最新半导体激光.课件PPT.ppt 130页

'进入夏天，少不了一个热字当头，电扇空调陆续登场，每逢此时，总会想起那一把蒲扇。蒲扇，是记忆中的农村，夏季经常用的一件物品。　　记忆中的故乡，每逢进入夏天，集市上最常见的便是蒲扇、凉席，不论男女老少，个个手持一把，忽闪忽闪个不停，嘴里叨叨着“怎么这么热”，于是三五成群，聚在大树下，或站着，或随即坐在石头上，手持那把扇子，边唠嗑边乘凉。孩子们却在周围跑跑跳跳，热得满头大汗，不时听到“强子，别跑了，快来我给你扇扇”。孩子们才不听这一套，跑个没完，直到累气喘吁吁，这才一跑一踮地围过了，这时母亲总是，好似生气的样子，边扇边训，“你看热的，跑什么？”此时这把蒲扇，是那么凉快，那么的温馨幸福，有母亲的味道！　　蒲扇是中国传统工艺品，在我国已有三千年多年的历史。取材于棕榈树，制作简单，方便携带，且蒲扇的表面光滑，因而，古人常会在上面作画。古有棕扇、葵扇、蒲扇、蕉扇诸名，实即今日的蒲扇，江浙称之为芭蕉扇。六七十年代，人们最常用的就是这种，似圆非圆，轻巧又便宜的蒲扇。　　蒲扇流传至今，我的记忆中，它跨越了半个世纪，也走过了我们的半个人生的轨迹，携带着特有的念想，一年年，一天天，流向长长的时间隧道，袅半导体激光. 激光激光：LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation（Laser）。莱塞1964年钱学森激光是光的受激辐射。激光的特点：单色性好,方向性好；相干性好；亮度高.基本沿某一条直线传播,通常发散角限制在10-6球面度量级的立体角内.半导体激光之基础2 激光辐射跃迁：受激吸收；自发辐射；受激辐射半导体激光之基础3 激光技术发展简史之一实验基础：Prokhorov和H.Townes分别独立报导了第一个微波受激辐射放大器(Maser)（1953）TownesProkhorov半导体激光之基础7 激光技术发展简史之一1958年Townes和Schawlow抛弃了尺度必须和波长可比拟的封闭式谐振腔的老思路，提出利用尺度远大于波长的开放式光谐振腔实现Laser的新想。Schawlow半导体激光之基础8 激光技术发展简史之一美国休斯公司实验室一位从事红宝石荧光研究的年轻人梅曼在1960.5.16利用红宝石棒首次观察到激光；梅曼在7月7日正式演示了世界第一台红宝石固态激光器；他在Nature(8月16日)发表了一个简短的通知。PRLreject!自然界有激光吗？Maiman半导体激光之基础9 激光技术发展简史之一Maiman的第一台激光器半导体激光之基础10 Cr+3ioninAl2O3crystalAl2O3透明的，杂质Cr+3，红色红宝石爱1955.4.18普林斯顿半导体激光之基础11 半导体激光之基础12 中国第一台激光器（1961）邓锡铭(1930.10.29-1997),王之江1930.10.15-半导体激光之基础13 激光技术发展简史之二各种激光器的开发:工作物质：固体，气体，染料，化学，离子，原子，半导体，X射线输出功率：大功率，低功率工作方式：短脉冲，脉冲，超短脉冲，连续输出稳定性：稳频率，稳功率，稳方向半导体激光之基础14 我国激光器研究情况激光器的第一台研制成功时间研制人红宝石激光器（我国第一台)1961年11月邓锡铭、王之江He-Ne激光器1963年7月邓锡铭等掺钕玻璃激光器1963年6月干福熹GaAs同质结半导体激光器前苏联21c100重大1963年12月王守武CO2分子激光器1965年9月王润文等半导体激光之基础15 激光技术发展简史之三激光应用技术信息技术方面的应用：光通讯，光存储，光放大，光计算，光隔离器检测技术方面的应用：测长，测距，测速，测角，测三维形状激光加工：焊接，打孔，切割，热处理，快速成型医学应用：外科手术，激光幅照（皮肤科、妇产科），眼科手术，激光血照仪，视光学测量科学研究方面的应用：激光核聚变，重力场测量，激光光谱，激光对生物组织的作用，激光制冷，激光诱导化学过程等等半导体激光之基础16 