Die Art der Wirkung von Laserstrahlung auf biologisches Gewebe ist abhängig von Wellenlänge, Intensität und Bestrahlungsdauer und von den Eigenschaften des Gewebes, die eine unterschiedliche Reflexion, Streuung und Absorption der Strahlung zur Folge haben.

Wasser absorbiert optische Strahlung vor allem im UV- und längerwelligen Infrarotbereich. Da biologisches Gewebe in der Regel sehr viel Wasser enthält, wird demnach die kurzwellige und langwellige Laserstrahlung sehr stark absorbiert. Im Bereich des sichtbaren Lichts und des nahen Infrarots wird die Absorption durch das Hämoglobin und das Melanin (brauner Hautfarbstoff) bestimmt.

Art und Stärke der Gewebsreaktion hängen im Wesentlichen von der Bestrahlungsdauer und der Bestrahlungsstärke ab

Bei relativ langen Bestrahlungsdauern im Minutenbereich und Bestrahlungsstärken im Bereich von Watt pro Quadratzentimeter werden sogenannte photochemische Wirkungen ausgelöst. Im Bereich des sichtbaren oder infraroten Lichts können bestimmte biologische Moleküle die auftreffende Laserstrahlung absorbieren. Die Moleküle werden angeregt und geben ihre Energie zum Beispiel an Sauerstoff-Moleküle ab, wodurch sehr reaktionsfreudige Radikale gebildet werden, die dann andere biologische Substanzen (wie zum Beispiel die Erbsubstanz (DNA) oder Proteine) schädigen können. Laserstrahlung im UV-Bereich kann auch direkt eine Schädigung der DNA hervorrufen. Werden solche Schäden nicht repariert, können sie zu bleibenden Veränderungen des Erbguts (Mutationen) führen und langfristig das Krebsrisiko erhöhen.

Bei mittleren bis kurzen Bestrahlungszeiten im Bereich von einigen Sekunden bis zu Millisekunden und Bestrahlungsstärken im Bereich von wenigen Watt pro Quadratzentimeter bis zu etwa 1 Megawatt pro Quadratzentimeter (1 Megawatt pro Quadratzentimeter = 1.000.000 Watt pro Quadratzentimeter) sind - je nach Bestrahlungsdauer - thermische Effekte zu beobachten. Diese reichen von einer leichten Erwärmung des Gewebes über die Denaturierung von Eiweiß, Verkochen des Wassers im Gewebe und in den Zellen bis zur Verkohlung und Schwarzfärbung des Gewebes. Aufgrund der Wärmeleitung wird auch das Gewebe außerhalb des eigentlichen Zielvolumens der Strahlung mehr oder weniger schnell erwärmt und dadurch möglicherweise geschädigt. Diese thermische Wirkung wird beispielsweise in der Laserchirurgie therapeutisch eingesetzt.

Bei sehr kurzen Bestrahlungsdauern von Nano- bis Mikrosekunden und Bestrahlungsstärken im Bereich von Megawatt pro Quadratzentimeter bis 1 Gigawatt pro Quadratzentimeter (1 Gigawatt pro Quadratzentimeter = 1.000 Megawatt pro Quadratzentimeter) "verdampft" das Gewebe, es wird praktisch explosionsartig abgetragen. Das umliegende Gewebe wird dabei kaum erwärmt. Gezielt angewandt wird diese Wirkung zum Beispiel in der Augenheilkunde zur Behandlung von Augenfehlern.

Noch höhere Bestrahlungsstärken im Bereich zwischen Gigawatt pro Quadratzentimeter und Terawatt pro Quadratzentimeter (1 Terawatt pro Quadratzentimeter = 1.000 Gigawatt pro Quadratzentimeter) führen im Gewebe zur Bildung von Plasma (freie Elektronen und Ionen). Dieses dehnt sich in unvorstellbar kurzer Zeit aus und fällt wieder zusammen. Dadurch entsteht eine Schockwelle, die sich ausbreitet und Gewebe mechanisch zerstört. Diese Wirkung der Laserstrahlung ist Grundlage für die Zertrümmerung von Nieren- oder Gallensteinen (die sogenannte "Lithotripsie").

Aufgrund seiner besonderen optischen Eigenschaften ist das Auge besonders empfindlich gegenüber optischer Strahlung und demnach auch gegenüber Laserstrahlung.

