Diferentemente das fontes de luz comuns, os lasers têm as seguintes características físicas:
Devido à restrição da cavidade ressonante na direção da oscilação da luz, o laser só pode amplificar a oscilação da radiação estimulada ao longo do eixo da cavidade, então o laser tem alta diretividade. Portanto, o laser pode espalhar o feixe em paralelo a uma longa distância e ainda garantir intensidade suficiente.
A faixa de comprimento de onda da luz visível que causa a cor visual, ou seja, a largura da linha espectral, é uma medida da monocromaticidade de uma fonte de luz. Quanto mais estreita a largura da linha espectral, melhor a monocromaticidade. A luz natural tem uma ampla faixa de comprimento de onda. Por exemplo, depois que a luz solar é dividida por um prisma, bandas espectrais compostas de várias cores podem ser vistas. O laser é produzido pela radiação estimulada de átomos e tem linhas espectrais extremamente estreitas, por isso tem alta monocromaticidade.
A coerência é dividida em coerência temporal e coerência espacial. A coerência temporal descreve a relação de fase de cada ponto na direção de propagação do feixe de luz e está relacionada à monocromaticidade da fonte de luz. A largura da linha espectral do laser é muito estreita e a monocromaticidade é alta, por isso tem alta coerência temporal. A coerência espacial descreve a relação de fase entre pontos na superfície da onda perpendiculares à direção de propagação do feixe. Refere-se à coerência de diferentes pontos espaciais no campo de luz ao mesmo tempo e está intimamente relacionada à sua direcionalidade. A alta diretividade do laser determina sua alta coerência espacial. O laser é um tipo de luz coerente. A frequência de movimento, fase, estado de polarização e direção de propagação de cada fóton são os mesmos. O laser monomodo pode ser completamente coerente.
O brilho monocromático de uma fonte de luz se refere à potência óptica emitida pela fonte de luz dentro da área unitária, largura de banda de frequência unitária e ângulo sólido unitário. As características do laser, como alta diretividade e monocromaticidade, permitem que sua energia seja melhor focada no espaço e no tempo, por isso tem brilho direcional monocromático extremamente alto.
Quando o laser atua no tecido biológico, ele produz calor, pressão, campos actínicos e eletromagnéticos, etc., o que é chamado de efeito biológico do laser. Fatores como o comprimento de onda e a intensidade do laser e as características de reflexão, absorção e condução de calor do laser na parte irradiada do tecido biológico têm impacto em seus efeitos biológicos. Atualmente, acredita-se que os efeitos biológicos do laser são refletidos principalmente nos seguintes aspectos: efeito térmico, efeito de luz, efeito de campo eletromagnético, pressão e efeito de onda de choque.
1. Efeito térmico: A essência do laser é a onda eletromagnética. Se a frequência de sua propagação for igual ou similar à frequência de vibração das moléculas do tecido, sua vibração será aumentada. Essa vibração molecular é o mecanismo que gera calor, por isso também é chamada de vibração térmica. Sob certas condições, a energia do laser atuando no tecido é convertida principalmente em energia térmica, então o efeito térmico é um fator importante no efeito do laser no tecido.
O comprimento de onda do movimento térmico molecular é mostrado principalmente perto da banda infravermelha. Portanto, a saída do laser infravermelho pelo laser de dióxido de carbono tem um forte efeito térmico no tecido. Quando um certo tipo e potência de laser irradia tecido biológico, ele pode produzir 200~1000℃ e acima em alguns milissegundos. Alta temperatura, isso ocorre porque o laser, especialmente o laser focado, pode concentrar grande energia em um pequeno feixe. Por exemplo, um laser de rubi de dezenas de joules foca em uma microárea de um tecido e pode gerar uma alta temperatura de centenas de graus Celsius na área em alguns milissegundos, destruindo as proteínas na área e causando queimaduras ou vaporização. A luz comum de dezenas de joules é fundamental. Não tem esse efeito. Além disso, também foi descoberto que quando a irradiação é interrompida, o aumento de temperatura causado pelo laser diminui mais lentamente do que o aumento de temperatura causado por qualquer método. Por exemplo, leva dezenas de dezenas de joules para que o aumento de temperatura causado pelo laser de rubi caia para a temperatura normal original. minuto.