光盘存储器原理—激光刻蚀与读出半导体激光之基础17 偏振光显微镜半导体激光之基础18 激光全息防伪人民币（建国50周年纪念币）半导体激光之基础19 激光控制核聚变半导体激光之基础20 天文台（激光导航星）来自纳层的反射光（高度约100km)最大高度约35km来自空气分子的Rayleigh光半导体激光之基础21 激光测距与激光雷达半导体激光之基础22 激光切割半导体激光之基础23 生物和医学应用半导体激光之基础24 激光技术涉及的学科物理（光学）精密加工（光学谐振腔的制作）光学加工（光学镀膜、光学装调）电子技术（激光电源、控制电路）应用技术基础（数学方法、误差理论）半导体激光之基础25 第四章辐射理论概要与激光产生条件§4.1光波、光子——光的波粒二象性§4.2原子能级和辐射跃迁§4.3受激辐射§4.4激光形成条件半导体激光之基础26 光的波粒二象性波动性：传播过程具有频率、波长、偏振粒子性：光与物质相互作用具有能量、动量、运动质量光波是电磁波振动的电场；振动的磁场光与大多数探测器作用时，主要是电矢量起作用，故把电矢量称作光矢量l半导体激光之基础27 光的波粒二象性光波是横波，有偏振方向，激光本质上讲是偏振光---偏振方向有时随时间变化(2)自然光z传播方向Ex(1)线偏振光ExyEy半导体激光之基础28 光速、频率和波长三者的关系(1)波长:振动状态在经历一个周期的时间内向前传播的距离。(2)光速(3)频率：光矢量每秒钟振动的次数(4)三者的关系在真空中各种介质中传播时，保持其原有频率不变，而速度各不相同半导体激光之基础29 折射率始终大于1？自然界中所有材料的折射率均大于1，各种气体的折射率近似等于1；负折射率材料：当介电常数<0，磁导率<0时，折射率n=-()1/2，小于零（人造材料，2000年后）半导体激光之基础30 单色平面波(1)平面波波阵面或等相位面：光波相位相同的空间各点所连成的面平面波：波阵面是平面实际生活中无穷远处传来的光，透镜前焦点上光源通过透镜形成的光束可以看成平面波(2)单色平面波：具有单一频率的平面波准单色波：实际上不存在完全单色的光波，总有一定的频率宽度，如称为准单色波。半导体激光之基础31 单色平面波理想的单色平面波单色平面波的复数表示复振幅:代表振幅在空间的分布，辐角(-kz)代表位相在空间的分布光强：单位时间内通过垂直于光传播方向单位面积的光波能量。光强与光矢量大小的平方成正比，即单色平面波的表示---行波方程单色平面波的表示---行波方程半导体激光之基础32 球面波波阵面为一系列同心圆的波是球面波球面简谐波方程：球面波的复数表示法：半导体激光之基础33 光子在真空中一个光子的能量光子的动量式中h是普朗克常数，h=6.63×10-34J•s。光子的具有运动质量光的能量就是所有光子能量的总和。当光与物质(原子、分子)交换能量时，光子只能整个地被原子吸收或发射。半导体激光之基础34 4.2原子能级和辐射跃迁为了说明原子能级间的辐射跃迁，需要复习原子能级的概念；为了知道在不同的能级上原子的数量，需要了解简并度的概念。半导体激光之基础35 原子的能级物质是由原子、分子或离子组成，而原子有带正电的原子核及绕核运动的电子组成；电子一方面绕核做轨道运动，一方面本身做自旋运动。+e-e-e原子核电子角动量L=r×p半导体激光之基础36 主量子数n，n＝1，2，3，…大体上决定原子中电子的能量值．不同的主量子数表示电子在不同的壳层上运动;辅量子数l,l=0,1,2,…,(n-1)，它表征电子有不同的轨道角动量，这也同电子的能量有关。对l=0,1,2,3等的电子顺次用s,p,d,f字母表示;磁量子数m=0，±1，±2，…±l.决定轨道角动量在外磁场方向的分量;自旋量子数ms=±1/2，代表电子自旋方向的取向，也代表电子自旋角动量在外磁场方向的分量;原子的能级原子中电子的状态由下列四个量子数来确定：半导体激光之基础37 原子的能级电子具有的量子数不同，表示有不同的电子运动状态电子的能级，依次用E0，E1，E2，…En表示；基态：原子处于最低的能级状态；激发态：能量高于基态的其它能级状态；E0基态E1E2En激发态半导体激光之基础38 简并能级、简并度简并能级：能级有两个或两个以上的不同运动状态；简并度：同一能级所对应的不同电子运动状态的数目。