0  引言
       激光武器由于具有速度快、靈活精確、摧毀力強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點，深受諸多軍事強(qiáng)國的親賴，使現(xiàn)代戰(zhàn)爭面臨著激光的威脅．激光武器在攻擊人身時除了可用于人眼致盲外，也可用于燒灼人的皮膚，可造成皮膚組織的燒蝕、碳化、汽化、凝固和濺射等現(xiàn)象．因此，積極開展激光輻照皮膚組織熱效應(yīng)的研究對于激光對抗與防護(hù)技術(shù)的發(fā)展具有非常重
要的理論和現(xiàn)實意義．

       雖然我國軍用激光安全標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)基于實驗數(shù)據(jù)提出了一系列的皮膚照射限值，但對近紅外波段１３１９ｎｍ波長的數(shù)據(jù)卻不足．

       目前，國內(nèi)的研究重點除了激光與生物組織相互作用的光傳輸規(guī)律外，對于激光輻照組織的熱效應(yīng)也已進(jìn)行了廣泛的實驗研究．國外近兩年來多為激光作用于Ｙｕｃａｔａｎ小種豬皮膚的溫升效應(yīng)及損傷研究．雖然國內(nèi)外相關(guān)報導(dǎo)非常多，但對于１３１９ｎｍ Ｎｄ：ＹＡＧ 連續(xù)激光與人體皮膚組織傳熱效應(yīng)的研究較少．

       本文通過實驗測定了離體人皮膚組織在１３１９ｎｍ Ｎｄ：ＹＡＧ 連續(xù)激光輻照下不同位置的溫度分布，重點研究了輻照功率密度以及作用時間對組織中溫度分布的影響．所獲得的皮膚組織溫升的數(shù)據(jù)可以增加激光皮膚相互作用的現(xiàn)存數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是安全標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)，對激光安全與防護(hù)有著重要作用．

１　實驗材料與方法

１．１　實驗材料

       實驗樣品取自離體的人體腹部皮膚，由河北醫(yī)科大學(xué)第四附屬醫(yī)院病理科提供，手術(shù)切下皮膚后即刻進(jìn)行實驗．取皮膚組織若干，切成大小均勻的小塊，尺寸為３ｃｍ×３ｃｍ×０．７ｃｍ．每組實驗５ 個樣品，結(jié)果取平均值．

１．２　實驗裝置
實驗系統(tǒng)如圖１．

       實驗采用天津大學(xué)激光與光電子研究所的１３１９ｎｍ波長Ｎｄ：ＹＡＧ 調(diào)制輸出激光器，可輸出連續(xù)激光，功率在０～３０ Ｗ可調(diào)．其光斑直徑為０．５ｃｍ．功率計采用美國Ｃｏｈｅｒｅｎｔ公司的ＥＰＭ１０００ｅ型功率計以及配套的能量探頭測量并記錄激光功率，它具有實時測量和自動存儲能力．其光譜范圍在２５０～１０６００ｎｍ，測量不確定度為２％．溫度記錄儀是上海威銘公司的ＹＢＪＬ８１０溫度記錄儀，它有８個數(shù)據(jù)采集通道，可同時實現(xiàn)８路的信號采集和記錄．記錄間隔為１ｓ，基本誤差為０．２％．測溫探頭是直徑為１ｍｍ 的Ｋ 型熱電偶，其冷端補償誤差為±１℃．

       實驗過程中，激光器發(fā)射激光到達(dá)分束鏡（分束比為１∶２５），一部分激光通過分束鏡后直接照射皮膚樣品；另一部分激光由分束鏡轉(zhuǎn)向到達(dá)功率計．根據(jù)功率計測量的激光功率和兩分束光的比例，可計算出射向皮膚樣品的激光功率．由于光源發(fā)射出的１３１９ｎｍ 激光不可見，給實驗造成不便，所以使用氦氖激光器來追蹤光路．實驗時通過改變連續(xù)激光的輸出功率以及作用時間，研究皮膚組織在不同條件下徑向及軸向各點的溫度變化．
      

       將一只Ｋ 型熱電偶探針Ｐ１ 沿著光斑中心處從皮膚樣品后表面垂直插入，移動探針位置，使其距離皮膚表面約１ ｍｍ 處，其余四只熱電偶以同樣的方式，在組織相同深度處，徑向不同位置依次插入，分別埋置于距離光斑中心２ ｍｍ、４ ｍｍ、６ ｍｍ 以及８ｍｍ處，如圖２，用于測量皮膚組織在徑向不同位置的溫度分布變化情況．相同激光條件下，取不同皮
膚組織（可以認(rèn)為其光熱參量相同），將三只熱電偶探針分別埋置于光斑所輻照皮膚組織的正下方１ｍｍ、３ｍｍ 以及５ｍｍ 處，用于測量皮膚組織在激光輻照中心處，軸向上的溫度分布變化情況．

