A diferencia de las fuentes de luz ordinarias, los láseres tienen las siguientes características físicas:
Debido a la limitación de la cavidad resonante en la dirección de la oscilación de la luz, el láser solo puede amplificar la oscilación de la radiación estimulada a lo largo del eje de la cavidad, por lo que el láser tiene una alta directividad. Por lo tanto, el láser puede propagar el haz en paralelo a una gran distancia y aún así garantizar una intensidad suficiente.
El rango de longitud de onda de la luz visible que causa el color visual, es decir, el ancho de la línea espectral, es una medida de la monocromaticidad de una fuente de luz. Cuanto más estrecho sea el ancho de la línea espectral, mejor será la monocromaticidad. La luz natural tiene un amplio rango de longitud de onda. Por ejemplo, después de que la luz solar se divide por un prisma, se pueden ver bandas espectrales compuestas de múltiples colores. El láser se produce por radiación estimulada de átomos y tiene líneas espectrales extremadamente estrechas, por lo que tiene una alta monocromaticidad.
La coherencia se divide en coherencia temporal y coherencia espacial. La coherencia temporal describe la relación de fase de cada punto en la dirección de propagación del haz de luz y está relacionada con la monocromaticidad de la fuente de luz. El ancho de línea espectral del láser es muy estrecho y la monocromaticidad es alta, por lo que tiene una alta coherencia temporal. La coherencia espacial describe la relación de fase entre puntos en la superficie de la onda perpendiculares a la dirección de propagación del haz. Se refiere a la coherencia de diferentes puntos espaciales en el campo de luz al mismo tiempo y está estrechamente relacionada con su direccionalidad. La alta directividad del láser determina su alta coherencia espacial. El láser es un tipo de luz coherente. La frecuencia de movimiento, la fase, el estado de polarización y la dirección de propagación de cada fotón son los mismos. El láser monomodo puede ser completamente coherente.
El brillo monocromático de una fuente de luz se refiere a la potencia óptica emitida por la fuente de luz dentro de una unidad de área, un ancho de banda de frecuencia y un ángulo sólido. Las características del láser, como la alta directividad y monocromaticidad, permiten que su energía se enfoque mejor en el espacio y el tiempo, por lo que tiene un brillo direccional monocromático extremadamente alto.
Cuando el láser actúa sobre el tejido biológico, produce calor, presión, campos actínicos y electromagnéticos, etc., lo que se denomina efecto biológico del láser. Factores como la longitud de onda y la intensidad del láser y las características de reflexión, absorción y conducción del calor del láser en la parte irradiada del tejido biológico influyen en sus efectos biológicos. En la actualidad, se cree que los efectos biológicos del láser se reflejan principalmente en los siguientes aspectos: efecto térmico, efecto luminoso, efecto de campo electromagnético, efecto de presión y efecto de onda de choque.
1. Efecto térmico: La esencia del láser es la onda electromagnética. Si la frecuencia de su propagación es igual o similar a la frecuencia de vibración de las moléculas de tejido, su vibración se verá potenciada. Esta vibración molecular es el mecanismo que genera calor, por lo que también se denomina vibración térmica. En determinadas condiciones, la energía del láser que actúa sobre el tejido se convierte en su mayor parte en energía térmica, por lo que el efecto térmico es un factor importante en el efecto del láser sobre el tejido.
La longitud de onda del movimiento térmico molecular se muestra principalmente cerca de la banda infrarroja. Por lo tanto, la salida del láser infrarrojo del láser de dióxido de carbono tiene un fuerte efecto térmico sobre el tejido. Cuando un cierto tipo y potencia de láser irradia tejido biológico, puede producir 200~1000℃ y más en unos pocos milisegundos. Alta temperatura, esto se debe a que el láser, especialmente el láser enfocado, puede concentrar una gran energía en un haz diminuto. Por ejemplo, un láser rubí de decenas de julios se enfoca en una microárea de un tejido y puede generar una alta temperatura de cientos de grados Celsius en el área en unos pocos milisegundos, destruyendo las proteínas en el área y causando quemaduras o vaporización. La luz ordinaria de decenas de julios es fundamental. No tiene tal efecto. Además, también se encontró que cuando se detiene la irradiación, el aumento de temperatura causado por el láser disminuye más lentamente que el aumento de temperatura causado por cualquier método. Por ejemplo, se necesitan docenas de decenas de julios para que el aumento de temperatura causado por el láser rubí baje a la temperatura normal original. minuto.
