非致命激光武器致视网膜医学损伤及其防护研究进展

滕仲帅,张海龙,郭敬涵,苏 彬 综述 杜振华 审校

非致命激光武器作为一种定向能武器,具有准确性好、打击效果可控、作用范围广和能重复使用等优点,在处置突发事件、镇压暴乱、防止武装冲突升级、解救人质等行动中得到广泛应用,已成为各个国家解决政治冲突的重要选择[1]。然而,在实际应用中,非致命激光武器造成不可逆损伤的情况时有发生,研究激光武器的危害,阐明其作用机制,确定其致伤阈值,对于有针对性地提高武器实战效能,以及探究人员的有效防护与救治具有十分重要的意义[2]。

根据波段不同,激光可划分为紫外激光(10～400 nm)、可见激光(400～700 nm)和红外激光(700～106nm),不同波段的激光性质不同,对人体造成伤害的机制也不一样。其中,可见激光和近红外激光(700～1400 nm)通过眼介质透射率高,易对视网膜造成损伤。本文就非致命激光武器视网膜医学损伤与防护研究进行综述,旨在引起重视,增进研究人员对此领域的了解。

1 典型激光非致命武器介绍

激光始于1960年,是人类发明的最强光源,具有极高的能量与相关特性,被许多国家视为研制非致命武器的理想选择[3],最具代表性的当属美国、欧洲国家和中国。

1.1 美国 美国是研究激光武器最为成熟的国家[4],在20世纪80年代便将针对眼部作用的激光武器发展成熟,并在陆海空各个兵种中大量装备使用,主要分为车载式、机载式和单兵携带式[4]。最早研制的车载式武器被称为“槲鸡(Roadrunner)”,是将高功率二氧化碳激光器与Nd:YAG激光器组合装在一辆车上,可倍频输出532 nm波长的激光,用于损伤光电设备或人眼,但由于装备的总质量与成本过高,该武器于1983年被淘汰;之后,美军在“槲鸡”的基础上,陆续研发了“魟鱼(Stingray)”“美洲虎(Jaguar)”和“侍卫(Outrider)”,由于采用板条状的Nd:YAG激光器,大大改善了光束质量,可输出波长为1064 nm的激光,破坏光电设备的最远距离可达8 km,更能伤害更远处的人眼。其中作为基础的“魟鱼”系统曾经被部署计划安装在布雷德利战车上用于参与“沙漠风暴”军事行动,但由于地上范围的战争结束过早而未能真正投入使用;《太空探索》2010年第7期报道,美国将数套绿色激光武力增强套件部署到阿富汗,作为附件安装在悍马车上使用来对其进行作战评估。该系统发出的宽束激光可远距离威慑人群,暂时中断人员视觉,达到驱散人群的目的。

机载式武器主要有“浮雕宝石-蓝鸦(Cameo Bluejay)”“花冠王子(Coronet Prince)”“罗盘锤”高级光学干扰吊舱,它们采用板条式脉冲Nd:YAG激光器,输出波长为532 nm或1064 nm,可装载到飞机上;或者与炮火闪光探测器结合,用于致盲地面上的高射炮手和敌方飞机上的驾驶员。

公开的单兵携带式武器有三种,一种是AN/PLQ-5,由洛克希德-桑德斯公司开发,采用灯泵钕玻璃激光器或变色宝石激光器,输出700～1064 nm的短波近红外激光,安装在M16A2步枪上使用,作用距离超过2 km,可暂时致盲人眼,探测并干扰光电传感器,已在美军的轻步兵、装甲部队、高机动部队和特种部队服役;第二种新型单兵携带式激光步枪名为“人员拒止与闪光效应(PhaSR)”,于2005年11月向外界公布,由美国空军研究实验室研发而成,配有安全激光测距器和双波长系统,能够根据被攻击者所在距离自动调节输出能量并穿透针对一定激光波长的激光护目镜,使敌人在激光照射下暂时失明,无法分辨方向[5]。最后一种是由B.E.Meyers公司制造的LA-9/P激光炫目器,已配备美国海军陆战队和原驻伊部队,在夜间的炫目作用距离为4 km、白天为1.5 km,在伊拉克战争中被大量投入使用[6]。

