激光即由受激輻射而產(chǎn)生放大的光，激光技術(shù)的成功被認為是本世紀最重大的四項科學(xué)成果之一（即原子能、半導(dǎo)體、計算機、激光）。
激光剛一出現(xiàn)，它的發(fā)展前景就引起人們的強烈興趣，不久就相繼出現(xiàn)了數(shù)百種能發(fā)射不同波長的相干光的激光器。1964年美國卡斯珀（Kasper）制成了第一臺化學(xué)激光器。1966年蘭卡德（Lankard）等人首先制成了有機染料激光器，到目前為止，全世界已生產(chǎn)了幾千種類型的激光器，并研制成了高壓氣體激光器、高功率化學(xué)激光器、準(zhǔn)分子激光器、半導(dǎo)體激光器、固體激光器、自由電子激光器和X線激光器等新品種。目前激光器輸出功率最大可達1013W，最小為mw。
激光問世后，很快受到醫(yī)學(xué)和生物學(xué)界的極大重視。1961年扎雷特(Zaret)，以后坎貝爾（Campbell）等人相繼用激光研究視網(wǎng)膜剝離焊接術(shù)，并很快被用于臨床。目前激光在臨床上除氣化、凝固、燒灼、光刀、焊接、照射等治療應(yīng)用外，在診斷和基礎(chǔ)理論研究方面出現(xiàn)了許多新技術(shù)，如激光熒光顯微檢查，激光微束照射單細胞顯微檢查技術(shù)，激光顯微光譜分析，生物全息攝影及細胞或分子水平的激光檢測和微光手術(shù)等充分顯示激光一系列獨特性能。激光配合導(dǎo)光纖維的應(yīng)用對各種體腔內(nèi)腫瘤及其他疾患的診治，以及結(jié)合各種內(nèi)窺鏡進行激光光敏療法診治腔內(nèi)腫瘤新技術(shù)提供有利手段。目前已研究利用激光治療心臟疾病和血管內(nèi)斑塊栓塞，包括冠狀動脈粥樣硬化阻塞后的激光血管再通技術(shù)已獲成功。
基于醫(yī)用激光的迅速發(fā)展，在激光生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中形成了一些專門學(xué)科，如激光分子生物學(xué)、激光細胞學(xué)、激光人體生理學(xué)、激光診斷學(xué)、激光治療學(xué)、醫(yī)用激光工藝學(xué)、激光防護學(xué)、分子生物激光工程學(xué)等。在診治方面，激光已用于每一臨床學(xué)科，最近據(jù)有人預(yù)測到本世紀末，應(yīng)用激光技術(shù)診治疾病的新方法將超過傳統(tǒng)的診治方法，激光技術(shù)將引起內(nèi)外科治療的一場“革命”。預(yù)計在本世紀末的五至十年內(nèi)，激光技術(shù)將廣泛應(yīng)用于發(fā)現(xiàn)和治療癌瘤，進行外科手術(shù)以及縫合血管、神經(jīng)、肌腱和皮膚，治療動脈硬化斑、血管栓塞和內(nèi)科、皮膚科等的許多疾病。
白熾燈、日光燈、高壓脈沖氙燈、激光燈的發(fā)光現(xiàn)象，都是光源系統(tǒng)中原子（或分子、離子）內(nèi)部能量變化的結(jié)果。原子的能級結(jié)構(gòu)是發(fā)光現(xiàn)象的物質(zhì)基礎(chǔ)，激光的產(chǎn)生，不外乎通過以下幾個過程和步驟：
一般原子系統(tǒng)中，絕大多數(shù)的原子不是處于低能級的基態(tài)，而是處于高能級的激發(fā)狀態(tài)的原子數(shù)目，相比之下是非常少的。例如：在室溫（27～28℃）的情況下，紅寶石晶體中處于基態(tài)的鉻離子數(shù)目為激發(fā)態(tài)的1030倍，因此，紅寶石鉻離子基本上是處于基態(tài)的。如果要使這些處于基態(tài)的粒子產(chǎn)生輻射作用，首先必須把這些基態(tài)上的粒子激發(fā)到高能級去，從低能級到高級去的這一過程稱為激發(fā)或抽運。這個吸收能量的過程，稱做光的受激吸收（圖4-26-4）。激發(fā)的方法很多，主要是給基態(tài)粒子外加一定能量，例如光照、電子碰撞、分解或化合以及加熱等?；鶓B(tài)粒子吸收能量后即被激發(fā)，例如紅寶石激發(fā)器就是脈沖氙燈照射的方法施加光能,使鉻離子從基態(tài)激發(fā)到高能級的激發(fā)態(tài)上。又如氦－氖激光器通過電子與氦原子碰撞，使氦原子獲得能量。氦原子通過碰撞又將能量傳給氖原子，氖原子獲得能量后從基態(tài)激發(fā)到高能級去。化學(xué)激發(fā)器是用分解或化合的方法作為激發(fā)能源。
圖4-26-4 激光（吸收能量）
由于原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，在相同的外界條件下，原子從基態(tài)被激發(fā)到各個高能級去的可能性是不一致的。通常把原子從基態(tài)激發(fā)到某一能級上去的可能性，叫做該能級的“激發(fā)機率”。各能級的激發(fā)機率是不同的，有的很大，有的很小，這種機率取決于物質(zhì)自身的性質(zhì)。
