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过去眼视光器械的光源都是普通光。由于激光具有方向性强、单色性好、相干性高和亮度大的特性，可以用来诊断和治疗多种眼科疾病，形成了一门边缘学科激光眼科学。随着激光技术的发展，越来越多的诊断和治疗性激光器械在眼视光学领域得到拓展和应用，尤其在治疗方面，如准分子激光屈光矫正等得到了革命性突破。
激光眼科学基础
一、激光的产生
（一）原子发光机制
原子是构成物质的基本单位，了解原子的发光机制就理解了激光产生的过程。
原子是由带正电荷的原子核和带负电荷的电子组成。不同元素的原子核和核外电子数不同。电子围绕原子核旋转的动能与原子核吸引电子产生的势能之和称为电子的总能量。当电子在某一固定的轨道上运动时，不发射光子，只有当电子从一个能量较大的状态跃迁到另一个能量较小的状态时，电子的总能量发生变化，能量的改变以光子的形式辐射出来。反之，当电子从一个能量较小的状态跃迁到另一个能量较大的状态时，需要吸收能量。
原子、分子或离子都可能具有多种状态，每一种状态都具有特定的能量。在许多可能的状态中，总有一个状态的能量最低，这个状态称为基态。其他状态具有比基态高的能量，称为激发态。
发光的本质是物质的原子或者分子内部处于较高的激发态时，这些粒子从高能级向低能级过渡自发地把过多的能量以光子的形式发射出来的结果。
（二）光的吸收与发射
在激光产生过程中，会出现受激吸收、自发辐射和受激辐射的物理现象。
1、受激吸收 处于基态的原子在没有任何外来光子（只有能量而没有质量的）接近时，其能量固定不变。如果吸收一定能量的光子，并且从基态激发到激发态，这种能量状态提高的过程称为受激吸收。
2、自发辐射 在不受外界的影响时，处在激发态的原子会自发地返回到基态并且放出光子，此过程称为自发辐射。各个原子发出的光子在传播方向、初始相位和偏振方向都是不同的。除了激光器外，一般的光源发光都属于自发辐射。
3、受激辐射 在外来光子或者外来电磁场的影响下，处于激发态的原子从高能态向低能态跃迁，并且把两个能态之间的能量差以辐射光子的形式释放出去，这个过程称为自发辐射。受激辐射发出的光子与外来光子有相同的频率、一致的传播方向、相位和偏振方向。
（三）粒子数反转
通常情况下，原子处于热平衡状态，处于低能态的粒子数多于高能态的粒子数，能级越高，粒子数越少。如果通过某种方法改变粒子数的热平衡分布，使高能态的粒子数多于低能态的粒子数，这样就形成了粒子数反转。
粒子数反转是产生激光的必要条件。实现粒子数反转的方法有多种，如强光照射、放电激励等。用外来能量将粒子由基态激发到高能态的过程称为泵浦或者抽运。不是所有的物质在泵浦源的激励下都能够实现粒子数反转。只有具备三能级系统和四能级系统的激光工作物质才可能实现粒子数反转。
（四）激光发射的条件
实现激光输出，除了具备合适的工作物质和稳定的光学谐振腔，还必须减少损耗，加快泵浦速率，使粒子反转数达到产生激光的阈值条件： R1R2e2a(v)L≥1。式中R1和R2分别为谐振腔的两个反射镜的反射率，a(v)为工作物质的增益系数，L为两个反射镜的间距。
二、激光器的结构和原理
激光器包含3个基本的组成部分：激励源、工作物质和光学谐振腔。结构图如图11-1所示。
1、激励源 激光的能量就是由激励源的能量转变而来。激励源的作用是为工作物质形成粒子数反转和光放大提供必要的能量来源。激励的方式有光激励、电激励、化学反应激励、热能激励等，以前两种最为常见。
2、工作物质 工作物质是产生激光的物质基础，它决定了输出激光的波长以及仪器的结构和性能。激光工作物质可以分为气体、液体、固体和半导体四大类。
