通常の光源とは異なり、レーザーには次の物理的特性があります。
共振空洞の光振動方向の制限により、レーザーは誘導放射振動を空洞の軸に沿ってのみ増幅できるため、レーザーは高い指向性を持ちます。そのため、レーザーはビームを長距離に平行に広げることができ、十分な強度を確保できます。
視覚的に色を生じさせる可視光の波長範囲、すなわちスペクトル線幅は、光源の単色性の尺度です。スペクトル線幅が狭いほど、単色性が優れています。自然光は広い波長範囲を持っています。例えば、太陽光をプリズムで分割すると、複数の色からなるスペクトル帯が見られます。レーザーは原子の誘導放射によって生成され、スペクトル線が非常に狭いため、単色性が高くなります。
コヒーレンスは、時間的コヒーレンスと空間的コヒーレンスに分けられます。時間的コヒーレンスは、光線の伝播方向における各点の位相関係を表し、光源の単色性と関係があります。レーザーのスペクトル線幅は非常に狭く、単色性が高いため、時間的コヒーレンスは高くなります。空間的コヒーレンスは、光線の伝播方向に垂直な波面上の点間の位相関係を表します。これは、光場内の異なる空間点の同時コヒーレンスを指し、その方向性と密接に関係しています。レーザーの高い指向性は、その高い空間的コヒーレンスを決定します。レーザーは一種のコヒーレント光です。各光子の運動周波数、位相、偏光状態、伝播方向は同じです。シングルモードレーザーは完全にコヒーレントです。
光源の単色輝度とは、単位面積、単位周波数帯域幅、単位立体角内で光源から放射される光パワーを指します。レーザーは指向性が高く、単色性が高いという特性があるため、エネルギーを空間と時間に集中させることができ、単色指向輝度が非常に高くなります。
レーザーが生物組織に作用すると、熱、圧力、化学線、電磁場などが生じ、これをレーザーの生物効果といいます。レーザーの波長や強度、生物組織の照射部分におけるレーザーの反射、吸収、熱伝導特性などの要因はすべて、その生物効果に影響を与えます。現在、レーザーの生物効果は主に、熱効果、光効果、電磁場効果、圧力、衝撃波効果の面で反映されると考えられています。
1. 熱効果：レーザーの本質は電磁波です。その伝播周波数が組織分子の振動周波数と等しいか類似している場合、その振動は増強されます。この分子振動は熱を生成するメカニズムであるため、熱振動とも呼ばれます。特定の条件下では、組織に作用するレーザーエネルギーの大部分は熱エネルギーに変換されるため、熱効果はレーザーが組織に与える影響の重要な要素です。
分子の熱運動の波長は主に赤外線帯付近で現れる。そのため、炭酸ガスレーザーが出力する赤外線レーザーは組織に対して強い熱効果を持つ。特定の種類と出力のレーザーが生体組織に照射されると、数ミリ秒で200～1000℃以上の高温を生じさせる。高温になるのは、レーザー、特に集束レーザーが小さなビームに大きなエネルギーを集中させることができるためである。例えば、数十ジュールのルビーレーザーは組織の微小領域に焦点を合わせ、数ミリ秒以内にその領域に数百℃の高温を生じさせ、その領域のタンパク質を破壊し、火傷や蒸発を引き起こすことができる。数十ジュールの通常の光は基本的にそのような効果はない。また、照射を停止すると、レーザーによる温度上昇は、どの方法による温度上昇よりもゆっくりと低下することもわかった。例えば、ルビーレーザーによる温度上昇が元の常温まで下がるには数十ジュールかかる。分。
2. 光の影響生物組織はある程度の着色力があり、300～1000nmのスペクトルを選択的に吸収します。生体の色素には、メラニン、メラノイジン、ヘモグロビン、カロチン、鉄などが含まれます。その中でも、メラニンはレーザーエネルギーの吸収が最も大きく、還元ヘモグロビンは556nmに明確な吸収帯を持ち、酸化ヘモグロビンは415nm、542nm、575nmに明確な吸収帯を持ちます。カロチンは480nmに吸収帯を持ちます。メラニンとメラノイジンは400～450nmの帯域で最も強い吸収を持ちます。正常細胞であれ、腫瘍細胞であれ、細胞質内や細胞間にはメラニン顆粒が多く存在し、レーザーエネルギーを吸収するため、色素顆粒にエネルギーが蓄積して熱源となり、周囲に伝導・拡散し、周囲の組織細胞に損傷を与えます。
組織細胞成分のレーザーに対する透過性は相対的です。例えば、Lowndesらは、還元ニコチンアミドアデニン核酸は波長694.3nmのルビーレーザーに対して透明ですが、波長330〜350nmの紫外線を吸収できることを証明しました。吸収は、ルビーレーザービームがプロトタイプのニコチンアミドアデニン核酸の濃縮溶液に作用するときに発生します。生物学的高分子は可視スペクトルに広くて強い吸収帯を持っているため、強いレーザー放射が生物学的物質と相互作用すると、多光子吸収が発生する確率が一定です。生体分子は光子を吸収した後に励起され、エネルギーは熱に変換されるか、リン光または蛍光の形で部分的に再放射されるか、またはエネルギーが化学反応を加速するために使用されます。
