激光对生物组织的等离子体诱导蚀除作用

等离子体诱导蚀除作用(plasma induced ablation)是指通过等离子电离形成的蚀除作用。等离子体(plasma)是一种由自由电子和带电离子为主要成分的物质形态,等离子状态是指物质在激光作用下,由于强烈的激光脉冲而出现较强的电场,使物质内部的原子内的电子脱离原子核的吸引,出现正负带电粒子分离的状态,等离子体的强吸收作用在短时间获得较大的电子密度即形成等离子蚀除效应。

等离子体诱导蚀除也被称为等离子体间接蚀除,都是等离子体本身的电离作用造成的。等离子体诱导蚀除最重要的参数是局部的电场强度E,由它决定是否发生作用。如果E超过某个阈值,即如果被加上的电场导致了分子和原子的电离,击穿就会发生。

I(r,z,t)= 1/2ε0cE2

通过基本的电动力学方程式我们可知它的电场与局部的功率密度有关。公式中的ε0代表介电常数,c为光速。

等离子体的最初产生可以从两个方面论述,Puliafito和Steinert(1984)已详细地对其进行了描述,我们可以观察到在纳秒范围内Q开关脉冲,在皮秒和飞秒范围内的模式锁定激光脉冲都可引起局部的微等离子区。在用Q开关脉冲时,它产生自由电子的初始过程被假定为热离子发射,也就是说电子的释放是由于热电离作用。在用锁模脉冲时,由于强烈激光脉冲而出现很强的电场,这样就会出现多光子电离作用。通常,多光子电离作用指的是这样的一个过程,在这个过程中一些光子的相干吸收提供了电离所需要的能量。由于相干性的需要,多光子电离作用只发生在皮秒或飞秒范围内的激光脉冲的高的峰值强度处。而通常在Q开关激光脉冲中,等离子体的能量和温度是比较高的,这是因为等离子体形成的阈值能量会随着增加。这样,光击穿作用在纳秒范围的脉冲上发生时,通常伴有非电离方面的效应。

由于原子或分子同时吸收了大量的光子,如果每一个单独的光子能量超过了电离的能量,那么多光子电离过程就会发生。电离发生的可能性取决于IkI是指激光的能量密度,k是同时被吸收的光子的最少数目,这时应该符合:khv>Eion。其中Eion为电离的能量。

雪崩电离过程

雪崩电离过程

物质中存在的自由电子,我们叫它幸运电子或种子电子,可以通过吸收光子被加速,如果它们的活跃能量足够高,这些电子就能够通过碰撞电离其他的原子,结果就形成了两个自由电子,它们各自的动能比最初的电子低,自由电子又吸收进入的光子,再加速,再碰撞原子,然后又释放出两个电子,形成雪崩效应。上图为一个电子在接受光子能量后获得动能,撞击原子产生两个电子,这两个电子再吸收能量撞击其他的原子。这种发生在有原子参与的情况下的光子吸收和电子加速的基本过程被称作逆向轫致辐射(inverse bremsstrahlung),在整个过程中,光子的能量没有限制,电子可通过吸收任何能量来增加它的动能,这样就导致自由电子密度在短时间内上升,使得电离作用迅速发生,这样才能使它的电子流失不会遏制电子雪崩的发生。等离子体吸收的提高从根本上来说是由于自由电子的高密度而产生的,这是因为自由电子能够吸收激光光子的缘故。这样通过等离子体的形成,就会引起一种有效的蚀除。用这种诱导等离子体蚀除法,当我们选用合适的激光参数时,就可得到光滑且轮廓清晰的组织去除,而没有任何热损伤和机械损伤。能产生等离子蚀除效应的聚焦Q开关Nd:YAG激光已被应用于白内障切割手术中。

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