激光打印机工作原理

以下摘自百度文库：

激光打印机基本原理：

激光打印机工作过程所需的控制装置和部件的组成、设计结构、控制方法和采用的部件会因厂牌和机型不同而有所差别，如：

①对感光鼓充电的极性不同。

②感光鼓充电采用的部件不同。有的机型使用电极丝放电方式对感光鼓进行充电，有的机型使用充电胶辊（FCR）对感光鼓进行充电。

③高压转印采用的部件有所不同。

④感光鼓曝光的形式不同。有的机型使用扫描镜 直接对感光鼓扫描曝光，有的机型使用扫描后的反射激光束对感光鼓进行曝光。

不过他们的工作原理基本一样。由激光器发射出的激光束，经反射镜射入声光偏转调制器，与此同时，由计算机送来的二进制图文点阵信息，从接口送至字形发生器，形成所需字形的二进制脉冲信息，由同步器产生的信号控制9个高频振荡器，再经频率合成器及功率放大器加至声光调制器上，对由反射镜射入的激光束进行调制。调制后的光束射入多面转镜，再经广角聚焦镜把光束聚焦后射至光导鼓(硒鼓)表面上，使角速度扫描变成线速度扫描，完成整个扫描过程。

硒鼓表面先由充电极充电，使其获得一定电位，之后经载有图文映像信息的激光束的曝光，便在硒鼓的表面形成静电潜像，经过磁刷显影器显影，潜像即转变成可见的墨粉像，在经过转印区时，在转印电极的电场作用下，墨粉便转印到普通纸上，最后经预热板及高温热滚定影，即在纸上熔凝出文字及图像。在打印图文信息后，清洁辊把未转印走的墨粉清除 ，消电灯把鼓上残余电荷清除，再经清洁纸系统作彻底的清洁，即可进入新的一轮工作周期。

激光器的工作：

产生激光的光源，和普通的光源明显不同。如普通白炽灯光源是通过电流加热钨丝的原子到激发态，处于激发态的原子不断地自发辐射而发光。这种普通的光源具有很大的散射 性和漫射性，不能控制形成集中的光束，也就不能应用于激光打印机。激光打印机所需要的激光光束必须具有以下特性：

①高方向性。发出的光束在一定的距离内没有散射和漫射。

②高单色性。纯白光由七色光组成。

③高亮度，有利于光束的集中并带有很高的物理能量。

④高相干性，容易叠加和分离。激光器是激光扫描系统的光源，具有方向性好、单色性强、相干性高及能量集中、便于 调制和偏转的特点。早期生产的激光打印机多采用氦-氖（He-Ne）气体激光器，其波长为632．8nm，其特点是 输出功率较高、体积大、是寿命长（一般大于1万小时）性能可靠，噪音低，输出功率大。但是因为体积太大，现在基本已淘汰。现代激光打印机都 采用半导体激光器，常见的是镓砷-镓铝砷（CaAs-CaAlAs）系列，所发射出的激光束波长一般为近红外光（λ=780nm），可与感光硒鼓的波长灵敏度特性相匹配。半导体激光器体积小、成本低，可直接进行内部调制，是轻便型台式激光打印机的光源。

激光扫描是用来产生非常小的高精度光点，用于高质量的文字及图像的印刷，常用的激光扫描系统工作原理是：在工作物质两端设置两块相互平行的反射镜（栅极），这两块反射镜之间构成了一个谐振腔。谐振腔的一块反射镜为全反射镜，另一块为半反射镜，当工作物 质受激，原子自发辐射的光子在谐振腔内不断地来回反射，辐射出的光子不断增加。当谐振腔内叠加的光子增加到一定量时，就会穿透半反射的反射镜面发出一束非常强的光，这就是激光。这样发出的光束非常集中，几乎没有散射，只要我们利用控制技术将光波波长控制在 700～900nm（纳米），这样所产生的激光就可以满足激光打印机感光鼓的曝光需要。

现代所用的半导体激光器，通常采用激光二极管，它的原理与普通的二极管极为相似，如都有一对PN结，当电压和电流加到激光二极管上时，P型半导体材料中的空穴和N型材料中的自由电子产生相对运动， PN结处载流子的密度增加非常大，自由电子和空穴重新复合，因而产生受激辐射，释放出具有激光特性的光子，由激光器谐振腔内的反射镜反射，透过激 光孔和孔内聚焦镜，射出激光束。

从激光的产生可以看出，一条激光束只包括一种主要波长的光线，它是单色的。每一 条光线都沿一个方向传播，以相互叠加的方式结合，我们称之为"相干性"。这个特性使激光以一条极细的光束射到一个靶上，而几乎没有散射。而每条激光束就像q膛里射出的子d ，每颗子d只能在靶上打一个孔。如果要打出一个"一"字，就要射出很多的子d，沿"一"字方向打出很多的孔，形成一个"一"字点的横向排列，这就是我们所说的"点阵排列" ，是后面要讲"点阵图像"的技术基础。

激光打印机的图文信息，亦是由点阵组成。印刷质量要求越高，组成一个字符的点阵亦 越多。激光扫描的点阵形成有四种方法。单线扫描：将一行字符的每一行的点阵信息，送至扫描器中进行扫描，称为单线扫描。多线顺序偏转扫描：高频信号发生器依次产生9个不同的频率，依据布雷格衍射原理，它们在偏转调制器中会产生9条偏转角不同的扫描线，接着转镜旋转一个微小角度，扫描出从左至右的点阵信息。由于这种方法只需转镜转过一个微小的角度，它相当于单线扫描方法的1/132，即可形成1个字，故又称小光栅扫描。 多线同时偏转扫描：是指在高频驱动电路中同时产生9个不同的频率，经合成后送至偏转调制器中。多线同时偏转多次扫描：这种方法与多线同时偏转扫描属同一类，只是从1个字 符的形成上有所区别。即在扫描高点阵字符时，一个完整的字符是分成多次扫描完成的。图形信息的点阵形成与字符的点阵形成基本相似。