1.2 欧洲国家 欧洲国家激光技术与激光武器的发展势头也十分凶猛,主要是俄罗斯(前苏联)与英国。俄罗斯(前苏联)在冷战时期便多次利用激光武器对西方侦察机的飞行员进行干扰;之后在FSY-1型坦克上安装了“拉瑟”激光致盲武器系统,该系统可利用“猫眼效应”搜索目标,然后打击、损伤敌方监测人员的眼睛。2005年展览了一种单兵可携式激光武器,在对目标进行搜索时,发出波长为860 nm的弱激光;对目标发动攻击时,发射的则是532 nm或1064 nm的强激光,这种武器可有效识别玻璃、眼镜等物体的反射光线,从而避免系统做出错误的反应,更有效地发挥自身杀伤作用[7]。

英国在现代局部战争中使用非致命激光武器的时间是最早的,曾经在1982年的英阿马岛战争中,使用作用距离约为2.75 km的舰载Nd:YAG倍频激光炫目器,可使敌方驾驶员的眼睛受到严重损伤而放弃攻击;2012年,英国光电安防系统公司开发出用于镇压暴乱的SMU100激光眩目器,可发射直径为3 m的闪烁式激光束,用于群体控制[7]。

1.3 中国 中国激光武器的发展起步较晚,与发达国家相比还有不小差距。2008年,武警工程学院研制出了国内第一个车载非致命激光武器,能够在500 m距离处投送直径为13 m的光斑,为中、远距离处置突发事件提供了新的选择。2012年,武警工程大学研制出了ZQ-1型激光手枪,具有无线电防盗安全系统和超声波测距系统,当作用距离小于设定时,激光器会自动关闭。2014年,雄鹰集团展览了PY131A型激光器,可发射直径为20～30 cm的激光束,大大提高了武器的精准度,且作用后使目标产生60 s内的短暂失明,不会产生不可逆伤害[7]。

2 致视网膜损伤机制

非致命激光武器多是利用激光直射人眼,通过损伤敌方的视网膜,造成视觉功能下降,降低人员战斗力,从而使敌方失去军事作战的能力。科研人员利用各类激光器,研究了恒河猴、待摘除黄种人眼与青紫蓝灰兔眼等的损伤效应,并与激光造成的眼部意外损伤事故相结合,基本掌握了激光对眼部的损伤规律与特点,主要分为热损伤与化学损伤[8, 9]。

2.1 热损伤 人体眼部具有可聚焦光线的屈光介质,能够使到达视网膜部位的可见光(400～700 nm)与近红外激光(700～1400 nm)的能量强度提高5个数量级,大大降低了损伤阈值,仅仅需要很小的能量,仅为毫瓦或微焦耳级,便能够造成巨大的损伤[10]。其中又以532 nm左右的蓝绿色激光对人眼最为敏感,同等能量下造成的伤害程度最大。同时,视网膜的色素上皮细胞中富含大量的色素颗粒,尤其是黑色素,导致对激光的吸收率大大提高,当它吸收激光能量后,通过热传导效应或热致机械效应会破坏周围的视锥和视杆细胞,从而造成机体明暗视觉功能受损,甚至丧失[11]。

除激光武器的输出波长外,激光的脉冲宽度也是影响眼部损伤的一个重要因素,脉冲宽度表示每次输出激光持续的时长,在激光能量一定的情况下,脉冲宽度越窄,能量的峰值越高,对眼部造成的损伤越严重[12],因此,较长的脉冲宽度成为非致命激光武器的一般选择,这样有利于减少受害者的不可逆性损伤。

