一、激光的概述

激光（laser）是受激辐射光放大 (light amplification by stimulated emission of radiation)的英文缩写，曾被直译为“莱塞”及“镭射”。激光的英文全称已完全表达了制造激光的主要过程，激光的原理早在1916年已被著名的美国物理学家爱因斯坦发现。1964年，按照我国著名科学家钱学森的建议，将“光受激辐射”改称“激光”。随着激光技术的发展，一门研究激光对生物体的作用规律，将激光技术用于医学基础研究、临床诊断和治疗的学科——激光医学(Laser Medicine)已逐步形成。它不同于放射医学，不是高能辐射，其光子与普通光的光子毫无区别（图 1)，而放射医学所用的是X、y、β、a等射线。

图1 激光电磁波谱

二、激光的产生

如图2所示，通过受激辐射产生的光子，方向各异，偏离轴线的光子很快逸出腔外，只有轴线方向振荡的光子才能得到放大，持续振荡，形成雪崩效应式的放大过程。当光强增大到足以抵偿腔内各种损耗和部分透射时，就可在光学谐振腔内形成持续振荡，最终从部分反射镜中输出一束极强的光（频率、方向、偏振状态、相位一致），这就产生激光。

图2 激光产生原理

三、激光的特性

1.方向性好谐振腔仅允许沿轴线向的光输出，故激光是定向发出的，光束发散角一般很微小，而一般光源发出的光均是向各个方向发射的。该特性在医学上的应用，主要使激光能量可在空间上高度集中，从而可将激光束制成激光手术刀等。

2.单色性好具有单一频率的光称为单色光。描述单色性好坏的指标是谱线宽度(breadth of spectrum line, 即光谱线强度为其最大值一半所对应的两个频率之差的绝对值)，其越窄，单色性就越好。目前单色性最好的是激光光源。如He-Ne 激光谱线宽度仅为2Hz，其单色性较普通光源中单色性最好的氪灯谱线宽度要小上亿倍。激光的单色性，以气体最好，固体次之，半导体激光最差。

3.亮度高、强度大激光方向性好，能量高度集中，具有很高的亮度，尤其是超短脉冲激光器的脉冲时间已可压缩到10⁻¹⁹~10⁻¹²秒，其峰值功率可达10¹³W，亮度可比普通光源高出10¹²~10¹⁹倍，是目前世界上最亮的光源。

4.相干性好频率相同、振动方向亦相同，并具有相同振动相位差的两列波，称为相干波。因为激光是受激辐射产生的，光子的产生都是相关的，即激光的发散角很小，相干性很强。光的相干性分为时间相干性和空间相干性。

四、激光计量和有关参数

激光的输出方式有连续波、准连续波和脉冲波。像电灯一样，打开开关后持续发光的类型称连续波激光。像照相机的闪光灯一样，闪一下后要稍微等一会再闪第二下的类型（脉冲发射），称脉冲激光。脉冲波根据脉冲时间的长短分为长脉冲、短脉冲和超脉冲。脉宽为ms（10⁻³s）级称长脉冲；us（10−6s）级称为短脉冲；ns（10⁻⁹s）级的称为超脉冲。目前又有了皮秒（10⁻¹²s）激光治疗机。

1.功率（P）指连续输出的激光器在单位时间内所做的功。常用单位为瓦(W, IW=IJ/s) 或毫瓦(mW)。

2.能量（E）指脉冲输出的激光器，其每一脉冲所具有的做功能力。常用单位为焦耳(J)或毫焦(mj)。脉冲激光有平均能量和峰值能量两种表示方式。

(1)脉冲幅度：脉冲可有多种形状，脉冲所能达到的最大值称脉冲幅度。

(2)脉冲宽度(pulse width，简称脉宽)：对于 ms级的光疗机，脉宽指光能量一个脉冲式输出的持续时间。脉宽越大，能量越大。

对于ns级的激光机，脉宽指激光能量一个脉冲式发出，功率从1/2 到最高点，又从最高点回到1/2处的持续时间。

对于连续输出，此概念为照射时间，以秒或分钟表示。可以理解为相对于生物体的热效应，脉冲输出的脉宽就如同杂技演员钻火圈（高功率但时间短，不易伤组织)，连续输出的照射时间如同烧烤（低功率但长时间也会烤焦组织）。

(3)脉冲频率：每秒钟电磁波经过某一点的数量(Hz)。

(4)峰值功率：脉冲能量与脉冲宽度之比。

(5)脉冲间隔(pulse delay)：又称脉冲延迟，如果一次光射由两个以上子脉冲组成，则两个相邻子脉冲宽度间的停顿时间为脉冲间隔，一般用毫秒(ms)表示。脉冲间隔越大，组织冷却时间越长。表皮冷却时间10ms，毛囊冷却时间100ms，血管冷却时间200ms。

3.功率密度指激光单位时间和单位面积照射到皮肤的光子数量。（W/cm²）

4.能量密度 激光单位面积上照射到皮肤的能量。常用单位为焦耳/平方厘米（J/cm²）

5.热驰豫时间（TRT）是指热量从靶组织向周围组织传导，使靶组织温度下降50%所需要的时间。一般而言，靶组织体积或直径越大，TRT越长。

TRT是衡量组织冷却速度的指标，是选择性光热作用的重要参数。临床应用中，很多参数的设置都要考虑TRT，如脉宽、脉冲间隔。

TRT皮肤组织为1ms，黑色素小体为1us，血管为0.05~45ms（表1），毛囊为40~100ms。

表1 不同直径血管的TRT