感光鼓的结构和原理：

感光鼓是激光打印机的核心部件。它是一个光敏器件，主要用光导材料制成。它的基本工作原理就是"光电转换"的过程。它在激光打印机中作为消耗材料使用，而且它的价格也较为昂贵。光敏半导体有半导体的共性，如受热激发，掺杂后改变电导率等。此外，它还具有其 他半导体不具有的"光导电"特性。光敏半导体受光照射后，它的电导率可以上升几个数量级。从能带上讲，它的价带中 的电子吸收了光的能量后，跃入导带，产生电子-空穴对。这种由光照产生的电子-空穴对，称为"光生载流子"。光敏半导体内产生的"光生载流子"增多，它的电导率就上升。这种受光照射后提高的电导率称为"本征光电导率"。 实际应用中，光敏半导体材料需经过掺杂后，才能制成激光器使用的半导体材料。所以除了有本征光电导率外，还必须具有光激发杂质能级上的电子或空穴形成的杂质光电导率 的性质。在有些光敏半导体中，"杂质光电导率"起主要作用。

光敏半导体受光照射后，会不同程度地改变物体内的"载流子迁移率"（迁移率是载流 子的迁移速度与外电场的比值）。标志物体的导电能力的"电导"，等于载流子密度乘以迁移率。迁移率上升，电导提高，电导率由本征光电导率、杂质光电导率和迁移率的值共同决 定，只是在某种条件下便以其中的某种因素为主罢了。

实际应用的各种光导体对光的敏感程度都不一样。光导体的电导率与它对光的敏感程 度成正比。所以光感对光导体的导电性影响很大。光导体对光的光感度是不一样的。某一种光导体，只对某一区域光谱的光的光感度高，离开了这一区域，则可能丧失光感度。

光敏半导体在与它适用的光波长范围内，会对光形成一个吸收峰值。在这个峰值范围内光电导效果最佳。它还与光的照度有关系。照度越高，产生的载流子越多，光电导率就越 高。然而每种光导体的特性各异，所以在相同条件下，达到相同的光电导率指标所需要的照度是不同的。

目前感光鼓常用的光导材料有硫化镉（CdS）、硒-砷(Se-As）。有机光导材料（opc）等几种。制作感光鼓用的光导材料，应具备以下特性：

①耐磨性好。光导体表面要有一定的硬度，要能承受显影转印和清洁过程中的机械磨损。如果感光鼓（光导体）被磨损或划伤，将导致打印质量的下降或破坏感光鼓 ，磨损严重时只有报废。在实际的工作中，因磨损、划伤而报废的感光鼓最多。现在一种新型的长寿命的陶瓷感光鼓（a-Si）已经得到了应用，可打印30万张以上。

②温度稳定性好。光导体的性能容易受温度的影响，所以，在激光打印机性能中特别强调使用环境要有 合适的温度与湿度，否则会影响打印质量。

③光电导性好。 光电导性是感光鼓的重要指标，它直接影响到打印质量的好坏。因为感光鼓连续工作在充电、放电的循环过程中，要求充电时电位上升快，表面饱和电位比应用电位要高；否则 ，初始电位上不去，也将影响打印质量。充电后的感光鼓暗衰减要小，否则保持不住表面电位，不能形成必要的电位差潜像。感光鼓曝光后放电要快，即光衰迅速。放电越彻底越好 。因为剩余电位的多少，既影响潜像的反差，又会带来打印品的"底灰"。

④耐疲劳。感光鼓在使用的过程中，打印机要对其进行反复充电，因而要具有良好的耐疲 劳性能，在规定的寿命时间内，打印质量不能因连续使用而下降。感光鼓的光导特性稳定性要好，应满足连续使用的要求。

激光打印机使用的感光鼓，一般为三层结构。第一层是铝合金圆筒（导电层），第二层是在圆筒表面上采用真空蒸镀的方法，镀上一层 光导体材料（光导层），第三层是在光导材料的外面再镀一层绝缘材料（绝缘层）。有的感光鼓为了更好地释放电荷，在光导层与铝合金导电层中间，加镀一层超导材料，以使电荷更迅速地释放。

感光鼓表面的绝缘层，一是为提高耐磨性能，增加使用寿命；二是为光导层提供保护，防止光导体的磨损，保持光导体的光电导特性。

导电层铝合金筒与激光打印机的地线相连，使曝光后的电位迅速释放。它是一个精度非常高的圆筒，在运转的过程中，能保持匀速运转及保持均匀电荷。

数据转译与传递：

（1）数据转译：要打印完整的文字、图像，除激光打印机本身的功能外，还必须通过计算机把要打印 内容，即文字或图像用文字处理软件或图形处理软件，编辑成具有一定格式的计算机语言。其描述的内容都是由计算机编辑软件决定，与激光打印机没有任何关系。当我们选定了打印 机命令，并按下确定打印按钮后，计算机把编辑好的数据通过打印机接口传送给打印机，由打印机驱动程序把打印的内容进行解释，并转换成打印机可以识别的语言（也叫打印机语言），由打印机按照自己的语言打印出已经编辑好的文字或图像。