氢原子1s,2p态的简并度原子状态nlms简并度1s100±1/222p2110-1±1/2±1/2±1/26sssPPd半导体激光之基础39 原子的电子组态根据壳层结构模型，原子核外的电子依照一定规律分布；主壳层：主量子数n表示，称K、L、M…层；每个主壳层包括若干子壳层：辅量子数l表示，s,p,d,…分别表示l=0,1,2,…；壳层KLMNn1234子壳层1s2s2p3s3p3d4s4p4d4fl0010120123容纳电子数2262610261014半导体激光之基础40 原子的电子组态泡利不相容原理：多电子原子中，不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的量子数；电子充填原子壳层时，遵守最小能量原理，即在正常情况下(无外界激发)，电子从最低的能级开始充填，再依次充填能量较高的能级。电子数较多的原子不一定严格按上述规则填充（电子间的相互作用导致量子数n和l的竞争；只有原子或离子的电子能级中未充满子壳层的电子（即价电子）才与能级间的辐射跃迁有关。半导体激光之基础41 波尔兹曼分布现考虑由n0个相同原子(分子或离子)组成的系统，在热平衡条件下，原子数按能级分布服从波尔兹曼定律：式中gi为Ei的简并度；k为波尔兹曼常数；T为热平衡时的绝对温度；ni表示处在Ei能级的原子数分别处于Em和En能级上的原子数nm和nn必然满足下一关系热平衡条件下，处在高能级状态的粒子数总是小于处在低能级状态的粒子数半导体激光之基础42 辐射跃迁和非辐射跃迁高能级的原子总是倾向于过度到低能级状态以便更加稳定辐射跃迁：发射或吸收光子从而使原子造成能级间跃迁的现象。非辐射跃迁：原子在不同能级跃迁时并不伴随光子的发射和吸收，而是把多余的能量传给了别的原子或吸收别的原子传给它的能量。发射吸收半导体激光之基础43 4.3光的受激辐射半导体激光之基础44 黑体辐射绝对黑体又称黑体：对投射到该物面上的各种波长的能量100％地吸收。不存在绝对黑体。空腔辐射体是一个比较理想的绝对黑体。平衡的黑体热辐射：辐射过程中始终保持温度T不变半导体激光之基础45 辐射能量密度公式辐射场用单色辐射能量密度rn来描述；单色辐射能量密度rn定义：辐射场中单位体积内，频率在n附近的单位频率间隔中的辐射能量。在量子假设的基础上，由处理大量光子的量子统计理论得到真空中rn与温度T及频率n的关系，即为普朗克黑体辐射的单色辐射能量密度公式式中k为波尔兹曼常数。总辐射能量密度:半导体激光之基础46 黑体辐射曲线不同温度下黑体辐射的单色能量密度对频率的曲线1000K2000K3000K4000K012345n(1014Hz)半导体激光之基础47 光与物质的作用任何粒子的辐射光和吸收光的过程都是原子能级之间的跃迁过程光与物质的相互作用有三种不同的基本过程：自发辐射受激辐射受激吸收这三种过程总是同时存在，紧密联系。半导体激光之基础48 自发辐射自发辐射：高能级的原子自发地从高能级E2向低能级E1跃迁，同时放出能量为的光子自发辐射的特点：各个原子所发的光向空间各个方向传播，是非相干光。下图表示自发辐射的过程图（1-6）自发辐射半导体激光之基础49 自发辐射跃迁速率与自发辐射系数对于大量原子统计平均来说，从E2经自发辐射跃迁到E1具有一定的跃迁速率式中n2为某时刻高能级E2上的原子数密度（即单位体积中的原子数），dn2表示在dt时间间隔内由E2自发跃迁到E1的原子数，“－”表示E2能级的粒子数密度减少。A21称为爱因斯坦自发辐射系数，简称自发辐射系数，它是粒子能级系统的特征参量。半导体激光之基础50 辐射过程中E2能级粒子数变化规律由上述定义爱因斯坦自发辐射系数可表示为物理意义是：单位时间内，发生自发辐射的粒子数密度占处于E2能级总粒子数密度的百分比。