第三章 激光生物效应解析

激光生物学效应研究
激光生物学效应研究是指探究激光对生物系统的影响及其机制的科学研究。

激光在医学、生物学、生产制造等领域得到了广泛应用，其中激光切割、激光治疗等应用日益被重视。

然而，激光对生物系统的作用机制尚不完全清楚，研究激光生物学效应有助于指导激光应用的合理使用。

在激光生物学效应研究中，研究人员主要关注以下内容：首先是激光的理化性质和生物效应规律，包括激光的波长、功率、时间和空间分布等特性对生物组织的影响。

其次是激光对细胞和组织的作用机制，例如激光对细胞膜的影响、对细胞核的影响、对DNA、RNA、蛋白质等生物大分子的影响等。

最后是激光在医学、生物学、生产制造等领域的应用前景和风险评估，比如激光在癌症治疗、皮肤美容、材料加工等方面的可行性和安全性。

总之，激光生物学效应研究是为了更好地认识激光与生物系统相互作用的机制，为激光的应用提供科学依据和技术支持。

激光的基本生物学效应
激光（Laser）是一种高能量、高强度的光线，其基本生物学效
应包括吸收、散射、透明和反射等。

吸收是激光的最主要的生物学效应。

当激光照射到生物体的时候，生物体的细胞和组织会吸收激光的能量，从而产生一系列生物学效应。

激光的吸收能力与器官、组织、细胞的组成和其颜色有很大关系。

散射是激光照射生物体后的一个常见生物学效应。

激光散射的方
向与入射角度、物体的大小、形状、材质、表面等因素都有关系。

散
射会产生激光在组织内扩散的效果，这对于治疗病变组织有一定的治
疗效果。

透明是激光的另一个较为常见的生物学效应。

当激光照射到透明
的组织时，激光束会通过组织而不被吸收。

然而，随着光束的传播距
离越来越远，激光束的能量也会逐渐减弱，直至消失。

反射是激光的最后一个生物学效应。

当激光照射到光滑的表面上时，激光束会从表面反射出去，这种反射方式叫做反射效应。

反射效
应在激光在医学、军事等领域有很多应用。

综上所述，激光的基本生物学效应对于临床医学领域的应用非常
广泛，例如激光手术、激光治疗等都是利用激光吸收、散射、透明和
反射等效应完成的。

虽然激光在治疗方面有诸多优势，但同时也有一
些安全性问题需要关注。

因此，在利用激光进行治疗时，必须要注意激光的参数设置、组
织的吸收能力、以及激光对周围健康组织的伤害等诸多因素，以确保
治疗的效果和安全性。

皮科宝典丨简析“激光”的生物效应机制及其医美应用领域1、激光的发展历程激光与半导体、原子能、计算机一样，是20世纪人类科学进步的典范，激光医学从孕育至今虽仅30多年，但已成为一门新兴的边缘学科。

激光生物学作用机制的研究与激光医疗设备的开发突飞猛进，带动了激光在临床治疗中的创造性应用，并逐渐深入到医学的各领域。

激光的观念最早可诉溯及本世纪初，1905年爱因斯坦依据一般相对性理论首次提出光量子假说，开启激光的观念探讨，紧接在1917年爱因斯坦又提出受激辐射理论，加速了激光理论的成熟。