不同型号的激光打印机，打印语言不同，所使用的驱动程序也不同。当然也有可兼容的打印机驱动程序。现在生产的激光打印机，普遍采用标准打印语言PCL5或PCL6语言。

（2）数据传送：打印机与计算机之间的通讯传送端口有很多种，比较常见的是"串口" 或"并口"。EP P/ECP（Enhanced ParalleI Port/Extended Capabilities Port）称为增强型/扩展型并口。"串口"由于速度较慢，一般很少采用。其他如SCSI接口，因速度快，大都用在较高档的打印机上。还有的打印机采用视频接口（VDO）方式与计算机通讯，通讯方式与其他 接口不同，它传送的不是数据，而是激光束流，速度更快。它的数据是由另外一块"视频转换卡"来完成，但因它与计算机共亨内存，要求计算机有足够的缓存空间。一般印刷排版行 业采用此种接口的打印机较多。有的高档打印机带有多种接口，可同时接多台计算机。现在生产的很多打印机配备速度更快的USB接口。

当打印控制器从计算机接收数据之后，打印机一般采取两种工作方式：一种是把数据 直接送给解释器执行打印，称为"段工作方式"，这种方式工作的打印机不需要很多的缓存和内存，普通型的打印机多采用此种工作方式。另一种是把传输的数据存储在打印机内部的 硬盘中，待使用时可随时打印出来，也称为"池工作方式"，很多高档打印机使用这种工作方式。它的优点是当许多用户共享一台打印机时，可同时发出打印命令而不必等待，并可节省数据通讯传输的等待时间，但其价格也较贵。

光栅或点阵潜像的生成：

激光打印机打印出的文字或图像，如果在放大镜下观察，就会发现文字或图像是由很多的白点和黑点组成（也叫点阵图形），与普通的点阵式打印效果相似。前者是通过控制激光束的开与关实现点阵排列，而后者则是通过打印针击打来实现点阵排列。

光栅图像是一种视频数字图像，需要打印机中的光栅转换器把视频数据进行光栅化处理，转换成打印机使用的点阵图像打印，所谓光栅图像是由独立的点所组成的图像。如报纸 上印的或电视屏幕上显示的图像就是光栅图像。

激光打印机的点阵排列是由二进制数据组成的方阵控制，每个点对应一个二进制数位， 由运算控制器控制激光器向感光鼓表面射出一束激光，称为“曝光”，被曝光的"点" 称为"像素点"。要打印一个文字或一幅图像，需要很多的"像素点"组成。因此，单位面积内像素点的数目越多，打印的分辨率就越高。如果一个激光扫描装置，沿感光鼓轴向水平 表面，射出每英寸300个点，并且感光鼓由主电机带动按照1/300分匀速旋转，那么，激光打印机就能以每平方英寸300×300DPI的分辨率打印出文字或图像。现在，高档的激光打 印机的输出精度可以达到2400DPI。由像素点形成点阵图像，还要经过声光调制器、高频驱动器、扫描器同步器和光学系统共同完成。

声光调制器：

大家知道，电视机接收到的图像和声音是由电视台将声光信号调制为电信号发射出来的。电视机接收到电信号再经过解调，还原成图像和声音。激光打印机激光器射出的光束 也载有数据信息，这些信息的转换过程也类似于电视机信息传递过程。只是此过程是由声光调制器转换的。声光调制器的调制频率可达30MHz左右，特性稳定，因此大多数的激光打印机都采用这种调制器。声光调制器的工作原理是利用声光效应所产生的布雷格衍射的特 点，实现对激光束传播方向的控制。激光束欲完成图文信息的映像任务，必须用图文信息进行调制，恰如电视台将图像及声音信号调制到无线电波上去，方能在电视机中解调出图像与 声音信号一样。声光调制器的工作原理，是利用声光效应产生布雷格衍射，若在玻璃及晶体等超声媒质中产生超声波，便将引起周期性的折射率变化，而成为相位型衍射栅，光栅常数 等于超声波波长，当激光束射到超声媒质中时，激光束即产生衍射，衍射光的强度及方向会随超声波的频率及强度而变化，即为声光效应。

当向玻璃或晶体发射超声波而产生反射，由入射角折射的光线传播而形成相位变化的衍射光栅，光栅常数等于超声波的波长λ。如果激光束射入超声媒体中，激光束就会产生衍射，衍 射光的强度和方向随超声波的频率和强度的变化而变化，这就是声光效应。根据波干涉的加强条件，入射光和衍射光的方向满足布雷格方程：

θi=θd=θB

sinθB=λ/2A=λf/2v (v=fA)

式中：θi：入射光与超声波面的夹角；λ：光在介质中的波长；θd：衍射光与超声波面的夹角；A：超声波波长；θB：布雷格角；f：超声波频率。 θB很小时，sinθB≈θd，则方程可简化为：θi=θd=θB=λf/2v，当衍射光和入射光的夹角为α时，则：α=θi+θd=2θB=λf/v。式中α为偏转角，它与超声波的频率成正比。改变超声波频率f,就可以改变偏转角α，从而达到控制激光束方向的目的。

按布雷格衍射理论，当超声波维持一种频率的高频信号时，入射的激光束除产生一条0 级光外，还产生一条1级衍射光。0级光控制同步器和高频信号的起停，1级衍射光对感光鼓曝光形成像素点。

扫描器：

要使经过声光调制器后的激光束在感光鼓上产生文字或图像，激光束需要完成横向 和纵向两个方向的运动，不能依靠激光器运动来实现，因为由光电器件运动而带来的振动会影响激光束的精度。所以激光打印机的激光器采用固定式结构，而由一个多面旋转的反射镜 来完成激光束横向扫描，依靠感光鼓的旋转实现纵向扫描。