原子（或分子、離子）總是力圖使自己的能量狀態(tài)處于基態(tài)上，被激發(fā)到高能級后的粒子，力圖回到基態(tài)上去，與此同時放出激發(fā)時所吸收的能量?；鶓B(tài)是粒子能量最平衡最穩(wěn)定的狀態(tài)，從高級回到低能級去的過程稱為躍遷，躍遷時釋放的能量即輻射。躍遷的形式有以下幾種：
不受外界能量的影響，只是由于原子內(nèi)部運動規(guī)律所導(dǎo)致的躍遷稱為自發(fā)躍遷。這種躍遷釋放能量的形式又有兩種：一種是變?yōu)闊徇\動釋放能量，叫做無輻射躍遷；另一種是以光的形式將能量輻射出來，叫做自發(fā)輻射躍遷（圖4-26-5）。自發(fā)輻射出來的光頻率γ，由發(fā)生躍遷的兩能級間之能量差所決定。
圖4-26－5 自發(fā)輻射（釋放能量）
普通光源如白熾燈、日光燈、高壓水銀燈、氙燈等都是通過自發(fā)躍遷輻射產(chǎn)生光，這種光是非相干光。
由于入射光子的感應(yīng)或激勵，導(dǎo)致激發(fā)原子從高能級躍遷到低能級去，這個過程稱為受激躍遷或感應(yīng)躍遷。這種躍遷輻射叫做“受激輻射”。受激輻射出來的光子與入射光子有著同樣的特征，如頻率、相位、振輻以及傳播方向等完全一樣。這種相同性就決定了受激輻射光的相干性。入射一個光子引起一個激發(fā)原子受激躍遷，在躍遷過程中，輻射出兩個同樣的光子，這兩個同樣的光子又去激勵其它激發(fā)原子發(fā)生受激躍遷，因而又獲得4個同樣的光子。如此反應(yīng)下去，在很短的時間內(nèi)，輻射出來大量同模樣、同性能的光子，這個過程稱為“雪崩”。雪崩就是受激輻射光的放大過程。受激輻射光是相干光，相干光有疊加效應(yīng)，因此合成光的振幅加大，表現(xiàn)為光的高亮度性（圖4-26-6）。
圖4-26－6 受激輻射（釋放能量）
激發(fā)壽命與躍遷機率取決于物質(zhì)種類的不同。處于基態(tài)的原子可以長期的存在下去，但原子激發(fā)到高能級的激發(fā)態(tài)上去以后，它會很快地并且自發(fā)地躍遷回到低能級去。在高能級上滯留的平均時間，稱為原子在該能級上的“平均壽命”，通常以符號“τ”表示。一般說，原子處于激發(fā)態(tài)的時間是非常短的，約為10－8秒。
激發(fā)系統(tǒng)在1秒內(nèi)躍遷回基態(tài)的原子數(shù)目稱為“躍遷機率”，通常以“A”表示。大多數(shù)同種原子的平均躍遷機率都有固定的數(shù)值。躍遷率A與平均壽命τ的關(guān)系：
由于原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特殊性，決定了各能級的平均壽命長短不等。例如紅寶石中的鉻離子E3的壽命非常短，只有10－9秒，而E2的壽命比較長，約為數(shù)秒。壽命較長的能級稱為“亞穩(wěn)態(tài)”。具有亞穩(wěn)態(tài)原子、離子或分子的物質(zhì)，是產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)，因亞穩(wěn)態(tài)能更好地為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)創(chuàng)造條件。
當(dāng)光子通過某一介質(zhì)時，它可能被原子（或離子、分子）所吸收，從而使原子從低能級激發(fā)到高能級去，這個過程稱為“共振吸收”或稱光的受激吸收。另外，入射光也能引起處于高能級的原子發(fā)生受激輻射。
在一般情況下，處于低能級的原子數(shù)目遠遠超過處于高能級的原子數(shù)目。要想得到受激輻射，就必須先使原子（或離子、分子）激發(fā)到高能級去。人為地施加一定能量，使高能級上具有較多的粒子數(shù)分布，這種狀態(tài)稱為“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”。產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì)就稱為活性物質(zhì)。如何實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，下面以紅寶石激光器為例加以說明。
紅寶石激光器的激發(fā)是通過氙燈輸送能量。E1、E2、E3是鉻離子相對應(yīng)的三個能級，使鉻離子從基態(tài)E1激發(fā)到共振吸收帶E3上去，形成了E3對E2粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（圖4-26-7（1））。但是由于E3的壽命很短（即自發(fā)躍遷機率很大），因此鉻離子的能級就很快地并且以無輻射躍遷的形式落入E2中，同時放出熱能。E2是壽命較長的亞穩(wěn)態(tài)，躍遷機率較小，因此E2就積聚了大量的鉻離子。當(dāng)氙燈光足夠時，則E2上的粒子（鉻離子）數(shù)就大為增加，此時E2對E1來說就出現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（圖4-26-7（2））。若用E2與E1間躍遷相對應(yīng)頻率[γ＝（E2-E1）/h]的光子引發(fā)時，上述活性系統(tǒng)就可產(chǎn)生E2對E1的受激輻射。受激輻射可以使光放大，這種放大是由于該系統(tǒng)受激發(fā)時從外部吸收的能量和引發(fā)的能量一舉放出的結(jié)果，如圖4-26-8所示。
