激光的基礎(chǔ)物理知識(shí)
激光是20世紀(jì)以來(lái)繼核能、電腦、半導(dǎo)體之后，人類(lèi)的又一重大發(fā)明，被稱(chēng)為“最快的刀”、“最準(zhǔn)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(shí)，僅供參考，歡迎閱讀。
1、介紹
為了理解本書(shū)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(diǎn)，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(lái)的內(nèi)容包括演示激光加強(qiáng)細(xì)胞功能的體外實(shí)驗(yàn)，以及更多來(lái)自真實(shí)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(diǎn)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(dòng)物和疾病，但也是因?yàn)橐恍﹤�(gè)案報(bào)道和高質(zhì)量對(duì)照試驗(yàn)使用的參數(shù)不一致。本章我的目標(biāo)是進(jìn)行一場(chǎng)非正式的討論（而不是一場(chǎng)百科全書(shū)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(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)，我們使用光，因?yàn)樗梢源┩干眢w，而一旦進(jìn)入身體中，它會(huì)引起生理學(xué)改變。一名8年級(jí)的學(xué)生可能不同意，因?yàn)樗床坏绞掷锩嬖诎l(fā)生什么，而當(dāng)一束光照到他的胳膊上，他也不會(huì)開(kāi)始長(zhǎng)出另一只手。然而，你不像小學(xué)生一樣天真，你曾看到過(guò)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(huì)同意（其實(shí)下意識(shí)的）你眼睛中的視錐細(xì)胞會(huì)吸收光線，引起化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電信號(hào)，影響你的感官，甚至你的情緒、行為和健康。Yes，當(dāng)你看到棒球朝你頭飛來(lái)時(shí)，你肯定要躲避，這就是光改變了你的行為，帶來(lái)有益效應(yīng)。
然而，可見(jiàn)光并不能很好的穿透進(jìn)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(shū)里要閱讀到光有什么區(qū)別？
3、光的特點(diǎn)
盡管光與機(jī)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(gè)區(qū)別：波長(zhǎng)。為了理解這點(diǎn)，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(dòng)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)。這就是為什么它的術(shù)語(yǔ)叫“電磁輻射”。光全部特性更加復(fù)雜，本章中我們會(huì)詳細(xì)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(dòng)特性就通過(guò)相鄰波峰（或波谷）之間的距離或特定時(shí)間內(nèi)有多少個(gè)波峰（或波谷）來(lái)描述，兩者含義相同。我們將這些值分別稱(chēng)為“波長(zhǎng)”和“頻率”。注意不要將光的波長(zhǎng)和頻率與脈沖頻率和重復(fù)速率相混淆。后者指周期性的開(kāi)關(guān)電燈。后面我們會(huì)講到。
后面，我會(huì)使用這兩個(gè)特點(diǎn)中的某一個(gè)來(lái)指代不同類(lèi)型的光，但你知道它們其實(shí)含義相同，同時(shí)這是從一維角度來(lái)考慮我們稱(chēng)之為光的電磁波的特點(diǎn)。我最喜歡聽(tīng)的早間體育廣播電臺(tái)使用660kHz（頻率）的光進(jìn)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(lán)光的波長(zhǎng)）。實(shí)際上，這些只是光的不同顏色；人眼進(jìn)化到現(xiàn)在，含有的視錐細(xì)胞只可以探測(cè)390到700nm波長(zhǎng)的光，也就是我們稱(chēng)作的可見(jiàn)光譜。近紅外光譜從700到1100nm。
如果你很聰明的話，當(dāng)我說(shuō)“一維角度”的時(shí)候你會(huì)猶豫下，因?yàn)槟阒牢覀兲幱谌S世界中。實(shí)際上，構(gòu)成光的電場(chǎng)和磁場(chǎng)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(gè)你可能聽(tīng)過(guò)的光的特點(diǎn)：偏振性，簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)，就是光的電場(chǎng)（或磁場(chǎng)）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(dāng)你將光照射到特定的結(jié)構(gòu)上才會(huì)產(chǎn)生差別。整體上來(lái)說(shuō)，生物體上不會(huì)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(huì)更清楚。
