Différents des sources lumineuses ordinaires, les lasers présentent les caractéristiques physiques suivantes :
En raison de la limitation de la cavité résonante à la direction d'oscillation de la lumière, le laser ne peut amplifier l'oscillation du rayonnement stimulé que le long de l'axe de la cavité, ce qui lui confère une directivité élevée. Le laser peut donc diffuser le faisceau parallèlement sur une longue distance tout en garantissant une intensité suffisante.
La gamme de longueurs d'onde de la lumière visible qui produit la couleur visuelle, c'est-à-dire la largeur de la ligne spectrale, est une mesure de la monochromaticité d'une source lumineuse. Plus la largeur de la ligne spectrale est étroite, meilleure est la monochromaticité. La lumière naturelle a une large gamme de longueurs d'onde. Par exemple, après que la lumière du soleil a été divisée par un prisme, des bandes spectrales composées de plusieurs couleurs peuvent être vues. Le laser est produit par le rayonnement stimulé des atomes et possède des lignes spectrales extrêmement étroites, ce qui lui confère une monochromaticité élevée.
La cohérence est divisée en cohérence temporelle et cohérence spatiale. La cohérence temporelle décrit la relation de phase de chaque point dans la direction de propagation du faisceau lumineux et est liée à la monochromaticité de la source lumineuse. La largeur de la ligne spectrale du laser est très étroite et la monochromaticité est élevée, il a donc une cohérence temporelle élevée. La cohérence spatiale décrit la relation de phase entre les points de la surface de l'onde perpendiculaires à la direction de propagation du faisceau. Elle fait référence à la cohérence de différents points spatiaux dans le champ lumineux en même temps et est étroitement liée à sa directivité. La directivité élevée du laser détermine sa cohérence spatiale élevée. Le laser est une sorte de lumière cohérente. La fréquence de mouvement, la phase, l'état de polarisation et la direction de propagation de chaque photon sont les mêmes. Le laser monomode peut être complètement cohérent.
La luminosité monochromatique d'une source lumineuse fait référence à la puissance optique émise par la source lumineuse dans une unité de surface, une unité de bande passante de fréquence et une unité d'angle solide. Les caractéristiques du laser telles qu'une directivité et une monochromaticité élevées permettent à son énergie d'être mieux focalisée dans l'espace et le temps, ce qui lui confère une luminosité directionnelle monochromatique extrêmement élevée.
Lorsque le laser agit sur un tissu biologique, il produit de la chaleur, de la pression, des champs actiniques et électromagnétiques, etc., ce que l'on appelle l'effet biologique du laser. Des facteurs tels que la longueur d'onde et l'intensité du laser ainsi que les caractéristiques de réflexion, d'absorption et de conduction thermique du laser sur la partie irradiée du tissu biologique ont tous un impact sur ses effets biologiques. À l'heure actuelle, on pense que les effets biologiques du laser se reflètent principalement dans les aspects suivants : effet thermique, effet lumineux, effet de champ électromagnétique, effet de pression et effet d'onde de choc.
1. Effet thermique : L'essence du laser est une onde électromagnétique. Si la fréquence de sa propagation est égale ou similaire à la fréquence de vibration des molécules du tissu, sa vibration sera renforcée. Cette vibration moléculaire est le mécanisme qui génère de la chaleur, c'est pourquoi on l'appelle aussi vibration thermique. Dans certaines conditions, l'énergie laser agissant sur le tissu est principalement convertie en énergie thermique, de sorte que l'effet thermique est un facteur important dans l'effet du laser sur le tissu.
La longueur d'onde du mouvement thermique moléculaire est principalement représentée près de la bande infrarouge. Par conséquent, la sortie laser infrarouge du laser au dioxyde de carbone a un fort effet thermique sur le tissu. Lorsqu'un certain type et une certaine puissance de laser irradient un tissu biologique, il peut produire 200 à 1 000 °C et plus en quelques millisecondes. La température élevée est due au fait que le laser, en particulier le laser focalisé, peut concentrer une grande énergie dans un minuscule faisceau. Par exemple, un laser à rubis de plusieurs dizaines de joules se concentre sur une micro-zone d'un tissu et peut générer une température élevée de plusieurs centaines de degrés Celsius dans la zone en quelques millisecondes, détruisant les protéines de la zone et provoquant des brûlures ou une vaporisation. La lumière ordinaire de plusieurs dizaines de joules est fondamentale. Elle n'a pas un tel effet. De plus, il a également été constaté que lorsque l'irradiation est arrêtée, l'augmentation de température provoquée par le laser diminue plus lentement que l'augmentation de température provoquée par n'importe quelle méthode. Par exemple, il faut des dizaines de dizaines de joules pour que l'augmentation de température provoquée par le laser à rubis retombe à la température normale d'origine. minute.
