激光武器伤害及其医学防护

经过近20余年的发展，激光武器的研制取得了巨大的突破，形成了技术成熟、可以部署的战略防御、战区防御和战术防空激光武器。我国近30年来坚持自主研发防御性强激光武器。目前，我国在强激光器、强激光破坏效应、强激光大气传输特性及超短、超强激光场中的物质及行为研究等方面都取得了卓有成效的工作成绩，有些激光器已达到或接近实战应用水平。

（一）激光辐射的生物学效应

激光辐射的生物学效应一般指激光辐照生物体后可能产生的物理、化学或生物学反应及变化，是发展激光生物学、激光医学等交叉学科的重要基础学科。激光与普通光相比较有许多特性，比如它具有异常高的光子简并度，因此具有很好的单色性和很高的亮度，使得激光与生物体的相互作用出现了一系列新的内容和新效应。这类激光辐照效应是激光生物学、激光医学和激光防护技术的理论基础。

1.生物体的损伤作用

（1）皮肤：激光波长及辐照量一定时，皮肤颜色和色素数量是决定损伤程度的重要因素。皮肤吸收激光能量后，光斑区局部温度升高，严重时发生烧伤，损伤区中部为褐色凹陷呈坑口状，有时中心出现小孔，逐步出血、坏死、结痂。损伤灶周围有炎症反应，消退后坏死区和正常皮肤的界限清楚，结痂脱落后，凝固坏死灶表面成为光滑的瘢痕。

由于皮肤的光学特性的差异和激光束能量的集中性，皮肤的激光损伤具有如下特点：具有明显的组织选择性，对激光吸收较强的器官或组织，其损伤也较严重；损伤灶界限清楚，但组织受损的深浅程度不均匀，有可能深部的损伤甚于浅层组织；激光损伤后白细胞反应发生得比较快，伤灶愈合和组织再生速度也比较快。

（2）激光致盲的生物学基础：人体中的视觉器官是一个精密的光学系统。眼组织主要由角膜、房水、晶状体、玻璃体和视网膜等组成。前4者均为有一定曲率半径的透镜，共同形成眼的屈光系统，对可见和近红外波长激光有很强的聚焦作用，使到达视网膜上的激光能量或功率密度比角膜表面高约10万倍。因此，眼是最易受激光损伤的敏感器官。

①不同波长激光可造成不同眼组织损伤：不同部位的眼组织具有不同的光谱透射、反射和吸收特性。光谱吸收系数越大，则越容易受激光损伤。波长为180～315nm的中、远紫外激光和1 400～10万nm的中、远红外激光照射，其能量几乎被角膜全部吸收；315～400nm的近紫外激光辐射能量可部分透视角膜，到达晶状体后几乎被全部吸收；400～1 400nm的可见及近红外激光主要损伤视网膜。研究结果表明，532nm的绿色波长激光引起的视网膜损伤阈值最低，是目前激光致盲武器的最佳波长。

②不同发射方式激光可引起不同程度的眼损伤。目前通常认为激光对生物组织的损伤机制主要有四种作用：光热作用、光压作用、光化学作用和光电磁作用。其中连续和长脉冲发射方式的可见及中、远红外激光以光热作用损伤为主；紫外波段激光以光化学作用损伤为主；巨脉冲和超短脉冲发射方式的激光对眼的损伤阈值最低，这是由于巨脉冲激光与生物组织作用后产生压强的结果。

③可见激光能引起闪光盲：一定强度的发散脉冲激光束照射，可引起暂时性视觉障碍，而不产生眼组织的器质性损伤，这种现象称为闪光盲。它对于从事精细工作或特殊作业的人员，如飞行员、驾驶员、瞄准手等可产生很大的视觉干扰作用，因此，在战时具有重要意义。闪光盲的产生主要是视网膜上视色素在光的作用下被分解为全反视黄醛和视蛋白，使眼暂时失去视物能力。当光照停止后，在还原酶的辅酶I的作用下，全反视黄醛被还原为无活性的维生素A，经肝脏转为顺-维生素A，在眼内被视黄酶和辅酶Ⅰ氧化成有活性的11-顺视黄醛，再与视蛋白结合后形成视紫红质。至此，视功能障碍消失，视力恢复正常。这就是激光致眩的生物学依据。此外，以激光对付使用光学仪器，如炮队镜、望远镜的敌方人员，则由于光学系统的聚焦作用使受照的能量密度再次提高，从而使眼的损伤加重，致伤距离加大。