解该方程得式中n20为t=0时处于能级E2的原子数密度半导体激光之基础51 自发辐射时E2能级上粒子的平均寿命t时刻的单位时间内跃迁的粒子在高能级（E2）上已经停留的时间总和，即寿命的和所有在高能级（E2）上的粒子全部跃迁后，它们已经在高能级上停留的时间总和按照粒子总数平均得到平均寿命这就是通常我们定义原子数密度由起始值降低到1/e为平均寿命的原因，当然只有在粒子数按负指数变化时是完全一致的。半导体激光之基础52 单位体积自发辐射的总光功率如果高能级En跃迁到m个低能级Em上，设高能级En跃迁到Em的跃迁几率为Anm，则激发态En的自发辐射平均寿命为：已知A21，可求得单位体积内发出的光功率。若一个光子的能量为hn，某时刻激发态的原子数密度为n2(t)，则该时刻自发辐射的光功率密度（W/m3）为：半导体激光之基础53 受激辐射受激辐射：当受到外来的能量的光照射时，高能级E2上的原子受到外来光的激励作用向低能级E1跃迁，同时发射一个与外来光子完全相同的光子。光的受激辐射过程图（1-9）光的受激辐射过程半导体激光之基础54 受激辐射的特点当外来激励光子能量为高低两能级能量差时，才能发生受激辐射受激辐射的光子与外来光子的特性完全相同，即：频率、位相、偏振和传播方向完全一样，因此受激辐射与外来辐射是相干的，换句话说外来辐射被“放大”了光的受激辐射过程是产生激光的基本过程（受激辐射的光子与外来光子的特性完全相同可以在量子电动力学中得到证明）半导体激光之基础55 受激辐射跃迁速率与受激辐射系数从E2经受激辐射跃迁到E1具有一定的跃迁速率则有式中的为外来光的光场单色能量密度，即受激辐射跃迁速率与外来光的光场单色能量密度成正比其他参数意义同自发辐射：n2为某时刻高能级E2上的原子数密度（即单位体积中的原子数），dn2表示在dt时间间隔内由E2受激辐射跃迁到E1的原子数，“－”表示E2能级的粒子数密度减少B21称为爱因斯坦受激辐射系数，简称受激辐射系数半导体激光之基础56 受激辐射几率受激辐射（跃迁）几率W21定义为则有受激辐射的跃迁几率的物理意义为：单位时间内，在外来单色能量密度为的光照下，E2能级上发生受激辐射的粒子数密度占处于E2能级总粒子数密度的百分比注意：自发辐射跃迁几率就是自发辐射系数本身，而受激辐射的跃迁几率决定于受激辐射系数与外来光单色能量密度的乘积半导体激光之基础57 受激吸收受激吸收：处于低能级E1的原子受到外来光子（能量）的刺激作用，完全吸收光子的能量而跃迁到高能级E2的过程光的受激吸收过程特点：处于低能级E1的原子受到外来光子的刺激作用，完全吸收光子的能量而跃迁到高能级E2的过程图（1-9）光的受激吸收过程半导体激光之基础58 受激吸收跃迁速率与受激吸收系数从E1经受激吸收跃迁到E2具有一定的跃迁速率则有式中的为外来光的光场单色能量密度，即受激吸收跃迁速率与外来光的光场单色能量密度成正比其他参数意义同自发辐射：n1为某时刻高能级E1上的原子数密度（即单位体积中的原子数），dn2表示在dt时间间隔内由E1受激吸收跃迁到E2的原子数，“－”被去除表示E2能级的粒子数密度增加B12称为爱因斯坦受激吸收系数，简称受激吸收系数半导体激光之基础59 受激吸收几率受激吸收（跃迁）几率W12定义为，则有受激吸收的跃迁几率的物理意义为：单位时间内，在外来单色能量密度为的光照下，E1能级上因为受激吸收跃迁到E2能级上的粒子数密度占处于E1能级总粒子数密度的百分比半导体激光之基础60 4.3.3自发辐射、受激辐射和吸收之间的关系某原子自发辐射产生的光子对于其他原子来讲是外来光子，会引起受激辐射与吸收，因此三个过程在大量原子组成的系统中是同时发生的。