Sehvermögen

Für das Sehvermögen des Auges ist die Strahlung im sichtbaren Bereich von besonderer Bedeutung, da diese Strahlung durch Hornhaut, Linse und Glaskörper hindurch bis auf die Netzhaut gelangt. Auch die kurzwellige Infrarot-Strahlung (IR-A, "nahes Infrarot") erreicht die Netzhaut. Strahlung im UV- und fernen Infrarotbereich wird dagegen bereits von der Hornhaut oder der Linse absorbiert.

Fokussierung des Lichts

Besonders zu beachten sind die Abbildungseigenschaften des Auges, die eine starke Bündelung (Fokussierung) des sichtbaren Lichtes und des nahen Infrarotlichtes zur Folge haben. Dadurch werden parallele Lichtstrahlen, wie sie bei der Laserstrahlung vorliegen, auf einen Punkt der Netzhaut fokussiert. Dieser Effekt ist vergleichbar mit dem "Brennglaseffekt" einer Lupe in der Sonnenstrahlung. Dadurch wird die ohnehin meist schon sehr hohe Leistungsdichte des Laserstrahls an der Netzhaut nochmals um einen Faktor in der Größenordnung von 10.000 bis 500.000 erhöht. Dies bedeutet, dass ein Laserstrahl, der auf der Hornhaut mit einer Bestrahlungsstärke von 25 Watt pro Quadratmeter ankommt, auf der Netzhaut eine Bestrahlungsstärke von bis zu 12,5 Megawatt pro Quadratmeter erreichen kann.

Netzhautschäden

Als Folge davon können mehr oder weniger gravierende Schäden an der Netzhaut auftreten. Meist nicht bemerkt werden kleine Stellen auf der Netzhaut, an denen Blut koaguliert (geronnen) ist und Blutkapillaren geschädigt sind. Sind diese Stellen jedoch größer oder häufen sich in einem Bereich, so führt dies zu Ausfällen im Gesichtsfeld. Außerdem können auch Ablösungen von Teilen der Netzhaut oder massive Blutungen im Augapfel erfolgen. Besonders schwerwiegend ist eine Schädigung durch Laserstrahlung am Fleck des schärfsten Sehens, dem gelben Fleck, da dann sowohl das Scharfsehen als auch das Farbsehvermögen stark verringert werden oder sogar ganz ausfallen können. Wird der sogenannte blinde Fleck, das heißt die Einmündung der Sehnerven in die Netzhaut, von einem Laserstrahl geschädigt, kann dies eine völlige Erblindung nach sich ziehen.

Hornhaut- und Bindehautschäden

Laserstrahlung im UV-Bereich wirkt sich dagegen bevorzugt auf die Horn- und Bindehaut und die Linse aus. Bei relativ niedrigen Strahlungsintensitäten kommt es zu sehr schmerzhaften Entzündungen der Hornhaut (Photokeratitis) und der Bindehaut (Photokonjunktivitis). Bei höheren Strahlenintensitäten können reversible Hornhauttrübungen und ab circa 50 Kilojoule pro Quadratmeter irreversible Hornhaut- und Linsentrübungen (Katarakte) auftreten.

Im Bereich des längerwelligen Infrarotlichts sind ebenfalls Katarakte möglich, ab einer Wellenlänge von circa 2.500 Nanometer wird nur noch die Hornhaut geschädigt.

Im Allgemeinen verträgt die Haut eine deutlich höhere Intensität an Laserstrahlung als das Auge. Die Eindringtiefe der Strahlung und damit auch die Wirkung auf die unterschiedlichen Hautschichten hängen stark von der Wellenlänge ab.

Im UV- und fernen Infrarotbereich absorbiert die Haut sehr stark, so dass Wirkungen im Wesentlichen auf die obersten Hautschichten begrenzt sind. Im sichtbaren und nahen Infrarotbereich ist dagegen die Eindringtiefe der Strahlung relativ hoch, so dass sogar Schädigungen der Unterhaut auftreten können.

Gesundheitliche Wirkungen sind von Bestrahlungsdauer und Bestrahlungsstärke abhängig

In Abhängigkeit von Bestrahlungsdauer und Bestrahlungsstärke ergeben sich unterschiedliche gesundheitliche Auswirkungen: Bei eher niedriger Bestrahlungsstärke und -dauer treten im UV-Bereich Erytheme (Hautrötung beziehungsweise "Sonnenbrand") auf, im sichtbaren Bereich sind verschiedene photochemische und thermische Reaktionen zu beobachten und im infraroten Bereich treten mit zunehmender Wellenlänge nur noch thermische Wirkungen auf. Bei höheren Leistungen können die Verbrennungen zu starker Blasenbildung und späterer Vernarbung führen.