④激光致盲的影响因素：包括如下几方面：a.组织对激光的透射与吸收特性：如前所述，激光对眼的损伤部位和轻重程度，是与眼介质的光谱透射率及视网膜，脉络膜对光的反射、散射与吸收有关。b.视网膜光斑大小：激光在一定的入射量（功率）条件下，激光的视网膜光斑越小，其能量（功率）密度越高，视网膜损伤就越重，当照射时间大于“临界点”视网膜损伤阈值（以功率密度计算），随视网膜光斑的增大而有降低的趋势。c.瞳孔大小：如激光束光斑大于瞳孔的情况，进入眼的总辐射能量或功率与瞳孔的面积成正比。d.照射时间：一般情况下，照射时间越长，组织接收激光能量越多，故损伤越重。在损伤水平时，损伤阈值与照射时间关系密切。连续激光照射的时间越短，入射眼的总能量就越少，造成的损伤就越轻。e.激光照射部位与视网膜色素：光吸收量与眼底色素多少有关。色素少的眼损伤阈值可比色素多的阈值高1～4倍。视网膜受照部位对激光辐射敏感性也不同，这可能与黄斑区色素核层丰富程度及组织厚薄有关。当然也与其他因素有关，如眼的屈光状态、瞬目反射，体温，血液循环，以及眼的注视方向等因素都对激光眼损伤有一定的影响。刚刚超过最低致伤阈值的可见或近红外激光束，可造成视网膜的轻度损伤，光斑区内感光细胞轻度水肿，光色素层分布发生变化，形成烧伤性水肿，损伤区域缺乏明显界限。继续增大光强或延长照射时间，视网膜将受到中度损伤，光斑中央部分光色素明显减少或分布明显变化，有时可见到小的出血点，损伤部分界限明显。光色素从光斑中心向周围呈辐射状堆集，损伤从感光细胞、光色素层扩展到内、外颗粒层，常见视网膜下充血或出血。更强的激光辐照会引起视网膜严重损伤，光斑中央明显出血，光色素明显堆集，视网膜破裂并产生气泡，一些气泡可能进入玻璃体内。视网膜内颗粒层以外各层均受到较大破坏，甚至缺损。有时血液经缺损或穿孔处流入玻璃体内呈蘑菇状，并有大量气泡进入。出血区周围为灰白色的水肿区，较重和严重烧伤在几周后最终可形成瘢痕。

（3）其他器官和系统损伤：某些波段的激光辐照可能穿透皮肤直接刺激动物和人体的神经末梢，引起神经生理功能的改变，如导致血管反应不稳定、血压波动等现象。激光也会通过反复刺激视觉系统而有可能影响大脑神经的功能，或者引起血流动力学方面的变化。激光作用于感光细胞，可能影响松果体，从而影响到黑色素的合成和分泌。激光直接照射头部也可能引起中枢神经系统的伤害。若动物身体表面受到很强的激光辐照，心、肺、肝、胃、肠等内脏器官也可能受到烧伤。

2.激光辐照生物学效应的机制 目前学术界认识比较一致的激光辐照对生物体效应的机制大致有5种，即激光加热作用、光化学作用、机械压力作用、生物强电场作用及激光生物刺激作用。现分述如下。

（1）激光的加热作用：生物组织吸收了激光束的能量，转化为热量使温度升高而高于正常组织温度，称为激光的加热作用，其表现是：生物组织的温度升高、红斑、灼伤、气化、切开、热凝和热杀等。激光对生物组织的加热作用受到许多因素的影响，如生物组织的热物理性质、激光能量转化机制、生物组织升温引起的变化，等等。

生物组织的热学性质是影响激光加热作用的主要因素之一。与生物组织温度变化有关的热学性质主要是比热容、热容量、热导率和热扩散率，其中比热容和热容量一般与温度有关；而热导率和热扩散率则和组织温度的时间变化有关系。