由此可讨论三个爱因斯坦系数之间的关系在处于热平衡的绝对黑体空腔内的原子系统，由于是平衡状态，各能级上的原子数不变，辐射与吸收总数相等，从而可以建立三个爱因斯坦系数之间的关系对于每种物质来讲是原子能级之间的特征参量，在热平衡的绝对黑体空腔情况下导出的三个爱因斯坦系数对于其他情况也是普遍适用的，比如日光灯发光时发光强度一直在被50Hz的频率所调制，但是爱因斯坦系数仍然不变半导体激光之基础61 A21、B21、B12三个系数的关系在光和原子相互作用达到热平衡的绝对黑体空腔内的原子系统中，如果单色辐射能量密度为，则有如下关系式子的左边是与高能级上粒子数有关的辐射光子数，而右边是与低能级上粒子数有关的吸收光子数，即发射与吸收光子数相等达到热平衡的绝对黑体空腔内任何位置的光强都相等，理想空腔内壁反射率为1，黑体温度为常数T自发辐射光子数受激辐射光子数受激吸收光子数半导体激光之基础62 波尔兹曼分布确定的辐射能量密度根据波尔兹曼分布定律，动平衡的条件下，对于简并度g2的高能级E2和简并度g1的低能级E1有将高能级E2上的粒子数n2用低能级E1上的粒子数n1来表示,并代入动平衡的条件下三个爱因斯坦系数满足的关系式进一步化简,得到热平衡空腔得单色辐射能量密度为半导体激光之基础63 三个爱因斯坦系数的内在联系绝对黑体空腔内的原子系统中，单色辐射能量密度同时满足普朗克公式欲使式中两个等号同时满足必须保证分式前的系数和指数前的系数都相等，因而得到三个爱因斯坦系数的内在联系:半导体激光之基础64 一点讨论如果，则有在折射率为n的介质中，自发辐射系数与受激辐射系数之间关系为当高低能级的简并度相同时，受激辐射与受激吸收系数相等。外来光子被吸收和激发受激辐射的机会相同。但是一般讲高能级的简并度总比低能级的简并度要高，因此受激辐射比受激吸收系数要小。半导体激光之基础65 自发辐射光功率与受激辐射光功率比较对于发光介质中某一单位体积，自发辐射的光功率体密度可表示为同理，受激辐射的光功率体密度可表示为受激辐射光功率体密度与自发辐射光功率体密度之比为:对于平衡热辐射光源则有：半导体激光之基础66 激光光源打破了热平衡且单色能量密度比普通光源大1010倍，受激辐射光功率体密度与自发辐射光功率体密度之比为普通光源主要是自发辐射，而激光光源主要是受激辐射普通热光源与激光光源比较温度T=3000K的热辐射光源，发射的波长为500nm时受激辐射光功率体密度与自发辐射光功率体密度之比为半导体激光之基础67 1.4激光形成的条件要能形成激光，首先必须使介质中的受激辐射大于受激吸收；本节由光束进入介质后的变化规律出发研究介质中的受激辐射大于受激吸收的条件；从受激辐射大于受激吸收的条件出发再确定激光器的基本结构，即对应了激光产生的基本条件。68 受激辐射与吸收时光强的变化一般情况下光束进入介质后的变化规律，当光线沿z轴方向传输，而且没有发散时，可以取介质中的一片来分析：通过光线在z处穿过厚度为为dz单位截面的一薄层，由I变到I+dI，来研究光线穿过整个介质的变化规律。I(0)I(z)I(z)+dIzz+dzz图光穿过厚度为dz的介质的情况69 介质中光强与单色能量密度的关系受激辐射与吸收时粒子数密度变化和单色能量密度的关系，可以用来研究介质中单色能量密度的变化。为了得到光强的变化规律，需要进一步建立光强与单色能量密度的关系。考虑平行光通过面积为A，厚度为D的情况，光强为单位时间内单位面积上通过的总光能70 介质中的受激辐射与吸收厚度为dz单位截面的一薄层，在dt时间内由于介质吸收而减少的光子数密度为dt时间内由于受激辐射增加的光子数密度为光穿过dz介质后净增加的光子数密度为71 光能密度微分方程又因为净增加的光子数密度可以表示为光穿过dz介质后光能密度的增加值为得出有关光能密度的微分方程72 光能密度与光强随路程z的变化规律解此微分方程得光能密度随路程z的变化规律代入光强与单色能量密度的关系，得到相应光强随路程z的变化规律为这是一个指数函数，根据指数的符号不同表现为两种不同的变化规律73 热平衡状态光波按负指数规律衰减一般情况下介质处于热平衡状态，上下能级粒子数的分布关系为也就是说则光强变化可以表示为若令74 