圖4-26-7 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)
處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的活性系統(tǒng)，可以產(chǎn)生“雪崩”。雪崩過程可以使光再次放大。該過程的繼續(xù)進行，必須通過一定的裝置，這種裝置就是光學(xué)共振腔。從共振腔中持續(xù)發(fā)出來的、特征完全相同的大量光子就是激光。
激光所以具有良好的單色性、方向性以及較高的亮度，主要是取決于光學(xué)共振腔的作用。于工作物質(zhì)的兩端加上兩快相互平行的反光鏡，其中一塊是全反射鏡，另一塊是半反射鏡，這就是光學(xué)共振腔的主要結(jié)構(gòu)（圖4-26-9）。
在光學(xué)共振腔中的活性物質(zhì)，受到外加能量的激勵而產(chǎn)生的光子可以射向各個方向，但其中傳播方向與反射鏡垂直者，則在介質(zhì)中來回反射振蕩。在反射振蕩的過程中，引發(fā)介質(zhì)中其它活性物質(zhì)點受激輻射，因此這種輻射的強度越來越大。由于受激輻射反復(fù)振蕩產(chǎn)生的大量光子都具有相同的特征和一致的傳播方向，因此決定了激光具有良好的單色性和準(zhǔn)直的定向性。又由于光子來回不斷地進行振蕩，輻射強度借以得到極度的增大，因此又保證了激光的高度性。激光在光學(xué)共振腔中形成的過程如圖4-26-10所示。
圖4-26-8 光的吸收與放大
圖4-26-9 光學(xué)共振腔示意圖
激光本質(zhì)上和普遍光線沒有什么區(qū)別，它也可受光的反射、折射、吸收、透射等物理規(guī)律的制約。但是由于激光的產(chǎn)生形式不同于一般光線，故它具有一些特點。
一般規(guī)律認為，光源在單位面積上向某一方向的單位立體角內(nèi)發(fā)射的功率，就稱為光源在該方向上的亮度。激光在亮度上的提高主要是靠光線在發(fā)射方向上的高度集中。激光的發(fā)射角極?。ㄒ话阌煤粱《缺硎荆鼛缀跏歉叨绕降葴?zhǔn)直的光束，能實現(xiàn)定向集中發(fā)射。因此，激光有高亮度性。
另外，激光的亮度也取決于它的相干性。相干性是一切波動現(xiàn)象的屬性。光有波動性，因此也有相干性。
一般光源發(fā)射出來的光是非相干光，它是波長不等、雜亂無序的混合光束。由于非相干光的波長、相位、振幅極不一致。因此它們的合成波也是一條雜亂無章、毫無規(guī)律的曲線（圖4-26-1），從中不易找出它的周期性來。普通光源如日光、燈光等所輻射的就是這非相干光線。
圖4-26-1 非相干輻射
發(fā)光系統(tǒng)中，處于激發(fā)狀態(tài)的原子（或分子、離子）受相應(yīng)的外界能量（例如入射光子）激勵時，它就從高能級躍遷到低能級，同時釋放出一個光子，這個被釋放的光子和入射的光子是完全一樣的。它們兩者的波長、傳播方向、振輻及相位都完全一樣。這樣的輻射波具有相干性，它們的譜線很窄。
根據(jù)波的迭加原理，如果兩列波同時作用于某一點上，則該點的振動等于每列波單獨作用時所起的振動代數(shù)和。因此，相干光的合成波就是迭加效應(yīng)的結(jié)果（圖4-26-2）。合成波的相位、波長、傳播方向皆不改變，只是振幅急劇地增加了。因此，通過迭加后的光色不變，光的強度極大地增加了。激光所以有高亮度的特點也是由于相干光迭加效應(yīng)的結(jié)果。激光的亮度可以比太陽表面亮高1010倍。
一束激光經(jīng)過聚焦后，由于其高亮度性的特點，能產(chǎn)生強烈的熱效應(yīng)，其焦點范圍內(nèi)的溫度可達數(shù)千度或數(shù)萬度，能熔化甚至于氣化對激光有吸收能力的生物組織或非生物材料。如工業(yè)上精密器件的焊接、燈孔、切割；醫(yī)學(xué)上切割組織（光刀）、氣化表淺腫瘤以及顯微光譜分析等這些新技術(shù)都是利用激光的高亮度性所產(chǎn)生的高溫效應(yīng)。
激光功率密度的單位為mw/cm2或W/cm2，能量密度為焦?fàn)?厘米2。
圖4-26-2 相干輻射
一般理療上常用光源，有熱光源（如白熾燈、紅外線燈）和氣體放電發(fā)光光源（如紫外線燈）。這類光源的發(fā)光物質(zhì)比較復(fù)雜，以自發(fā)輻射形式產(chǎn)生光子，發(fā)出的光線很不純，它們的譜線范圍是連線的或是帶狀的光譜。
一般“單色光”被分光鏡分解后，它也不是連續(xù)的色帶，而是一條條獨立的、并且具有特定位置的亮光，通常稱這為譜線。臨床上所謂的單色光也并非是單一波長的光，而是有一定波長的譜線。波長范圍越小，譜線寬度越窄，其單色性也越好。因此，譜線的寬度是衡量光線單色性好壞的標(biāo)志。
