论机理激光生物学效应及生物物理机理

论文导读：离才会出现分散或者收敛的现象。激光(LASER)是上实际60年明的一种光源。LASER是英文的“受激放射光放大”的首字母缩写。激光器有很多种,尺寸大至几个足球场,小至一粒稻谷或盐粒。气体激光器有氦-氖激光器和氩激光器;固体激光器有红宝石激光器;半导体激光器有激光二极管,像CD机、DVD机和CD-ROM里的那些。每一种激光器都有
摘要:本文主要简介了激光与生物组织相互作用所产生的生物效应,概述激光与生物分子相互作用机理研究现状。为提高和发展激光技术在此领域的应用,有必要对激光的生物学效应及生物物理机理进行研究。
关键词:激光;激光生物效应;激光与生物分子
激光的最初中文名叫做“镭射”、“莱塞”,是它的英文名称LASER的音译,是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词的头一个字母组成的缩写词。意思是“受激辐射的光放大”。
什么叫做“受激辐射”?它基于伟大的科学家爱因斯坦在1916年提出了的一套全新的理论。这一理论是说在组成物质的原子中,有不同数量的粒子(电子)分布在不同的能级上,在高能级上的粒子受到某源于：大学毕业论文格式www.7ctime.com
种光子的激发,会从高能级跳到(跃迁)到低能级上,这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光,而且在某种状态下,能出现一个弱光激发出一个强光的现象。这就叫做“受激辐射的光放大”,简称激光。激光主要有四大特性:激光高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。
激光的高亮度:固体激光器的亮度更可高达1011W/cm2Sr。不仅如此,具有高亮度的激光束经透镜聚焦后,能在焦点附近产生数千度乃至上万度的高温,这就使其可能可加工几乎所有的材料。
激光的高方向性:激光的高方向性使其能在有效地传递较长的距离的同时,还能保证聚焦得到极高的功率密度,这两点都是激光加工的重要条件激光的高单色性:由于激光的单色性极高,从而保证了光束能精确地聚焦到焦点上,得到很高的功率密度。
激光的高相干性:相干性主要描述光波各个部分的相位关系。正是激光具有如上所述的奇异特性因此在工业加工中得到了广泛地应用。
激光武器是一种利用定向发射的激光束直接毁伤目标或使之失效的定向能武器。根据作战用途的不同,激光武器可分为战术激光武器和战略激光武器两大类。武器系统主要由激光器和跟踪、瞄准、发射装置等部分组成,目前通常采用的激光器有化学激光器、固体激光器、CO2激光器等。激光武器具有攻击速度快、转向灵活、可实现精确打击、不受电磁干扰等优点,但也存在易受天气和环境影响等弱点。激光武器已有30多年的发展历史,其关键技术也已取得突破,美国、俄罗斯、法国、以色列等国都成功进行了各种激光打靶试验。目前低能激光武器已经投入使用,主要用于干扰和致盲较近距离的光电传感器,以及攻击人眼和一些增强型观测设备;高能激光武器主要采用化学激光器,按照现有的水平,今后5—10年内可望在地面和空中平台上部署使用,用于战术防空、战区反导和反卫星作战等。
激光有很多特性:首先,激光是单色的,或者说是单频的。有一些激光器可以同时产生不同频率的激光,但是这些激光是互相隔离的,使用时也是分开的。其次,激光是相干光。相干光的特征是其所有的光波都是同步的,整束光就好像一个“波列”。再次,激光是高度集中的,也就是说它要走很长的一段距离才会出现分散或者收敛的现象。激光(LASER)是上实际60年明的一种光源。LASER是英文的“受激放射光放大”的首字母缩写。激光器有很多种,尺寸大至几个足球场,小至一粒稻谷或盐粒。气体激光器有氦-氖激光器和氩激光器;固体激光器有红宝石激光器;半导体激光器有激光二极管,像CD机、DVD机和CD-ROM里的那些。每一种激光器都有自己独特的产生激光的方法。
激光具有单色性好、方向性强、亮度高等特点。现已发现的激光工作物质有几千种,波长范围从软X射线到远红外。 激光技术的核心是激光器,激光器的种类很多,可按工作物质、激励方式、运转方式、工作波长等不同方法分类。根据不同的使用要求,采取一些专门的技术提高输出激光的光束质量和单项技术指标,比较广泛应用的单元技术有共振腔设计与选模、倍频、调谐、Q开关、锁模、稳频和放大技术等。为了满足军事应用的需要,主要发展了以下5项激光技术:①激光测距技术。它是在军事上最先得到实际应用的激光技术。20世纪60年代末,激光测距仪开始装备部队,现已研制生产出多种类型,大都采用钇铝石榴石激光器,测距精度为±5米左右。由于它能迅速准确地测出目标距离,广泛用于侦察测量和武器火控系统。②激光制导技术。激光制导武器精度高、结构比较简单、不易受电磁干扰,在精确制导武器中占有重要地位。70年代初,美国研制的激光制导航空炸弹在越南战场首次使用。80年代以来,激光制导导弹和激光制导炮弹的生产和装备数量也日渐增多。③激光通信技术。激光通信容量大、保密性好、抗电磁干扰能力强。光纤通信已成为通信系统的发展重点。机载、星载的激光通信系统和对潜艇的激光通信系统也在研究发展中。④强激光技术。用高功率激光器制成的战术激光武器,可使人眼致盲和使光电探测器失效。利用高能激光束可能摧毁飞机、导弹、卫星等军事目标。用于致盲、防空等的战术激光武器,已接近实用阶段。用于反卫星、反洲际弹道导弹的战略激光武器,尚处于探索阶段。⑤激光模拟训练技术。用激光模拟器材进行军事训练和作战演习,不消耗,训练安全,效果逼真。现已研制生产了多种激光模拟训练系统,在各种武器的射击训练和作战演习中广泛应用。此外,激光核聚变研究取得了重要进展,激光分离同位素进入试生产阶段,激光引信、激光陀螺已得到实际应用。