热平衡状态介质的吸收系数按指数规律衰减的速率为衰减的相对速率为A代表光波在介质中经过单位长度路程光强的相对衰减率的大小，也代表介质对光波吸收能力的大小，将A称为吸收系数，（这就是在工程光学中讲过的“玻璃吸收系数”的原理）75 增益介质中的光呈指数放大粒子数密度反转分布此时受激辐射大于受激吸收产生光放大定义则有76 增益系数与光放大的条件增益的相对速率为增益系数：G代表光波在介质中经过单位长度路程光强的相对增长率，也代表介质对光波放大能力的大小，将G称为增益系数，激活介质的增益系数光放大的条件需要一个激励能源把低能级的介质粒子由低能级抽运到高能级上去需要合适增益系数的发光介质（或称激光工作物质）77 增益系数G的测定增益系数是增益介质的性质增益系数是单位长度的光强相对增长率对于已知长度L的增益介质，如果测得入射光强I0、出射光强I以及增益介质的长度L，则可以算出增益介质在长度L上的平均增益系数平均增益系数实验示意图II0L78 光学谐振腔的提出要使受激辐射几率远大于自发辐射几率，即只有靠增大增益介质中传播的光能密度来实现。介质中传播的光能密度公式表明光能密度随穿过增益介质的路程z按指数规律增长，其他参数都是常数，z越大，光能密度也越大，也就是可以增加增益介质的长度L来增加光能密度。增加增益介质的长度L的方法：多次反射——光学谐振腔79 光学谐振腔的作用光学谐振腔的结构：在增益介质的两端各加一块平面反射镜M1、M2。其中一块为全反射镜；另一块为部分反射镜（反射率接近于1）。两者严格平行并与增益介质的轴线垂直，这就是一个简单的光学谐振腔——平行平面腔。放大的条件：光在腔内往返一次时放大的量大于损耗的量光学谐振腔的作用：延长增益介质作用长度，控制光束传播方向，（第三个作用“选频”以后会讲）M1M2图受激光在谐振腔中的放大80 激光器的基本结构激光工作物质：能够实现粒子数反转，产生受激光放大激励能源：能将低能级的粒子不断抽运到高能级，补充受激辐射减少的高能级上粒子数光学谐振腔：提高光能密度，保证受激辐射大于受激吸收81 光学谐振腔结构与稳定性光学谐振腔的三个作用再重述如下：倍增工作介质作用长度，提高单色光能密度，控制光束传播方向，对激光进行选频。本节用几何光学方法研究光学谐振腔的稳定性。稳定腔定义：在腔中任意一束傍轴光线能够经过任意次往返传播不逸出腔外的谐振腔。不稳定腔定义：在腔中任意一束傍轴光线不能够经过任意次往返传播不逸出腔外的谐振腔。82 光纤放大器半导体激光之基础83 光纤放大器半导体激光之基础84 HeNe激光半导体激光之基础85 半导体激光之基础86 糖尿病性心肌病研究进展 摘要是否存在独立的糖尿病性心肌病尚存争议本综述目的在于：评价该疾病存在的证据发病机制治疗方法 目录一、简介二、糖尿病性心肌病证据三、发病机制四、治疗五、结论 未来20年，2型糖尿病和心衰都将达到流行病水平糖尿病患者心衰发生率高，主要与糖尿病继发的冠心病及伴发的高血压有关但流行病资料、尸检结果、动物实验以及临床研究都提示糖尿病性心脏病是一种独立的疾病迄今为止，糖尿病患者是否存在不能用高血压、冠心病和其它已知心脏病解释的心肌病尚存争议 目录一、简介二、糖尿病性心肌病证据三、发病机制四、治疗五、结论 糖尿病性心肌病证据许多来自实验室、病理、流行病和临床研究的资料都显示糖尿病可导致心脏结构和功能的改变，并不依赖于高血压、冠心病或其它已知心脏病，因此支持存在糖尿病性心肌病。 糖尿病心脏舒张功能不全如：心脏等容舒张时间延长左室射血时间（LVET）缩短射血前期（PEP）延长PEP/LVET比值升高 糖尿病性心脏收缩功能不全Framingham研究（292例DM及4900例非DM）发现成年男性糖尿病患者充血性心衰发生率是非糖尿病者的2.4倍成年女性糖尿病患者心衰发生率是非糖尿病者的5倍这些流行病调查数据提示：糖尿病患者排除冠心病、高血压、血胆固醇水平及年龄因素后，仍有较高的危险发生心衰，或者说糖尿病可能是扩张性心肌病或心衰的原因 糖尿病鼠心脏结构改变乳头肌达到最大舒张和收缩的时间延长心脏重量/体重比值增加细胞外成份含量增加3倍毛细血管总的表面积、心肌细胞线粒体的容积率降低氧弥散到心肌细胞线粒体的距离增加。