激光的基础物理知识

时间：2023-08-20 15:33:05 文/孙小飞老师资料学文网www.xuewenya.com

　　1、介绍

　　为了理解本书中其他内容，首先你必须要理解光的一些基础性质。你如果能更全面理解激光仪发射出的神奇激光的特点，你就越能够制定出更好的治疗方案并获得更好的治疗效果。接下来的内容包括演示激光加强细胞功能的体外实验，以及更多来自真实世界的数据和各种临床用途。

　　基于这些大量证据，人们制定出有关治疗剂量、功率设置、脉冲频率特点和治疗周期的基础建议。这些建议必须很广泛，包含各种动物和疾病，但也是因为一些个案报道和高质量对照试验使用的参数不一致。本章我的目标是进行一场非正式的讨论（而不是一场百科全书似的详述），指出哪些可以调整，解释其重要性，帮助你洞察它的临床应用。

　　2、为什么使用光？

　　简单点说，我们使用光，因为它可以穿透身体，而一旦进入身体中，它会引起生理学改变。一名8年级的学生可能不同意，因为他看不到手里面在发生什么，而当一束光照到他的胳膊上，他也不会开始长出另一只手。然而，你不像小学生一样天真，你曾看到过X光如何帮你看到身体内部的结构。还有你能看到这些字，因此你会同意（其实下意识的）你眼睛中的视锥细胞会吸收光线，引起化学反应产生电信号，影响你的感官，甚至你的情绪、行为和健康。Yes，当你看到棒球朝你头飞来时，你肯定要躲避，这就是光改变了你的行为，带来有益效应。

　　然而，可见光并不能很好的穿透进我们的身体中，你的眼睛也看不到X射线。那么，这些光和你在这本书里要阅读到光有什么区别？

　　3、光的特点

　　尽管光与机体有很多的相互作用，还有很多的应用，任何两种光本质上只有一个区别：波长。为了理解这点，我们首先要知道光是什么——一种沿直线以恒定速度（光速）传播的波动的电场和磁场。这就是为什么它的术语叫“电磁辐射”。光全部特性更加复杂，本章中我们会详细讲解其中某些，但光本质上就是电磁辐射。因此，由于光传播的速度是恒定的，它的波动特性就通过相邻波峰（或波谷）之间的距离或特定时间内有多少个波峰（或波谷）来描述，两者含义相同。我们将这些值分别称为“波长”和“频率”。注意不要将光的波长和频率与脉冲频率和重复速率相混淆。后者指周期性的开关电灯。后面我们会讲到。

　　后面，我会使用这两个特点中的某一个来指代不同类型的光，但你知道它们其实含义相同，同时这是从一维角度来考虑我们称之为光的电磁波的特点。我最喜欢听的早间体育广播电台使用660kHz（频率）的光进行广播，我今天早上用微波炉热咖啡的光是2.45GHz（也是频率），但是我最喜欢的颜色是450nm（蓝光的波长）。实际上，这些只是光的不同颜色；人眼进化到现在，含有的视锥细胞只可以探测390到700nm波长的光，也就是我们称作的可见光谱。近红外光谱从700到1100nm。

　　如果你很聪明的话，当我说“一维角度”的时候你会犹豫下，因为你知道我们处于三维世界中。实际上，构成光的电场和磁场总是相互呈90°，所以这里有了其他维度。这也赋予了光其他两个你可能听过的光的特点：偏振性，简单点说，就是光的电场（或磁场）的一致性；和相干性，也就是两种不同的光的波峰和波谷相排列。然而，这些值（以及这些其他两维）只有当你将光照射到特定的结构上才会产生差别。整体上来说，生物体上不会有差别；但是我们超前了一些。首先，我们需要定义什么是相互作用，然后一切会更清楚。