欲使经调制后的激光束在感光硒鼓上产生文字与图像，尚应完成横向（沿打印纸行的方向）及纵向两个方向运动。纵向运动是依靠硒鼓的旋转来完成，而光束的横向运动则由扫描器来完成。按工作方式扫描器分声光式、电光式、检流计式及转镜式等。鉴于转镜式扫描 器有扫描角度大、分辨率高、光能损耗小及结构简单等优点，而被广泛用于激光打印机中。为了减少多面镜旋转时产生的非线性误差，转镜的几何精度的误差及转镜驱动电动机转 速不稳等，引起的纵向间距和字符的轨迹不均匀等缺点，一般在扫描器中还装有一个同步信号传感器。此传感器是使用布雷格衍射产生的0级光，不产生偏转，从而经多面转镜反射 后具有照射位置固定的特点，将其作为同步信号，用来控制高频信号发生器的起停，可保证扫描间距一致，消除上述误差。

为使扫描器产生的扫描光束集成规定的大小，并在感光鼓上进行匀速直线运动，应采用较好的光路系统。光路系统根据透镜处于扫描器的前后位置，分物镜前/后型两种形式，由 于物镜后型在扫描较大图形时失真严重，很少采用。物镜前型扫描线较直，但亦有失真，由于后来生产的激光打印机中，采用多个透镜组合在一起的广角聚焦镜，焦距为300mm，多面 转镜的物距为37mm，失真度仅为0．0011%，已能完全满足激光成像的要求。

激光打印机用的多棱扫描器（镜），一般有二面镜、四面镜、六面镜三种，由扫描电机 带动旋转，完成横向的扫描运动。它是保证激光打印机打印精度的关键部件。扫描器完成横向扫描的原理为： 我们设定MN为扫描器的一个镜面。当入射激光束射到MN面的A点上时，若入射角为θ?i，则反射光束以反射角θ?d反射出来，θ?i=θ?d，当MN转过一个角度φ，而入射光束方向不变，则反射光束转过2φ，也就是反射光束以MN的两倍角旋转。如果P为反射光 点在感光鼓的一端，而P1为反射光点，在感光鼓的另一端就完成了对感光鼓的横向扫描，当然扫描器的旋转速度是极快的，所以P～P?1之间也形成很多的反射激光束点。 当主电机带动感光鼓旋转，同时也完成纵向扫描的反射激光束点，就这样最终完成文字或图像的点阵排列。

具体请看百度文库：http://baike.baidu.com/view/101382.htm

生命科学是当今世界科技发展的最大热点之一。目前几乎所有的科学技术都将环绕人与人类的发展问题，寻求自己的有意义的生长点与发展面，而生命科学的重点研究对象更是直指高等生命活体与人体本身的一些重大问题。近几年来，已形成了光子学与生命科学互相交叉的学科新分支——生物医学光子学(Biomedical Photonics)。这方面的研究工作十分活跃，发展十分迅速，它将开拓生命科学的一个新领域。最近两年美国光学年会的论文中有近三分之二的内容与生命科学有关。国际上也出现了专门的研究机构与杂志，如日本已成立了一个生物医学光子学研究中心，美国几个大学也建立了几个研究小组。Laurin 出版公司于1991年发行了“Bio-Photonics”新杂志。多年来，SPIE（国际光学工程学会）于每年年初召开一次规模十分庞大的“生物医学光学”国际性学术会议，并于1996年出版了新的期刊Journal of Biomedical Optics 。美国光学学会重要的会刊之一“Applied Optics”也于1996年将其“Optical Technology”栏目更名为“ Optical Technology and Biomedical Optics”。 生物医学光子学包括生物光子学和医学光子学两部分。分属于生物学或医学的光子学与光子技术领域至今尚无明确的分界，两者之间存在有相互交叠的范围。其中医学光子学发展迅速，已成雏形。目前，生物医学光子学主要包含以下研究内容：一是生物系统中产生的光子及其反映的生命过程，以及这种光子在生物学研究、医学诊断、农业、环境、甚至食品品质检查方面的重要应用。利用光子及其技术对生物系统进行的检测、治疗、加工和改造等也是一项重要的任务。二是医学光子学基础和技术，包括组织光学、医学光谱技术、医学成像术、新颖的激光诊断和激光医疗机理极其作用机理的研究。

生物光子学 早在光子学产生初期，充满发展活力的生物科学就和光子学相互交叉渗透，促使生物光子学这一边缘学科生长点悄然崛起。20世纪80年代初期，这一个新兴领域的提出是基于生物系统的超微弱光子辐射（BPE）的发现及其研究成果。迄今为止，人们对BPE已取得了一些初步的认识，例如，认为BPE是自然界普遍存在的一种现象，是生物体的固有的一种功能。它是在不同的生理、生化条件下生物体综合信息的反映。除了少数低级生物如某些原生生物和藻类外，大多数动植物均能产生BPE。而且生物进化程度高，BPE值越大。BPE的光谱范围从紫外、可见到红外波段。另外，生物进化水平越高、辐射的波长越向红外扩展。BPE具有高度的相干性，并具有泊松相干场的特征，它是生物体量子效率极低的一种低水平化学发光。 如果说光子学是产生和利用以光子作为量化单位的辐射的技术，而且其应用范围从能量的产生和探测扩展到信息的提取、传输与处理等，那么，生物光子学则涉及生物系统以光子形式释放能量和对来自生物系统的光子探测，以及这些光子携带的有关生物系统的结构与功能信息，还包括利用光子对生物系统进行加工改造。

生物系统的光子发射

生物系统的自发超弱发光 只要是活的生物，小至细菌微生物和各种动植物细胞，大到植物，动物甚至人，都存在自发的光子辐射，通常，这种光子发射极其微弱，只有几个到几千个光子/秒每平方厘米，故称为系统自发的超微弱发光。其光谱范围颇宽，从紫外延伸至近红外，必须用灵敏的光电探测器才能探测到。近30年的研究表明：生物超微弱发光与生物的氧化代谢、细胞的分裂和死亡、光合作用、癌变以及生长的调控等许多基本的生命过程都有着内在的联系，而且正是由于它与活的生物体内发生的生化过程、生物机体的生理和病理状态等有着密切的联系，因此才使其在医学，农业，环境等众多方面都有潜在的诊断价值。