3、光学谐振腔 光学谐振腔是产生激光的重要结构，它直接影响光的输出特性，如输出功率、频率特性、光强分布和光束发散角。光学谐振腔是由工作物质和2个反射镜组成。如图11-1所示，M1为全反射镜（反射率达98%以上），M2为部分反射镜（反射率达90%以上）。在激光技术中，常用Q表示光学谐振腔的品质因数，它反映谐振腔内损耗的大小。其定义为：
Q=2πv（腔内储存能量/每秒损耗能量）
式中v表示激光频率，Q值越大，损耗越小，谐振腔内容易产生激光振荡；反之，越不易产生激光振荡。
三、激光束特性及激光计量
（一）激光束特性
激光束与普通光相比，具有方向性强、单色性好、相干性高和能量密度大的特性。这些特性在眼科激光治疗仪中有详细介绍比较。
（二）激光计量
激光计量分为物理剂量和生物剂量两类。
1、物理剂量是指激光束垂直照射到生物体单位面积上的功率与照射时间的乘积。单位是焦耳/平方厘米（J/㎝2）。激光物理剂量单位实际是激光的能量密度，由激光功率、受照面积、照射时间和入射角四要素决定。
2、生物剂量是指生物体吸收激光的能量后引起的生物反应，直接对生物组织反应的强弱程度进行分级并且定出分级的标准，按照这种标准所分的级。例如眼底光凝分为I级、II级、III级、IV级。
四、眼科常用的激光仪
眼科常用的激光仪分为眼科激光检测仪和眼科激光治疗仪，主要部件由四部分组成：激光器、激光电源、光导系统、观察系统。
（一）眼科常用的激光器
眼科激光仪中常用的激光器主要有氩离子激光器、氪离子激光器、掺钕钇铝石榴石榴激光器和氦氖激光器。前三种主要用于治疗，最后一种用于检测和诊断。此外，还用到ArF准分子激光器和染料激光器，早期则主要应用红宝石激光器。
（二）眼科激光常用的电源
激光电源的功能是为激光器的激励源提供电能。必须分清：激光器的激励源是激光器的组成部分，而激光电源则是激光器的外电源。能使激光工作物质从基态跃迁到高能态的激励源有光泵、热泵、化学能泵等。激光电源则是供给光泵、热泵、化学泵的外电源。激光电源根据激励源的特殊要求将220V的市电进行升压、稳压、限流等，使之满足有关激励源的工作条件。
（三）眼科激光的光导系统
激光器输出的激光束沿激光管轴方向直线传播。把激光束指向所需部位，需要使用一系列光学元件或设备改变光束方向以及对光束聚焦或扩散等，这就是光导系统的功能。眼科激光检测仪所用的是弱激光且激光的功能是用来照明，其光导系统通常由各种光学元件如透镜、分光镜、反光镜、光栅等组成。眼科激光治疗仪所需治疗的靶处需要很高的光强，对光导系统有特定的要求，常用光导关节臂，也有的用光导纤维。各种光学元件的光路、光导关节臂或光导纤维，都必须满足如下要求：一是激光束通过光导系统输出时，必须保持进入光导系统前的原有光学特性，包括平行性、相干性及较小的发散角等；二是光导系统既能承受较大的激光功率（数十瓦至数百瓦）又能减少传输过程中的光能量损耗；三是光导系统处于任何角度和任何位置时都能够保持激光输出功率及光斑模式恒定一致；四是光导系统必须体积小、重量轻、操作灵活。
五、激光检测和治疗眼病的基本原理
激光能够用来检测或者治疗眼病，是因为眼球各组织在吸收适当波长、适当剂量的激光以后有可能发生光致生物作用、光致发光作用、光致光热作用、光致化学作用、光致压强作用、光致电磁场作用。
（一）激光生物作用分类
1、两类激光生物效应 激光作用于生物组织并被生物组织吸收以后，作为激光与生物组织相互作用的最终结果，可能使激光的某些参数发生改变，也可能使生物组织发生某些形态或机能的改变。通常将这两类改变都称为激光生物效应，称前者为第一类激光生物效应，称后者为第二类激光生物效应。前者是激光检测和诊断疾病的根据，后者是激光能够治病的基础。
