Im Gegensatz zu gewöhnlichen Lichtquellen weisen Laser die folgenden physikalischen Eigenschaften auf:
Da die Richtung der Lichtschwingung durch den Resonanzhohlraum eingeschränkt ist, kann der Laser die Schwingung der angeregten Strahlung nur entlang der Hohlraumachse verstärken. Der Laser hat also eine hohe Richtwirkung. Daher kann der Laser den Strahl über eine lange Distanz parallel ausbreiten und dennoch eine ausreichende Intensität gewährleisten.
Der Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts, der sichtbare Farben verursacht, also die Spektrallinienbreite, ist ein Maß für die Monochromasie einer Lichtquelle. Je schmaler die Spektrallinienbreite, desto besser die Monochromasie. Natürliches Licht hat einen breiten Wellenlängenbereich. Wenn Sonnenlicht beispielsweise durch ein Prisma aufgespalten wird, sind Spektralbänder sichtbar, die aus mehreren Farben bestehen. Laser werden durch stimulierte Strahlung von Atomen erzeugt und haben extrem schmale Spektrallinien, sodass sie eine hohe Monochromasie aufweisen.
Kohärenz wird in zeitliche Kohärenz und räumliche Kohärenz unterteilt. Die zeitliche Kohärenz beschreibt die Phasenbeziehung jedes Punkts in der Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls und hängt mit der Monochromasie der Lichtquelle zusammen. Die spektrale Linienbreite des Lasers ist sehr schmal und die Monochromasie hoch, sodass er eine hohe zeitliche Kohärenz aufweist. Die räumliche Kohärenz beschreibt die Phasenbeziehung zwischen Punkten auf der Wellenoberfläche senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Strahls. Sie bezieht sich auf die Kohärenz verschiedener räumlicher Punkte im Lichtfeld zur gleichen Zeit und hängt eng mit seiner Richtungsabhängigkeit zusammen. Die hohe Richtungsabhängigkeit des Lasers bestimmt seine hohe räumliche Kohärenz. Laser sind eine Art kohärentes Licht. Die Bewegungsfrequenz, Phase, der Polarisationszustand und die Ausbreitungsrichtung jedes Photons sind gleich. Einmodenlaser können vollständig kohärent sein.
Die monochromatische Helligkeit einer Lichtquelle bezieht sich auf die optische Leistung, die von der Lichtquelle innerhalb einer Flächeneinheit, einer Frequenzbandbreite und eines Raumwinkels abgegeben wird. Die Eigenschaften des Lasers wie hohe Richtwirkung und Monochromatizität ermöglichen eine bessere Fokussierung seiner Energie in Raum und Zeit, sodass er eine extrem hohe monochromatische Richtungshelligkeit aufweist.
Wenn ein Laser auf biologisches Gewebe einwirkt, erzeugt er Hitze, Druck, aktinische und elektromagnetische Felder usw., was als biologische Wirkung des Lasers bezeichnet wird. Faktoren wie die Wellenlänge und Intensität des Lasers sowie die Reflexions-, Absorptions- und Wärmeleitungseigenschaften des Lasers im bestrahlten Teil des biologischen Gewebes wirken sich alle auf seine biologischen Wirkungen aus. Gegenwärtig wird angenommen, dass sich die biologischen Wirkungen des Lasers hauptsächlich in den folgenden Aspekten widerspiegeln: thermische Wirkung, Lichtwirkung, elektromagnetische Feldwirkung, Druck- und Stoßwellenwirkung.
1. Thermische Wirkung: Das Wesen des Lasers sind elektromagnetische Wellen. Wenn die Frequenz seiner Ausbreitung gleich oder ähnlich der Schwingungsfrequenz von Gewebemolekülen ist, wird seine Schwingung verstärkt. Diese Molekülschwingung ist der Mechanismus, der Wärme erzeugt, daher wird sie auch als thermische Schwingung bezeichnet. Unter bestimmten Bedingungen wird die auf das Gewebe einwirkende Laserenergie größtenteils in Wärmeenergie umgewandelt, daher ist der thermische Effekt ein wichtiger Faktor für die Wirkung des Lasers auf das Gewebe.
Die Wellenlänge der molekularen thermischen Bewegung wird hauptsächlich in der Nähe des Infrarotbands gezeigt. Daher hat die Infrarotlaserleistung des Kohlendioxidlasers eine starke thermische Wirkung auf das Gewebe. Wenn ein Laser einer bestimmten Art und Leistung biologisches Gewebe bestrahlt, kann er innerhalb weniger Millisekunden 200 bis 1000 °C und mehr erzeugen. Hohe Temperaturen, die darauf zurückzuführen sind, dass Laser, insbesondere fokussierte Laser, große Energie in einem winzigen Strahl konzentrieren können. Beispielsweise kann ein Rubinlaser mit zehn Joule auf einen Mikrobereich eines Gewebes fokussiert werden und innerhalb weniger Millisekunden eine hohe Temperatur von Hunderten von Grad Celsius in diesem Bereich erzeugen, wodurch die Proteine in diesem Bereich zerstört werden und Verbrennungen oder Verdampfung verursacht werden. Gewöhnliches Licht mit zehn Joule ist grundsätzlich nicht derart effektiv. Darüber hinaus wurde auch festgestellt, dass der durch den Laser verursachte Temperaturanstieg langsamer abnimmt, wenn die Bestrahlung gestoppt wird, als der durch jede andere Methode verursachte Temperaturanstieg. Beispielsweise dauert es Dutzende von zehn Joule, bis der durch den Rubinlaser verursachte Temperaturanstieg auf die ursprüngliche Normaltemperatur abfällt. Minute.