レーザー自体のさまざまな特性に加えて、組織の着色の程度または光受容体（色素）の種類は、生体組織に対するレーザーの光効果において重要な役割を果たします。補色または補色に近い色は最も明らかな効果があります。異なる色の皮膚、異なる色の臓器または組織構造は、レーザー光の吸収が大幅に異なる場合があります。組織の透過率と異なる波長のレーザー光の吸収が大きいほど、対応する光効果が顕著になります。組織がレーザー量子を吸収すると、光化学反応、光電効果、電子遷移、他の波長の放射（蛍光など）、熱エネルギー、フリーラジカル、細胞の超微小発光が生成され、組織の分解とイオン化を引き起こし、最終的に照射された組織の構造と機能に影響を与え、損傷を引き起こす可能性があります。
3. 電磁場効果通常の強度のレーザーの作用では、電磁場効果は明らかではありません。レーザー強度が極めて高い場合にのみ、電磁場効果がより顕著になります。レーザーを集束した後、焦点での光エネルギー密度が106W / cm2に達すると、電界強度105V / cm'に相当します。電磁場効果は、生物組織内の分子と原子の量子化された運動を引き起こしたり、変化させたりすることができます。体内の原子、分子、分子群に励起、振動、熱効果、イオン化を引き起こします。生化学反応を触媒し、フリーラジカルを生成し、細胞を破壊します。組織の電気化学的性質を変えるなど。
レーザー照射後にどのような反応が起こるかは、その頻度と照射量と重要な関係があります。たとえば、フリーラジカルは電界強度が1010V/cmを超える場合にのみ形成されます。レーザー光は電子スピン共鳴を使用して測定できます。
黒色皮膚やメラノーマなどの組織へのビーム照射によって生成されるフリーラジカル。レーザーの特殊な特性により、レーザー技術は生物学研究や医療用途のさまざまな分野で使用されています。たとえば、フラッシュ光分解とラマン分光法は、急速な生物学的反応プロセスと複雑な分子の構造を研究するために使用され、レーザーナイフは手術中に組織を切断し、小さな血管と神経を凝固させるために使用されます。
4. 圧力と衝撃波効果通常の光の光圧は無視できるほど小さい。しかし、集光されたレーザービームの焦点におけるエネルギー密度が10MW/cm'に達すると、圧力は約4kPaになり、生物組織にかなりの一次圧力がかかります。レーザービームが0.2mm未満の光点に集光されると、圧力は20kPaに達することがあります。107Wの巨大パルスルビーレーザーを使用して人間または動物の皮膚標本を照射すると、実際に発生する圧力は17.58MPaと測定されます。
レーザービームが生体組織に照射されると、単位面積あたりの圧力が大きいため、生体組織の表面の圧力が組織の内部に伝わり、つまり、組織に照射されたレーザーエネルギーの一部が機械的圧縮波となり、圧力勾配が発生します。レーザービームの圧力が照射された組織の表面の粒子を蒸発させるほど大きい場合、生体組織の粒子が放出され、放出された粒子の移動方向と逆方向に機械的パルス波（逆衝撃）が発生します。これが衝撃波です。この衝撃波により、生体組織は層ごとに異なる数の粒子を放出し、最終的に円錐形の「クレーター」のような空洞を形成します。
強い放射圧による反動圧によって形成される上記の衝撃波に加え、組織の熱膨張によっても衝撃波が発生する場合があります。短時間（数ミリ秒以下）に温度が急激に上昇するため、瞬間的に放出された熱が拡散する時間がなく、体の熱膨張が加速されます。たとえば、60％ルビーレーザーを使用してマウスの腹壁に照射すると、数ミリ秒で半分の形をした腹壁が形成されます。照射された皮下組織に体の爆発的な熱膨張である丸い突起が形成されます。体の熱膨張によって組織に形成された圧力と反動圧は、他の部分に伝播する弾性波を生成することができます。最初は超音波を形成し、減速により徐々に音波に変わり、次に亜音速の形で機械波に変わり、最終的に伝播を停止します。組織のマイクロキャビティ液体層では、超音波が伝播している間にキャビテーションが発生する可能性があります。キャビテーションの蓄積は明らかな組織崩壊を引き起こし、時には大きな圧縮衝撃波を発生させることがあります。この一連の反応はすべて損傷を引き起こす可能性があります。レーザーの熱効果の範囲は非常に限られており、圧力効果による組織損傷は照射領域から遠く離れた部分にまで広がる可能性があります。たとえば、ルビーレーザーを使用してマウスの頭部を照射すると、頭皮がわずかに損傷し、頭蓋骨と脳の硬膜は損傷していませんでしたが、脳自体は大規模な出血を起こし、死に至ることさえありました。強力なレーザービームによって引き起こされる非常に強い電界での組織の電気収縮現象も、衝撃波やその他の弾性波を発生させる可能性があります。
