激光的基礎(chǔ)物理知識
激光是20世紀以來繼核能、電腦、半導體之后，人類的又一重大發(fā)明，被稱為“最快的刀”、“最準的尺”、“最亮的光”。下面是小編為大家整理的激光的基礎(chǔ)物理知識，僅供參考，歡迎閱讀。
1、介紹
為了理解本書中其他內(nèi)容，首先你必須要理解光的一些基礎(chǔ)性質(zhì)。你如果能更全面理解激光儀發(fā)射出的神奇激光的特點，你就越能夠制定出更好的治療方案并獲得更好的治療效果。接下來的內(nèi)容包括演示激光加強細胞功能的體外實驗，以及更多來自真實世界的數(shù)據(jù)和各種臨床用途。
基于這些大量證據(jù)，人們制定出有關(guān)治療劑量、功率設(shè)置、脈沖頻率特點和治療周期的基礎(chǔ)建議。這些建議必須很廣泛，包含各種動物和疾病，但也是因為一些個案報道和高質(zhì)量對照試驗使用的參數(shù)不一致。本章我的目標是進行一場非正式的討論（而不是一場百科全書似的詳述），指出哪些可以調(diào)整，解釋其重要性，幫助你洞察它的臨床應(yīng)用。
2、為什么使用光？
簡單點說，我們使用光，因為它可以穿透身體，而一旦進入身體中，它會引起生理學改變。一名8年級的學生可能不同意，因為他看不到手里面在發(fā)生什么，而當一束光照到他的胳膊上，他也不會開始長出另一只手。然而，你不像小學生一樣天真，你曾看到過X光如何幫你看到身體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。還有你能看到這些字，因此你會同意（其實下意識的）你眼睛中的視錐細胞會吸收光線，引起化學反應(yīng)產(chǎn)生電信號，影響你的感官，甚至你的情緒、行為和健康。Yes，當你看到棒球朝你頭飛來時，你肯定要躲避，這就是光改變了你的行為，帶來有益效應(yīng)。
然而，可見光并不能很好的穿透進我們的身體中，你的眼睛也看不到X射線。那么，這些光和你在這本書里要閱讀到光有什么區(qū)別？
3、光的特點
盡管光與機體有很多的相互作用，還有很多的應(yīng)用，任何兩種光本質(zhì)上只有一個區(qū)別：波長。為了理解這點，我們首先要知道光是什么——一種沿直線以恒定速度（光速）傳播的波動的電場和磁場。這就是為什么它的術(shù)語叫“電磁輻射”。光全部特性更加復雜，本章中我們會詳細講解其中某些，但光本質(zhì)上就是電磁輻射。因此，由于光傳播的速度是恒定的，它的.波動特性就通過相鄰波峰（或波谷）之間的距離或特定時間內(nèi)有多少個波峰（或波谷）來描述，兩者含義相同。我們將這些值分別稱為“波長”和“頻率”。注意不要將光的波長和頻率與脈沖頻率和重復速率相混淆。后者指周期性的開關(guān)電燈。后面我們會講到。
后面，我會使用這兩個特點中的某一個來指代不同類型的光，但你知道它們其實含義相同，同時這是從一維角度來考慮我們稱之為光的電磁波的特點。我最喜歡聽的早間體育廣播電臺使用660kHz（頻率）的光進行廣播，我今天早上用微波爐熱咖啡的光是2.45GHz（也是頻率），但是我最喜歡的顏色是450nm（藍光的波長）。實際上，這些只是光的不同顏色；人眼進化到現(xiàn)在，含有的視錐細胞只可以探測390到700nm波長的光，也就是我們稱作的可見光譜。近紅外光譜從700到1100nm。
如果你很聰明的話，當我說“一維角度”的時候你會猶豫下，因為你知道我們處于三維世界中。實際上，構(gòu)成光的電場和磁場總是相互呈90°，所以這里有了其他維度。這也賦予了光其他兩個你可能聽過的光的特點：偏振性，簡單點說，就是光的電場（或磁場）的一致性；和相干性，也就是兩種不同的光的波峰和波谷相排列。然而，這些值（以及這些其他兩維）只有當你將光照射到特定的結(jié)構(gòu)上才會產(chǎn)生差別。整體上來說，生物體上不會有差別；但是我們超前了一些。首先，我們需要定義什么是相互作用，然后一切會更清楚。
