Die gesundheitlichen Auswirkungen der Laserstrahlung sind ähnlich wie bei normaler optischer Strahlung. Sie hängen stark von der Wellenlänge der Strahlung ab. Der Wellenlängenbereich der Laserstrahlung erstreckt sich von etwa 10 000 nm bis etwa 200 nm, d. h. vom Infrarotbereich über das sichtbare Licht bis zum kurzwelligen UV. Da die Eindringtiefe der Strahlung in biologisches Gewebe relativ gering ist, sind bei einem unbeabsichtigten Einwirken von Laserstrahlung beim Menschen vor allem die Haut und die Augen betroffen. Für die Augen bestehen aufgrund ihrer optischen Eigenschaften besondere Gefahren. Die speziellen gesundheitlichen Gefahren von Lasern begründen sich vor allem in der sehr hohen Leistungsdichte und der starken Bündelung des Laserstrahls.

Wirkung von Laserstrahlung auf biologisches Gewebe

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.

Die Art und Stärke der Gewebsreaktion hängt im wesentlichen von der Bestrahlungsdauer und der Bestrahlungsstärke ab:

Bei relativ langen Bestrahlungsdauern im Minutenbereich und Bestrahlungsstärken im Bereich von W/cm² (Watt pro Quadratzentimeter) werden sog. 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 z. B. an Sauerstoff-Moleküle ab, wodurch sehr aggressive Radikale gebildet werden, die dann andere biologische Substanzen (wie z. B. die Erbsubstanz (DNA) oder Proteine) schädigen können. Laserstrahlung im UV-Bereich kann auch direkt eine Schädigung der DNA hervorrufen (siehe auch Wirkungen von UV-Strahlung). Derartige Schädigungen der DNA können krebsauslösend wirken.

Bei mittleren bis kurzen Bestrahlungszeiten im Bereich von einigen Sekunden bis zu Millisekunden (ms) und Bestrahlungsstärken im Bereich von wenigen W/cm² bis zu etwa 1 MW/cm² (Megawatt pro Quadratzentimeter = 1 000 000 W 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 in der Laserchirurgie therapeutisch eingesetzt (siehe auch Anwendung in der Medizin).

Bei sehr kurzen Bestrahlungsdauern von ns (Nanosekunden) bis µs (Mikrosekunden) und Bestrahlungsstärken im Bereich von MW/cm² bis 1 GW/cm² (Gigawatt pro Quadratzentimeter = 1000 MW pro Quadratzentimeter) "verdampft" das Gewebe, es wird praktisch explosionsartig abgetragen. Das umliegende Gewebe wird dabei kaum erwärmt. Gezielt angewandt wird diese Wirkung z. B. in der Augenheilkunde zur Behandlung von Augenfehlern (siehe auch Anwendung in der Medizin).

Noch höhere Bestrahlungsstärken im Bereich zwischen GW/cm² und TW/cm² (Terawatt pro Quadratzentimeter = 1000 GW 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 sog. Lithotripsie, siehe auch Anwendung in der Medizin).

Wirkungen am Auge

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

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. Strahlung im UV- und fernen Infrarotbereich wird dagegen bereits von der Hornhaut oder der Linse absorbiert.

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 W/m² ankommt, auf der Netzhaut eine Bestrahlungsstärke von bis zu 12,5 MW/m² erreichen kann.

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 ist und Blutkapillaren geschädigt sind. Sind diese Stellen jedoch größer oder häufen sich in einem Bereich, so führt dies zu Ausfällen im Gesichtsfeld. Außerdem kann auch eine Ablösung von Teilen der Netzhaut oder massive Blutungen im Augapfel erfolgen. Besonders schwer wiegend 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, d. h. die Einmündung der Sehnerven in die Netzhaut von einem Laserstrahl geschädigt, kann dies eine völlige Erblindung nach sich ziehen.

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 ca. 50 kJ/m² irreversible Hornhaut und Linsentrübungen (Katarakte) auftreten.

Im Bereich des längerwelligen Infrarotlichts sind ebenfalls Katarakte möglich, ab einer Wellenlänge von ca. 2500 nm wird nur noch die Hornhaut geschädigt.

Wirkungen auf die Haut

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 hängt 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.

In Abhängigkeit von Bestrahlungsdauer und Bestrahlungsstärke ergeben sich unterschiedliche gesundheitliche Auswirkungen: Bei eher niedriger Bestrahlungsstärke und -dauer treten im UV-Bereich Erytheme (Hautrötung bzw. "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.