1960年美国休斯公司实验室，梅曼Maiman工程师制造出全世界第一具红宝石激光，其后数十年激光的各项运用发展得极为快速，尤其是医疗用途最为成功。

激光是一种聚高能量的光束，能在短极的时间内放出能量，对组织产生热作用，造成选择性的破坏；激光并非辐射或放射线，不会有使细胞产生突变或致癌的疑虑。

激光能切割、封合和蒸发皮肤组织和血管。

激光能产生单一波长的强烈光束，其强度和脉冲时间可随意调整。

特定激光的波长和功率输出决定了其在医学上的用途。

不同波长的激光，可以选择性地吸收皮内的黑色、蓝色、绿色、褐色、红色、棕色、黄色等等的色素。

好比是晚上用电筒隔着玻璃窗照射屋内的东西，玻璃并没有任何的损伤，也就是说用激光在皮肤内部做手术。

再加上激光的光斑面积小，激光束以毫秒、微秒的极短时间通过皮肤，激光对表皮的热损极小，也是表皮不留疤痕的原因。

用术语来说，这叫做激光的“光爆破效应”。

现在，这种激光除了用于去除先天性色素性皮肤病的斑块，也可以用于后天性人为的皮肤病，如纹眉、纹身、外伤后的色素沉着症等。

在皮肤科的领域内，临床使用的激光种类有：红宝石激光、铒激光、二氧化碳激光、染料激光、Nd:YAG激光及紫翠玉激光。

激光的名称是依其激发介质来命名，自然界中有数千种物质可用来激发激光。

一般可分类固体激光、液体激光、气体激光及半导体激光。

早在1917年爱因斯坦就预言受激辐射的存在和光放大的可能，继而建立了激光的基本理论。

激光的生物效应及医学应用当把激光照到生物样品并相互作用时，除可发生同波段普通光引起的生物效应外，还可引起许多特别的生物效应，如热作用、光化作用、机械作用、电磁作用以及对生物系统的刺激作用等. 根据这些生物效应，激光在医学中可用于研究、诊断和治疗.热效应激光照射生物组织时，激光的光子作用于生物分子，分子运动加剧，与其他分子的碰撞频率增加，由光转化为分子的动能后变成热能. 为此将造成蛋白质变性，生物组织表面收缩、脱水、组织内部因水分蒸发而受到破坏，造成组织凝固坏死，当局部温度急剧上升达几百度甚至上千度时，可以造成照射部分碳化或汽化. 在照射生物组织时，不同波长的激光产生热效应的机制也不尽相同，红外激光的光子能量小，生物组织吸收后只能增加生物分子的热运动导致温度升高，所以它是直接生热；可见光和紫外光的光子能量大，生物组织吸收了光子能量后引起生物分子电子态跃迁，在它从电子激发态回到基态的驰豫过程中释放能量，该能量可能引起光化反应，也可能转化为热量产生温度升高，所以它们是间接生热. 激光热效应究竟应表现为哪种形式，在激光方面取决于其输出参数、作用时间，在生物组织方面则取决于其光学、热学特性等许多因素.在临床治疗时基本上是用热致凝固、热致汽化、热致碳化、热致燃烧这四种热效应，相对低能量的连续激光如CO2激光或Ar+激光，准连续的激光如铜蒸汽激光或KTP激光，通常产生可控的表浅的部分厚度的热致凝固效应；将脉冲染料激光的特异性作用于微血管治疗瘢痕，也应用了热致凝固效应；采用脉冲CO2激光或Er:YAG激光进行面部疤痕和皱纹的去除，则是利用了使病变皮肤组织汽化的热致汽化效应，从而获得理想的美容效果. 随着半导体激光器波长范围的扩展，半导体激光已经用于软组织切除及组织接合、凝固、和汽化，在医学上获得广泛应用. 有时根据情况，也采用多波长激光在空间、时间上的组合使用，比如在激光美容中，通常用CO2激光(10.6 μm)作大面积去皱后，再用铒激光(2.94 μm)做精细修整，可以产生优于单一波长的医疗效果.