2. Efecto de la luz Los tejidos biológicos tienen un cierto grado de coloración y pueden absorber selectivamente el espectro de 300~1000 nm. Los pigmentos en los organismos vivos incluyen melanina, melanoidina, hemoglobina, caroteno, hierro, etc. Entre ellos, la melanina tiene la mayor absorción de energía láser. La hemoglobina reducida tiene bandas de absorción claras a 556 nm, la oxihemoglobina tiene bandas de absorción claras a 415 nm, 542 nm y 575 nm. El caroteno tiene una banda de absorción a 480 nm. La melanina y la melanoidina tienen la absorción más fuerte en la banda de 400~450 nm. Ya sea una célula normal o una célula tumoral, hay muchos gránulos de melanina en el citoplasma y entre las células. Absorben la energía del láser de modo que la energía se acumula en los gránulos de pigmento y se convierte en una fuente de calor. La energía se conduce y se difunde al entorno, causando daño a las células del tejido circundante.
La transparencia de los componentes de las células de los tejidos al láser es relativa. Por ejemplo, Lowndes et al. demostraron que el ácido nucleico de nicotinamida y adenina reducido es transparente al láser rubí con una longitud de onda de 694,3 nm, pero puede absorber luz ultravioleta con una longitud de onda de 330~350 nm. La absorción se produce cuando un haz de láser rubí actúa sobre una solución concentrada de ácido nucleico de nicotinamida y adenina prototípico. Las macromoléculas biológicas tienen bandas de absorción amplias y fuertes en el espectro visible, por lo que existe una cierta probabilidad de absorción multifotónica cuando la radiación láser fuerte interactúa con sustancias biológicas. Las biomoléculas pueden excitarse después de absorber fotones, y la energía se convierte en calor o se vuelve a irradiar parcialmente en forma de fosforescencia o fluorescencia, o la energía se utiliza para acelerar las reacciones químicas.
Además de las diversas propiedades del propio láser, el grado de coloración del tejido o el tipo de fotorreceptor (pigmento) desempeñan un papel importante en el efecto luminoso del láser sobre el tejido vivo. Los colores complementarios o casi complementarios tienen el efecto más evidente. La piel de diferentes colores, los órganos o las estructuras tisulares de diferentes colores pueden tener una absorción significativamente diferente de la luz láser. Cuanto mayor sea la transmitancia y la absorción del tejido de la luz láser de diferentes longitudes de onda, más evidentes serán sus correspondientes efectos luminosos. Una vez que el tejido absorbe los cuantos del láser, puede producir reacciones fotoquímicas, efectos fotoeléctricos, transiciones electrónicas, estimular la radiación de otras longitudes de onda (como la fluorescencia), la energía térmica, los radicales libres y la ultramicroluminiscencia de las células, que pueden provocar la descomposición e ionización del tejido, afectando en última instancia a la estructura y función del tejido irradiado, e incluso causar daños.
3. Efecto del campo electromagnético Bajo la acción de un láser de intensidad normal, el efecto del campo electromagnético no es evidente; sólo cuando la intensidad del láser es extremadamente alta, el efecto del campo electromagnético es más evidente. Después de enfocar el láser, cuando la densidad de energía de la luz en el foco alcanza 106W/cm2, es equivalente a una intensidad de campo eléctrico de 105V/cm'. El efecto del campo electromagnético puede causar o cambiar el movimiento cuantizado de moléculas y átomos en los tejidos biológicos. Puede hacer que los átomos, moléculas y grupos moleculares del cuerpo produzcan excitación, oscilación, efectos térmicos e ionización. Puede catalizar reacciones bioquímicas, generar radicales libres y destruir células. Cambiar las propiedades electroquímicas de los tejidos, etc.