等下，光還有另一個基礎(chǔ)特性：光的能量直接與頻率成正比（因此與波長成反比）。每“段”光攜帶的能量是離散或“量子化”的。因此，從某種角度來看，光由稱為“光子”的獨立團塊組成。雖然沒有理由需要在這里探討光的波粒二相性，但是提及這點非常重要，因為這會影響后面我們?nèi)绾斡懻摴�。圖3.1顯示電磁波的基本結(jié)構(gòu)以及波長、頻率和能量之間的關(guān)系。
所以，光的這一基本性質(zhì)（頻率或波長或能量，你想怎么表達都可以）在光譜中的不同區(qū)域是如何產(chǎn)生如此不同的作用的？換句話說，為什么不同顏色的光對同一物質(zhì)有不同的相互作用？
4、相互作用
本書關(guān)心的電磁波譜范圍（可見光和近紅外光），有兩種基礎(chǔ)的相互作用：吸收和散射。但是在我們具體談這兩點之前，我們需要知道我們把這些光照在什么物質(zhì)上：生物體。身體似乎非常硬，而且跟棒球在一個度量水平。然而，當你使用光時，你需要從光的水平看物質(zhì)，也就是我們在圖3.1中看到的，以幾百納米為度量單位去看待物質(zhì)。如果放大到那種水平，你會看到我們是由分子組成的。如果你繼續(xù)放大，你會看到原子，但那就是X射線的范圍了（波長10nm以下）；可見光和近紅外光不會與那么小的物質(zhì)有強烈的相互作用。
然而，分子內(nèi)和分子間的鍵恰好是合適的尺寸，所有這一范圍的光可以與它們很好的進行相互作用。這些鍵其實就是共享的電子云（移動的帶電粒子），但是它們在原子成分之間像彈簧一樣高效運作。當帶電粒子受到電場和磁場的影響時（例如當你把光射到它們上面），它們會受到力的作用，因為電磁場是波動的，所以鍵也是；并且就像吉他上的弦一樣，它們每個都有自己的固有頻率。
5、吸收
當光的頻率與這種固有頻率相同時，會發(fā)生吸收。就像推某個坐秋千的人或彈簧上的某個物體一樣，如果你推的頻率和固有頻率一致，你可以將你推力的大部分能量轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)中。當光譜中的可見光和近紅外光作用于生物組織時，光子或者將它們?nèi)康哪芰總鬟f到它們擊中的物質(zhì)上或者被彈開；它們被全部吸收或散射出去。因此，實際上，光被相同頻率的鍵吸收，這就很容易理解為什么吸收是與波長和組織有關(guān)的。不同的組織有不同的成分，由不同頻率的鍵組成。
當這些鍵吸收光時，它們和所有興奮的弦一樣：彎曲、扭曲、擴展、收縮以及任何這些的組合。實際上，這會導致分子或分子鏈形態(tài)的改變。這本質(zhì)上是化學反應(yīng)。你需要明白化學反應(yīng)的主要方式（例如兩個分子結(jié)合的方式）是非常敏感的物理層面鎖和鑰匙的機制。能夠完美配對的物質(zhì)（同時空間上和電子上）傾向于結(jié)合到一起。如果它們無法配對，它們不會結(jié)合到一起。通過改變一個分子的某部分形態(tài)，即使是輕微的改變或者極短時間內(nèi)的改變，都可能會導致分子自身某部分斷裂或分子結(jié)合到新物質(zhì)上。隨后的章節(jié)中我們會討論這些吸收事件發(fā)生后會產(chǎn)生哪些神奇的生物化學效應(yīng)。
如果你使用過手術(shù)激光（或者廚房微波爐用來加熱組織），你會發(fā)現(xiàn)如果使用足夠的某種范圍內(nèi)的波長（或頻率）的光，而且與組織中含有的主要鍵共振的話，這些振動會自我加強，產(chǎn)生大量的熱，最終使分子斷裂。大多數(shù)時候，目標分子是水，組織中水的沸騰會將食物整個加熱或非常高效的消融局部組織。
不管哪種情況，只有頻率“正確”的目標分子才能吸收光。然而，從統(tǒng)計學角度來看，絕大部分的光在被吸收之前會被其他物質(zhì)反射。
6、散射
對可見光和近紅外光來說，幾乎所有的散射都是彈性的——光子能量不變，只是在傳播途徑上被頻率不“正確”的粒子反彈出去。反彈之后光子向哪個方向傳播取決于光子撞到什么上：大部分由粒子的大小決定。光撞擊在小于其波長1/10的粒子上后發(fā)生的散射稱為“瑞利散射”。撞擊在大于1/10波長的粒子上發(fā)生的散射稱為“米氏散射”。瑞利散射的結(jié)果是等向散射；散射光在所有方向有同樣強度（除了大約90°方向）。而米氏散射方向更偏向前，而向前的程度由一個稱為“各向異性系數(shù)”的值反應(yīng)。這個值定義為散射角的平均余弦值，你不需要太關(guān)心這點；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。近紅外光在生物組織中的值是0.75-0.90，這就是我為什么說向前散射。