光化学效应当一个处于基态的分子吸收了能量足够大的光子以后，受激跃迁到激发态，在它从激发态返回到基态，但又不返回其原来分子能量状态的弛豫过程中，多出来的能量消耗在它自身的化学键断裂或形成新键上，其发生的化学反应即为原初光化学反应. 在原初光化学反应过程中形成的产物，大多数极不稳定，它们继续进行化学反应直至形成稳定的产物，这种光化反应称为继发光化反应，前后两种反应组成了一个完整的光化反应过程. 这一过程大致可分为光致分解、光致氧化、光致聚合及光致敏化四种主要类型. 光致敏化效应又包括光动力作用和一般光敏化作用.应用光敏剂进行的光动力学疗法是其中典型的应用. 光动力学疗法，也称为光化学疗法. 在机体内注射某种光敏物质，由于肿瘤细胞和正常细胞与光敏物质的亲和力不同，使病变组织内的光敏物质浓度远大于邻近的正常组织. 选择性存积于肿瘤细胞内的光敏剂经特定波长的光照射激发后，发生光物理化学反应，产生活性氧分子和自由基等其他活性物质，导致肿瘤细胞凋亡或坏死；或通过破坏肿瘤组织内的微血管循环系统，使肿瘤细胞缺氧或营养匮乏而衰竭，从而选择性地破坏肿瘤组织，对正常组织损伤小，所以它是一种较好的治疗方法，尤其对浅表肿瘤疗效较好. 光动力学疗法治疗原位鳞状细胞癌早有报道，现在除了疗效较好的浅表肿瘤，已经用于早期肺癌和食道癌，深部的甚至大体积的实体瘤治疗. 随着各国卫生组织的先后批准，PDT已逐渐成为临床常用的备选治疗方式，包括晚期癌的姑息性治疗和早期癌及癌前病变的根治性治疗.机械效应由激光照射产生的机械作用可分为两部分：激光本身的辐射压力对生物组织产生的压强，即光压，称作一次压强；生物组织吸收强激光造成的热膨胀和相变以及超声波、冲击波、电致伸缩等引起的压强，叫二次压强. 由激光导致的生物细胞的压强的变化可以改变生物细胞、组织的形状，使得生物细胞、组织内部或之间产生机械力，从而对生物细胞、组织产生巨大的影响. 在临床上，利用激光引起的压强作用可治疗多种疾病，如眼科中的压力打孔等.生物刺激效应当低功率激光照射生物组织时，不对生物组织直接造成不可逆性的损伤，而是产生某种与超声波、针灸、艾灸等机械的和热的物理因子所获得的生物刺激相类似的效应，称为激光生物刺激效应. 这种生物刺激效应是低功率激光作用的结果，为了解释低功率激光的生物效应，人们提出了种种设想和假说，有生物电场假设、偏振刺激假设、细胞膜受体假设、色素调节设想等数种，到目前还没有形成为学术界普遍接受的理论. 虽然低功率激光的作用过程和作用原理尚不很清楚，有待于进一步的探讨，但其生物刺激效应在医学研究和临床工作中确有广泛应用且取得了一定成果.低功率激光对肌体有多种生物刺激效应，涉及到肌体各个部分和器官. 并可激活巨噬细胞活性，激活后可产生多种活性物质，增强肌体抗感染、抗肿瘤及免疫调节作用. 低能量HeNe激光血管内照射在辅助化疗恶性肿瘤时可以缓解化疗引起的免疫抑制. 任明姬等研究了HeNe激光穴位照射对小鼠腹腔巨噬细胞功能的影响，实验得出适当剂量照射小鼠神阙穴能活化其巨噬细胞从而提高机体免疫功能的结论. 此外，低功率激光照射还对血液循环和组织代谢等系统有一定的调整作用，使其病理状态恢复正常.采用HeNe激光照射大鼠心前区，可使心肌内层、外层的毛细血管开放率增加，从而有可能在血压变化不大的情况下，增加局部心肌组织的血液灌注量，提高心肌细胞的供血、供氧能力和新陈代谢状况，有效改善心肌微循环. Shefer等实验研究发现低强度激光照射可使处于静止状态的骨骼肌卫星细胞进入细胞分裂周期，并促进它们的增生，从而促进骨骼肌的再生.。