等下，光還有另一個(gè)基礎(chǔ)特性：光的能量直接與頻率成正比（因此與波長(zhǎng)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(lái)看，光由稱(chēng)為“光子”的獨(dú)立團(tuán)塊組成。雖然沒(méi)有理由需要在這里探討光的波粒二相性，但是提及這點(diǎn)非常重要，因?yàn)檫@會(huì)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(zhǎng)、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(zhǎng)或能量，你想怎么表達(dá)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(shuō)，為什么不同顏色的光對(duì)同一物質(zhì)有不同的相互作用？
4、相互作用
本書(shū)關(guān)心的電磁波譜范圍（可見(jiàn)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(diǎn)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(gè)度量水平。然而，當(dāng)你使用光時(shí)，你需要從光的水平看物質(zhì)，也就是我們?cè)趫D3.1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(huì)看到我們是由分子組成的。如果你繼續(xù)放大，你會(huì)看到原子，但那就是X射線的范圍了（波長(zhǎng)10nm以下）；可見(jiàn)光和近紅外光不會(huì)與那么小的物質(zhì)有強(qiáng)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(jìn)行相互作用。這些鍵其實(shí)就是共享的電子云（移動(dòng)的帶電粒子），但是它們?cè)谠映煞种g像彈簧一樣高效運(yùn)作。當(dāng)帶電粒子受到電場(chǎng)和磁場(chǎng)的影響時(shí)（例如當(dāng)你把光射到它們上面），它們會(huì)受到力的作用，因?yàn)殡姶艌?chǎng)是波動(dòng)的，所以鍵也是；并且就像吉他上的弦一樣，它們每個(gè)都有自己的固有頻率。
5、吸收
當(dāng)光的頻率與這種固有頻率相同時(shí)，會(huì)發(fā)生吸收。就像推某個(gè)坐秋千的人或彈簧上的某個(gè)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(dāng)光譜中的可見(jiàn)光和近紅外光作用于生物組織時(shí)，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(kāi)；它們被全部吸收或散射出去。因此，實(shí)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(zhǎng)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(dāng)這些鍵吸收光時(shí)，它們和所有興奮的弦一樣：彎曲、扭曲、擴(kuò)展、收縮以及任何這些的組合。實(shí)際上，這會(huì)導(dǎo)致分子或分子鏈形態(tài)的改變。這本質(zhì)上是化學(xué)反應(yīng)。你需要明白化學(xué)反應(yīng)的主要方式（例如兩個(gè)分子結(jié)合的方式）是非常敏感的物理層面鎖和鑰匙的機(jī)制。能夠完美配對(duì)的物質(zhì)（同時(shí)空間上和電子上）傾向于結(jié)合到一起。如果它們無(wú)法配對(duì)，它們不會(huì)結(jié)合到一起。通過(guò)改變一個(gè)分子的某部分形態(tài)，即使是輕微的改變或者極短時(shí)間內(nèi)的改變，都可能會(huì)導(dǎo)致分子自身某部分?jǐn)嗔鸦蚍肿咏Y(jié)合到新物質(zhì)上。隨后的章節(jié)中我們會(huì)討論這些吸收事件發(fā)生后會(huì)產(chǎn)生哪些神奇的生物化學(xué)效應(yīng)。
如果你使用過(guò)手術(shù)激光（或者廚房微波爐用來(lái)加熱組織），你會(huì)發(fā)現(xiàn)如果使用足夠的某種范圍內(nèi)的波長(zhǎng)（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(dòng)會(huì)自我加強(qiáng)，產(chǎn)生大量的熱，最終使分子斷裂。大多數(shù)時(shí)候，目標(biāo)分子是水，組織中水的沸騰會(huì)將食物整個(gè)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(biāo)分子才能吸收光。然而，從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度來(lái)看，絕大部分的光在被吸收之前會(huì)被其他物質(zhì)反射。
6、散射
