0 引言
激光武器由于具有速度快、灵活精确、摧毁力强、抗干扰能力强等优点，深受诸多军事强国的亲赖，使现代战争面临着激光的威胁．激光武器在攻击人身时除了可用于人眼致盲外，也可用于烧灼人的皮肤，可造成皮肤组织的烧蚀、碳化、汽化、凝固和溅射等现象．因此，积极开展激光辐照皮肤组织热效应的研究对于激光对抗与防护技术的发展具有非常重
要的理论和现实意义．

虽然我国军用激光安全标准已经基于实验数据提出了一系列的皮肤照射限值，但对近红外波段１３１９ｎｍ波长的数据却不足．

目前，国内的研究重点除了激光与生物组织相互作用的光传输规律外，对于激光辐照组织的热效应也已进行了广泛的实验研究．国外近两年来多为激光作用于Ｙｕｃａｔａｎ小种猪皮肤的温升效应及损伤研究．虽然国内外相关报导非常多，但对于１３１９ｎｍ Ｎｄ：ＹＡＧ 连续激光与人体皮肤组织传热效应的研究较少．

本文通过实验测定了离体人皮肤组织在１３１９ｎｍ Ｎｄ：ＹＡＧ 连续激光辐照下不同位置的温度分布，重点研究了辐照功率密度以及作用时间对组织中温度分布的影响．所获得的皮肤组织温升的数据可以增加激光皮肤相互作用的现存数据，这些数据是安全标准的依据，对激光安全与防护有着重要作用．

１　实验材料与方法

１．１　实验材料

实验样品取自离体的人体腹部皮肤，由河北医科大学第四附属医院病理科提供，手术切下皮肤后即刻进行实验．取皮肤组织若干，切成大小均匀的小块，尺寸为３ｃｍ×３ｃｍ×０．７ｃｍ．每组实验５ 个样品，结果取平均值．

１．２　实验装置
实验系统如图１．

实验采用天津大学激光与光电子研究所的１３１９ｎｍ波长Ｎｄ：ＹＡＧ 调制输出激光器，可输出连续激光，功率在０～３０ Ｗ可调．其光斑直径为０．５ｃｍ．功率计采用美国Ｃｏｈｅｒｅｎｔ公司的ＥＰＭ１０００ｅ型功率计以及配套的能量探头测量并记录激光功率，它具有实时测量和自动存储能力．其光谱范围在２５０～１０６００ｎｍ，测量不确定度为２％．温度记录仪是上海威铭公司的ＹＢＪＬ８１０温度记录仪，它有８个数据采集通道，可同时实现８路的信号采集和记录．记录间隔为１ｓ，基本误差为０．２％．测温探头是直径为１ｍｍ 的Ｋ 型热电偶，其冷端补偿误差为±１℃．

实验过程中，激光器发射激光到达分束镜（分束比为１∶２５），一部分激光通过分束镜后直接照射皮肤样品；另一部分激光由分束镜转向到达功率计．根据功率计测量的激光功率和两分束光的比例，可计算出射向皮肤样品的激光功率．由于光源发射出的１３１９ｎｍ 激光不可见，给实验造成不便，所以使用氦氖激光器来追踪光路．实验时通过改变连续激光的输出功率以及作用时间，研究皮肤组织在不同条件下径向及轴向各点的温度变化．

将一只Ｋ 型热电偶探针Ｐ１ 沿着光斑中心处从皮肤样品后表面垂直插入，移动探针位置，使其距离皮肤表面约１ ｍｍ 处，其余四只热电偶以同样的方式，在组织相同深度处，径向不同位置依次插入，分别埋置于距离光斑中心２ ｍｍ、４ ｍｍ、６ ｍｍ 以及８ｍｍ处，如图２，用于测量皮肤组织在径向不同位置的温度分布变化情况．相同激光条件下，取不同皮
肤组织（可以认为其光热参量相同），将三只热电偶探针分别埋置于光斑所辐照皮肤组织的正下方１ｍｍ、３ｍｍ 以及５ｍｍ 处，用于测量皮肤组织在激光辐照中心处，轴向上的温度分布变化情况．