2. Efeito de luz Os tecidos biológicos têm um certo grau de coloração e podem absorver seletivamente o espectro de 300~1000 nm. Os pigmentos em organismos vivos incluem melanina, melanoidina, hemoglobina, caroteno, ferro, etc. Entre eles, a melanina tem a maior absorção de energia do laser. A hemoglobina reduzida tem bandas de absorção claras em 556 nm, a oxihemoglobina tem bandas de absorção claras em 415 nm, 542 nm e 575 nm. O caroteno tem uma banda de absorção em 480 nm. A melanina e a melanoidina têm a absorção mais forte na banda de 400~450 nm. Seja uma célula normal ou uma célula tumoral, há muitos grânulos de melanina no citoplasma e entre as células. Eles absorvem a energia do laser para que a energia se acumule nos grânulos de pigmento e se torne uma fonte de calor. A energia é conduzida e difundida para o ambiente, causando danos às células do tecido circundante.
A transparência dos componentes da célula do tecido para o laser é relativa. Por exemplo, Lowndes et al. provaram que o ácido nucleico de nicotinamida adenina reduzido é transparente para o laser de rubi com um comprimento de onda de 694,3 nm, mas pode absorver luz ultravioleta com um comprimento de onda de 330~350 nm. A absorção ocorre quando um feixe de laser de rubi atua em uma solução concentrada de ácido nucleico de nicotinamida adenina prototípico. Macromoléculas biológicas têm bandas de absorção amplas e fortes no espectro visível, então há uma certa probabilidade de absorção multifóton quando a radiação laser forte interage com substâncias biológicas. Biomoléculas podem ser excitadas após absorver fótons, e a energia é convertida em calor, ou parcialmente re-irradiada na forma de fosforescência ou fluorescência, ou a energia é usada para acelerar reações químicas.
Além das várias propriedades do próprio laser, o grau de coloração do tecido ou o tipo de fotorreceptor (pigmento) desempenha um papel importante no efeito da luz do laser no tecido vivo. Cores complementares ou quase complementares têm o efeito mais óbvio. Pele de cores diferentes, órgãos ou estruturas de tecido de cores diferentes podem ter absorção significativamente diferente da luz do laser. Quanto maior a transmitância e a absorção do tecido da luz do laser de diferentes comprimentos de onda, mais óbvios serão seus efeitos de luz correspondentes. Depois que o tecido absorve os quanta do laser, ele pode produzir reações fotoquímicas, efeitos fotoelétricos, transições eletrônicas, estimular radiação de outros comprimentos de onda (como fluorescência), energia térmica, radicais livres e ultramicroluminescência de células, que podem causar decomposição e ionização do tecido, afetando, em última análise, a estrutura e a função do tecido irradiado, e até mesmo causar danos.
3. Efeito do campo eletromagnético Sob a ação do laser com intensidade normal, o efeito do campo eletromagnético não é óbvio; somente quando a intensidade do laser é extremamente alta, o efeito do campo eletromagnético é mais óbvio. Após focar o laser, quando a densidade de energia da luz no foco atinge 106W/cm2, é equivalente a uma intensidade de campo elétrico de 105V/cm'. O efeito do campo eletromagnético pode causar ou alterar o movimento quantizado de moléculas e átomos em tecidos biológicos. Pode fazer com que átomos, moléculas e grupos moleculares no corpo produzam excitação, oscilação, efeitos térmicos e ionização. Pode catalisar reações bioquímicas, gerar radicais livres e destruir células. Alterar as propriedades eletroquímicas dos tecidos, etc.