早期研究者们进行激光武器对眼部热损伤的研究时,多是研究激光对眼部造成损伤的剂量阈值,使用的检测仪器为眼底照相机或裂隙灯,能够宏观观测视网膜的受伤程度。褚仁远等[13]使用YAG激光(λ=1064 nm)对青紫蓝灰兔与恒河猴眼部做了照射实验,并利用加权直线回归方法统计计算了兔眼及猴眼的损伤阈值,实验结果得出如下结论:(1)相同的能量输出下,照射功率对损伤阈值的贡献率要大于照射时间;(2)照射条件(照射时间、激光状态)相同情况下,恒河猴眼睛的损伤阈值比兔眼的高。陈虹霞等[14]将光斑直径为2 mm的532 nm激光设置成7种不同能量密度(90～150 J/cm2)对家兔眼睛直接照射,并利用检眼镜观察视网膜的损伤效应及阈值,发现532 nm激光致家兔视网膜损伤的阈值为119.7 J/cm2。之后该团队又以新西兰白兔和青紫蓝灰兔为实验对象,探究了630 nm激光对兔视网膜的损伤阈值,发现青紫蓝灰兔的视网膜损伤阈值较小,得出视网膜中黑色素的含量对激光致视网膜损伤阈值影响较大的结论[15]。施东雯等[16]利用578 nm的激光照射新西兰白兔和青紫蓝灰兔,得出与上述一致的结论。Schuster等[17]使用4组不同功率密度比,即7/1、1/1、1/3、0/1的532 nm和860 nm的混合可见光与近红外激光同时照射成年恒河猴灵长类动物,来探究复合激光照射条件下视网膜损伤的阈值,实验结果显示860 nm近红外激光辐射的安全裕度要略高于532 nm可见激光的辐射。

另外,在眼部的伤势检测中,相较于眼底照相,血管荧光造影与光学相干断层成像(optical coherence tomography, OCT)在某些方面显现出明显优势。施东雯等[18]观察了不同功率密度下,578 nm黄色激光引起的灰兔视网膜的改变,并分别利用眼底照相与眼底血管荧光造影的方法探讨激光对视网膜的生物效应,发现与眼底照相相比,眼底血管荧光造影检测到的损伤阈值并无明显差别,但更有利于了解激光对视网膜的生物作用,锁定出血范围,分析激光损伤的演变过程与判定新生血管的生成等。施磊等[19]使用532 nm激光器对青紫蓝灰兔的眼部进行致伤实验,并利用眼底照相与OCT对其致伤效应进行生物学角度的评估,发现激光对眼组织的损伤并不一定会在照射后的第一时间变现,部分伤情会随着时间的推移而逐渐加重;且OCT能发现眼底图像无法察觉的组织损伤,推荐研究者们评估激光对眼部的致伤效应时,在眼底照相宏观评判的基础上,再辅以OCT进行量化断定。

2.2 化学损伤 人眼视觉的产生是由光敏视色素的光化学反应所引起的,正常情况下,光敏视色素吸收光子后会被漂白产生色觉,这些色素又会经过一系列粒子碰撞和散射后释放能量被还原,以此方式保持漂白和还原的动态平衡,从而持续不断地产生不同种类的色觉[20]。但是,当较强激光突然出现在视野中时,光敏视色素被大量漂白,不能得到及时的还原,导致上述平衡被打破,造成一定的化学损伤。同时,视网膜还可能伴随有光感受器与色素上皮细胞凋亡等生理反应,相互作用下致使人体产生不舒适的光亮感,在短时间内出现视物模糊、能见度降低、视力下降,甚至引起恶心、头晕目眩和短暂失明等症状,因此也被称为激光致眩效应[21],但在移除激光或光亮后,症状会很快消失。

激光对眼部的致眩效果与视觉靶标的亮度和所处环境的光亮度关系十分密切,通常视觉靶标与周围环境的光亮度越低,致眩的效果越强,因而此种原理的激光武器在夜间使用的效果最佳[22]。与暗环境对比,波长为532 nm的蓝绿色激光对于感光视色素来说最为敏感,最常被使用在此类武器上。

