激光的生物效应

激光的生物效应一方面与激光波长、偏振、模式、相干性、功率和功率密度、能量和能量密度、振动方式、曝光时间、重复频率、切割速度等有关，另一方面又与生物组织中各层次的机械性质(密度、张力、弹性)、热学性质(比热、热导率、热扩散率)、电学性质(电阻、电容、电抗)、光学性质(反射、透射、吸收、散射、偏振)、声学性质(声阻、声吸收)及生物特性(色素、血流、层次结构)等有关。一般来说，小能量激光有刺激作用，较大能量激光有抑制和破坏作用，逐次辐射有累积效应。从与波长的关系来说，红外光主要是对机体加热，近紫外线和可见光会引起光化反应，而紫外线和更短波长的光可直接改变分子，破坏酶，引起基因突变。激光辐射被生物体吸收后所引起的一系列反应，可归纳为热、压力、光化和电磁效应四个方面。
热效应 在可见光和红外光谱区，激光与生物组织的作用主要是热效应，其效应大小与多种原因有关。一个中等功率的激光器能在几个ms内使局部产生几千度的温升，从而使组织气化。热效应是组织致伤的主要原因，其特点是损伤区与正常组织的界线十分清楚。医学上利用这一特点，用大功率的激光器做成激光刀行组织切割。
热对皮肤作用过程包括温热感觉、热致红斑(温度约43～44℃)、热致水泡(温度约47～48℃)、热致凝固(温度约55～60℃)、热致沸腾(温度约100℃)、热致炭化 (温度约300～400℃)、热致气化(温度约530℃～5700℃) 等。热对眼组织的作用是，当温度高于55～60℃时角膜蛋白凝固，当温度高于100℃时角膜出现溃疡性疤痕或穿孔。视网膜吸收可见激光和近红外激光后，如温升仅1～2℃，即使持续时间很长也不会造成永久性损伤；若温升超过5℃以上时，色素层即被损害； 视网膜温度上升到70℃时，产生蛋白凝固现象，黄斑对光很敏感，其凝固时能量仅为周围的1/3。长期中等温升或强红外激光曝露，易引起晶状体混浊。虹膜本身含大量色素，能被可见和近红外激光烧伤，结疤或穿孔。热对内脏器官的作用虽类似皮肤，但因内脏器官如肝、肾、肌肉等，无皮肤那样厚的一层表皮，故激光透入的深度、波动范围和表现形式也有所不同。
压力效应（机械压力效应） 激光的压力效应主要来自两个方面：一是激光本身辐射具有的压力，即光压； 二是聚焦激光在有机体组织中产生的局部瞬间热效应造成组织膨胀、气化、变形，从而产生所谓次生冲击波压力或二次压力效应。光压和次生冲击波压构成总压力效应，这是引起机体组织结构改变乃至破坏的原因。
光化效应 光化效应是激光对生物机体作用的基础。有机体吸收光后发生分解和电解，发出荧光，产生热，这就是光化学反应过程。另外，由于激光具有能量密度高的特点，故可导致有机体内发生多光子吸收的非线性效应和其它效应，从而使有机体产生较大的突变效果。若生物分子被激光激活后，并将激活能暂时储存起来，可进行光合作用之类的缓慢过程，或者提供异构作用、聚合作用所需的自由能，或者使生物本身离解等。
电磁场效应 激光是一种很强的电磁波，故也必然产生磁场，因此激光能使有机体组织中的分子、原子离化以及产生自由基等。这些变化可引起DNA分子中氢键的断裂和碱基的替换，从而使基因物质发生改变。
弱激光的刺激作用 激光强度不同，机体组织器官不同，其效应程度及性质也不同。大功率的激光对生物机体所产生的凝固、炭化、气化即切割组织的作用一般易于理解，肉眼可见； 但小功率弱激光的刺激作用往往易被人忽视。弱激光的刺激作用也是激光所特有的效应。
(1) 弱激光对生物的作用过程： 弱激光可影响血红蛋白的合成，改变糜蛋白酶的活性，刺激毛发和细胞生长，加强白细胞噬菌作用，加快肠绒毛运动，促进粘膜的再生，创伤和溃疡面的愈合、移植皮片的长合和管状骨骨折的再生等，但如弱激光超过一定能量时，上述过程则变为抑制。
(2) 弱激光对神经的刺激作用： 弱激光使神经冲动传递加快，引起机体内功能变化，可舒张血管，起镇痛和麻醉作用。作用于中枢神经系统时，会引起血液动力学变化。
(3) 弱激光对全身的刺激作用： 小功率激光照射针灸经络穴位，可调整体内阴阳平衡和气血运行，改善脏腑功能。这一功能还与波长有关，如红色激光可改变周围血象和影响细胞分化，加快肺和骨髓新生细胞繁殖；紫外激光能刺激代谢，激活交感-肾上腺系统，加快有毒物质排泄，改善磷-钙代谢，改变维生素及微量元素在体内分布和交换，改变各种酶的活性等。
(4) 小功率激光的效应规律： 小能量激光对机体起刺激作用，超过一定范围时则起抑制作用，如He-Ne激光刺激作用的规律呈抛物线关系。
激光的安全 由于激光能量高度集中，对人体辐照后会引起多种不同的生物效应，故应重视对激光的防护。激光辐射对人体的损伤是多方面的，从眼睛、皮肤、中枢神经系统到内脏，其中以眼为主，次为皮肤。但皮肤的损伤阈值很高，而眼本身为一透镜系统，当激光束射入眼内时，可以聚焦成很小的光斑（能量密度很高），使眼受到伤害。所以，研究激光对人体危害时，大多均以眼损伤阈值为标准，并以眼睛有无损伤作为判断激光安全防护与否的依据。表为美国斯坦福研究所研制成的各种激光器引起眼睛轻微伤害的最低安全阈值。

美国斯坦福研究所的激光伤眼辐射阈值

激光器	辐照 时间	进入眼睛造成可见 微量损伤的最低激 光能量及功率	进入眼睛造成50% 损伤率的激光能量 及功率
调Q式红宝石 (0.6943μm)	10ns	8.6μJ	22μJ
调Q武钕玻璃 (1.06μm)	30ns	1.60μJ	280μJ
长脉冲钕玻璃 (1.06μm)	600μs	3mJ	4.7mJ
氦氖气体 (0.6328μm)	13.5ms 80 ms	17mW 14mW	23mW 18mW