　　等下，光还有另一个基础特性：光的能量直接与频率成正比（因此与波长成反比）。每“段”光携带的能量是离散或“量子化”的。因此，从某种角度来看，光由称为“光子”的独立团块组成。虽然没有理由需要在这里探讨光的.波粒二相性，但是提及这点非常重要，因为这会影响后面我们如何讨论光。图3.1显示电磁波的基本结构以及波长、频率和能量之间的关系。

　　所以，光的这一基本性质（频率或波长或能量，你想怎么表达都可以）在光谱中的不同区域是如何产生如此不同的作用的？换句话说，为什么不同颜色的光对同一物质有不同的相互作用？

　　4、相互作用

　　本书关心的电磁波谱范围（可见光和近红外光），有两种基础的相互作用：吸收和散射。但是在我们具体谈这两点之前，我们需要知道我们把这些光照在什么物质上：生物体。身体似乎非常硬，而且跟棒球在一个度量水平。然而，当你使用光时，你需要从光的水平看物质，也就是我们在图3.1中看到的，以几百纳米为度量单位去看待物质。如果放大到那种水平，你会看到我们是由分子组成的。如果你继续放大，你会看到原子，但那就是X射线的范围了（波长10nm以下）；可见光和近红外光不会与那么小的物质有强烈的相互作用。

　　然而，分子内和分子间的键恰好是合适的尺寸，所有这一范围的光可以与它们很好的进行相互作用。这些键其实就是共享的电子云（移动的带电粒子），但是它们在原子成分之间像弹簧一样高效运作。当带电粒子受到电场和磁场的影响时（例如当你把光射到它们上面），它们会受到力的作用，因为电磁场是波动的，所以键也是；并且就像吉他上的弦一样，它们每个都有自己的固有频率。

　　5、吸收

　　当光的频率与这种固有频率相同时，会发生吸收。就像推某个坐秋千的人或弹簧上的某个物体一样，如果你推的频率和固有频率一致，你可以将你推力的大部分能量转移到系统中。当光谱中的可见光和近红外光作用于生物组织时，光子或者将它们全部的能量传递到它们击中的物质上或者被弹开；它们被全部吸收或散射出去。因此，实际上，光被相同频率的键吸收，这就很容易理解为什么吸收是与波长和组织有关的。不同的组织有不同的成分，由不同频率的键组成。

　　当这些键吸收光时，它们和所有兴奋的弦一样：弯曲、扭曲、扩展、收缩以及任何这些的组合。实际上，这会导致分子或分子链形态的改变。这本质上是化学反应。你需要明白化学反应的主要方式（例如两个分子结合的方式）是非常敏感的物理层面锁和钥匙的机制。能够完美配对的物质（同时空间上和电子上）倾向于结合到一起。如果它们无法配对，它们不会结合到一起。通过改变一个分子的某部分形态，即使是轻微的改变或者极短时间内的改变，都可能会导致分子自身某部分断裂或分子结合到新物质上。随后的章节中我们会讨论这些吸收事件发生后会产生哪些神奇的生物化学效应。

　　如果你使用过手术激光（或者厨房微波炉用来加热组织），你会发现如果使用足够的某种范围内的波长（或频率）的光，而且与组织中含有的主要键共振的话，这些振动会自我加强，产生大量的热，最终使分子断裂。大多数时候，目标分子是水，组织中水的沸腾会将食物整个加热或非常高效的消融局部组织。

　　不管哪种情况，只有频率“正确”的目标分子才能吸收光。然而，从统计学角度来看，绝大部分的光在被吸收之前会被其他物质反射。

　　6、散射

　　对可见光和近红外光来说，几乎所有的散射都是弹性的——光子能量不变，只是在传播途径上被频率不“正确”的粒子反弹出去。反弹之后光子向哪个方向传播取决于光子撞到什么上：大部分由粒子的大小决定。光撞击在小于其波长1/10的粒子上后发生的散射称为“瑞利散射”。撞击在大于1/10波长的粒子上发生的散射称为“米氏散射”。瑞利散射的结果是等向散射；散射光在所有方向有同样强度（除了大约90°方向）。而米氏散射方向更偏向前，而向前的程度由一个称为“各向异性系数”的值反应。这个值定义为散射角的平均余弦值，你不需要太关心这点；但是1代表前向散射（入射光和反射光方向完全相同），0代表垂直散射，-1代表完全反射。近红外光在生物组织中的值是0.75-0.90，这就是我为什么说向前散射。