表30-9列出了几种常见生物组织的比热容。皮肤从干燥角质层、生发层、真皮至皮下组织，因其含水量递增，热容量也递增。

表30-9　生物组织的比热容[J/（kg·k）]

生物组织因吸收激光能量而升温，然后以传导方式向四周组织传送（热）能量。表30-10列出了皮肤等组织的热导率。组织的含水量高、温度高者，其热导率也高；冷皮肤的热导率略低于水，为不良热导体。

生物组织的热扩散率与温度有关，而各种组织的热扩散率相差则不大（表30-11）。

表30-10　生物组织的热导率（102W·mK）

激光加热作用的机制与入射激光光子能量有关，低能量光子可使生物组织直接加热，高能量光子则往往需要一个经过中间转换的过程。红外激光如CO2激光、He：YAG激光等光子能量较小，被生物组织分子吸收后不能直接引起电子能级跃迁，只能转变为生物分子的振动能和转动能，随后转化为平动能，达到热平衡，即转化为生物分子热运动的能量，在宏观上表现为局部生物组织的温度升高。这种升温没有中间过程，故称直接生热。

可见光和紫外激光的光子能量较大，被生物分子吸收后可使其电子从基态跃迁到激发态。受激的分子可以通过释放光子再从电子激发态回到基态，也可以通过与周围分子碰撞，把激发态能量转换成分子的平动运动能量，即转化为热能，引起组织温度增高，称为间接生热。

激光对生物体的加热作用会引起生物组织发生一系列的变化，此处仅就单纯升温的生物效应叙述如下。

①对蛋白质的影响：蛋白质受到激光辐照使温度上升到60℃时，就会发生永久性的凝固变性。因此，定义激光辐照下生物组织内部温度超过60℃时的距离为该组织热损伤深度。蛋白质变性对正常组织是有害的，它会引起不可逆的变化，使蛋白质部分或全部失去原有的生理功能，使细胞和组织受到破坏。当然，从另一个目的来说，这种机制使得激光辐射可用于消毒杀菌。

②对酶和DHA的影响：临床上用弱激光局部加热可以促进该处生物组织的代谢。同样，酶受激光加热若温度升高到60℃左右就将失去催化活性。如果温度继续升高则将完全丧失其生理功能。脱氧核糖核酸（DHA）是生物遗传基因的载体。虽然实验表明其耐热能力比一般的蛋白质要强，如把DHA维持于80℃的高温1 h对其活性不会有多大影响。但激光辐照对DHA的复制和活性都有影响，从而影响生物体的遗传特性，所以可利用这种效应进行激光育种。

③对神经细胞的影响：神经细胞对温度变化很敏感，其传导速度随体温上升而加快，但在40℃以上时神经细胞的兴奋下降，传导速度变慢；当温度超过（或低于）正常体温4℃时，中枢神经细胞就不能正常工作。

④对血液循环的影响：加热作用引起毛细血管扩张、血流速度加快而血流量增多，有利于带走升温处生物组织的热量，促使其温度恢复正常。局部的适当的升温可改善局部的供血和营养等，是一种有益的理疗作用。

表30-11　生物组织的热扩散率与温度的关系

⑤皮肤对温度的反应：随着激光加热作用的加强，不同温度下皮肤将发生如下反应：a.温热感觉：当温度升高到38～40℃时，多有温热感觉，相当于理疗上的热敷，不会造成热致损伤。b.热致红斑：升温到43～44℃时，血管扩张充血，正常皮肤在几秒之内即可出现热致红斑，数分钟后则出现少量炎性渗出物，并呈现轻度水肿。但此后若温度退回至正常，则此红斑可自行消退，不会造成不可逆的损伤。c.热致水泡：当升温到47～48℃时，数秒钟之内即有炎性物渗出、潴留在皮内，导致表皮和真皮分离而形成水泡，出现灼热感和剧烈的疼痛。d.热致凝固：升温到55～60℃时，受照处细胞凝固、坏死；当组织升温达60～100℃以上，约在10min内即可导致该处细胞热凝固坏死。e.热致气化：升温略超过100℃时，组织液沸腾。若激光功率密度足够高，即可使大量水蒸气冲破细胞和组织而逸出。f.热致炭化：当温度高达300～400℃时，组织和细胞立刻发生干性坏死，表面迅速变棕黑色，发生热致炭化。g.热致燃烧：若温度超过530℃，炭化后的生物组织即可燃烧，出现火光。h.热致切割：当激光束功率密度进一步增高，可导致生物组织迅速气化的二次压力作用。若不移开激光束，受照处立刻有包含组织碎屑、燃烧物和水蒸气的气流喷出，出现一个火山口状的坑。如果移动激光束，则光束所到之处的生物组织被切开。