激光的生物作用机理及生物效应激光也是一种光，从本质上讲它和普通光源如太阳、白炽灯、火焰等所发出的光没有什么区别，因此它具有普通光所具有的性质。

由于它是一种电磁波，所以又具有波粒二象性。

它遵守反射、折射的定律，在传播中会出现干涉、衍射、偏振等现象。

但是，激光又有着和普通光显著不同的特点，如它的单色性、相干性、方向性极好，亮度极高等。

因此，它与生物体作用时会产生许多特殊的效应，这也是激光可以用来诊治疾病的原因之一。

激光美容的原理激光也是一种光，从本质上讲它和普通光源如太阳、白炽灯、火焰等所发出的光没有什么区别，因此它具有普通光所具有的性质。

由于它是一种电磁波，所以又具有波粒二象性。

它遵守反射、折射的定律，在传播中会出现干涉、衍射、偏振等现象。

但是，激光又有着和普通光显著不同的特点，如它的单色性、相干性、方向性极好，亮度极高等。

因此，它与生物体作用时会产生许多特殊的效应，这也是激光可以用来诊治疾病的原因之一。

激光美容的原理是通过组织吸收高能量的激光后所产生的光热反应，使局部温度在数秒内骤然升高到数百度或更高，组织发生凝固性坏死，甚至碳化或汽化，与此同时，由于急剧发热，组织的水分突然剧烈丧失，聚焦后，可用以切割或烧灼病变组织。