　　7、每种都有多少

　　我们不在单个光子和分子的基础上讨论吸收和散射，很简单，因为就在皮肤最外面几毫米内发生的这些事件的数量，所有人一起数一辈子也数不完。相反，我们讨论宏观量值，例如吸收系数μa，和优化散射系数，μs′,两者的单位都是1/长度。这就告诉你光在传播途径中被吸收或散射的平均量，继而可以做出指数衰减曲线，描述光随着传播的深度的增加，光强度的衰减情况。相反（也就是用1除以这些量值），你得到的就是所谓的“平均自由路径”，代表吸收和散射事件之间的平均距离。所有这些值都与波长和组织有关，对吸收来说全部围绕着配对，光的频率和键的频率，对散射来说是散射粒子的大小和数量（例如组织成分和密度）决定接下来会发生什么故事。

　　吸收系数很容易理解，因为光子样么被吸收或者不被吸收。因此，我们使用吸收系数和从表面向下的深度来理解总吸收量（以及光束总相对残余强度）。图3.1中蓝色曲线显示水对几乎整个光谱中的不同光的吸收系数。

　　散射稍微有些复杂，因为光的反射方向由撞击物决定。此外，光的路径长度绝不会与（而且通常会长很多）深度一样，因为会散射到不同方向。同样的，我们不会去追踪每次反射，而是关注平均方向。这就是你看到前面我为什么提到优化散射系数，在计算时考虑到各向异性。本质上，优化散射系数是方向校正后的散射系数，使得计算更加简单，而且让你能够使用深度（你知道的或至少是你想知道的）而不是每束光线的单个路径长度（你不知道或不关心的）。因此，逆向或减少平均自由路径告诉你散射事件的平均深度。

　　这两个量值结合起来形成一个有效衰减系数，概括性描述原始光束强度丢失的一种方式。通过这个值，我们现在可以计算出与其实量相比，有多少光进入到多深的深度。图3.2显示了每种机制的衰减模式。再次，强度值呈指数递减，意味着越深的地方，原始光束中剩余的光越少。这听起来够简单了。告诉我组织的μa和μs′值，我就能告诉你有多少光将会到达你想要治疗的关节里。

　　还没有那么快！在任何目标治疗区域，不同组织的含量和类型不同，它们不是像包装里的午餐肉一样一层一层界限分明的堆在一起。所以想要知道吸收量、散射类型和散射方向，以及光进入身体后发生的各种相互作用，真的是非常复杂的一团。但是，我们可以做一些概括来帮忙。

　　首先，光一旦进入身体，散射是目前为止与生物组织之间最主要的相互作用，越短的波效应越强。正如某些人的观点，这意味着散射的平均深度最多是每半毫米（通常更短）。对皮肤来说，吸收和散射扮演差不多相同角色，而且两者都很多。虽然皮肤不是身体与外界之间的铁甲衣，不像防水一样防其他所有物质，但皮肤对光来说是障碍。但是，由于可见和近红外光作用于生物组织上时各向异性系数非常接近1，平均来说这些散射事件使得光进入身体更深部。

　　第二，虽然光在体内的吸收量小很多（吸收系数比散射系数小200-5000倍），随着光在体内反射来反射去然后被吸收，几乎所有进入身体的光都会在体内某处被吸收（Jacques，2013）。当进行激光治疗时，你不会看到动物发出近红外光，即使用红外线照相机也看不到。如果你有一个非常敏感的探测器，你肯定会发现一些光跑出来，但是绝大部分被身体吸收。此外，海量光子的一小部分仍然是大量吸收。

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