糖尿病患者的心脏也存在类似的结构变化 目录一、简介二、糖尿病性心肌病证据三、发病机制与糖尿病性心肌病发生相关的因素与高血压和缺血性心脏病的相互作用糖尿病性心肌病分期四、治疗五、结论 A.与糖尿病性心肌病发生相关的因素1.代谢紊乱2.心肌纤维化3.小血管病变4.心脏自主神经病5.胰岛素抵抗 底物供给和利用变化：心肌收缩和主动舒张都需要ATP供能生理状态下，ATP来源于糖酵解、糖氧化及脂肪的氧化，三种代谢方式产生的ATP分别占总ATP的5%-10%，20%-35%和60%-70%与糖氧化相比，脂肪氧化需消耗更多的氧，故脂肪酸并非是有效的能源物质糖尿病心脏在糖酵解和氧化方面存在缺陷，糖的供给和利用都减少，对脂肪的利用上升至90%-100%，上述反应的净效应是ATP产量减少 主要限制糖利用的因素是细胞内葡萄糖转运蛋白（GLUTs）1和4损耗导致的葡萄糖跨肌纤维膜转运至心肌的速度降低，胰岛素治疗可以改善这一状况减少葡萄糖氧化的因素是循环高游离脂肪酸引起的脂肪酸氧化反应对丙酮酸脱氢酶的抑制作用由底物代谢异常引起的收缩功能改变已在糖尿病遗传鼠上得到验证 b)游离脂肪酸代谢：游离脂肪酸代谢紊乱是糖尿病心功能异常的重要因素之一由于脂肪组织和甘油三酯分解引起的游离脂肪酸升高，可抑制葡萄糖氧化同时由于游离脂肪酸总量升高，致其氧化过程耗氧量升高，其毒性中间代谢产物增加，因而导致心功能恶化 c)细胞内钙调控失衡：毒性分子可以使心肌收缩蛋白对钙的敏感性降低心脏肌球蛋白重链快速V1型被慢速V3型取代，使肌球蛋白的滑行减慢肌浆网Ca-ATP酶和钙泵功能降低，细胞Na-Ca交换受抑制，引起钙清除减慢等因素最终损害了心功能 d)治疗反应：糖尿病性心肌病的左室舒张末压升高、左室收缩压和心输出量降低等都可被胰岛素治疗纠正，进一步证实糖尿病心功能的改变与血糖控制密切相关不仅如此，早期开始胰岛素治疗可以完全逆转心肌结构的改变，而延迟的胰岛素治疗只能部分逆转运动锻炼由于可以改善胰岛素敏感性而有利于心肌结构异常的恢复 1.代谢紊乱2.心肌纤维化3.小血管病变4.心脏自主神经病5.胰岛素抵抗 心肌细胞死亡：心肌细胞死亡可由凋亡或坏死引起糖尿病性心肌病中两者都存在这两种截然不同的细胞死亡形式结果也有很大不同凋亡不会引起瘢痕形成或显著的间质胶原沉积，而仅仅是核碎裂和细胞皱缩，并被周围的细胞替代而心肌细胞坏死则会导致纤维化和结缔组织细胞增殖。 b)心肌纤维化过程：胶原赖氨酸残基糖基化致使胶原降解减少是糖尿病心肌胶原沉积的原因之一高血糖产生的活性氧和氮，增加了氧化应激反应，导致基因表达和信号传导异常，激活细胞凋亡途径 c)心肌纤维化的结果：心肌纤维化是心肌细胞坏死纤维化替代以及心肌间质的结缔组织细胞对病理负荷的反应性增生的共同结果研究发现糖尿病性心肌病只是单纯的间质纤维化，而糖尿病性心肌病细胞死亡不仅是坏死，而且还有凋亡，因此纤维化替代并不严重一项针对糖尿病性心肌病大鼠的研究发现心脏存在舒张和收缩功能不全的同时并无心肌纤维化存在，提示心功能异常主要由代谢引起，而不是由结构改变引发 d)心肌结构变化与心功能的关系：收缩功能不全主要由心肌细胞损伤和丢失引起，心肌细胞的死亡和损伤可以影响心肌收缩力、泵功能以及射血分数舒张功能不全则由胶原沉积和心肌细胞损伤共同引起，其中胶原沉积发挥主要作用 1.代谢紊乱2.心肌纤维化3.小血管病变4.心脏自主神经病5.胰岛素抵抗 血管结构异常：糖尿病心肌小血管的形态学变化有基底膜增厚小动脉增厚毛细血管密度降低氧气弥散至心肌细胞线粒体的距离增加 b)血管功能异常：糖尿病和扩张性心肌病有相似的冠状动脉小血管功能异常，同时冠状动脉血流储备减少、内皮依赖的冠状动脉血管扩张功能受损，这些都提示小血管病变与糖尿病性心肌病相关冠状动脉血流储备减少可降低心肌缺血的阈值，若同时合并冠状动脉狭窄则更易发生心肌缺血。