常用于皮肤的激光有二氧化碳激光、红宝石激光、染料激光等。

激光美容的优势是显而易见的：操作简便、省时、可同时止血，对于有些大面积斑、痣无须手术切除，自体植皮，可以起到美容和保留原有皮肤功能的双重效果。

但是它同其他治疗方法一样，也会有一些副作用，在清除病变组织的同时，对正常组织也有不同程度伤害，最常见的是遗留表浅疤痕、色素减退或沉着斑。

激光的生物作用机理及生物效应激光对生物体的作用有五种：热作用、光化作用、机械作用、电磁场作用和生物刺激作用。

激光和生物体相互作用以后所引起生物组织方面的任何改变都称为“激光的生物效应”。

激光与生物体作用后，不仅会引起生物效应，而且激光本身的参数（波长、功率、能量等）也可能会改变。

激光的生物学效应激光是一种高度集中的光束，具有独特的生物学效应，广泛应用于医疗、生物科学研究以及美容等领域。

激光的生物学效应主要包括光热效应、光化学效应和机械效应。

这些效应在不同的生物体中产生不同的反应，为科学家们带来了无限的探索空间。

光热效应是激光在生物体内产生的热效应。

激光的高能量光束可以被组织吸收，并转化为热能，导致局部升温。

这种升温可以用来消灭体内的病变组织，如肿瘤细胞。

通过调节激光的参数，可以实现对病变组织的精准治疗，同时最大程度地保护周围健康组织不受损伤。

光热效应还可以用于促进伤口愈合，加速组织再生，是一种非常有效的治疗方法。

光化学效应是激光在生物体内引起的化学反应。

激光的能量可以激发分子内部的化学键，导致分子结构的改变。

这种效应被广泛应用于生物标记物的检测和治疗。

例如，激光可以与特定的荧光染料结合，用于检测细胞内特定的分子，为生物学研究提供了重要的工具。

此外，光化学效应还可以用于治疗皮肤疾病，如痤疮和色素沉着，通过激活特定的药物来达到治疗效果。

机械效应是激光在生物体内产生的机械作用。

激光的高能量光束可以直接破坏细胞结构，导致细胞死亡。

这种效应被广泛应用于激光手术和激光治疗。

例如，激光可以用来切割组织、凝固血管、去除痣等。

在眼科领域，激光手术已经成为治疗近视、散光等眼部疾病的主要方法，取代了传统的手术方式，具有更高的安全性和精准度。

总的来说，激光的生物学效应在医学和生物科学领域发挥着重要作用。

通过光热效应、光化学效应和机械效应，激光可以实现对生物体的精准治疗，促进伤口愈合，检测生物标记物等。

随着科技的不断进步，激光技术将会有更广泛的应用，为人类健康和生活带来更多的福祉。

激光的生物学效应激光是一种高能量、高聚光度的光束，具有独特的物理特性，因此在生物学领域中被广泛应用，并产生了许多重要的生物学效应。

本文将重点介绍激光在生物学中的几个重要应用领域及其生物学效应。

1. 激光在医学诊断中的应用及生物学效应激光在医学诊断中有着广泛的应用，例如激光扫描和成像技术。

激光扫描技术利用激光束扫描人体组织，通过测量反射回来的激光信号来获取组织的结构和功能信息。

这种非侵入性的诊断方法不仅可以提供高分辨率的图像，还可以在无创伤的情况下获取准确的生物学数据。

2. 激光在光动力疗法中的应用及生物学效应光动力疗法是一种将光敏剂与激光光束结合使用的治疗方法。

激光光束可以激活光敏剂，产生活性氧化物，从而破坏肿瘤细胞或其他病变组织。

这种治疗方法具有高选择性和局部疗效好的特点。

但是，激光光束的聚光度和能量密度对治疗效果有着重要的影响，过高的能量密度可能会对正常组织造成损伤。

3. 激光在眼科手术中的应用及生物学效应激光在眼科手术中是一种常见的治疗方法，例如激光角膜矫正术和激光白内障手术。

激光角膜矫正术通过改变角膜的形状来矫正近视、远视和散光等视力问题。

激光白内障手术则通过使用激光光束来破坏白内障组织，恢复视力。

这些手术一般是无创伤的，并且具有较快的康复时间。

4. 激光在皮肤美容中的应用及生物学效应激光在皮肤美容中也有着重要的应用，例如激光祛斑、激光嫩肤和激光脱毛等。

激光祛斑利用激光光束对黑色素进行选择性破坏，从而达到去除色素沉着的效果。

激光嫩肤则通过激光光束刺激胶原蛋白的增生，达到紧致皮肤的效果。

激光脱毛则通过激光光束破坏毛囊，从而实现永久脱毛的效果。

这些美容方法具有较好的效果，但使用不当可能会对皮肤造成损伤。

激光在生物学中具有广泛的应用，包括医学诊断、光动力疗法、眼科手术和皮肤美容等领域。

激光的生物学效应与激光的聚光度、能量密度和作用时间等因素密切相关。

因此，在使用激光技术时，必须严格控制这些参数，以避免对正常组织造成损伤。

第一章1、自发辐射：在没有外界影响时，它们会自发的从高能级E2向低能级E1跃迁，同时放出能量为hu的光子，这种与外界影响无关的、自发进行的辐射称为自发辐射。

2、受激辐射：如果原子系统的两个能级E2和E1满足辐射跃迁选择定则，当受到外来能量hu=E2-E1的光照射时，处在E2能级的原子有可能受到外来光的激励作用而跃迁到较低的能级E1上去，同时发射一个与外来光子完全相同的光子。

3、自发辐射和受激辐射的区别：①自发辐射是非相干光，受激辐射是相干光。

②自发辐射跃迁几率就是自发辐射本身，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辐射能量密度的乘积。

③当受激辐射系数B21一定时，外来光的单色辐射能量密度越大，受激辐射几率越高。

4、受激吸收：处于低能级E1的原子受到一个外来光子的激励作用，完全吸收该光子的能量而跃迁到高能级E2的过程，叫作受激吸收。

5、自发辐射、受激辐射、受激吸收之间的关系：在光和大量原子系统的相互作用中，三者之间三种过程是同时发生的。

A21n2dt+B21n2ρvdt=B12n1ρvdt（自发辐射光子数+受激辐射光子数=受激吸收光子数）6、自然增宽:在不受外界影响时，处于激发态的粒子会自发的向低能态跃迁。

也就是说，在自发辐射发光过程中，能量不断衰减，电偶极子的正负中心不再做简谐振动，从而导致光谱线有一定的宽度，叫做自然增宽。

(洛伦兹线型函数)7、均匀增宽介质和非均匀增宽介质的区别:均匀增宽：(1)自然加宽（普遍存在，但在固体工作物质中可忽略）—源于不确定性原理(2)碰撞加宽（存在于气体工作物质中）—源于气体分子碰撞导致的上能级粒子寿命变化(3)晶格振动加宽（存在于固体工作物质中）—源于固体中激光工作粒子在晶格附近的热振动。