一、激光的发光原理及其生物学效应

1激光发光原理
把一段激活物质放在两个互相平行的反射镜构成的光学谐振腔中,处于高能级的粒子会产生各种方向的自发发射。其中,非轴向传播的光波很快逸出谐振腔外,轴向传播的光波却能在腔内往返传播,当它在激光物质中传播时,光强不断增强。如果谐振腔内单程小信号增益G0l大于单程损耗δ,则可产生自激振荡。原子的运动状态可以分为不同的能级,当原子从高能级向低能级跃迁时,会释放出相应能量的光子即自发辐射。同样的,当一个光子入射到一个能级系统并为之吸收的话,会导致原子从低能级向高能级跃迁即受激激吸收。然后,部分跃迁到高能级的原子又会跃迁到低能级并释放出光子即受激辐射。这些运动不是孤论文导读：
立的,而往往是同时进行的。当我们创造一种条件,譬如采用适当的媒质、共振腔、足够的外部电场,受激辐射得到放大从而比受激吸收要多,就会有光子射出,从而产生激光。2激光生物学效应
由于激光具有能量和动量,激光作用于生物分子,就有可能使生物分子产生物理、化学或生物反应,这就是激光生物效应。目前,学术界认识比较一致的激光生物效应大致有五类:.激光生物热效应、激光生物光华效应、激光生物压力效应、激光生物电磁效应和激光生物刺激效应。生物组织内的天然色素颗粒,对近紫外、可见光和近红外光谱区的激光有选择吸收作用。激光生物效应,目前已经在激光医疗、激光育种方面得到广泛、有效的应用。
(1)激光生物热效应
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,可能会引起蛋白质变性,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、热学特性等诸多因素。
热效应是激光致伤的最重要因素。激光损伤区与正常组织的界缘十分清楚,这是由于激光脉冲时程短,生物组织的导热性差,瞬间放热来不及扩散到受照射部位以外的缘故。辐照后,由于继变化,如炎症、出血、再生等,会使原初清楚的损伤界缘逐渐变得模糊。
(2)激光生物光华效应
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源于：初中英语论文www.7ctime.com
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。无论是正常细胞还是肿瘤细胞,在细胞质和细胞间有许多黑色素颗粒,它们吸收激光能量使能量在色素颗粒上积聚而成为一个热源,其能量向周围传导和扩散,从而引起周围组织细胞损伤。
(3)激光生物压力效应
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。由这种作用产生的冲击波是激光致伤的另一原因。冲击波在组织中以超声速运动,在组织中产生空穴现象,引起组织破坏。戈尔德曼指出:脉冲时程50毫微秒的Q开关激光产生的冲击波压力,可大于10个大气压。实际上,激光热效应影响范围十分局限,而由压力效应引起的组织损伤,则可波及到远离受照区的部位。例如,用红宝石激光照射小鼠头部时,发现头皮轻度损伤,颅骨和大脑硬膜并无损伤,而大脑本身却大面积出血,甚至造成死亡。

二、激光与生物分子相互作用机理研究现状

20世纪八十年代以来,由前苏联、匈牙利等国的专家提出了不少假说,其中常见的有下列4种:生物电场假说(前苏联伊柳辛提出);色素调节假说(前苏联伽马列亚于1981年提出);细胞膜受体假说(前苏联普鲁哈丘科夫于1980年提出):偏振刺激假说(梅斯特1977年提出)。另外一个假说是:由孤子状态进入混沌状态假说。美国Englander(1980年)、日本的Jomosa(1984年)。
激光与生物组织的相互作用很复杂,有待进一步研究。激光生物效应分类还没有明确的界限,如在光化效应中光热效应也起了很大的作用,电磁作用也产生热效应和机械作用等,激光热作用、光化作用和机械作用通常是同时发生的,所以相互作用的分类并不是绝对的,但各种作用之间也确存在着一些差别。如每种效应都具有典型的激光及典型现象等。激光与生物组织的相互作用是一个多种因素决定的复杂过程,激光的参数(如波长、功率、激光模式等)、生物组织的性质(如密度、弹性、热导率、比热、热扩散率、反射率、吸收率、不均匀性和层次结构)以及生物体状态等对激光的生物效应都有影响。激光对生物组织的作用具有有利和不利两个方面,要想利用激光,最首要的任务是认识并理解激光与生物组织的相互作用机理,然后才能加以应用。
参考文献:
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7.14-23

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