激光是物質(zhì)中原子（或分子、離子）受激輻射產(chǎn)生的光子流，它依靠發(fā)光物質(zhì)內(nèi)部的規(guī)律性，使光能在光譜上高度地集中起來。在激光的發(fā)光形式中，可以得到單一能級間所產(chǎn)生的輻射能，因此，這種光是同波長（或同頻率）的單色光。光譜高度集中時，其純度甚至接近單一波長的光線，例如氦－氖激光就是6328的單色紅光。
激光的散射角非常小，通常以毫弧計算。例如紅寶石激光的散射角是0.18°，氦－氖激光只有1毫弧度。因此，激光幾乎是平等準(zhǔn)直的光束，在其傳播的進程中有高度的定向性。手電筒照明時，由于光的散射角大，遠達數(shù)十米后，光散開并形成大而暗淡的光盤。激光由于散射角小，可以準(zhǔn)直地射向遠距離目的物。1962年，將激光發(fā)射向月球，經(jīng)過40多萬公里的進程后，其散開的光斑的直徑也不過只有兩公里多。利用激光的準(zhǔn)直性進行測距，從地球到月球之間的誤差不超過1.5m。
由于激光的單色性和方向性好，通過透鏡可以把光束集中（聚焦）到非常小的面積上，焦點的直徑甚至可以接近激光本身的波長，這是普通光源所不及的。因為從普通光源中發(fā)射出來的光束向各個方向傳播，它們是互不平行的光，所以通過透鏡只能看到某種尺寸的物相（圖4-26-3（1））。另外，從普通光源中發(fā)射出來的光含有很多波長不等的光成份，當(dāng)通過透鏡時，由于不同波長光的折射率不同，所以不同波長光的焦點不在一個平面上（圖4-26-3（2））。只有激光才能輻射出幾乎是平行的光束，并且波長一致（單色性好），因此可以聚焦成為很小的光點（圖4-26-3（3））。聚焦激光光束的能量密度可以達到很高的程度，這種特點是臨床外科和細胞外科使用光刀的決定條件。
圖4-26－3 普通光與激光聚焦效果的不同
（1）互為不平行的光束，不能集中到一點上
（2）互為不同波長光束，不能集中到一點上
（3）嚴格平行的等波長光束，能集中到一點上
光點的直徑是由透鏡的焦距和光束的發(fā)散角所決定，如果我們知道焦距的發(fā)散角的數(shù)值，就可以用下列公式計算光點的直徑大小。
上式中，f為透鏡的焦距（m），d為光點的直徑（m），θ為光束的發(fā)射角（弧度）。例如，選擇焦距為5cm的透鏡，光束發(fā)散角為10－4弧度，求光點直徑。
根據(jù)上述公式從理論上推算：
實際，常常由于激光器的質(zhì)量不好（單色性程度差），影響到光點的高度集中，達不到理論上的效果。
目前認為激光生物學(xué)作用的生物物理學(xué)基礎(chǔ)主要是光效應(yīng)、電磁場效應(yīng)、熱效應(yīng)、壓力與沖擊波效應(yīng)。
激光照射生物組織所引起的光效應(yīng)中主要決定于組織對于不同波長激光的透過系數(shù)（T）和吸收系數(shù)（A）。不同的組織及組織中的不同物質(zhì)對于不同波長的激光的透過系數(shù)和吸收系數(shù)是不同的，對組織的光效應(yīng)大小由T與A的乘積決定。T·A的積愈大，則此種激光對該組織的光效應(yīng)也愈大，例如：用于視網(wǎng)膜凝固，波長為6943的紅寶石激光作用于視網(wǎng)膜時，T·A＝71％，這個數(shù)值比較大，故光凝固效果好，但對視網(wǎng)膜乃是波長為5750的激光的T與A的乘積最大，即光效應(yīng)最佳。
組織吸收了激光的量子之后可產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)、光電效應(yīng)、電子躍遷、繼發(fā)其它波長的輻射（如熒光）、熱能、自由基、細胞超微發(fā)光（生物化學(xué)發(fā)光，是自由基重新結(jié)合時釋放出來的），可造成組織分解和電離，最終影響受照射組織的結(jié)構(gòu)和功能，甚至導(dǎo)致?lián)p傷。
光化學(xué)反應(yīng)在光效應(yīng)中有重要的作用，普通光所引起的各種類型的光化學(xué)反應(yīng)，激光也都可引起。
激光作用于活組織的光效應(yīng)大小，除激光本身的各種性能外，組織的著色程度或稱感光體（色素）的類型起著重要的作用，互補色或近互補色的作用效果最明顯。不同顏色的皮膚，不同顏色的臟器或組織結(jié)構(gòu)對激光的吸收可有顯著差異。
在醫(yī)療和基礎(chǔ)研究中，為增強激光對組織的光效應(yīng)，可采用局部染色法，并充分利用互補色作用最佳這一特點。另一方面，也可利用此法限制和減少組織對激光的吸收。
激光傳播的頻率與組織分子等的振動頻率相等或相近，就將增強其振動，這種分子振動即產(chǎn)生熱的機理，故也稱熱振動。在一定的條件下作用于組織的激光能量多轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，故熱效?yīng)是激光對組織作用的重要因素。