7、每種都有多少
我們不在單個光子和分子的基礎(chǔ)上討論吸收和散射，很簡單，因為就在皮膚最外面幾毫米內(nèi)發(fā)生的這些事件的數(shù)量，所有人一起數(shù)一輩子也數(shù)不完。相反，我們討論宏觀量值，例如吸收系數(shù)μa，和優(yōu)化散射系數(shù)，μs′,兩者的單位都是1/長度。這就告訴你光在傳播途徑中被吸收或散射的平均量，繼而可以做出指數(shù)衰減曲線，描述光隨著傳播的深度的增加，光強度的衰減情況。相反（也就是用1除以這些量值），你得到的就是所謂的“平均自由路徑”，代表吸收和散射事件之間的平均距離。所有這些值都與波長和組織有關(guān)，對吸收來說全部圍繞著配對，光的頻率和鍵的頻率，對散射來說是散射粒子的大小和數(shù)量（例如組織成分和密度）決定接下來會發(fā)生什么故事。
吸收系數(shù)很容易理解，因為光子樣么被吸收或者不被吸收。因此，我們使用吸收系數(shù)和從表面向下的深度來理解總吸收量（以及光束總相對殘余強度）。圖3.1中藍色曲線顯示水對幾乎整個光譜中的不同光的吸收系數(shù)。
散射稍微有些復雜，因為光的反射方向由撞擊物決定。此外，光的路徑長度絕不會與（而且通常會長很多）深度一樣，因為會散射到不同方向。同樣的，我們不會去追蹤每次反射，而是關(guān)注平均方向。這就是你看到前面我為什么提到優(yōu)化散射系數(shù)，在計算時考慮到各向異性。本質(zhì)上，優(yōu)化散射系數(shù)是方向校正后的散射系數(shù)，使得計算更加簡單，而且讓你能夠使用深度（你知道的或至少是你想知道的）而不是每束光線的單個路徑長度（你不知道或不關(guān)心的）。因此，逆向或減少平均自由路徑告訴你散射事件的平均深度。
這兩個量值結(jié)合起來形成一個有效衰減系數(shù)，概括性描述原始光束強度丟失的一種方式。通過這個值，我們現(xiàn)在可以計算出與其實量相比，有多少光進入到多深的深度。圖3.2顯示了每種機制的衰減模式。再次，強度值呈指數(shù)遞減，意味著越深的地方，原始光束中剩余的光越少。這聽起來夠簡單了。告訴我組織的μa和μs′值，我就能告訴你有多少光將會到達你想要治療的關(guān)節(jié)里。
還沒有那么快！在任何目標治療區(qū)域，不同組織的含量和類型不同，它們不是像包裝里的午餐肉一樣一層一層界限分明的堆在一起。所以想要知道吸收量、散射類型和散射方向，以及光進入身體后發(fā)生的各種相互作用，真的是非常復雜的一團。但是，我們可以做一些概括來幫忙。
首先，光一旦進入身體，散射是目前為止與生物組織之間最主要的相互作用，越短的波效應(yīng)越強。正如某些人的觀點，這意味著散射的平均深度最多是每半毫米（通常更短）。對皮膚來說，吸收和散射扮演差不多相同角色，而且兩者都很多。雖然皮膚不是身體與外界之間的鐵甲衣，不像防水一樣防其他所有物質(zhì)，但皮膚對光來說是障礙。但是，由于可見和近紅外光作用于生物組織上時各向異性系數(shù)非常接近1，平均來說這些散射事件使得光進入身體更深部。
第二，雖然光在體內(nèi)的吸收量小很多（吸收系數(shù)比散射系數(shù)小200-5000倍），隨著光在體內(nèi)反射來反射去然后被吸收，幾乎所有進入身體的光都會在體內(nèi)某處被吸收（Jacques，2013）。當進行激光治療時，你不會看到動物發(fā)出近紅外光，即使用紅外線照相機也看不到。如果你有一個非常敏感的探測器，你肯定會發(fā)現(xiàn)一些光跑出來，但是絕大部分被身體吸收。此外，海量光子的一小部分仍然是大量吸收。
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