2. Lichtwirkung Biologisches Gewebe weist einen gewissen Grad an Färbung auf und kann das Spektrum von 300 bis 1000 nm selektiv absorbieren. Zu den Pigmenten in lebenden Organismen zählen Melanin, Melanoidin, Hämoglobin, Carotin, Eisen usw. Unter ihnen hat Melanin die größte Absorptionsrate von Laserenergie. Reduziertes Hämoglobin hat klare Absorptionsbänder bei 556 nm, Oxyhämoglobin hat klare Absorptionsbänder bei 415 nm, 542 nm und 575 nm. Carotin hat ein Absorptionsband bei 480 nm. Melanin und Melanoidin haben die stärkste Absorption im Band von 400 bis 450 nm. Unabhängig davon, ob es sich um eine normale Zelle oder eine Tumorzelle handelt, gibt es im Zytoplasma und zwischen den Zellen viele Melaninkörnchen. Sie absorbieren Laserenergie, sodass sich die Energie auf den Pigmentkörnchen ansammelt und zu einer Wärmequelle wird. Die Energie wird geleitet und in die Umgebung abgegeben, wodurch die umliegenden Gewebezellen geschädigt werden.
Die Transparenz von Gewebezellkomponenten gegenüber Lasern ist relativ. Beispielsweise haben Lowndes et al. nachgewiesen, dass reduzierte Nicotinamidadeninnukleinsäure für Rubinlaser mit einer Wellenlänge von 694,3 nm transparent ist, jedoch ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge von 330 bis 350 nm absorbieren kann. Die Absorption erfolgt, wenn ein Rubinlaserstrahl auf eine konzentrierte Lösung von prototypischer Nicotinamidadeninnukleinsäure einwirkt. Biologische Makromoleküle haben breite und starke Absorptionsbänder im sichtbaren Spektrum, sodass eine gewisse Wahrscheinlichkeit einer Mehrphotonenabsorption besteht, wenn starke Laserstrahlung mit biologischen Substanzen interagiert. Biomoleküle können nach der Absorption von Photonen angeregt werden und die Energie wird entweder in Wärme umgewandelt oder teilweise in Form von Phosphoreszenz oder Fluoreszenz wieder abgestrahlt, oder die Energie wird zur Beschleunigung chemischer Reaktionen verwendet.
Neben den verschiedenen Eigenschaften des Lasers selbst spielt der Färbungsgrad des Gewebes oder die Art des Fotorezeptors (Pigments) eine wichtige Rolle bei der Lichtwirkung des Lasers auf lebendes Gewebe. Komplementärfarben oder nahezu komplementäre Farben haben die deutlichste Wirkung. Haut unterschiedlicher Farbe, Organe oder Gewebestrukturen unterschiedlicher Farbe können eine deutlich unterschiedliche Absorption von Laserlicht aufweisen. Je höher die Durchlässigkeit und Absorption des Gewebes für Laserlicht unterschiedlicher Wellenlängen ist, desto deutlicher sind die entsprechenden Lichteffekte. Nachdem das Gewebe die Laserquanten absorbiert hat, kann es photochemische Reaktionen, photoelektrische Effekte und elektronische Übergänge erzeugen, Strahlung anderer Wellenlängen (wie Fluoreszenz), Wärmeenergie, freie Radikale und Ultramikrolumineszenz von Zellen stimulieren, was zu Gewebezersetzung und Ionisierung führen und letztendlich die Struktur und Funktion des bestrahlten Gewebes beeinträchtigen und sogar Schäden verursachen kann.
3. Elektromagnetische Feldwirkung Bei Einwirkung eines Lasers mit normaler Intensität ist die elektromagnetische Feldwirkung nicht offensichtlich; nur wenn die Laserintensität extrem hoch ist, ist die elektromagnetische Feldwirkung deutlicher. Nach Fokussierung des Lasers, wenn die Lichtenergiedichte am Fokus 106 W/cm2 erreicht, entspricht dies einer elektrischen Feldstärke von 105 V/cm'. Die elektromagnetische Feldwirkung kann die quantisierte Bewegung von Molekülen und Atomen in biologischen Geweben verursachen oder verändern. Sie kann dazu führen, dass Atome, Moleküle und Molekülgruppen im Körper Anregungen, Schwingungen, thermische Effekte und Ionisierung erzeugen. Sie kann biochemische Reaktionen katalysieren, freie Radikale erzeugen und Zellen zerstören. Die elektrochemischen Eigenschaften von Geweben verändern usw.