2、两种生物反应水平的激光 临床应用的激光常需分清两种生物反应的激光，这是因为它们应用目的和作用机制是完全不同的。有一种应用目的是需要用来凝固或切削组织，常称为光刀，另一种应用目的是需要用来理疗或针灸。前者目的要求破坏局部组织，后者目的则要求修复损伤组织。当激光作用于生物组织后直接引起不可逆性损伤则受照处的激光称为强反应激光，简称强激光；不会直接引起不可逆性损伤则受照处的激光称为弱反应激光，简称为弱激光。眼科用于光凝固、虹膜打孔等治疗用的激光属于强激光，用于检测用的激光则是弱激光。
（二）激光生物作用机制
1、光致发光作用 由于引起发光的原因不同而有光致发光、热致发光、电场致发光、高能粒子发光和生物发光等。其中光致发光又称为冷光，如荧光灯、用光泵泵浦的固体激光和染料激光等。眼科检测用的激光照射到眼球被测组织后，发生的散射光就是一种光致发光，散射光除了频率、强度外还有其相干状态、偏振状态等改变携带了病理状态的信息，这些信息是检测诊断的依据。
2、光致光热作用 光致光热作用是激光能够治眼病的重要原因之一。激光视网膜凝固及激光凝固治疗眼各层血管性疾病是利用了激光的热作用机制。关于光凝固机制在下一节介绍。
3、光致化学作用 用较大能量的激光（如紫外光激光）作用于组织，使生物分子吸收后处于电子激发态，从而引起生物组织发生化学反应。在眼科激光中用到的光化反应的主要类型是：光致分解反应和光致敏化反应。前者是将原物质分解成简单的物质，实质上是较大能量的光能用来断开化学键，如眼科临床上用波长为193nm的ArF准分子激光做角膜手术就是光致分解；后者是在敏化剂作用下由光所引起的反应，如眼科临床上用光动力疗法治疗眼内恶性肿瘤就是应用了光致敏化。
4、光致压强作用 光子既有运动质量又有动量，它们撞击（照射）物体时，受照表面会有辐射压力，称之为一次压强。太阳光或弱激光的这种一次压强极小。但眼科用的调Q激光的一次压强可达几个大气压。眼科用的光切削则更主要靠二次压强，包括电场致伸缩压，这种二次压强叠加的结果会在受照处达数以万计个大气压。
5、光致电场作用 激光的电场强度与其功率密度的开方成正比，眼科常用的原脉冲调Q激光的电场强度可达105V/cm。
6、光致生物刺激作用 弱激光理疗和针灸是以光致生物刺激作用为基础，但在眼科用得极少，在国内偶有报道。
（三）光凝和光切机制
用激光治疗眼病，主要利用光凝和光切机制。
1、光凝机制 物质从液态转变成固态的过程称为凝固。激光治疗时当激光的热作用使组织温度升高至55～66℃时，在数秒种之内可致蛋白质变性，继续上升至接近100℃时可造成坏死性凝固。热凝固可以破坏病变组织，如凝固眼底血管瘤。热凝固可以焊接相脱离的组织，如视网膜与脉络膜焊接，焊接是借助于热凝组织时释放的蛋白凝固酶及血液中的凝血酶，使组织凝固性融合并且机化粘连。热凝固可以止血，如热凝眼底出血，使坏死血红蛋白阻塞血管，血管断端光凝阻塞。
2、光切机制 光切是光的热作用和压强作用的结果。用ArF准分子“冷光刀”切角膜是光化分解作用，使生物分子的化学键断开所致。
（四）对激光的安全防护措施
对激光的安全防护主要是设法避免人眼受到超过安全标准的激光束的意外照射。相应的措施主要是设置激光专用工作区、加强对激光器的安全管理以及戴防护眼镜。
1、设置激光专用工作区 激光专用工作区不准无关人员入内，有关人员应学习激光安全防护知识。在工作区门口必须张贴写有“激光危险”字样的警告牌，并注明危险级别，写明“非工作人员不得入内”。专用工作室内不应放置镜式反射物体，平时工作区的照明度要足够。
2、加强对激光器的安全管理 激光整机应配有安全装置，非专业人员无法启动激光电源，光路出现故障时能自动切断电源，除需要治疗的眼以外对光路全封闭。当借助显微镜、望远镜呈内镜进行观察、监视或调整光束时必须用衰减器或滤光器，确保到达观察者眼内的激光剂量不超过安全标准，平时医务人员要戴激光防护眼镜。 |