２　實驗結(jié)果與討論

２．１　皮膚組織中不同探測位置的溫度分布
 

       圖３給出了一定條件下１３１９ｎｍ 連續(xù)激光輻照離體人皮膚組織的徑向不同位置溫度隨時間分布．由圖可知，組織溫升沿激光輻照中心徑向距離的增加而減??；在r＝０、r＝２ｍｍ 及r＝４ｍｍ 處溫度有較大升高，r＝６ｍｍ 及r＝８ｍｍ 處離光斑中心點較遠(yuǎn)，溫度變化不明顯，熱效應(yīng)主要發(fā)生在光斑區(qū)及光斑區(qū)附近較小范圍內(nèi)；熱擴(kuò)散到一定程度后，r＝０ｍｍ和r＝２ ｍｍ 處的溫升曲線趨于重合，溫度達(dá)到熱平衡．

       圖４給出了一定條件下１３１９ｎｍ 連續(xù)激光輻照離體人皮膚組織的軸向不同位置溫度隨時間分布．由圖４可知：組織溫升沿軸向距離的增加而減小；不同探測位置的溫度分布相差較大，在靠近組織表面處溫度上升幅度較大，而在遠(yuǎn)離表面的r＝５ｍｍ處則沒有明顯的上升下降趨勢，可見人體皮膚組織是熱的不良導(dǎo)體，激光能量的擴(kuò)散被限制在一個較小的范圍內(nèi)．

２．２　不同功率密度下皮膚組織中的溫度分布

       圖５給出了相同輻照時間、不同功率密度下光斑中心皮下１ ｍｍ 處溫度隨時間的分布．由圖５ 可知，皮膚組織的溫升及溫度變化率隨激光功率密度的增加而增大；相比于功率密度為１５．８０ Ｗ／ｃｍ２、輻照時間為５ｓ時組織所達(dá)到的溫度，功率密度提高約２倍，組織溫升增加２８．９４℃，而輻照時間延長了１倍，組織溫升只增加２．７２℃，可見提高激光功率密度是一種比延長輻照時間更為有效的提高溫升的方法．因此，連續(xù)激光功率密度是皮膚組織熱效應(yīng)的一個重要參量．

２．３　不同輻照時間下皮膚組織中的溫度分布

       圖６給出了相同功率密度、不同輻照時間下光斑中心皮下１ｍｍ 處溫度隨時間分布．由圖６可知，在激光輻照階段，組織溫度持續(xù)上升；停止照射后，組織溫度都有一個短時間上升過程，然后才開始下降；輻照時間越長，組織溫升越大，但圖６（ａ）中每延長５ｓ，最高溫度升高約２．３３℃，變化不明顯．在功率密度為１５．８０ Ｗ／ｃｍ２ 的情況下，輻照時間達(dá)到１２０ｓ時，皮膚組織溫度超過５５℃，在幾秒內(nèi)組織將很快發(fā)生凝固壞死，而在功率密度為４８．９２Ｗ／ｃｍ２ 的情況下，輻照時間僅達(dá)到６ｓ時，組織溫度就達(dá)到５５℃，而小于上述兩值的輻照時間是較為安全的．相比于文獻(xiàn)的實驗結(jié)果，在５１４．５ｎｍＡｒ＋激光的功率密度為２．７６ Ｗ／ｃｍ２ 時，輻照５０ｓ便可使豬鼻咽組織達(dá)到５５℃，可見１３１９ｎｍ 激光的熱效應(yīng)較Ａｒ＋ 激光差．兩圖中不同照射時間輻照階段的溫升曲線并不完全重合，這可能是由于在實驗過程中光束質(zhì)量不穩(wěn)定而導(dǎo)致測得的溫度有所差異，或者是測溫?zé)犭娕嫉慕饘偬筋^直接吸收了穿透過來的激光能量，致使溫度有一定誤差．#p#分頁標(biāo)題#e#

３　結(jié)論
 

       本文通過實驗，研究了１３１９ ｎｍ 連續(xù)Ｎｄ：ＹＡＧ 激光輻照離體人皮膚組織的光熱效應(yīng)，實時測量激光在不同功率密度及作用時間下，皮膚組織徑向及軸向的各點溫度分布，并對實驗結(jié)果進(jìn)行了分析．研究表明，皮膚組織溫升隨激光輻照中心的徑向及軸向距離增加而減小，隨功率密度的增加而增大；提高連續(xù)激光的功率密度是比延長輻照時間更為有效的提高組織溫升的辦法；當(dāng)激光輸出功率密度為１５．８０ Ｗ／ｃｍ２、輻照時間達(dá)到１２０ｓ，以及功率密度為４８．９２ Ｗ／ｃｍ２、輻照時間達(dá)到６ｓ時，皮膚組織溫度均超過５５℃，即可產(chǎn)生凝固效應(yīng)，組織受到損傷，而小于此兩值的激光輻照時間是較為安全的．但由于活體人皮膚組織的含水量大于離體組織，而且在紅外波長范圍內(nèi)水分的吸收系數(shù)較高，因此實際的安全輻照時間閾值可能會比上述值低一些．