分子熱運動波長主要表現(xiàn)在紅外線波段附近，因此二氧化碳激光器輸出的紅外激光對組織的熱作用甚強烈，一定類型和功率的激光照射生物組織時，在幾毫秒內(nèi)可產(chǎn)生200～1000℃以上的高溫，這是因為激光，特別是聚焦激光能夠在微細的光束內(nèi)集中極大的能量，例如：數(shù)十焦耳的紅寶石激光或釹玻璃激光聚焦于組織微區(qū)，能在數(shù)毫秒內(nèi)使該區(qū)產(chǎn)生數(shù)百度的高溫，以致破壞該部位的蛋白質(zhì)，造成燒傷或氣化，而數(shù)十焦耳的普通光是根本無此作用的。
此外，還發(fā)現(xiàn)激光引起的升溫，當(dāng)停止照射后，其下降的速度比任何方式引起的升溫下降速度慢，例如：數(shù)十焦耳紅寶石或釹玻璃脈沖激光引起的升溫要下降到原正常溫度，約需數(shù)十分鐘。
當(dāng)一束光輻射到某一物體時，在物體上產(chǎn)生輻射壓力，激光比普通光的輻射壓力強的多。若焦點處的能量密度為108瓦/平方厘米，其壓力為40克/平方厘米；當(dāng)激光束聚焦到0.2毫米以下的光點時，壓力可達200克/平方厘米；用107瓦巨脈沖紅寶石激光照射人體或動物的皮膚標(biāo)本時，產(chǎn)生的壓力實際測定為175.8公斤/平方厘米。
當(dāng)激光束照射活組織時，由于單位面積上的壓力很大，故活體組織表面的壓力傳入到組織內(nèi)部，即組織上輻射的部分激光的能量變?yōu)闄C械壓縮波，出現(xiàn)壓力梯度。如果激光束壓力大到能使照射的組織表面粒子蒸發(fā)的程度，則噴出活組織粒子，并導(dǎo)致同噴出的粒子運動方向相反的機械脈沖波（反沖擊）——沖擊波出現(xiàn)，這種沖擊波可使活組織逐層噴出不同數(shù)量的粒子，最后形成圓錐形“火山口”狀的空陷。
除上述由于強大的輻射壓引起的反沖擊壓而形成的沖擊波外，組織的熱膨脹也可能產(chǎn)生沖擊波。由于在短時間內(nèi)（毫秒或更短）溫度急劇上升，瞬間釋放出來的熱來不及擴散，因而產(chǎn)生加速的體熱膨脹，例如：用60焦耳的紅寶石激光照射小鼠腹壁，在幾毫秒內(nèi)腹壁形成半圓形突起，此即被照射的皮下組織處產(chǎn)生了爆炸性的體熱膨脹。
因體熱膨脹而在組織內(nèi)形成的壓力以及反沖壓，都可產(chǎn)生彈性波向其它部位傳播，最初是形成超聲波，逐漸因減速而變?yōu)槁暡?，進而變?yōu)閬喡暡ㄐ问降臋C械波，最后停止傳播。
在組織的微腔液體層內(nèi)，因超聲波聽傳播同時可出現(xiàn)空穴現(xiàn)象，因空穴的積聚可造成明顯的組織塌陷現(xiàn)象，有時又可產(chǎn)生數(shù)值較大的壓縮沖擊波，這一系列的反應(yīng)均可造成損傷。
彈性波對組織的影響可遠離受照射的部位，例如：用極微弱的紅寶石激光照射人和動物的眼部時，在頭皮層均可記錄到聲波和超聲波。
在強激光束造成的極強的電場中，組織的電致伸縮現(xiàn)象也可產(chǎn)生沖擊波和其它彈性波。
在一般強度的激光作用下，電磁場效應(yīng)不明顯；只有當(dāng)激光強度級大時，電磁場效應(yīng)才較明顯。將激光聚焦后，焦點上的光能量密度達106瓦/平方厘米時，相當(dāng)于105伏/平方厘米的電場強度。電磁場效應(yīng)可引起或改變生物組織分子及原子的量子化運動，可使體內(nèi)的原子、分子、分子集團等產(chǎn)生激勵、振蕩、熱效應(yīng)、電離，對生化反應(yīng)有催化作用，生成自由基，破壞細胞，改變組織的電化學(xué)特性等；激光照射后究竟引起哪一種或哪幾種反應(yīng)，與其頻率和劑量有重要的關(guān)系，例如：電場強度只有高到1010伏/厘米以上時，才能形成自由基。激光照射腫瘤時，只是直接照射一部分組織，但對全部腫瘤可有良好的作用，其中可能的作用機理之一，有人認為就是電磁場作用的結(jié)果。
激光與其它各種物理因子對組織器官機體的基本作用規(guī)律是相同的，即小劑量作用時具有刺激（加強）作用和調(diào)節(jié)作用。原則上不論使用哪一種激光均符合這一概念。以小功率激光為例介紹如下：
小功率的激光照射具有明顯的生物刺激作用和調(diào)節(jié)作用。目前認為：小功率的激光照射的治療作用基礎(chǔ)不是溫?zé)嵝?yīng)，而是光的生物化學(xué)反應(yīng)。
小功率的激光照射皮膚時，在光生物化學(xué)反應(yīng)的基礎(chǔ)上，可影響細胞膜的通透性，影響組織中一些酶的活性，如激化過氧化氫酶，進而可調(diào)節(jié)或增強代謝，可加強組織細胞中核糖核酸的合成和活性，加強蛋白質(zhì)的合成；可使被照射的部位中糖原含量繒加；可使肝細胞線粒體合成三磷酸腺苷（ATP）的功能增強。
小功率的激光照射具有消炎、鎮(zhèn)痛、脫敏、止癢、收斂、消腫、促進肉芽生長、加速傷口、潰瘍、燒傷的愈合等作用。
小功率的激光照射可使成纖維細胞的數(shù)目增加，因而增加膠原的形成，可加快血管的新生和新生細胞的繁殖過程，基于其對代謝和組織修復(fù)過程的良好影響，可促進傷口愈合，加快再植皮瓣生長，促進斷離神經(jīng)再生，加速管狀骨骨折愈合，促進毛發(fā)生長等。
