤肌肉切开、神经科神经纤维伸长抑制、循环系的血流、皮肤温度控制、减轻疼痛等。不久的将来，半导体激光激励小型激光器一旦实现，激光医疗应用将会出现飞跃。 自由电子激光器将是今后医疗领域的台柱，是未来医用激光设备的代表。激光医疗的主要课题是治癌，并为治疗艾滋病、疑难怪症带来福音。
三）、作用原理生物组织吸收激光能量后，将其光能转变成热能的过程，称为光热作用。 因热反应所致的局部组织效应程度不同而又有热凝固、汽化、 穿孔和切割等一系列热效应，临床上，常根据不同治疗目的选用其中一种。影响局部组织热效应强弱的因素很多， 但主要因素是激光器功率的高低， 受照组织对相应波长的激光能量吸收率的大小和激光持续作用的时间长短。 半导体激光作为新一代光刀已进入临床实用化。由于其波长不同于常用激光，理论上，其医用光剂量也不能沿用诸如CO2，Nd：YAG 等激光常规剂量，而应在开启前进行功率预置。因此，根据不同需要选择功率预置水平， 对于安全和高效地使用激光器、 防止意外事故具有重要作用。 激光的功率预置除了需要根据组织类型和操作环境选择外，术者对激光操作的熟练程度和手术速度等也是很重要的影响因素 。
另外采用半导体激光接触式治疗方式， 激光能量经传输系统至激光探头， 一部分能量被特制探头吸收，用来汽化切割组织；另一部分能量从探头透出，主要起凝固止血作用。这样一定比例的能量分配使汽化切割和凝固止血得以同时进行， 既加快了汽化切割速度又避免了术中出血；同时该波长激光穿透深度适宜(0.5 cm)，不易损伤周围组织。
（一） 、半导体激光的实验及临床研究Takeda首先于 1988 年用低能量半导体激光在老鼠涎腺上进行实验性研究， 证实导管上皮细胞的有丝分裂在激光照射 1 h 和 24 h 之间并没有非典型的增加， 且导管上皮细胞有丝分裂多数出现颗粒状， 少数是纹状， 更少数部分是棒状，同时也应注意性质不同的低功率激光对涎腺上皮的影响也不同。Emoto对10 只(20 眼)兔和 24 例(40 眼)闭角型青光眼患者行半导体激光虹膜切开术，证实虹膜切开较为容易，选择能量为 1 000 mW，光斑直径 75 μm，持续时间 0.05 s，有利于虹膜造孔，且角膜内皮损伤小，较其它激光具有明显优越性。Milokhova等对临床 242 例牙髓炎和牙周炎患者应用半导体激光进行治疗，证实不同功率的半导体激光治疗各种不同类型的牙髓炎和牙周炎是有效的， 并且能减少其疼痛和肿胀。Kucharska 等应用半导体激光对 205 例骨关节疾病患者进行治疗， 证实能减轻骨关节疼痛综合征， 减少骨连接的退行性改变， 减轻疼痛和水肿。国内孙爱达等对 36 例妇科患者在局麻下应用半导体激光进行腹腔手术， 手术安全成功，无并发症，说明半导体激光治疗具有安全有效、易于操作的优点。同时半导体激光能量经可屈光纤传输到激光探头，一部分能量被特制的探头吸收，用于汽化切割组织，另一部分能量从探头透出起凝固止血作用，汽化和凝固同时进行，避免了出血。
（二） 、半导体激光在耳鼻咽喉科的应用Wang 等在实验中采用“邮票”粘膜移植、染料蛋白激光焊接术，解决了气道内移植物固定的难题。并证实 810 nm 半导体激光较其它医疗激光穿透力强，无毒蓝绿染料能降低激光能阈，与白蛋白混合可增强组织粘合强度，减少热损伤， 蓝绿染料白蛋白半导体激光焊接“邮票”粘膜技术为经内窥镜治疗喉气管狭窄开辟了前景。国内金晓杰等运用低功率半导体激光连续辐射焊接吻合豚鼠切断的面神经并与临床常用的端端缝合三针比较，观察吻合后 4 周、6 周和 8周时面神经肌电的变化， 以及扫描电镜及透射电镜下面神经形态情况。结果显示在 4 周时， 缝合三针的动物面神经损伤较激光焊接者严重， 面神经功能恢复明显缓慢，提示用半导体激光面神经吻合方法是可行的。半导体激光是新一代的激光，已广泛应用于临床 ，但耳鼻咽喉科领域仍应用不多。王斌全等采用高效率半导体激光治疗鼻咽部闭锁 3 例，经随访后疗效满意。张宝泉等用 DIOMED 半导体激光治疗 204 例阻塞性睡眠呼吸暂停综合征，取得良好效果；并证实 DIOMED 半导体激光手术中出血少，且有多种探头的光导纤维， 既可完成切割功能又可完成深部内照射，使用一机即可完成手术。王玉英等用半导体激光治疗仪治疗 10 例变应性鼻炎，方法是采用大光腔半导体激光治疗仪，输出功率连续可调，平均功率 5 mW，分别取双鼻翼及双迎香穴，每穴 5 min，结果证实半导体激光治疗见效快，疗效可靠，方法简便，无痛苦，患者乐于接受，值得推广应用。