（2）激光的生物化学作用：生物光化效应是生物组织在光的作用下产生的生物化学反应，简称光化作用或光化反应。

光化作用过程大致可以分成两个阶段，原初光化反应和继发光化反应。光化作用规律：①光化学吸收定律：光必须被吸收才能提供化学反应和生物学反应的能量，也就是说只有被分子吸收的光子能量才能在系统中导致化学反应。②光化学量子定律：在任何初级光化学反应中，每个分子（离子、原子）只能从入射光束吸收一个光子。

激光辐照和生物分子之间的相互作用，强烈地依赖于激光的波长和时间特性，即为选择性生物光化效应。生物大分子与激光的相互作用过程一般分为三步：①个别大分子吸收相干的激光光子的原初过程；②特殊反应中心或区域处于激发态，吸收光子能量并发生弛豫；③整个生物组织系统在激光照射后的生理反应、光化过程以及其动力学变化。

红外光子能量较小，不足以引起分子从基态跃迁到电子激发态。分子吸收红外光子后往往表现为升温效应，但是高功率密度的红外激光束通过物质时，会发生双光子或多光子吸收等非线性现象。用一定频率的红外激光束照射反应物，反应物分子中只有振动模式频率与红外激光频率相同或相近的那个化学键被迫发生“共振”，吸收多个光子能量后被激发到高振动能级，从而表现出化学活性，引起化学反应。

（3）光致压力作用：激光照射生物组织可直接或间接对组织产生压力作用，包括由激光加热引起组织气化导致的气流反冲压、内部气化压、热膨胀超声压、等离子体压力以及因激光强电场引起的电致伸缩压等。①一次压力：光子既有质量，又有动量。光子照射到物体上像实体粒子一样，反射时动量方向改变，对物体反射面作用以光压P＝Io（1＋R）/c，式中Io为垂直入射的光束功率密度，R为表面对光的反射率，c为光速。激光功率密度为108W/cm2时，光压约3.33×103Pa，（Pa，相当于7×10-5大气压），一般可忽略不计，但对精密的激光生物学实验则需考虑。②气流反冲压力：当高功率密度激光束聚焦于生物组织很小的面积时，该处温度急剧上升，体液迅速沸腾，从受照处喷射出包括组织碎屑在内的一股气流，对生物组织形成了气流反冲压力。③内部气化压力：激光束聚焦于组织内部由气化引起的压力，与上述组织表面气化而造成的气流反冲压不同，这种内部气化压常常发生于组织内部或眼球、脑室等封闭的空间内。④热膨胀超声波：如果入射的激光功率密度不高，不足以产生汽化，生物组织仅有体积膨胀。体积迅速膨胀可在其边缘区产生超声频率的弹性振动，形成超声波在生物组织中传播，超声波压力的大小与激光加热所产生的温度梯度成正比。⑤等离子体压力：如同一般物体那样，高功率密度的脉冲激光照射生物组织可形成等离子体。⑥电致伸缩压力：电致伸缩压力是激光强电场的继发作用。