2. Effet de la lumière Les tissus biologiques ont un certain degré de coloration et peuvent absorber sélectivement le spectre de 300 à 1 000 nm. Les pigments des organismes vivants comprennent la mélanine, la mélanoïdine, l'hémoglobine, le carotène, le fer, etc. Parmi eux, la mélanine a la plus grande absorption d'énergie laser. L'hémoglobine réduite a des bandes d'absorption claires à 556 nm, l'oxyhémoglobine a des bandes d'absorption claires à 415 nm, 542 nm et 575 nm. Le carotène a une bande d'absorption à 480 nm. La mélanine et la mélanoïdine ont la plus forte absorption dans la bande de 400 à 450 nm. Qu'il s'agisse d'une cellule normale ou d'une cellule tumorale, il existe de nombreux granules de mélanine dans le cytoplasme et entre les cellules. Ils absorbent l'énergie laser de sorte que l'énergie s'accumule sur les granules de pigment et devient une source de chaleur. L'énergie est conduite et diffusée dans l'environnement, provoquant des dommages aux cellules des tissus environnants.
Français La transparence des composants cellulaires des tissus au laser est relative. Par exemple, Lowndes et al. ont prouvé que l'acide nucléique nicotinamide adénine réduit est transparent au laser rubis d'une longueur d'onde de 694,3 nm, mais qu'il peut absorber la lumière ultraviolette d'une longueur d'onde de 330 à 350 nm. L'absorption se produit lorsqu'un faisceau laser rubis agit sur une solution concentrée d'acide nucléique nicotinamide adénine prototypique. Les macromolécules biologiques ont des bandes d'absorption larges et fortes dans le spectre visible, il existe donc une certaine probabilité d'absorption multiphotonique lorsqu'un rayonnement laser puissant interagit avec des substances biologiques. Les biomolécules peuvent être excitées après avoir absorbé des photons, et l'énergie est soit convertie en chaleur, soit partiellement réémise sous forme de phosphorescence ou de fluorescence, ou l'énergie est utilisée pour accélérer les réactions chimiques.
Outre les différentes propriétés du laser lui-même, le degré de coloration du tissu ou le type de photorécepteur (pigment) joue un rôle important dans l'effet lumineux du laser sur les tissus vivants. Les couleurs complémentaires ou presque complémentaires ont l'effet le plus évident. La peau de différentes couleurs, les organes ou les structures tissulaires de différentes couleurs peuvent avoir une absorption de la lumière laser sensiblement différente. Plus la transmittance et l'absorption de la lumière laser de différentes longueurs d'onde par le tissu sont élevées, plus ses effets lumineux correspondants seront évidents. Une fois que le tissu a absorbé les quanta laser, il peut produire des réactions photochimiques, des effets photoélectriques, des transitions électroniques, stimuler le rayonnement d'autres longueurs d'onde (comme la fluorescence), l'énergie thermique, les radicaux libres et l'ultra-microluminescence des cellules, ce qui peut provoquer la décomposition et l'ionisation des tissus, affectant finalement la structure et la fonction du tissu irradié, et même causer des dommages.
3. Effet du champ électromagnétique Sous l'action d'un laser d'intensité normale, l'effet du champ électromagnétique n'est pas évident ; ce n'est que lorsque l'intensité du laser est extrêmement élevée que l'effet du champ électromagnétique est plus évident. Après la focalisation du laser, lorsque la densité d'énergie lumineuse au foyer atteint 106 W/cm2, cela équivaut à une intensité de champ électrique de 105 V/cm'. L'effet du champ électromagnétique peut provoquer ou modifier le mouvement quantifié des molécules et des atomes dans les tissus biologiques. Il peut amener les atomes, les molécules et les groupes moléculaires du corps à produire une excitation, une oscillation, des effets thermiques et une ionisation. Il peut catalyser des réactions biochimiques, générer des radicaux libres et détruire des cellules. Modifier les propriétés électrochimiques des tissus, etc.