小功率的激光照射不能直接殺滅細菌，但可加強機體的細胞和體液免疫機能，如可加強白細胞的吞噬功能，可使吞噬細胞增加或增強巨噬細胞的活性，可使γ－球蛋白及補體滴度增加；此外，微生物檢查發(fā)現(xiàn)：激光照射可改變傷口部葡萄球菌對抗菌素的敏感性。
小功率的激光照射可影響內(nèi)分泌腺的功能，如加強甲狀腺、腎上腺等的功能，因而可調(diào)節(jié)整個體內(nèi)的代謝過程；此外，并可引起周圍血液和凝血系列的改變，其基本規(guī)律是具有調(diào)節(jié)作用。
小功率激光照射可改善全身狀況，調(diào)節(jié)一些系統(tǒng)和器官的功能。用小功率的激光照射咽峽粘膜或皮膚潰瘍面，神經(jīng)節(jié)段部位，交感神經(jīng)節(jié)、穴位等不同部位，與某些局部癥狀改善的同時，可出現(xiàn)全身癥狀的改善，如精神好轉(zhuǎn)、全身乏力減輕、食欲增加、原血沉加快者于照后血沉減慢等。據(jù)報導(dǎo)：高血壓患者經(jīng)小功率激光照射治療后，不僅可使血壓降低，一療程照射后還可使血液的凝固性降低，使血清中總蛋白的含量升高，血漿及紅細胞內(nèi)鉀的含量升高。此外，據(jù)動物實驗：用1.5mw的激光照射兔或狗的皮膚，對全身代謝有刺激作用；用1～1.5mw的激光照射兔眼，可引起全身性的血液動力學(xué)變化。
小劑量激光多次照射過程中可有累積效應(yīng)，在臨床工作中我們體會到：在激光照射的前兩次往往不出現(xiàn)效果，而在三、四次照射后即可出現(xiàn)療效，因此要呈現(xiàn)激光照射的療效，需經(jīng)過一定作用的累積過程。當(dāng)然，也有一次照射后即出現(xiàn)療效的情況，但這往往是局部癥狀的改善。
小功率的激光多次照射的生物學(xué)作用和治療作用具有拋物線特性，即在照射劑量不變的條件下，機體的反應(yīng)從第3～4天起逐漸增強，至第10～17天達到最大的限度，此后，作用效果逐漸減弱，若繼續(xù)照射下去，到一定的次數(shù)后可出現(xiàn)抑制作用。根據(jù)上述的基本規(guī)律，我們認為，小功率的激光照射同一部位的次數(shù)，在一般情況下不宜超過12～15次，如需作第二療程照射，則兩療程應(yīng)有兩周左右的間距。
對于小功率的激光的生物學(xué)作用機理，有人用А.Гурвич所提出的生物場的理論來解釋，即機體的各項組織與器官之間除了神經(jīng)控制和體液調(diào)節(jié)，還包含有復(fù)雜的能量關(guān)系，細胞和組織被生物場所包圍，各種內(nèi)外環(huán)境的不利因素可以破壞這種能量關(guān)系，導(dǎo)致病理過程的產(chǎn)生和發(fā)展。在1923的Гурвич的實驗研究發(fā)現(xiàn)：細胞絲狀分裂期所輻射的極微弱的紫外線（現(xiàn)今可以用光子計數(shù)器記錄下來），可以刺激其它細胞的分裂，并認為這就是生物場存在的一個證明。西方學(xué)者的研究也證實了這一點。
1973年蘇聯(lián)學(xué)者在實驗中發(fā)現(xiàn)“鏡映細胞病理效應(yīng)”，其要點是一個組織培養(yǎng)物的細胞在損傷和死亡時，與它同隔著一片石英的另一組織培養(yǎng)物里也發(fā)生了相應(yīng)的損傷癥狀，從而生物場的理論又得到了一個新的論據(jù)。
在七十年代，有的學(xué)者以生物場概念為基礎(chǔ)，又進一步提出：由于生物結(jié)構(gòu)帶有半導(dǎo)體的特性（特別是細胞內(nèi)的膜），把機體可看成是一個巨大的晶體，有錯綜地組成的傳導(dǎo)帶。由于在膜的傳導(dǎo)帶里的代謝過程，保持著確定的自由電荷密度（生物等離子體）；在各種不利的內(nèi)、外環(huán)境因素的影響下，生物等離子體的內(nèi)穩(wěn)態(tài)被擾亂，因而引起病理過程的發(fā)展。若激光的能量參數(shù)比較接近于代謝過程的能量的頻率，當(dāng)激光照射,通過共振作用可使生物等離子體恢復(fù)穩(wěn)定，保持正常的能量級；氦氖激光的能量參數(shù)——波長6328，量子能量1.9電子伏特，接近物體的能量參數(shù)，當(dāng)照射機體時，在傳導(dǎo)帶里發(fā)生量子移動，隨著機體的能量平衡的改變，能促使恢復(fù)正常生理狀態(tài)。
小功率的激光照射穴位時，通過對經(jīng)絡(luò)的影響，改善臟腑功能，從而起到治療作用。在臨床應(yīng)用中我們體會到：激光穴位照射的效果如何，關(guān)鍵是在醫(yī)學(xué)理論觀點指導(dǎo)下，辯證論治，選經(jīng)取穴的水平和經(jīng)驗，處理得當(dāng)者，全身狀況、臟腑征象、舌象脈象等均可效明顯的好轉(zhuǎn)。