生物系统超弱发光的本质 生物系统超微弱发光的光子来源始终是研究者关注的中心，目前认为它来自以下几个方面： 1.生物系统中由于氧化代谢而不断产生活性氧自由基，并由此产生单线态氧和激发碳基，它受生物体内的抗氧化防御系统与免疫系统的影响； 2.生物体内酶促反应形成的激发态分子； 3.由于集合效应所形成的重要生物大分子（如DNA及其缄基）的激发态和激发态复合物因其能级分布远离玻耳兹曼分布，而使生物系统处于能级高度反转状态，并通过相互作用而发射具有某种相干程度的光子。其相干程度可能是生命的一个特征。生物系统的超弱光子辐射是否携带信息、是否构成生物系统之间及其内部细胞之间通信联系的一种途径？这些都是引人关注的重要问题。深入认识生物超弱发光的本质，开发其应用潜力，是生物光子学的基本任务之一。

生物系统超弱发光的重要应用 生物系统的超弱发光在临床诊断、农作物遗传性诊断及环境监测功能等方面有重要的应用。 由于超弱发光与生物体的生理病理状态有关，因此使之在临床诊断上有潜在的应用价值。例如，已有研究表明，肿瘤患者与健康人相比，其血液以及许多器官与组织的超弱发光升高。另外，研究还发现，种子与幼芽的超弱发光对温度、湿度、及盐碱度的依赖性在一定程度上反映了作物的抗寒、抗旱与抗盐碱的性能，显示了生物超弱发光在农业上的选种育种等方面的重要应用前景。物理、化学方法的环境监测只能给出当时测量的污染程度。由于生物系统的超弱发光对环境水源与大气中的化学污染极为敏感，因此可利用其作为环境污染的生物指示剂，为环境的监测提供了一种新的简捷手段。

生物超弱发光的成像 利用高灵敏度的光子探测与成像技术，并结合光子统计与光子相关测量技术，在可见或近红外波段获得生物体的超弱发光的二维图像，用以测量人体的代谢功能与抗氧化、抗衰老的机体防御功能。因此可望在疾病与临床诊断方面得到重要应用。

生物系统与细胞之间的光通信 一般认为，细胞间的“通信”总是借助一些特殊的“信使分子”来实现的。“信使分子”包括激素、抗体、生长因子和神经递质，也包括某些无机离子。这种通信从本质上讲都是通过分子间的相互作用（如信使与细胞膜上受体蛋白的相互作用）实现的“化学通信”。细胞间是否存在“物理通信”？即细胞之间是否存在着通过电磁场或光子相互作用来实现现代的信息传递？目前已有实验证据表明：细胞、组织甚至生物体之间有可能通过光子的发散和接收传递信息。细胞之间光通信的研究将会揭示生命现象的一个鲜为人知的方面，并可能在医学、健身和农业等诸多方面得到重要的应用。

生物系统的诱导发光 外界短暂的强光照射可以诱导生物系统的光子发散，这种诱导发光的强度通常大大高于自发发光的强度，且随时间衰减。诱导发光的光谱和强度取决于组成生物系统的可激发分子的种类和含量，还取决于分子间的相互作用及能量传递，因此，诱导发光将能提供生物系统组成的结构的信息，这种发光早已用于植物光合作用的研究。最近研究表明这种诱导发光在疾病的诊断和食品质量的检测方面具有相当诱人的应用前景。

光子技术在生物科学中的应用 随着激光技术、光谱技术、显微技术以及光纤技术的飞速发展，它们在生物科学的研究与医学诊断中的应用与医学诊断中的应用越来越深入和广泛，已成为现代生命科学中的重要工具，并为之带来革命性变化。

荧光探剂与激光扫描共焦显微术 激光扫描共焦显微术的基本原理是，在细胞内一个任意选定的深度上将激光束聚焦成线度接近单个分子的极小的斑点，并在细胞内一定深度的层面上进行扫描，通过光学系统，即可得到细胞一个层面的清晰图象。连续改变激光的聚焦深度，在一系列的层面上进行扫描，最后获得整个细胞的三维图象。利用目前已达上千种与细胞内不同分子（或离子）特异性结合的荧光探针，人们就可以直接观测活细胞中各种重要生物分子的位置、运动以及与其它分子的相互作用等。例如观测细胞骨架上的微管、微丝与中间纤维，观察信号转导通路上的各种重要的酶与信使分子，还可利用基因重组技术将自身已有的荧光蛋白引入细胞，用激光扫描共焦显微镜研究基因的表达、细胞内蛋白质的相互作用与细胞内的“交通”等。荧光探针和荧光蛋白与激光共焦显微术的结合，使人们能够看到细胞内一个既复杂又异彩纷呈的世界。

多光子荧光成像技术 目前，共焦显微成像术使用的是可见光波段的氩离子激光器，因此可能引起活细胞的损伤。利用多光子，如多光子激发，至少有以下三个优点：一是由于近红外光激发，故对活细胞的损伤大大减小；二是在组织中由于近红外光比可见光的透光率高，因此可观测样品中更深层的荧光成像；三是许多用在可见区甚至紫区的荧光探剂照样可以使用。这种技术主要是使用高强度红外激光，使双光子的激发效率与短波长的单光子相当。现在已有一些激光器满足这一要求。

