La luz se ralentiza y su longitud de onda se acorta cuando entra en un componente óptico o medio biológico, mientras que su frecuencia permanece prácticamente inalterada. La velocidad de propagación es (v=c/n), y la longitud de onda dentro del medio es (\lambda=\lambda_0/n), donde (n) es el índice de refracción y (\lambda_0) es la longitud de onda en el vacío. Por lo tanto, la luz a 1064 nm en el vacío tiene una longitud de onda de aproximadamente 800 nm en un medio con (n=1.33), como el tejido rico en agua.
El medio cambia la velocidad y la longitud de onda de la luz, no su frecuencia. Estos cambios afectan al enfoque del haz, la refracción, la entrega de energía y la profundidad a la que la luz láser es absorbida o dispersada en la piel.
Cómo cambia la luz en el límite de un material
La velocidad de propagación disminuye
En el vacío, la luz viaja a aproximadamente (3.00\times10^8) m/s. En un material, su velocidad de fase se reduce según:
[ v=\frac{c}{n} ]
Por ejemplo:
- Vidrio de cuarzo, (n\approx1.46): la luz viaja a aproximadamente el 68.5% de su velocidad en el vacío.
- Agua, (n\approx1.33): la luz viaja a aproximadamente el 75.2% de su velocidad en el vacío.
Cuanto mayor sea el índice de refracción, más lentamente se propaga la onda a través de ese material.
La frecuencia permanece constante
Cuando la luz cruza del aire al cuarzo, agua o tejido, su frecuencia normalmente permanece continua a través del límite. Las oscilaciones no pueden cambiar de frecuencia abruptamente simplemente porque la onda haya entrado en un nuevo medio.
Esta es la razón por la que cambia la longitud de onda: debido a que (v=\lambda\nu), una velocidad menor con la misma frecuencia requiere una longitud de onda más corta.
La longitud de onda se vuelve más corta dentro del medio
La longitud de onda en un medio no absorbente es:
[ \lambda_{\text{medio}}=\frac{\lambda_0}{n} ]
Para un láser Nd:YAG de 1064 nm:
- En vacío o aire: aproximadamente 1064 nm
- En agua con (n=1.33): aproximadamente 800 nm
- En cuarzo con (n=1.46): aproximadamente 729 nm
El láser sigue identificándose convencionalmente como un láser de 1064 nm, porque las especificaciones de longitud de onda del láser generalmente se refieren a la longitud de onda en el aire o el vacío. El valor más corto describe su longitud de onda mientras se propaga dentro del material.
Qué sucede en los componentes ópticos
Las ventanas de cuarzo y las guías de luz alteran la trayectoria del haz
El cuarzo, la sílice fundida, el zafiro y otros materiales ópticos pueden cambiar la dirección de un haz a través de la refracción. La cantidad de desviación depende de la diferencia del índice de refracción entre el medio circundante y el componente.
Esto es particularmente importante en las piezas de mano láser que contienen:
- Guías de luz
- Ventanas protectoras
- Lentes de enfoque
- Placas de enfriamiento por contacto
- Componentes de entrega por fibra óptica
Las interfaces pueden cambiar la posición focal
Un sistema de enfoque diseñado para el aire puede no enfocar exactamente en la misma ubicación física cuando se introduce una ventana o una interfaz de contacto líquido. El índice de refracción cambia la longitud del camino óptico y puede desplazar la cintura del haz o el plano focal.
En los sistemas clínicos, esto afecta la ubicación real de la fluencia máxima y la irradiancia máxima dentro de la piel.
También ocurre la reflexión
En cada límite de índice de refracción, una parte de la luz se refleja. El resto se transmite y se refracta.
La reflexión no deseada puede reducir la energía entregada, crear pérdidas ópticas y producir deslumbramiento o riesgos de seguridad. Por lo tanto, se utilizan recubrimientos ópticos e interfaces de contacto cuidadosamente seleccionadas para mejorar la transmisión.
Qué sucede en el tejido biológico
La piel no es ópticamente uniforme
El tejido biológico es un medio heterogéneo que contiene agua, colágeno, lípidos, sangre, melanina, células e interfaces de aire o fluido. En consecuencia, no tiene un índice de refracción universal para todas las profundidades y longitudes de onda.
A menudo se utiliza una aproximación práctica basada en tejido rico en agua, pero la propagación real depende de la composición del tejido, la hidratación, la longitud de onda y la estructura.
La onda se ralentiza y su longitud de onda local se acorta
A medida que la luz láser entra en el tejido cutáneo denso en agua, su velocidad de fase disminuye en relación con el aire. Su longitud de onda dentro del tejido también se vuelve más corta aproximadamente en función del índice de refracción local.
Sin embargo, esta longitud de onda local no debe confundirse con la profundidad de penetración clínica. La longitud de onda describe el período espacial de la onda electromagnética; la profundidad de penetración describe qué tan lejos persiste la intensidad útil antes de que la absorción y la dispersión la reduzcan sustancialmente.
La dispersión cambia la dirección de propagación
La piel hace que los fotones se dispersen porque sus estructuras microscópicas tienen diferentes propiedades ópticas. La dispersión redirige la luz, ensancha el haz y reduce la cantidad de energía que viaja a lo largo de la trayectoria original.
Las longitudes de onda visibles más cortas generalmente experimentan una dispersión tisular más fuerte que las longitudes de onda del infrarrojo cercano más largas. Esta es una de las razones por las que las longitudes de onda más largas a menudo pueden llegar a estructuras dérmicas más profundas.