Qual reação ou reações são causadas após a irradiação do laser tem uma relação importante com sua frequência e dose. Por exemplo, radicais livres só podem ser formados quando a intensidade do campo elétrico é maior que 1010V/cm?. A luz do laser pode ser medida usando ressonância de spin de elétrons
Radicais livres produzidos pela irradiação de feixes de tecidos como pele negra e melanoma. Devido às propriedades especiais dos lasers, a tecnologia laser tem sido usada em muitos aspectos em pesquisas biológicas e aplicações médicas. Por exemplo, a fotólise flash e a espectroscopia Raman são usadas para estudar o processo de reação biológica rápida e a estrutura de moléculas complexas, e a faca laser é usada para cortar tecidos e coagular pequenos vasos sanguíneos e nervos durante a cirurgia.
4. Efeito de pressão e onda de choque A pressão da luz comum é insignificante. No entanto, quando a densidade de energia no foco do feixe de laser focado atinge 10 MW/cm', a pressão será de cerca de 4 kPa, o que causará considerável pressão primária nos tecidos biológicos. . Quando o feixe de laser é focado em um ponto de luz abaixo de 0,2 mm, a pressão pode atingir 20 kPa; quando um laser de rubi de pulso gigante de 107 W é usado para irradiar espécimes de pele humana ou animal, a pressão real gerada é medida em 17,58 MPa.
Quando um feixe de laser irradia tecido vivo, devido à grande pressão por unidade de área, a pressão na superfície do tecido vivo é transmitida para o interior do tecido, ou seja, parte da energia do laser irradiada no tecido se torna uma onda de compressão mecânica, e um gradiente de pressão aparece. Se a pressão do feixe de laser for grande o suficiente para evaporar as partículas na superfície do tecido irradiado, as partículas do tecido vivo serão ejetadas, causando uma onda de pulso mecânica (choque reverso) na direção oposta do movimento das partículas ejetadas - uma onda de choque. Esta onda de choque pode fazer o tecido vivo ejetar diferentes números de partículas camada por camada e, finalmente, formar uma cavidade cônica semelhante a uma "cratera".
Além das ondas de choque acima mencionadas formadas pela pressão de reação causada pela forte pressão de radiação, a expansão térmica do tecido também pode gerar ondas de choque. Como a temperatura aumenta bruscamente em um curto período de tempo (milissegundos ou menos), o calor liberado instantaneamente não tem tempo para se difundir, resultando em expansão térmica corporal acelerada. Por exemplo, quando um laser de rubi de 60% é usado para irradiar a parede abdominal de um rato, uma parede abdominal semi-formada se forma em alguns milissegundos. Uma protrusão redonda, que é uma expansão térmica explosiva do corpo no tecido subcutâneo irradiado. A pressão e a pressão de recuo formadas no tecido devido à expansão térmica do corpo podem produzir ondas elásticas que se propagam para outras partes. Elas inicialmente formam ondas ultrassônicas, gradualmente se transformam em ondas sonoras devido à desaceleração e, em seguida, se transformam em ondas mecânicas na forma de ondas subsônicas e, finalmente, param de se propagar. Na camada líquida da microcavidade do tecido, a cavitação pode ocorrer enquanto as ondas ultrassônicas estão se propagando. O acúmulo de cavitações pode causar colapso óbvio do tecido e, às vezes, uma grande onda de choque de compressão pode ser gerada. Esta série de reações pode causar danos. O escopo do efeito térmico do laser é muito limitado e o dano ao tecido causado pelo efeito de pressão pode se espalhar para partes distantes da área iluminada. Por exemplo, quando um laser de rubi foi usado para irradiar a cabeça de um rato, descobriu-se que o couro cabeludo estava levemente danificado, o crânio e a dura-máter do cérebro não estavam danificados, mas o próprio cérebro sofreu sangramento em larga escala e até morte. O fenômeno eletrostritivo do tecido no campo elétrico extremamente forte causado por um forte feixe de laser também pode gerar ondas de choque e outras ondas elásticas.
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