光钳和单分子 *** 作 光钳（Optical tweezer）技术诞生于20世纪80年代，发展于90年代。其基本原理是：当一个微粒（如一个与生物大分子结合的硅珠）处于一个强度按高斯分布的激光光束中时，由于光场强度的空间变化，光束将对微粒产生一种梯度压力，驱使其移向光束中心，并使其稳定在那里。这样，激光束就似“钳子”将粒子牢牢地钳住，并令其随光束人为地移动。光钳施加在微粒上的压力取决于光的波长、光束的宽度及功率等。当激光器的功率为几毫瓦到几瓦时，施加于尺寸为微米大小的微粒上的力大约为几个到几百皮(10-10)牛顿。为了不使激光被生物组织强烈吸收，为了不使激光被生物组织强烈吸收，光钳一般使用近红外激光器光源。光钳技术的重要应用是，用以研究和观测与肌肉收缩、细胞分裂、蛋白质合成等密切相关的一类蛋白质——分子马达。研究时，将一个微米大小的硅珠或聚苯乙烯珠与这些分子马达接在一起，在显微镜下用光钳钳住小珠，启动分子马达，就可以测量出分子马达运动时产生的力。德国学者已经用激光在卵细胞膜上打孔，用光钳将精子抓住并送入卵细胞，大大提高了体外受精的成功率。今后，新一代的光钳将具备施力的反馈机制，使光钳加在捕捉的离子上的力能改变其大小，从而研究影响分子马达的各种因素。光钳还可以用来对细胞进行各种加工等。因此，-----光钳将在细胞工程技术方面发挥重要的作用。

医学光子学

当今，医学正处在一个重大的变革时期。医学的重点正由传统的基于症状治疗模式向以信息为依据的治疗模式转变。人们已经认识到，症状仅仅是疾病的被滞后的很粗糙的人体异常反应。当今一些重大医学课题的研究，一开始就把着眼点放在探索导致疾病的生物信息规律上，以控制生物逻辑信息处于健康状态，进而达到治疗疾病的目的。为此，人们从各个学科（磁学、声学、化学、光学等）探索医学诊断和治疗的新方法。目前，人们认为光子学有希望在当今医学的大变革中扮演重要角色。认识光在生物组织中的传播规律，以及激光为代表的高性能光源和高灵敏度光学探测器的研制成功分别是这种认知的理论依据和物质基础。 新兴的光子学和现代医学相结合形成了一个新的交叉学科生长点：医学光子学（Medical photonics）。医学光子学的发展动力主要来源于医学的迫切需要。许多面向临床光治疗以及光诊断的具体应用，如激光医学中的光计量学、光学成像诊断学、肿瘤诊断与治疗等所提出来的各种问题，亟待医学光子学给出满意的回答，由此极大地促进了医学光子学的迅猛发展。医学光子学研究的直接对象是生物组织，特别是活体的生物组织。它的研究成果将直接服务于人类医学，并有可能创造出新的高科技产业，为人类文明和社会进步作出贡献。 医学光子学正处于兴起阶段，我国的研究基础与条件虽然相对较为落后，但我们在实践方面多有优势，且同国外处于一个起跑线上，因此只要组织得力，选题得当，经过努力一定会在某些方面，如理论和计算以及临床方面获得突破，并占据国际领先地位。

医学光子学基础 关于光特别是激光与生物组织的相互作用规律和知识，引起国际瞩目，已成为正在蓬勃发展的激光生物医学的应用基础和前提。例如，当前处在临床应用边缘的肿瘤的光动力学治疗和诊断的关键问题之一，是如何设计并确认人体组织内的光分布情况，这涉及到诸多学科各方面的理论与实验问题，其中最主要的有光在组织体内传播的特殊方式、组织光学性质的描述以及有关实验技术的开发和完善等等。所有这些研究工作中出现的新问题必须以新的思维和手段加以解决。虽然已初步建立了生物组织中光的传播模型，但是统一的生物组织光学理论却远未成熟。在这样的背景下，“组织光学”（Tissue optics）作为研究生物组织光学性质的专门学科应运而生，它涉及医学光子学中最基础性的理论问题，也是进一步发展光医学（包含光诊断和光治疗）的前提。 组织光学是医学光子技术的理论基础。光在生物组织中的运动学（如光的传播）问题和动力学（如光的探测）问题是研究的主要内容。当前的主要研究任务是：研究生物组织的光学性质和确定某靶位单位面积上的光能流率。前者涉及由测量的光分布和一定的光传播模型确定组织体的光学基本参数，称为“正”问题；后者则从组织体的光学基本参数和光传播模型出发导出组织体内光分布，属于“逆”问题。当前结合考虑国际发展趋势和国内实际所提供的可能性，应在下列几个方面开展研究工作：

光在生物组织中传输理论研究 目前虽借鉴中子传输理论初步建立了光在生物组织中的传播模型，但与建立组织光学的统一理论架构体系尚有较大距离，生物组织的光学理论远未成熟，有许多理论上的空白点有待填补。出现这种状况的原因自然源于生物组织结构本身的多样性和复杂性，另一方面也是理论工具不足的结果。需要有更精细和准确的理论来替代过于简化的现有模型，也就是要用更复杂的理论来描述生物组织的光学性质以及光在其中的传播行为。需要做的工作，其一是：建立准确的组织光学模型，使之能反映生物组织空间结构及其尺寸分布情况、组织各个部分的散射与吸收特性以及折射率在一定条件下的变化情况；其二是：改造传输方程，使之适应新的条件，并能在某些情况下求出光在生物组织中传输的基本性质。

光传输的蒙特卡罗模拟计算 蒙特卡罗（Monte Carlo）计算模拟方法，已在许多领域发挥了不可替代的作用。已经有一些比较成功的算法，但还应继续开发新的更为有效的算法以适应生物组织的多样性和复杂性的要求。除了了解光在组织中的分布，还在探索从大量数字模拟中得到生物组织中光的宏观分布与其光学性质基本参量之间的经验关系。另外，发展非稳态的光传输的蒙特卡罗模拟方法也是一个重要的研究方向，从中可以获得比稳态条件下更多的信息。