Welche Reaktion oder Reaktionen nach der Laserbestrahlung ausgelöst werden, hängt stark von deren Häufigkeit und Dosis ab. Beispielsweise können freie Radikale nur gebildet werden, wenn die elektrische Feldstärke höher als 1010 V/cm ist. Laserlicht kann mithilfe der Elektronenspinresonanz gemessen werden.
Freie Radikale, die durch Strahlenbestrahlung von Geweben wie schwarzer Haut und Melanomen entstehen. Aufgrund der besonderen Eigenschaften von Lasern wird die Lasertechnologie in vielen Bereichen der biologischen Forschung und medizinischen Anwendung eingesetzt. Beispielsweise werden Blitzlichtphotolyse und Raman-Spektroskopie verwendet, um den schnellen biologischen Reaktionsprozess und die Struktur komplexer Moleküle zu untersuchen, und das Lasermesser wird verwendet, um während chirurgischer Eingriffe Gewebe zu schneiden und kleine Blutgefäße und Nerven zu koagulieren.
4. Druck und Stoßwelleneffekt Der Lichtdruck von normalem Licht ist vernachlässigbar. Wenn jedoch die Energiedichte im Brennpunkt des fokussierten Laserstrahls 10 MW/cm erreicht, beträgt der Druck etwa 4 kPa, was einen erheblichen Primärdruck auf biologisches Gewebe ausübt. Wenn der Laserstrahl auf einen Lichtfleck unter 0,2 mm fokussiert wird, kann der Druck 20 kPa erreichen; wenn ein 107 W Riesenpuls-Rubinlaser zum Bestrahlen von Hautproben von Menschen oder Tieren verwendet wird, beträgt der tatsächlich erzeugte Druck 17,58 MPa.
Wenn ein Laserstrahl lebendes Gewebe bestrahlt, wird aufgrund des hohen Drucks pro Flächeneinheit der Druck auf der Oberfläche des lebenden Gewebes in das Innere des Gewebes übertragen, d. h. ein Teil der auf das Gewebe abgestrahlten Laserenergie wird zu einer mechanischen Kompressionswelle und es entsteht ein Druckgradient. Wenn der Druck des Laserstrahls groß genug ist, um die Partikel auf der Oberfläche des bestrahlten Gewebes zu verdampfen, werden die lebenden Gewebepartikel herausgeschleudert, was eine mechanische Impulswelle (umgekehrte Stoßwelle) in entgegengesetzter Bewegungsrichtung der herausgeschleuderten Partikel verursacht – eine Stoßwelle. Diese Stoßwelle kann dazu führen, dass lebendes Gewebe Schicht für Schicht unterschiedliche Mengen von Partikeln herausschleudert und schließlich eine konische „kraterartige“ Höhle bildet.
Zusätzlich zu den oben erwähnten Stoßwellen, die durch den durch starken Strahlungsdruck verursachten Rückschlagdruck entstehen, kann auch die Wärmeausdehnung des Gewebes Stoßwellen erzeugen. Da die Temperatur in kurzer Zeit (Millisekunden oder weniger) stark ansteigt, hat die sofort freigesetzte Wärme keine Zeit, sich zu verteilen, was zu einer beschleunigten Wärmeausdehnung des Körpers führt. Wenn beispielsweise ein 60-prozentiger Rubinlaser verwendet wird, um die Bauchdecke einer Maus zu bestrahlen, bildet sich innerhalb weniger Millisekunden eine halbrunde Bauchdecke. Eine runde Ausstülpung, die eine explosive Wärmeausdehnung des Körpers im bestrahlten Unterhautgewebe darstellt. Der Druck und der Rückstoßdruck, die im Gewebe aufgrund der Wärmeausdehnung des Körpers entstehen, können elastische Wellen erzeugen, die sich in andere Teile ausbreiten. Sie bilden zunächst Ultraschallwellen, verwandeln sich aufgrund der Verzögerung allmählich in Schallwellen und werden dann in mechanische Wellen in Form von Unterschallwellen umgewandelt und hören schließlich auf, sich auszubreiten. In der Mikrohohlraumflüssigkeitsschicht des Gewebes kann Kavitation auftreten, während sich Ultraschallwellen ausbreiten. Die Ansammlung von Kavitationen kann zu einem deutlichen Gewebekollaps führen und manchmal kann eine große Kompressionsstoßwelle erzeugt werden. Diese Reihe von Reaktionen kann alle Schäden verursachen. Der Umfang des thermischen Effekts des Lasers ist sehr begrenzt und der durch den Druckeffekt verursachte Gewebeschaden kann sich auf Teile ausbreiten, die weit vom beleuchteten Bereich entfernt sind. Als beispielsweise ein Rubinlaser verwendet wurde, um den Kopf einer Maus zu bestrahlen, wurde festgestellt, dass die Kopfhaut leicht beschädigt wurde, der Schädel und die Dura mater des Gehirns wurden nicht beschädigt, aber das Gehirn selbst erlitt große Blutungen und sogar den Tod. Das elektrostriktive Phänomen des Gewebes in dem extrem starken elektrischen Feld, das durch einen starken Laserstrahl verursacht wird, kann auch Stoßwellen und andere elastische Wellen erzeugen.
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