La ou les réactions provoquées par l'irradiation laser ont une relation importante avec sa fréquence et sa dose. Par exemple, les radicaux libres ne peuvent se former que lorsque l'intensité du champ électrique est supérieure à 1010 V/cm. La lumière laser peut être mesurée à l'aide de la résonance de spin électronique
Radicaux libres produits par l'irradiation par faisceau de tissus tels que la peau noire et le mélanome. En raison des propriétés spéciales des lasers, la technologie laser a été utilisée dans de nombreux domaines de la recherche biologique et des applications médicales. Par exemple, la photolyse flash et la spectroscopie Raman sont utilisées pour étudier le processus de réaction biologique rapide et la structure de molécules complexes, et le couteau laser est utilisé pour couper les tissus et coaguler les petits vaisseaux sanguins et les nerfs pendant la chirurgie.
4. Pression et effet de l'onde de choc La pression lumineuse de la lumière ordinaire est négligeable. Cependant, lorsque la densité énergétique au foyer du faisceau laser focalisé atteint 10 MW/cm', la pression sera d'environ 4 kPa, ce qui entraînera une pression primaire considérable sur les tissus biologiques. Lorsque le faisceau laser est focalisé sur un point lumineux inférieur à 0,2 mm, la pression peut atteindre 20 kPa ; lorsqu'un laser à rubis à impulsion géante de 107 W est utilisé pour irradier des échantillons de peau humaine ou animale, la pression réelle générée est mesurée à 17,58 MPa.
Lorsqu'un faisceau laser irradie un tissu vivant, en raison de la pression élevée par unité de surface, la pression à la surface du tissu vivant est transmise à l'intérieur du tissu, c'est-à-dire qu'une partie de l'énergie laser rayonnée sur le tissu devient une onde de compression mécanique et un gradient de pression apparaît. Si la pression du faisceau laser est suffisamment importante pour évaporer les particules à la surface du tissu irradié, les particules du tissu vivant seront éjectées, provoquant une onde d'impulsion mécanique (choc inverse) dans la direction opposée du mouvement des particules éjectées - une onde de choc. Cette onde de choc peut faire éjecter un nombre différent de particules dans le tissu vivant couche par couche, et finalement former une cavité conique en forme de « cratère ».
Outre les ondes de choc susmentionnées formées par la pression de contrecoup causée par une forte pression de rayonnement, la dilatation thermique des tissus peut également générer des ondes de choc. Comme la température augmente brusquement en peu de temps (millisecondes ou moins), la chaleur libérée instantanément n'a pas le temps de se diffuser, ce qui entraîne une dilatation thermique accélérée du corps. Par exemple, lorsqu'un laser à rubis à 60 % est utilisé pour irradier la paroi abdominale d'une souris, une paroi abdominale en forme de demi-lune se forme en quelques millisecondes. Une protubérance ronde, qui est une dilatation thermique explosive du corps dans le tissu sous-cutané irradié. La pression et la pression de recul formées dans le tissu en raison de la dilatation thermique du corps peuvent produire des ondes élastiques qui se propagent à d'autres parties. Elles forment initialement des ondes ultrasonores, se transforment progressivement en ondes sonores en raison de la décélération, puis se transforment en ondes mécaniques sous forme d'ondes subsoniques, et cessent finalement de se propager. Dans la couche liquide de la microcavité du tissu, une cavitation peut se produire pendant la propagation des ondes ultrasonores. L'accumulation de cavitations peut provoquer un effondrement évident des tissus et parfois une grande onde de choc de compression peut être générée. Cette série de réactions peut toutes causer des dommages. La portée de l'effet thermique du laser est très limitée et les dommages tissulaires causés par l'effet de pression peuvent se propager à des parties éloignées de la zone éclairée. Par exemple, lorsqu'un laser à rubis a été utilisé pour irradier la tête d'une souris, on a constaté que le cuir chevelu était légèrement endommagé, le crâne et la dure-mère du cerveau n'étaient pas endommagés, mais le cerveau lui-même souffrait d'hémorragie à grande échelle et même de mort. Le phénomène électrostrictif des tissus dans le champ électrique extrêmement puissant provoqué par un faisceau laser puissant peut également générer des ondes de choc et d'autres ondes élastiques.
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