组织光学参数的测量方法和技术 在组织中光的传输理论确立后，一项关键工作是确定组织体，尤其是人体的光学性质基本参数，即吸收系数、散射系数和散射相位函数或平均散射余弦g以及折射率n等。一旦已知这些光与组织的相互作用参数，在给定的光照方式和边界条件下，光能流率或其它参量全反射率R全透过率T等分布均可由有关的传输模型唯一地确定。目前有关生物组织光学性质的测量方法尚待进一步发展和完善，其中活体的无损检测尤为重要。在这方面，时间分辨率与频率分辨率的测量方法引人注目。

生物组织折射率及色散关系 人们在各种情况下使用假设的折射率数据（1.33-1.38），但是有关生物组织折射率的研究还是在某种程度上被忽视了。至今人们还未在概念上对生物组织折射率做深入的辨析，也还没有完全掌握活体甚至离体组织折射率的精确测量方法。又因组织体存在强烈散射而造成的精确测量工作困难，人们尚未获得人体各种组织的可靠实验数据。业已证明生物组织的折射率和色散参数，无论是理论上还是实验上对组织光学的深入研究都是十分重要的。鉴于此，应将生物组织的折射率与色散参数的测量及方法作为重点之一开展研究。

组织光学理论工作的几点思考

综上所述，作为医学光子学基础的组织光学部分，除了要发展测量技术、建立组织光学参数数据库外，在理论上可着重考虑以下几个问题： A.继续改进生物组织光传输模型，一要发展受限制少、快速而又精确的模型；二要精确化组织光学模型，使之与生物组织特别是活体组织状态相近似； B.研究短脉冲光在组织中的传播行为以及漫散射光的时间变化特性，为光学成像术做充分的理论准备； C.研究调制光在生物组织中的传播特点，例如将受振幅调制的光照射到组织上会产生慢散射光子密度波，一样发生反射、折射、衍射、散射、色散等，可以无损地探测组织的光学性质参数，又可以用来成像； D.研究生物组织散射和吸收的光学特性对测量荧光及其光谱的影响。数值模拟研究已经初步表明，这种影响是不可忽略的 E.对光在复杂组织结构中的传输过程进行计算机模拟，通过大量模拟，找出简单而有效的规律来说明光在组织中传输的基本性质，并在各种参数之间建立联系，为组织光学性质的测量提供依据； F.统一生物组织光学性质参数的描述，建立完善的组织光学理论体系。

医学光子技术

医学光子技术分为两大类：光子诊断医学技术与光子治疗医学技术，前者是以光子作为信息载体，后者则以光子作为能量载体。 目前，无论是光诊断还是光治疗技术，多以激光为光源。如果着眼于人体应用为对象，这两种技术则归属于激光医学范畴。激光医学是医学光子技术的一个特有的重要应用领域，也是近多年来迅猛兴起的一个新学科分支（详见本节第3点）。

根据国际、国内的发展情况，以下诸点是医学光子技术的主要研究内容：

医学光谱技术 激光光谱以其极高的光谱和时间分辨率、灵敏度、精确度以及无损、安全、快速等优点而成为医学光子学的重要研究领域。随着激光光谱技术在医学领域应用研究的深入开展，一门有发展潜力和应用前景的“医学光谱学”逐渐形成。

1.生物组织的自体荧光与药物荧光光谱。已对激光诱导生物组织自体荧光和药物荧光诊断动脉粥样斑块和恶性肿瘤进行了临床前的研究。内容涉及光敏剂的吸收谱、激发与发射荧光谱以及各种波长激光激发下正常组织与病变组织内源性荧光基团特征光谱等。在此基础上还研究了用于癌瘤诊断和定位的实时荧光图像处理系统。

激光荧光光谱诊断肿瘤技术的研究一直倍受关注，光谱检验法的灵敏度很高，如能找到肿瘤细胞的特征荧光峰，来诊断癌细胞的存在，则对肿瘤的早期诊断和治疗将起巨大作用。但至今该技术在临床上无法单独作为癌细胞检测的依据，关键原因是尚未找到癌细胞真正的特征荧光峰。现在人们所谓的特征荧光峰实际上只是卟啉分子的荧光峰。客观和科学地判断激光荧光光谱对肿瘤的诊断标准是十分必要的。 目前，某些癌瘤的药物荧光诊断已进入临床试用，自体荧光的应用尚处于摸索之中。需要开展激光激发生物组织和细胞内物质的机理研究，探讨激光诱发组织自体荧光与癌组织病理类型的相关性以及新型光敏剂的荧光谱、荧光产额和最佳激发波长等方面的研究，以期获得极其稳定、可靠的特征数据，为诊断技术的发展提供科学依据。 2.生物组织的喇曼光谱。近年来，喇曼光谱技术应用于医学中已显示出它在灵敏度、分辨率、无损伤等方面的优势，克服了荧光光谱技术区分病变组织是由于生物大分子荧光带较宽、易于重叠对准确诊断带来的影响。目前，这一研究领域尚处于起步阶段，应加紧开展以下研究工作：其一，对重要医学物质的喇曼光谱进行研究，并建立其光谱数据库（包括分子组分与结构相对应的敏感特征谱线及其强度等）；其二，研究疾病的喇曼光谱，分析从正常到病变过程中生物组分的变化与发病机理；其三，开发小型、高效、适用于体表与体内的医用喇曼光谱仪和诊断仪。 3.生物组织的超快时间分辨光谱。超快时间分辨光谱比稳态光谱在技术上更灵敏、更客观和更具有选择性。因此，将脉宽为ps、fs量级的超短激光脉冲光源用于医学受到广泛重视，其一，应发展超快时间分辨荧光光谱技术，用于测量生物组织及生物分子的荧光衰变时间，分析癌组织分子驰豫动力学性质等，为进一步研究自体荧光法诊断恶性肿瘤提供基础数据；其二，应发展超快时间分辨漫反射（透射）光谱技术。以时域的角度测量组织的漫反射，从而间接确定组织的光学特征。这是一种全新的、适用于活体的、无损和实时的测量方法，为确知光与生物组织的相互作用，解决医学光子学中基础测量问题开辟一条新径。应抓紧开展原理与技术的研究，以获得有价值的活体光学参数，为光诊断与光治疗技术的发展提供依据。