對(duì)可見(jiàn)光和近紅外光來(lái)說(shuō)，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(gè)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(zhǎng)1/10的粒子上后發(fā)生的散射稱(chēng)為“瑞利散射”。撞擊在大于1/10波長(zhǎng)的粒子上發(fā)生的散射稱(chēng)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(qiáng)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(gè)稱(chēng)為“各向異性系數(shù)”的值反應(yīng)。這個(gè)值定義為散射角的平均余弦值，你不需要太關(guān)心這點(diǎn)；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(shuō)向前散射。
7、每種都有多少
我們不在單個(gè)光子和分子的基礎(chǔ)上討論吸收和散射，很簡(jiǎn)單，因?yàn)榫驮谄つw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(zhǎng)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(qiáng)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(zhǎng)和組織有關(guān)，對(duì)吸收來(lái)說(shuō)全部圍繞著配對(duì)，光的頻率和鍵的頻率，對(duì)散射來(lái)說(shuō)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(lái)會(huì)發(fā)生什么故事。
吸收系數(shù)很容易理解，因?yàn)楣庾訕用幢晃栈蛘卟槐晃�。因此，我們使用吸收系�?shù)和從表面向下的深度來(lái)理解總吸收量（以及光束總相對(duì)殘余強(qiáng)度）。圖3.1中藍(lán)色曲線顯示水對(duì)幾乎整個(gè)光譜中的不同光的吸收系數(shù)。
散射稍微有些復(fù)雜，因?yàn)楣獾姆瓷浞较蛴勺矒粑餂Q定。此外，光的路徑長(zhǎng)度絕不會(huì)與（而且通常會(huì)長(zhǎng)很多）深度一樣，因?yàn)闀?huì)散射到不同方向。同樣的，我們不會(huì)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(jì)算時(shí)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(jì)算更加簡(jiǎn)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(gè)路徑長(zhǎng)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(gè)量值結(jié)合起來(lái)形成一個(gè)有效衰減系數(shù)，概括性描述原始光束強(qiáng)度丟失的一種方式。通過(guò)這個(gè)值，我們現(xiàn)在可以計(jì)算出與其實(shí)量相比，有多少光進(jìn)入到多深的深度。圖3.2顯示了每種機(jī)制的衰減模式。再次，強(qiáng)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(tīng)起來(lái)夠簡(jiǎn)單了。告訴我組織的μa和μs′值，我就能告訴你有多少光將會(huì)到達(dá)你想要治療的關(guān)節(jié)里。
還沒(méi)有那么快！在任何目標(biāo)治療區(qū)域，不同組織的含量和類(lèi)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(lèi)型和散射方向，以及光進(jìn)入身體后發(fā)生的各種相互作用，真的是非常復(fù)雜的一團(tuán)。但是，我們可以做一些概括來(lái)幫忙。
首先，光一旦進(jìn)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(qiáng)。正如某些人的觀點(diǎn)，這意味著散射的平均深度最多是每半毫米（通常更短）。對(duì)皮膚來(lái)說(shuō)，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(duì)光來(lái)說(shuō)是障礙。但是，由于可見(jiàn)和近紅外光作用于生物組織上時(shí)各向異性系數(shù)非常接近1，平均來(lái)說(shuō)這些散射事件使得光進(jìn)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(lái)反射去然后被吸收，幾乎所有進(jìn)入身體的光都會(huì)在體內(nèi)某處被吸收（Jacques，2013）。當(dāng)進(jìn)行激光治療時(shí)，你不會(huì)看到動(dòng)物發(fā)出近紅外光，即使用紅外線照相機(jī)也看不到。如果你有一個(gè)非常敏感的探測(cè)器，你肯定會(huì)發(fā)現(xiàn)一些光跑出來(lái)，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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