非均匀增宽：(1)多普勒加宽（存在于气体工作物质中）——源于工作物质不断地运动而产生的多普勒频移(2)晶格缺陷加宽（存在于固体工作物质中）——源于固体加工时内部产生的晶格缺陷导致工作粒子所处状态不完全相同8、光谱线宽度:通常定义Δv=v2-v1,即相对光强为最大值的1/2处的频率间隔叫做光谱线的半(值)宽度，简称光谱线宽度。

激光生物效应物理课外知识
激光生物效应物理课外知识
激光作用于生物体，主要引起热、压力、光和电磁场四种效应。

激光的生物效应可作用于生物体不同层次：
①超短脉冲激光作用于蛋白质可引发光生化反应，改变酶的活性、定向催化而不损伤活细胞;
②氩离子激光可损伤染色体，红宝石激光会抑制DNA表达;前苏联学者Н.Ф.Гамалея提出弱激光可调节蛋白质合成;
③激光可引起胶凝，破坏细胞核，损伤线粒体;而前苏联学者А.А.Профончуков提出，氦氖激光被膜受体吸收后可使细胞光致敏化，产化效应，提高蛋白质合成系统活性，增加有丝分裂;
④氦氖激光和脉冲红宝石激光对某些细菌生长有影响：能量小时有促进作用，能量大时有抑制作用;
⑤红宝石激光弱强度照射可提高白细胞噬菌功能，CO2激光辐照腰间穴位使细胞数增加等。

激光的生物效应及其机理有待研究。

目前已应用医学的有激光治疗肿瘤、治疗眼疾病、治疗动脉血栓、血管成形、激光吻合术、激光外科整形等。

【激光生物效应物理课外知识】。

激光的生物学作用基础目前认为激光生物学作用的生物物理学基础主要虽光效应、电磁场效应、热效应、压力与冲击波效应。

（一）光效应激光照射生物组织所引起的光效应中主要决定于组织对于不同波长激光的透过系数（T）和吸收系数（A）。

不同的组织及组织中的不同物质对于不同波长的激光的透过系数和吸收系数是不同的，对组织的光效应大小由T与A的乘积决定。

T·A的积愈大，则此种激光对该组织的光效应也愈大，例如：用于视网膜凝固，波长为6943的红宝石激光作用于视网膜时，T·A＝71％，这个数值比较大，故光凝固效果好，但对视网膜乃是波长为5750的激光的T与A的乘积最大，即光效应最佳。

组织吸收了激光的量子之后可产生光化学反应、光电效应、电子跃迁、继发其它波长的辐射（如荧光）、热能、自由基、细胞超微发光（生物化学发光、系自由基重新结合时释放出来的），可造成组织分解和电离，最终影响受照射组织的结构和功能，甚至导致损伤。

光化学反应在光效应中有重要的作用，普通光所引起的各种类型的光化学反应，激光也都可引起。

激光作用于活组织的光效应大小，除激光本身的各种性能外，组织的着色程度或称感光体（色素）的类型起着重要的作用，互补色或近互补色的作用效果最明显。

不同颜色的皮肤，不同颜色的脏器或组织结构对激光的吸收可有显著差异。

在医疗和基础研究中，为增强激光对组织的光效应，可采用局部染色法，并充分利用互补色作用最佳这一特点。

另一方面，也可利用此法限制和减少组织对激光的吸收。

（二）热效应激光的本质是电磁波，若其传播的频率与组织分子等的振动频率相等或相近，就将增强其振动，这种分子振动即产生热的机理，故也称热振动。

在一定的条件下作用于组织的激光能量多转变为热能，故热效应是激光对组织作用的重要因素。

分子热运动波长主要表现在红外线波段附近，因此二氧化碳激光器输出的红外激光对组织的热作用甚强烈，一定类型和功率的激光照射生物组织时，在几毫秒内可产生200～1000℃以上的高温，这是因为激光，特别是聚焦激光能够在微细的光束内集中极大的能量，例如：数十焦耳的红宝石激光或喜Ａ激光聚焦于组织微区，能在数毫秒内使该区产生数百度的高温，以致破坏该部位的蛋白质，造成烧伤或气化，而数十焦耳的普通光是根本无此作用的。