La absorción determina dónde se deposita la energía
La absorción convierte la energía óptica en calor o, a densidades de energía suficientemente altas, provoca la vaporización o ablación del tejido. Los cromóforos importantes incluyen:
- Melanina, relevante para objetivos de pigmento y vello
- Hemoglobina, relevante para objetivos vasculares
- Agua, central para tratamientos de rejuvenecimiento y ablativos
La longitud de onda seleccionada determina qué cromóforo absorbe con mayor fuerza. Por lo tanto, la longitud de onda afecta no solo a la propagación, sino también a la ubicación y magnitud de la deposición térmica.
Por qué la longitud de onda es importante clínicamente
Las longitudes de onda más cortas tienden a ser más superficiales
La luz láser visible y de longitud de onda más corta se ve afectada más fuertemente por la dispersión y la absorción de la melanina epidérmica y la hemoglobina dérmica. Por lo tanto, su energía a menudo se concentra más cerca de la superficie.
Esto puede ser ventajoso cuando el objetivo es superficial, pero también aumenta la importancia de la protección epidérmica y la absorción relacionada con la melanina.
Las longitudes de onda más largas pueden llegar a objetivos más profundos
Las longitudes de onda del infrarrojo cercano generalmente experimentan menos dispersión que las longitudes de onda visibles más cortas. Por lo tanto, se pueden seleccionar sistemas que utilicen longitudes de onda como aproximadamente 755, 808 o 1064 nm cuando los folículos más profundos o las estructuras dérmicas son los objetivos previstos.
La profundidad no está determinada solo por la longitud de onda. La absorción, la dispersión, la duración del pulso, el tamaño del punto, la fluencia, la composición del tejido y el enfriamiento influyen en el efecto final del tratamiento.
Las longitudes de onda fuertemente absorbidas por el agua permanecen superficiales
Las longitudes de onda de los láseres de CO₂ y erbio son fuertemente absorbidas por el agua. Debido a que la piel contiene una cantidad sustancial de agua, estas longitudes de onda depositan energía de manera eficiente cerca de la superficie tratada y son útiles para la ablación o el rejuvenecimiento controlados.
Su fuerte absorción limita la penetración óptica profunda, pero aumenta el riesgo de un calentamiento superficial excesivo si la entrega de energía no está controlada.
Comprender las compensaciones
La longitud de onda en el tejido no es la profundidad de penetración
Un error común es asumir que una longitud de onda más corta siempre viaja una distancia física más corta porque su longitud de onda es más corta. En realidad, la profundidad de penetración depende principalmente de la absorción y la dispersión, no simplemente del período espacial de la longitud de onda.
Una longitud de onda puede ser corta dentro del tejido y, sin embargo, viajar relativamente profundo si la absorción y la dispersión del tejido son bajas en esa región espectral.
Una penetración más profunda puede aumentar la exposición colateral
Los sistemas de longitud de onda más larga pueden llegar a objetivos más profundos, pero una transmisión más profunda también significa que las estructuras circundantes pueden recibir energía. La selección precisa de parámetros y el enfriamiento adecuado son necesarios para limitar las lesiones térmicas no deseadas.
El índice de refracción no es la única variable óptica
Usar un solo índice de refracción es útil para estimar la velocidad y la longitud de onda, pero no describe completamente el comportamiento del tejido. El tejido real tiene absorción y dispersión dependientes de la longitud de onda, y sus propiedades ópticas pueden cambiar con la hidratación, el contenido de sangre, la compresión y el calentamiento.
La compresión y la entrega por contacto alteran la propagación
Las ventanas de contacto, las piezas de mano de vacío o la compresión mecánica pueden cambiar el camino óptico a través del tejido. La compresión puede reducir la dispersión y desplazar la sangre de la región de tratamiento, lo que potencialmente permite que llegue más energía a objetivos más profundos.
Estos efectos deben tratarse como dependientes del sistema y del tejido en lugar de asumir que producen el mismo resultado en cada paciente o dispositivo.
Cómo aplicar esto a un sistema láser estético
La pregunta práctica no es solo qué tan rápido viaja la luz, sino a dónde va finalmente la energía entregada.
- Si su enfoque principal es el diseño de componentes ópticos: Tenga en cuenta los cambios en el índice de refracción al seleccionar ventanas, guías de luz, lentes, recubrimientos e interfaces de contacto, ya que afectan la transmisión, la reflexión, la refracción y la posición focal.
- Si su enfoque principal es la profundidad del tratamiento: Elija la longitud de onda equilibrando la dispersión del tejido y la absorción del cromóforo, recordando que las longitudes de onda más largas a menudo llegan más profundo, mientras que las longitudes de onda absorbidas por el agua actúan de manera más superficial.
- Si su enfoque principal es la seguridad térmica: Evalúe la longitud de onda junto con la fluencia, la duración del pulso, la tasa de repetición, el tamaño del punto, el enfriamiento y las propiedades ópticas del tejido en lugar de tratar la longitud de onda como el único determinante del riesgo de lesión.
- Si su enfoque principal es el objetivo clínico: Haga coincidir la longitud de onda con el cromóforo dominante (como la melanina, la hemoglobina o el agua) y verifique que la penetración resultante y el confinamiento térmico se adapten a la estructura prevista.
Comprender la distinción entre velocidad, longitud de onda y profundidad de penetración permite diseñar y operar sistemas láser con mayor precisión óptica y seguridad clínica.
Tabla de resumen:
| Medio | Índice de refracción (n) | Velocidad (v=c/n) | Longitud de onda del láser de 1064 nm |
|---|---|---|---|
| Vacío/Aire | 1.00 | 3.00×10^8 m/s | 1064 nm |
| Agua | 1.33 | 2.26×10^8 m/s | 800 nm |
| Vidrio de cuarzo | 1.46 | 2.05×10^8 m/s | 729 nm |
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