进入21世纪以来,除进行激光武器对眼部造成器质性病变研究外,激光致眩效应的研究也愈加受到重视。肖瑞等[23]以恒河猴、青紫蓝灰兔为实验对象,研究不同背景光照度条件下激光对眼部的致眩效应,通过视网膜电流图描记法监测致眩现象并采用眼底照相来观察视网膜的变化情况,发现提高激光剂量、降低背景亮度会延长眼部致眩现象;同等条件下,猴眼的致眩阈值要高于兔眼,且激光致眩效应不会对眼部造成器质性损伤。杨在富等[24]将青紫蓝灰兔、新西兰白兔和健康成年人作为受试者,利用红、蓝、绿三色激光致眩效应对视觉功能抑制进行研究,得出结论:三色激光对兔眼的视觉功能抑制效果与视杆细胞(暗视觉)的光谱敏感度匹配;对人眼的效果则与视锥细胞(明视觉)的光谱敏感度匹配。Williamson等[25]对人类受试者进行了试验,来量化八种不同激光波长(458～647 nm)和环境亮度(0.1～10 000 cd/m2)下激光致眩的严重程度。14位受试者暴露在600 μW/cm2的辐照水平下,被要求在距激光轴高达31.6°视角的不同偏心率下识别视标的方向,最终生成了能够用于各种激光安全应用,包括估计最大眩光暴露和标称眩目距离值的数据模型。

3 致视网膜损伤的防护

随着非致命激光武器的快速发展与广泛应用,激光武器防护方面的研究也愈加受到重视。如今的研究主要针对防护标准与护目镜。

3.1 防护标准 各国针对激光安全防护,建立颁布了一系列的激光防护标准,如我国《激光产品的辐射安全、设备分类、要求和用户指南》国家标准、《军用激光器危害的控制与防护》和《激光安全防护术语》国家军用标准等,详细规定了激光器的危害类型、人员操作方式与激光照射限制,是评定激光辐射对人体是否有害的唯一标准[26]。然而现行标准对激光非致命武器防护并不适用,有机构已对激光致眼部损伤阈值进行实验汇总,武器防护规范甚至标准有望在不远的将来出台。

3.2 护目镜 从防护原理来看,目前的激光护目镜材料分为反射式、吸收式、复合式和非线性式。

3.2.1 反射式护目镜 利用反射原理,主要是通过膜系设计与镀膜工艺,在玻璃或者树脂做的镜片镀上多层氧化膜。膜层会产生干涉作用,从而反射一定波段范围的光,使得设计波段范围的光无法穿透镜片射入人眼,因为反射镜不会吸收能量,所以此种护目镜的抗激光损伤阈值较高,提高了人体防护的安全性;同时,这种镜片具有光锐截止性,在防护同时不影响对周围环境的正常观察。美中不足的是防护视角有限,一般只在镜面法线20°以内的范围具有防护作用,随着激光入射角的增大,防护作用会逐渐降低,直至消失[27]。

3.2.2 吸收式护目镜 将能够吸收某一波段的激光吸收剂添加到介质中,在激光来临时,利用吸收剂吸收激光能量,使激光能量减弱来保护人眼。吸收式护目镜的基质材料主要有两种,一种是塑料基质。在树脂中加入激光吸收剂,可以同时吸收防护多波段激光;但其吸收谱带较宽,可见光透过率低,会影响对周围环境的观察,且材料耐用性较差,在长时间激光照射后易发生漂白现象[28]。另一种是玻璃基质。此种材料克服了塑料基质材料耐用性的问题,但其加工的成本较高。因为吸收式护目镜通过吸收激光能量达到防护目的,吸收的能量必然会转化为热能,所以材料的抗激光损伤阈值相比反射式护目镜较小[29, 30]。

3.2.3 复合式护目镜 将反射型和吸收型材料同时复合在同一基质上,使护目镜同时拥有反射型与吸收型的优点。可以在可见光区间采用反射型,紫外与红外区间采用吸收型,能够在维持防护效果的同时保证对周围环境的观察,但制作成本较高,不易推广。

3.2.4 非线性护目镜 非线性材料激光防护的发展基于1967年Leite等[31]发现的光限幅现象,这种材料对光强和波长极为敏感,体现在当波长一致的情况下,弱光照射时吸收少,呈高透射特点;强光照射时吸收多,呈低透射特点,以此来保证对激光的防护效果,且不会影响人员视野[32]。

非致命激光武器是用于控制人群,防止冲突的人体致伤类武器。尽管人们已经在动物视网膜损伤与防护方面做了大量研究,但如何将动物身上的研究成果转移到人体身上仍是一个巨大的挑战。当前实验多以眼部构造、性质和人体相差不大的兔与猴作为实验对象,下一步可能与人体视网膜类器官结合,使研究成果具有进一步的说服力。