La reacción o reacciones que se producen tras la irradiación láser tienen una relación importante con su frecuencia y dosis. Por ejemplo, los radicales libres solo se pueden formar cuando la intensidad del campo eléctrico es superior a 1010 V/cm. La luz láser se puede medir mediante resonancia de espín electrónico.
Radicales libres producidos por la irradiación de tejidos como la piel negra y el melanoma. Debido a las propiedades especiales de los láseres, la tecnología láser se ha utilizado en muchos aspectos de la investigación biológica y las aplicaciones médicas. Por ejemplo, la fotólisis flash y la espectroscopia Raman se utilizan para estudiar el rápido proceso de reacción biológica y la estructura de moléculas complejas, y el bisturí láser se utiliza para cortar tejidos y coagular pequeños vasos sanguíneos y nervios durante la cirugía.
4. Efecto de la presión y la onda de choque La presión de la luz ordinaria es insignificante. Sin embargo, cuando la densidad de energía en el foco del haz láser enfocado alcanza los 10 MW/cm2, la presión será de aproximadamente 4 kPa, lo que provocará una presión primaria considerable en los tejidos biológicos. Cuando el haz láser se enfoca en un punto de luz por debajo de 0,2 mm, la presión puede alcanzar los 20 kPa; cuando se utiliza un láser rubí de pulso gigante de 107 W para irradiar muestras de piel humana o animal, la presión real generada se mide en 17,58 MPa.
Cuando un rayo láser irradia tejido vivo, debido a la gran presión por unidad de área, la presión sobre la superficie del tejido vivo se transmite al interior del tejido, es decir, parte de la energía láser irradiada sobre el tejido se convierte en una onda de compresión mecánica y aparece un gradiente de presión. Si la presión del rayo láser es lo suficientemente grande como para evaporar las partículas en la superficie del tejido irradiado, las partículas de tejido vivo serán expulsadas, lo que provocará una onda de pulso mecánico (choque inverso) en la dirección opuesta del movimiento de las partículas expulsadas: una onda de choque. Esta onda de choque puede hacer que el tejido vivo expulse diferentes cantidades de partículas capa por capa y, finalmente, forme una cavidad cónica similar a un "cráter".
Además de las ondas de choque mencionadas anteriormente formadas por la presión de retroceso causada por una fuerte presión de radiación, la expansión térmica del tejido también puede generar ondas de choque. Debido a que la temperatura aumenta bruscamente en un corto período de tiempo (milisegundos o menos), el calor liberado instantáneamente no tiene tiempo de difundirse, lo que resulta en una expansión térmica corporal acelerada. Por ejemplo, cuando se utiliza un láser de rubí al 60% para irradiar la pared abdominal de un ratón, se forma una pared abdominal con forma de media luna en unos pocos milisegundos. Una protuberancia redonda, que es una expansión térmica explosiva del cuerpo en el tejido subcutáneo irradiado. La presión y la presión de retroceso formadas en el tejido debido a la expansión térmica del cuerpo pueden producir ondas elásticas que se propagan a otras partes. Inicialmente forman ondas ultrasónicas, gradualmente se convierten en ondas sonoras debido a la desaceleración y luego se convierten en ondas mecánicas en forma de ondas subsónicas y finalmente dejan de propagarse. En la capa líquida de microcavidad del tejido, puede ocurrir cavitación mientras se propagan las ondas ultrasónicas. La acumulación de cavitaciones puede provocar un colapso tisular evidente y, en ocasiones, puede generarse una gran onda de choque de compresión. Esta serie de reacciones pueden provocar daños. El alcance del efecto térmico del láser es muy limitado y el daño tisular causado por el efecto de la presión puede extenderse a partes alejadas del área iluminada. Por ejemplo, cuando se utilizó un láser rubí para irradiar la cabeza de un ratón, se descubrió que el cuero cabelludo estaba ligeramente dañado, el cráneo y la duramadre del cerebro no estaban dañados, pero el cerebro en sí sufría una hemorragia a gran escala e incluso la muerte. El fenómeno electroestrictivo del tejido en el campo eléctrico extremadamente fuerte causado por un rayo láser potente también puede generar ondas de choque y otras ondas elásticas.
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