２　实验结果与讨论

２．１　皮肤组织中不同探测位置的温度分布

图３给出了一定条件下１３１９ｎｍ 连续激光辐照离体人皮肤组织的径向不同位置温度随时间分布．由图可知，组织温升沿激光辐照中心径向距离的增加而减小；在r＝０、r＝２ｍｍ 及r＝４ｍｍ 处温度有较大升高，r＝６ｍｍ 及r＝８ｍｍ 处离光斑中心点较远，温度变化不明显，热效应主要发生在光斑区及光斑区附近较小范围内；热扩散到一定程度后，r＝０ｍｍ和r＝２ ｍｍ 处的温升曲线趋于重合，温度达到热平衡．

图４给出了一定条件下１３１９ｎｍ 连续激光辐照离体人皮肤组织的轴向不同位置温度随时间分布．由图４可知：组织温升沿轴向距离的增加而减小；不同探测位置的温度分布相差较大，在靠近组织表面处温度上升幅度较大，而在远离表面的r＝５ｍｍ处则没有明显的上升下降趋势，可见人体皮肤组织是热的不良导体，激光能量的扩散被限制在一个较小的范围内．

２．２　不同功率密度下皮肤组织中的温度分布

图５给出了相同辐照时间、不同功率密度下光斑中心皮下１ ｍｍ 处温度随时间的分布．由图５ 可知，皮肤组织的温升及温度变化率随激光功率密度的增加而增大；相比于功率密度为１５．８０ Ｗ／ｃｍ２、辐照时间为５ｓ时组织所达到的温度，功率密度提高约２倍，组织温升增加２８．９４℃，而辐照时间延长了１倍，组织温升只增加２．７２℃，可见提高激光功率密度是一种比延长辐照时间更为有效的提高温升的方法．因此，连续激光功率密度是皮肤组织热效应的一个重要参量．

２．３　不同辐照时间下皮肤组织中的温度分布

图６给出了相同功率密度、不同辐照时间下光斑中心皮下１ｍｍ 处温度随时间分布．由图６可知，在激光辐照阶段，组织温度持续上升；停止照射后，组织温度都有一个短时间上升过程，然后才开始下降；辐照时间越长，组织温升越大，但图６（ａ）中每延长５ｓ，最高温度升高约２．３３℃，变化不明显．在功率密度为１５．８０ Ｗ／ｃｍ２ 的情况下，辐照时间达到１２０ｓ时，皮肤组织温度超过５５℃，在几秒内组织将很快发生凝固坏死，而在功率密度为４８．９２Ｗ／ｃｍ２ 的情况下，辐照时间仅达到６ｓ时，组织温度就达到５５℃，而小于上述两值的辐照时间是较为安全的．相比于文献的实验结果，在５１４．５ｎｍＡｒ＋激光的功率密度为２．７６ Ｗ／ｃｍ２ 时，辐照５０ｓ便可使猪鼻咽组织达到５５℃，可见１３１９ｎｍ 激光的热效应较Ａｒ＋ 激光差．两图中不同照射时间辐照阶段的温升曲线并不完全重合，这可能是由于在实验过程中光束质量不稳定而导致测得的温度有所差异，或者是测温热电偶的金属探头直接吸收了穿透过来的激光能量，致使温度有一定误差．#p#分页标题#e#

３　结论

本文通过实验，研究了１３１９ ｎｍ 连续Ｎｄ：ＹＡＧ 激光辐照离体人皮肤组织的光热效应，实时测量激光在不同功率密度及作用时间下，皮肤组织径向及轴向的各点温度分布，并对实验结果进行了分析．研究表明，皮肤组织温升随激光辐照中心的径向及轴向距离增加而减小，随功率密度的增加而增大；提高连续激光的功率密度是比延长辐照时间更为有效的提高组织温升的办法；当激光输出功率密度为１５．８０ Ｗ／ｃｍ２、辐照时间达到１２０ｓ，以及功率密度为４８．９２ Ｗ／ｃｍ２、辐照时间达到６ｓ时，皮肤组织温度均超过５５℃，即可产生凝固效应，组织受到损伤，而小于此两值的激光辐照时间是较为安全的．但由于活体人皮肤组织的含水量大于离体组织，而且在红外波长范围内水分的吸收系数较高，因此实际的安全辐照时间阈值可能会比上述值低一些．