医学成像技术 人们致力的目标是：发展无辐射损伤、高分辨率的生物组织光学成像方法与技术，同时应具有非侵入式、实时、安全、经济、小型、且能监测活体组织内部处于自然状态化学成分的特点。目前研究工作主要集中在以下几个方面：

1.时间分辨成像技术，它以超短脉冲激光作为光源，根据光脉冲在组织内传播时的时间分辨特性，使用门控技术分离出漫反射脉冲中未被散射的所谓早期光，进行成像。正在研究的典型时间门有条纹照相机、克尔门、电子全息等。该项技术是光学层析（断层）造影（OT）技术中最主要的一种； 2.相干分辨成像技术（OCT）。它采用的是弱相干光光源（如，弱相干脉冲激光或宽带的非相干光光源），其相干长度很短（如20μm）。利用光源的低相干性能通过散射介质来实现成像，实现手段有干涉仪、全息术等； 3.漫射光子密度波成像技术。透过生物组织的漫射光占相当大的比例，也可利用它进行医学成像。高频调制的光射入生物组织，被漫射后的光子在生物组织内部呈周期分布，形成漫射光子密度波。这种光子密度波以一定的相速度和振幅衰减系数在生物组织中传播，又被折射、衍射、色散、散射，因而使之出射光携带生物组织内部结构的信息。测量其振幅和相位，再经过计算机数据处理便能够得到生物组织的有关图像。 4.图像重建技术。生物散射介质的结构特征信息隐含在漫射光中。若能找到描述光在介质中迁徙规律，通过测试漫射光的有关参数，在眼光的散射路径逆向追溯，则应能重建散射介质结构图像。如采用锁摸激光器作光源，条纹相机测试散射体周围的漫射光的时间分辨参量，再用逆问题算法进行图像重建。目前，逆问题算法大体有两类：一类为蒙特卡罗法，采用这种方法，图像重建精度高，但是计算复杂；另一类是基于光的传输方程，采用优化算法，根据测试周围时间分辨率漫射光的信号进行图像重建。

除了上面四种技术外，近年来还发展了其它一些生物组织成像技术，如空间选通门成像技术、时间分辨荧光成像、受激喇曼散射成像以及光声医学成像技术等。目前，国际上光学医学成像技术尚处于初始研究阶段，离实用化还有相当距离，但人们已经看到它初露曙光。

医用半导体激光及其应用技术 由于半导体激光器具有体积小、效率高、寿命场合多种波长可供选择等一系列显著优点，所以它在激光诊断医疗技术中有逐渐取代其他多种激光器的趋势，从而有可能成为激光医用仪器的最主要光源。目前的状况是：低功率半导体激光器，波长为800nm~900nm，功率为3~10mW，已逐渐替代He-Ne激光器作照射治疗和光针疗法，以及作各种指示光源；中功率器件，波长652nm~690nm，功率1~5W，已逐渐替代染料激光用于光动力疗法，可治疗较深部的肿瘤；高功率半导体激光器，也有可能替代Nd：YAG激光治疗机。如波长为800nm~900，功率为30W的高功率半导体激光，穿透组织深，适用于Nd：YAG激光所能治疗的大部分病种。

其它医用激光技术发展动向 近年来，值得注意的研究动向还有：其一是新工作波长激光医疗仪器的开拓；其二是Ho：YAG和Er：YAG激光手术刀走向实用化；其三是腔内治疗适用的光纤内窥式激光医疗技术的开发；其四是激光医疗设备实现智能化。

激光医学

以激光为光源，着眼于人体应用为对象的光诊断和光治疗技术开辟了激光医学这个重要的新领域。多年来，激光技术已成为临床治疗的有效手段，也成为发展医学诊断的关键技术。它解决了医学中的许多难题，为医学的发展做出了贡献。现在，在基础研究、新技术开发以及新设备研制和生产等诸多方面都保持持续的、强进的发展势头。当前激光医学的出色应用研究主要表现在以下方面：

1.光动力疗法（PDT）治癌 治癌光动力学肿瘤治疗是世界范围广泛关注的大课题。肌体注射肿瘤能聚集的光敏剂之后，受激光照射，产生光化学作用，可以选择性的杀死肿瘤细胞。目前存在的主要问题有两个：一是皮肤光敏副反应大，要长时间避光；而是激光透入人体的深度太浅，深层肿瘤无法进行光化作用，因此复发的可能性很大。现正在积极研制开发性能优良的光敏剂和能穿透组织深部且与光敏剂作用良好的激光。此疗法的前景仍然是十分乐观的。

2.激光治疗心血管疾病 经皮激光冠状动脉成形术治疗冠状动脉狭窄及阻塞病变的技术已有长足发展。用准分子激光进行冠脉成形术已成为首选方法。但因管腔的再狭窄等问题尚待进一步解决, 因此该项技术目前还难以有效推广。除上述冠状动脉成形术外，心肌血管重建术、激光直接消融心脏的异常节律点，治疗严重心律失常等也是当前的研究热点

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