反复心肌缺血即可导致糖尿病性心肌病 c)内皮功能不全：糖尿病患者心外膜冠状动脉和前臂动脉内皮依赖的血管扩张作用受损一氧化氮半衰期和活性降低内皮源的缩血管前列腺素增加因而糖尿病缩血管作用增强 d)小结：在糖尿病的急性期，代谢紊乱造成的生化损害是糖尿病性心肌病的始动因素在慢性期，继发的血管病变、血管壁僵硬度增加以及控制离子转运的蛋白质异常都参与心肌病的发生 1.代谢紊乱2.心肌纤维化3.小血管病变4.心脏自主神经病5.胰岛素抵抗 自主神经病的评价方法：123I-MIBGSPECT或11C-HEDPET方法可以量化分析心脏自主神经分布以及左室去交感的病生理结果糖尿病自主神经病患者心脏交感神经功能不全，且主要累及下壁同1型糖尿病相比，2型糖尿病交感神经功能不全更常见，且更严重左室远端较近端交感神经功能不全更加严重 b)心肌儿茶酚胺水平：糖尿病早期心脏去甲肾上腺素和ß肾上腺受体密度都显著增高随着糖尿病进展，两者水平又恢复正常 c)与左室功能不全的关系：一些研究证实糖尿病自主神经病与心脏舒张功能不全和运动负荷下的收缩功能不全有关 1.代谢紊乱2.心肌纤维化3.小血管病变4.心脏自主神经病5.胰岛素抵抗：研究发现胰岛素抵抗与心肌细胞收缩功能不全有关，而二甲双胍在改善胰岛素抵抗的同时，也可改善这种功能不全 目录一、简介二、糖尿病性心肌病证据三、发病机制与糖尿病性心肌病发生相关的因素与高血压和缺血性心脏病的相互作用糖尿病性心肌病分期四、治疗五、结论 与高血压的相互作用：糖尿病患者高血压发生率约是非糖尿病患者的2倍高血糖、高胰岛素血症和内皮功能不全都与高血压发病有关一项针对12550例成年人的前瞻性流行病调查发现，高血压患者2型糖尿病的发病率约是血压正常者的2.5倍合并高血压的糖尿病患者临床症状和心脏形态变化都比单纯高血压或糖尿病的患者严重 与缺血性心脏病的相互作用：糖尿病患者较早即可发生动脉粥样硬化内皮功能不全、血管紧张素II水平升高、脂代谢紊乱和胰岛素抵抗都与动脉粥样硬化，尤其是冠状动脉粥样硬化有关其进程快慢与糖尿病控制程度和病程有关而冠状动脉粥样硬化反过来又可以促进糖尿病性心肌病的进展1型糖尿病患者由于Lp(a)和apoB水平增高，不论其血糖控制如何都容易发生动脉粥样硬化和缺血性心肌病 目录一、简介二、糖尿病性心肌病证据三、发病机制与糖尿病性心肌病发生相关的因素与高血压和缺血性心脏病的相互作用糖尿病性心肌病分期四、治疗五、结论 C.糖尿病性心肌病分期：糖尿病性心肌病主要由两部分组成，第一部分为短期的心脏对代谢改变的生理性适应，第二部分则是由于心脏对损伤的自我修复能力有限导致的退行性改变因此糖尿病早期的治疗可以有效地延缓进展至永久的后遗症。同时，其它因素如：治疗方法、代谢特征、脂代谢水平以及其它个体特征都可以影响糖尿病性心肌病的进程 早期：糖尿病性心肌病早期由高血糖触发，主要表现为代谢紊乱该期心脏整体结构并没有显著改变但心肌细胞水平已有结构变化内皮功能不全也在早期发生 2.中期：病理特征为心肌细胞肥大和心肌纤维化心脏结构变化较轻，但舒张和收缩功能变化显著，传统超声心动图可发现这些变化该期心肌血管结构的损害尚不明显 3.晚期：持续的心肌代谢紊乱和心肌纤维化最终导致心肌微血管结构和功能的改变心脏也有显著的结构和功能变化该期糖尿病性心肌病通常合并高血压和早期缺血性心肌病 目录一、简介二、糖尿病性心肌病证据三、发病机制四、治疗五、结论 适量运动增强血糖控制应用钙拮抗剂ACEI类药物/ARB/醛固酮拮抗剂抗氧化降脂治疗胰岛素增敏药物治疗 目录一、简介二、糖尿病性心肌病证据三、发病机制四、治疗五、结论 迄今为止，有许多研究提示糖尿病性心肌病是一种独立的临床疾病其病生理过程还不完全清楚，但已知的有间质纤维化、心肌细胞丢失、能量利用障碍、小血管病变和自主神经病在临床上表现为呼吸困难和运动耐量下降等心脏收缩和舒张功能不全的症状糖尿病患者通常还并存高血压、动脉粥样硬化和血脂紊乱，这些传统的心脏病危险因素可使心脏情况进一步恶化目前，糖尿病性心肌病还没有特异的疗法，但需提倡控制传统的危险因素以及改善生活方式进一步研究糖尿病性心肌病的分子机制将有助于发现更为合适的治疗方法 谢谢！'