激光手術(shù)是用一束細而準(zhǔn)直的大能量激光束，經(jīng)聚焦后，利用焦點的高能、高溫、高壓作用和燒灼作用，對病變組織進行切割、凝固、融合、氣化。實驗確定，切割人體組織所需的功率密度為103～105瓦/平方厘米。激光器所輸出的光束的焦點功率密度達到上述要求，其光能幾乎完全被大部分生物組織吸收到表層200μ內(nèi)，因此易于控制切割深度，不僅用于體表病變的手術(shù)切割，而且70年代在蘇聯(lián)和西德先后用以給病人做了心臟手術(shù)，在捷克用以成功地做了心血管外科的動物實驗和手術(shù)，76年在澳大利亞用以成功地切除了大腦腫瘤。新近利用激光導(dǎo)管對冠狀動脈或肢體血管斑塊、血栓阻塞患者進行血管再通術(shù)獲得成功。
激光手術(shù)的優(yōu)點和經(jīng)驗如下：
1.只要功率掌握適當(dāng)，軟硬組織均可切割，在一般情況下使用時。動物實驗結(jié)果表明：80～100瓦切割后可一期愈合，病理切片檢查結(jié)果損傷較輕；
2.出血量少，可在切面形成一層均勻的、粘合性良好的干性凝固區(qū)，因此對于直徑1毫米以內(nèi)的動脈，和直徑2mm以內(nèi)的靜脈有封閉作用；適用于切割血管豐富的實質(zhì)性器官，易于出血的或年老體弱的患者；清除燒傷創(chuàng)面的焦痂，可使其氣化而無出血；
3.高能的激光束有直接殺死細菌的作用，故術(shù)后感染率顯著降低；可用于切除壞死組織、疤痕組織，甚至死骨等；感染的創(chuàng)面術(shù)前無需準(zhǔn)備即可手術(shù)；
4.皮下注射生理鹽水造成人為的水腫，可減少組織損傷，因為水分對紅外波長激光吸收性好，可防止熱量迅速向周圍傳播，可減輕切面兩側(cè)組織的損傷；
5.激光切割時術(shù)者的熟練程度甚為重要，因為切面的深淺、組織損傷的輕重均與激光光斑停留的時間有關(guān)，時間長則組織損傷大，時間短則切割深度不夠；
6.激光切割術(shù)疼痛較輕，甚至不痛，因為手術(shù)區(qū)的神經(jīng)被熱凝固；術(shù)后形成的疤痕也較柔軟。
激光治癌主要是基于其生物物理學(xué)方面的特殊作用，即激光的高熱作用可使被照射部位的溫度升至500℃，當(dāng)溫度升至300℃時，腫瘤即被破壞，激光照射后的1分鐘內(nèi)可保持45～50℃的溫度，繼續(xù)對腫瘤起作用；激光的強光壓作用（機械能作用）可使腫瘤表面組織揮發(fā)，使腫瘤組織腫脹、撕裂、萎縮，并可產(chǎn)生二次壓力作用。激光治癌可能與其對免疫功能的影響有關(guān)；激光可使癌細胞膜變形，故可能將整個腫瘤作為一個導(dǎo)體來標(biāo)志，從而引起免疫反應(yīng)，這種理論的證據(jù)是：激光治療惡性眼黑色素瘤時，三周后才觀察到明顯的好轉(zhuǎn)，三周就是抗原抗體反應(yīng)所需要的時間。釹玻璃激光（1000～2000焦耳/平方厘米）照射小白鼠的黑色素瘤，34小時后血清噬菌活性升高，14天后血清中白蛋白減少，α—和γ—球蛋白增加；同時受照射動物脾內(nèi)與形成抗體有關(guān)的細胞的數(shù)量顯著增加（達7％）黑色素瘤動物是3％，正常動物是0.5％)，同時血清中出現(xiàn)正常動物或未經(jīng)照射的患癌動物血清中所沒有的抗腫瘤抗體。
輸出量為20焦耳的激光照射小白鼠的黑色素瘤后，取受照射部位附近1～1.5毫米的腫瘤組織，電子顯微鏡檢查發(fā)現(xiàn)：細胞的核和核仁似無改變；內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基復(fù)合體和線粒體腫脹或發(fā)生空泡。輸出能量為200焦耳的激光照射小白鼠的黑色素瘤后，用顯微分光光度法測定DNA含量的結(jié)果表明：在照后1小時細胞核內(nèi)DNA含量增加，以后逐漸下降，至5～6天時，細胞核完全溶解。
近年激光與光敏藥物綜合應(yīng)用診治腫瘤有了顯著發(fā)展，當(dāng)前使用的光敏藥物主要為血卟啉衍生物（HPD），使用的激光主要是以氬激光為泵浦的有機染料激光（紅光），氬激光，氪激光，結(jié)合內(nèi)窺鏡和光導(dǎo)纖維等技術(shù)，用以診治腔內(nèi)及體表的癌癥。
由于有些激光可以通過光導(dǎo)纖維傳輸，激光的能量可以通過各種內(nèi)窺鏡，包括血管鏡或?qū)Ч苓M入血管內(nèi)治療各種疾病。低能量的激光血管內(nèi)照射血液其有抗缺氧、抗脂質(zhì)過氧化、改善血液流變學(xué)性質(zhì)和微循環(huán)障礙，增強免疫等功能。
在心臟及血管方面，激光治療周圍血管、冠狀動脈，以至頸動脈等的血栓、動脈粥樣斑塊等，此外治療糖尿病、心肌炎、肺炎及急性胰腺炎等均有報道。激光可作心臟節(jié)律點的消隔而治療難治、危重的心律失常；心瓣膜粘連的治療，房間隔造孔矯治先天性心臟病治療等。激光心肌打孔，則是用激光從心包面向心內(nèi)膜面擊穿許多微孔，使心腔與心壁肌肉間有微血竇相能，因而能直接改善心肌供血，此法很有實際意義。激光血管吻合則使得血管吻合比以前快速、可靠，在許多外科手術(shù)中有著很大的潛在意義。