（4）激光强电场的作用：电场强度大小取决于激光束的功率密度。当激光束的电场强度大到可以与生物分子的固有场强相比拟时，激光电磁场就有明显作用。①光学谐波和光致生物发光作用：用高电场强度的激光照射生物组织，可使生物体产生光学谐波。②受激拉曼散射和受激布里渊散射：激光在与生物分子相互作用时，部分被吸收，部分因发生碰撞而被散射。③电击穿与等离子体的产生：当激光束电场强度高达108～109V/cm时，可使生物分子的外层电子突破静电势垒而逸出，形成自由电子和离子，即发生电击穿。电击穿形成致密的电离气体云即等离子体。④生物组织微观结构的变化：在高功率脉冲激光束的作用下，生物分子可能发生电离，原来无极性的生物分子可能发生极化，原来已极化的生物分子沿电场方向旋转，从而引起微观结构的变化。

（5）弱激光对生物体的刺激作用：低功率密度或低能量密度的激光称为弱激光（low level laser，LLL）。

弱激光辐照能使机体产生消除病理过程的应答性反应，其过程大致如下：①生物分子吸收光子：处于不同病理状态的生物分子吸收了具有不同能量的光子并将光能转换成生物分子的热能、化学能或内能，同时可能引起该分子自身能量状态的改变。②生物刺激作用：生物分子吸收激光能量后发生状态的改变就是一种刺激源。③生物反应：辐照的激光剂量只有在大于刺激阈值和小于损伤阈值之间的激光剂量才是引起生物刺激作用所需的适当剂量，其中较小剂量可引起兴奋，较大剂量则可引起抑制。选用适当波长、适当剂量的弱激光作用于生物体的适当部位，发生所需要的刺激作用，受照组织作为对这种刺激的应答性反应，在分子水平上是调整蛋白质和核酸的合成、影响DHA的复制、调节酶的功能；在细胞水平上则是动员代偿、营养、修复、免疫和其他的再生或防御机制来消除病理过程。

激光生物刺激作用的规律：①刺激效应的量变规律：当激光剂量处在刺激阈值与损伤阈值之间时，刺激效应的强弱与激光剂量之间的关系是非线性的。②光生物刺激作用的两种理论体系：光对生物刺激作用的临床应用有迥然不同的两种理论体系作为指导：一种是祖国医学的经络理论，用弱激光照射有关穴位，治疗相应的疾病，通常称之为激光针灸治疗；另一种则是以现代医学理论为指导，用弱激光直接照射病灶，习惯上称之为激光理疗。

关于弱激光生物刺激作用的机制目前尚处于探索阶段，比较典型的假说有：①受体蛋白质的中介作用即调整细胞功能假说；②生物组织的共振效应即调整生物场假说；③偏振光的定向电场振膜假说；④由孤子状态进入混沌状态假说等。

（二）激光武器损伤的个人防护

如前所述，激光作为一项新技术已被广泛用于军事领域。因此，以减少或避免军用激光辐射对人员危害为目的的激光医学防护问题引起各国的重视，其中以美军的激光防护研究水平最为先进。

激光对人眼的危害程度由激光特征因素和实际应用的环境决定。其中激光波长、脉冲能量、脉冲宽度、光束发射角和光斑尺寸等激光特征因素最重要；其次是观察激光的方式，还有距离、照射时间、地形特点、大气中的含湿量、扰动和污染情况等实际应用的环境因素。

1.眼睛安全标准 表30-12列出了几种常用激光器的眼睛安全标准。

2.防护器材 防护器材研究是防护计划的一项主要内容，包括激光防护镜研究（用于眼睛直接受到激光束照射时）武器装备窗口抗激光辐射眼损伤滤光片研究（用于眼睛间接受到激光束照射时）和新型激光材料研究。

（1）激光防护眼镜：佩戴防护镜是单兵激光眼睛防护最有效的方法，也是美军激光医学防护研究重点工作之一。

①防护眼镜的要求：有较高的光学密度，能大大衰减对人眼造成危害的激光；可防护多种波长的激光，最好能够防护宽波段连续可调谐激光；对强激光有足够的防护能力，不因入射激光较强而饱和或被漂白；对自然光线有足够的透明度，佩戴者可清晰地观察外界景物；具有较好的广角性，不因入射角度大而对预定波长的激光失去防护作用；不受气候变化及环境因素的影响，具有很好的抗冲击、较高的抗机械擦伤和抗化学侵蚀的能力；体积小、重量轻，结构紧凑，佩戴方便，价格便宜。

