激光的基礎物理知識

時間：2021-02-19 16:53:28 科普知識我要投稿

激光的基礎物理知識

　　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物理知識，僅供參考，歡迎閱讀。

激光的基礎物理知識

　　1、介紹

　　為了理解本書中其他內容，首先你必須要理解光的一些基礎性質。你如果能更全面理解激光儀發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據和各種臨床用途。

　　基于這些大量證據，人們制定出有關治療劑量、功率設置、脈沖頻率特點和治療周期的基礎建議。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量對照試驗使用的參數不一致。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），指出哪些可以調整，解釋其重要性，幫助你洞察它的臨床應用。

　　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部的結構。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，引起化學反應產生電信號，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。

　　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，還有很多的應用，任何兩種光本質上只有一個區別：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構上才會產生差別。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如何討論光。圖3.1顯示電磁波的基本結構以及波長、頻率和能量之間的關系。

　　所以，光的這一基本性質（頻率或波長或能量，你想怎么表達都可以）在光譜中的不同區域是如何產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有不同的相互作用？

　　4、相互作用

　　本書關心的電磁波譜范圍（可見光和近紅外光），有兩種基礎的相互作用：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，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。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有強烈的相互作用。

　　然而，分子內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移到系統中。當光譜中的可見光和近紅外光作用于生物組織時，光子或者將它們全部的能量傳遞到它們擊中的物質上或者被彈開；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的改變。這本質上是化學反應。你需要明白化學反應的主要方式（例如兩個分子結合的方式）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（同時空間上和電子上）傾向于結合到一起。如果它們無法配對，它們不會結合到一起。通過改變一個分子的某部分形態，即使是輕微的改變或者極短時間內的改變，都可能會導致分子自身某部分斷裂或分子結合到新物質上。隨后的章節中我們會討論這些吸收事件發生后會產生哪些神奇的生物化學效應。

　　如果你使用過手術激光（或者廚房微波爐用來加熱組織），你會發現如果使用足夠的某種范圍內的波長（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，產生大量的熱，最終使分子斷裂。大多數時候，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，從統計學角度來看，絕大部分的光在被吸收之前會被其他物質反射。

　　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的粒子上后發生的散射稱為“瑞利散射”。撞擊在大于1/10波長的粒子上發生的散射稱為“米氏散射”。瑞利散射的結果是等向散射；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”的值反應。這個值定義為散射角的平均余弦值，你不需要太關心這點；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上討論吸收和散射，很簡單，因為就在皮膚最外面幾毫米內發生的這些事件的數量，所有人一起數一輩子也數不完。相反，我們討論宏觀量值，例如吸收系數μa，和優化散射系數，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，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量（例如組織成分和密度）決定接下來會發生什么故事。

　　吸收系數很容易理解，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。

　　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，而是關注平均方向。這就是你看到前面我為什么提到優化散射系數，在計算時考慮到各向異性。本質上，優化散射系數是方向校正后的散射系數，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。

　　這兩個量值結合起來形成一個有效衰減系數，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節里。

　　還沒有那么快！在任何目標治療區域，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，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，雖然光在體內的吸收量小很多（吸收系數比散射系數小200-5000倍），隨著光在體內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某處被吸收（Jacques，2013）。當進行激光治療時，你不會看到動物發出近紅外光，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，你肯定會發現一些光跑出來，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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