激光在皮膚、外科方面的應(yīng)用最早、最廣，自不用贅述。近幾年的發(fā)展，接觸式激光的應(yīng)用，使激光在外科的應(yīng)用更快捷方便。根據(jù)接觸激光的創(chuàng)始人Joffe報告，最近又有新一代的接觸式激光研制成功，利用腹腔鏡、內(nèi)窺鏡，激光可以作膽囊切開術(shù)，迷走神經(jīng)切除術(shù)、幽門肌切開術(shù)等等，激光膽道吻合術(shù)、激光大腸吻合術(shù)以及輸精管吻合術(shù)。開腹手術(shù)中利用激光熱止血效應(yīng)，對肝癌等容易出血的肝組織作激光切除與消融等等的研究報告亦很多。對于骨的手術(shù)，有人報告用Er:YAG或Ho:YAG作消融術(shù)，亦有人報告用自由電子激光（2.9μm與3.1μm）作骨的切除。利用激光的止血功能，有人報告在完全抗凝情況下的病人作激光手術(shù)取得成功，為抗凝不能手術(shù)而又必須手術(shù)搶救者提供了一條生路。
用激光治療腦及脊髓腫瘤的報告很多。以激光照射腦組織對損傷區(qū)超微結(jié)亦做出了較好的研究結(jié)果。這項治療主要是利用激光熱作用氣化腫瘤，比手術(shù)刀切除腦組織方便、出血少。近又有人報告在核磁共振控制下以Nd:YAG激光按立體排列方式作組織間熱治療腦腫瘤（Stereotacticalinterstital thermo-therapy），這是一種新的嘗試。PDT治療腦瘤或以PDT作腦瘤手術(shù)后照射以防止癌灶的遺留復(fù)發(fā)都已有了一定的經(jīng)驗。目前以較低功率激光的熱作用神經(jīng)的吻合正在許多單位中進行研究，一旦成功又能解除很多人的痛苦。
激光神經(jīng)吻合術(shù)：采用低中功率聚焦后微束激光在神經(jīng)斷面對接良好的情況下進行。對神經(jīng)再生具有對位好，恢復(fù)快不產(chǎn)生吻合處神經(jīng)纖維瘤等特點。
CO2激光、Nd:YAG激光及PDT治療外陰及宮頸病變診斷早期癌變已是眾所周知。在腹腔鏡的直接觀察下，用CO2激光或Nd:YAG激光作卵巢囊腫、腫瘤、子宮內(nèi)膜異位、子宮肌瘤的切除及輸卵管吻合，輸卵管粘連的解除等手術(shù)以取代常規(guī)的剖腹手術(shù)，這類手術(shù)簡便、經(jīng)濟、痛苦少。
1. 原光束照射 可用于照射病變局部、體穴、耳穴、植物神經(jīng)節(jié)段部位、交感神經(jīng)節(jié)、體表或頭皮感應(yīng)區(qū)等。
2. 原光束或聚焦燒灼 可使被照射的病變組織凝固、碳化、氣化。
3. 聚焦切割（即激光刀）用于手術(shù)切割。
4. 散焦照射 用于照射面積較大的病變部位。
為使激光聚焦或散焦常用鍺透鏡，激光束通過鍺透鏡后即聚焦，離開焦點后擴散呈離焦效應(yīng)，距焦點愈遠，激光的功率密度愈減弱，在焦點部可用于手術(shù)切割。
1. 合理選擇波長 腫瘤細胞對不同波長激光的選擇性極明顯，因此在激光治療時應(yīng)選擇最適宜波長的激光。如果激光照射須透過正常組織的透過率為T，須治療的腫瘤組織的吸收率為A，則選用激光的波長應(yīng)使T·A的積盡可能大。
2. 確定適宜的劑量 根據(jù)腫瘤的性質(zhì)、部位、大小、色素沉著程度、血管分布和激光的性質(zhì)而定。激光治癌一般不宜也不需要一次破壞，多采用反復(fù)多次治療，隨時間的延長腫瘤可縮小或消失，因此治療劑量總比破壞劑量小。
3.激光治癌時，有人提出由于強光壓產(chǎn)生的機械能，有可能造成癌細胞游離并轉(zhuǎn)移到周圍或更深的組織及血管和淋巴管中去，因此應(yīng)盡可能避免使用大功率短脈沖的激光束，以采用連續(xù)輻射或長脈沖輻射的激光為宜。
4.為防止激光治癌時的癌細胞游離轉(zhuǎn)移，在照射病變組織之前可先照射其周圍（約5毫米左右）的健康組織。
5.激光束應(yīng)聚焦于腫瘤中心，垂直照射腫瘤表面。
6.開腹照射腫瘤組織時，應(yīng)盡可能使光斑覆蓋全部瘤體。
1.激光器須合理放置，避免激光束射向人員走行頻繁的區(qū)域，在激光輻射的方向上應(yīng)安置必要的遮光板或屏風(fēng)。
2.操作人員須穿白色工作服，戴白色工作帽；操作人員與接受面部治療的患者均須戴防護眼鏡。
3.無關(guān)人員不準(zhǔn)進入激光室，更不得直視激光束。
4.操作人員應(yīng)做定期健康檢查，特別是眼底視網(wǎng)膜檢查。
1. 室內(nèi)四壁勿涂光滑白色油漆，因其反射率可達80％以上。根據(jù)激光受其補色物體的吸收最大，因此宜選其補色，如波長為6943的紅色激光（紅寶石激光）的補色是藍色，使用紅寶石激光時，用藍色顏料粉刷四壁為宜。從理論上講，以黑色為最好，因為它可以最大限度的吸收射向它的各色激光。
2.門窗玻璃反光性能強，應(yīng)采用黑色幕布遮蔽，或涂色，或換有色玻璃。
3.裝備通風(fēng)、抽氣設(shè)備，以防止污染的空氣對人員的傷害。
4.室內(nèi)燈光應(yīng)充分明亮，因光線較暗時瞳孔散大，受激光照射進入眼內(nèi)的光能增多；尚由于眼球的高倍聚光作用，對眼的損傷加重。