表30-12　几种常用激光器的眼睛安全标准

为保证有效的防护效果，同时又不影响人员的正常作业和不受恶劣环境因素影响，所以对防护镜性能提出了一些具体的要求，并以技术法规形式予以实施。表30-13为美军技术规范规定的几种防护镜光学性能。

表30-13　美军装备的激光防护镜主要光学性能

②防护眼镜基本原理：吸收型、反射型和复合型三类激光防护眼镜根据其类型具有各自不同的防护原理。a.吸收型：吸收型防护镜是以吸收某一波长或某几个波长的大部分光能来实现防护的。其制作工艺是在玻璃或聚碳酸酯塑料中加入大量染料制成。染料能吸收一种或几种特定波长的激光而允许其他波长的光通过，从而实现有效的防护作用。b.反射型：按照反射的方式，反射型激光防护眼镜可分为干涉型和衍射型两种。干涉型防护镜是在玻璃基底上蒸镀多层介质膜，有选择地反射某一种或某几种特定波长的激光而实现防护的；衍射型防护镜是由重铬酸盐明胶或光敏聚合物膜层制成的全息光学元件，利用后向衍射原理实现对激光的反射而进行防护的。c.复合型：复合型激光防护镜是将一种或多种染料加到基体中，然后再在其上蒸镀多层介质反射膜而制成。由于这种防护镜将吸收型防护镜及反射型防护镜的优点结合在一起，因而在一定程度上改善了自身的激光防护性能。d.光电型：一种透光度可变的陶瓷材料做成的防护镜。当入射到镜片上的激光强度超过允许极限值时，光电控制系统便使陶瓷材料的透光率降低。

（2）防护滤光：激光通过带放大系统的光学仪器或窗口会增加对操作者眼睛的危害，如同等激光辐照量，由于光学仪器的聚焦作用，标准大气能见度条件下，激光到达人眼的辐照量将随光学仪器放大倍率的增加而使损伤程度加重。主要防护措施是在光学窗口上装备抗激光辐射的滤光片，包括反射或吸收激光的薄膜、“装甲”塑料、干涉滤光片等，将这些滤光材料附加在军用光学仪器光学窗口上。

（3）新型防护材料：①激光防护染料：利用化学染料的光吸收性能衰减激光能量，美国陆军医学研究和发展中心已合成5种新的染料，用于650～1 050 nm范围可调谐波长激光的防护，通过改变染料的化学结构和添加剂方法，可以使热稳定和光化学稳定性能得到改善，激光光密度＞1.0。②快响应激光/弹道防护材料：美陆军材料技术实验室目前正在研究一种能用于巨脉冲、宽频带、超快速（亚纳秒）的激光防护眼罩，由于这种新材料中导电聚合物的非线性效应及经激光照射后无机半导体材料向导电聚合物材料的电荷转移，此三种效应使防护效果出现3种互补的累积作用。③防护像差器：基于光学吸收、反射原理的激光防护材料有一个共同的缺点，就是降低了可见光的透射比，从而不同程度地影响佩戴者视物的能力，为解决这一问题，陆军导弹司令部1992年研制成空军飞行员用的像差器，这种像差器通常在两层玻璃片或玻璃纸之间充入水和乙醇，利用傅立叶变换原理，降低光速强度，且避免了激光通过人眼聚焦后损伤视网膜的可能性，防护波长可复盖整个光谱范围，而又不影响使用者的视觉灵敏度。

除了上述新型防护材料外，正在研究中的还有C60和C70非线性反饱和吸收材料和类似接触镜的防护眼镜等。

3.防护效果评价

（1）评价标准：美国陆军纳蒂克（Hatick）发展中心研究，建立了13项激光防护器材的评价测量和试验技术，而且均采用有关标准（表30-14）规定的方法进行。

（2）野外评价：是检验防护镜或防护材料性能的不可少的辅助手段，由此可以发现结构性能和环境适应性能是否符合使用要求，通常采用部队试用和实战训练两种途径进行。野外评价可以分析防护镜对作战效果的影响，发现存在问题，提出改进措施，从而保证防护镜实际使用效果。

表30-14　测试评价方法引用标准