总之激光治疗的优点：
①组织损伤小，手术用时短，很少甚至不出血。
②术后痊愈所需时间较常规方法短，引起的炎症和不适也比常规方法小。
③术中视野清晰，患者痛苦小，和传统手术比较，手术技术操作容易。
④由于对局部组织刺激轻，减少了术后粘连和肉芽组织增生。四、结论综上所述，半导体激光以其穿透力强、结构简单、性能稳定、效率高、空气冷却、无毒无害等特点显示了客观实用性，但某些性能还不够理想，如：光斑不均匀及血红蛋白吸收率低等。由于半导体激光体积小、重量轻、携带运输方便，且不需高电流或外循环冷却水， 使半导体激光可用于一些特殊环境， 如： 手术室、门诊乃至野外，使用方便 。目前我们在电视纤维喉镜的引导下，将半导体激光应用于喉部疾病的治疗中， 疗效满意， 相信它在耳鼻咽喉科及其它领域中将发挥更大作用。
英田激光详解半导体激光器的结构和工作原理分析
英田激光（400-9900-509）表示半导体激光器 是一种在电流注入下能够发出相干辐射光(相位相同、波长基本相同、强度较大)的光电子器件。
半导体激光器工作原理
工作三要素:
受激光辐射、谐振腔、增益大于等于损耗。
现以激光器为例，介绍注入式同质结激光器的工作原理。
1．注入式同质结激光器的振荡原理。 由于半导体材料本身具有特殊晶体结构和电子结构，故形成激光的机理有其特殊性。
（1）半导体的能带结构。半导体材料多是晶体结构。当大量原子规则而紧密地结合成晶体时，晶体中那些价电子都处在晶体能带上。价电子所处的能带称价带（对应较低能量）。与价带最近的高能带称导带，能带之间的空域称为禁带。当加外电场时，价带中电子跃迁到导带中去，在导带中可以自由运动而起导电作用。同时，价带中失掉一个电子，则相当于出现一个带正电的空穴，这种空穴在外电场的作用下，也能起导电作用。因此，价带中空穴和导带中的电子都有导电作用，统称为载流子。
（2）掺杂半导体与p－n结。没有杂质的纯净半导体，称为本征半导体。如果在本征半导体中掺入杂质原子，则在导带之下和价带之上形成了杂质能级，分别称为施主能级和受主能级。
有施主能级的半导体称为n型半导体；有受主能级的半导体称这p型半导体。在常温下，热能使n型半导体的大部分施主原子被离化，其中电子被激发到导带上，成为自由电子。而p型半导体的大部分受主原子则俘获了价带中的电子，在价带中形成空穴。因此，n型半导体主要由导带中的电子导电；p型半导体主要由价带中的空穴导电。
半导体激光器中所用半导体材料，掺杂浓度较大，n型杂质原子数一般为（2－5）× 1018cm－1；p型为（1－3）×1019cm－1。
在一块半导体材料中，从p型区到n型区突然变化的区域称为p－n结。其交界面处将形成一空间电荷区。n型半导体带中电子要向p区扩散，而p型半导体价带中的空穴要向n区扩散。这样一来，结构附近的n型区由于是施主而带正电，结区附近的p型区由于是受主而带负电。在交界面处形成一个由n区指向p区的电场，称为自建电场。此电场会阻止电子和空穴的继续扩散。
（3）p－n结电注入激发机理。若在形成了p－n结的半导体材料上加上正向偏压，p区接正极，n区接负极。显然，正向电压的电场与p－n结的自建电场方向相反，它削弱了自建电场对晶体中电子扩散运动的阻碍作用，使n区中的自由电子在正向电压的作用下，又源源不断地通过p－n结向p区扩散，在结区内同时存在着大量导带中的电子和价带中的空穴时，它们将在注入区产生复合，当导带中的电子跃迁到价带时，多余的能量就以光的形式发射出来。这就是半导体场致发光的机理，这种自发复合的发光称为自发辐射。
要使p－n结产生激光，必须在结构内形成粒子反转分布状态，需使用重掺杂的半导体材料，要求注入p－n结的电流足够大（如30000A／cm2）。这样在p－n结的局部区域内，就能形成导带中的电子多于价带中空穴数的反转分布状态，从而产生受激复合辐射而发出激光。
2．半导体激光器结构 。其外形及大小与小功率半导体三极管差不多，仅在外壳上多一个激光输出窗口。夹着结区的p区与n区做成层状，结区厚为几十微米，面积约小于1mm2。
半导体激光器的光学谐振腔是利用与p－n结平面相垂直的自然解理面（110面）构成，它有35的反射率，已足以引起激光振荡。若需增加反射率可在晶面上镀一层二氧化硅，再镀一层金属银膜，可获得95％以上的反射率。
一旦半导体激光器上加上正向偏压时，在结区就发生粒子数反转而进行复合。
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