Новости

2 апреля, 2018 13:19

Доказана способность сильно расходящегося лазерного излучения самофокусироваться в воде

Источник: Газета.ru
Российские физики экспериментально доказали способность сильно расходящегося лазерного излучения самофокусироваться в воде. Этот эффект можно использовать для создания перестраиваемых высокоэффективных источников лазерного излучения высокой пиковой мощности, что может быть востребовано при лечении заболеваний глаз. Работа выполнена в рамках гранта Президентской программы исследовательских проектов, реализуемой Российским научным фондом (РНФ), и опубликована в журнале Physical Review A.
Фото: Shutterstock

В рамках гранта РНФ ученые с физического факультета МГУ под руководством Федора Потемкина исследуют новые подходы к использованию лазерного излучения в медицинских и научных целях. Лазерное излучение может оказывать силовое воздействие на кристаллы, полупроводники, комбинированные среды, а также на такие биологические объекты, как, например, человеческий глаз.

Ученые надеются найти решение проблем, связанных с деструкцией стекловидного тела глаза – гелеподобного вещества между хрусталиком и сетчаткой. При этой патологии образующие стекловидное тело коллагеновые волокна, слипаясь, формируют непрозрачные конгломераты, приводящие к ухудшению зрения. До сих пор основным методом борьбы с ней является витрэктомия – полное удаление стекловидного тела и использование вместо него специальных заменителей, что чревато их отторжением и потерей зрения.

Альтернатива – воздействие на эти образования наносекундными лазерами с длиной волны 1,06 мкм (примерно в 50 раз меньше толщины человеческого волоса), на которую колбочки глаза, отвечающие за цветовое восприятие, не реагируют. «Холодный» лазер фокусируется вглубь глаза, нагревая строго определенное место, и все вредные конгломераты в буквальном смысле испаряются, превращаясь в пузырек воздуха. Проблема в том, что наносекундный лазер из-за высокой энергии импульсов создает большую зону повреждения. Именно поэтому ученые пытаются освоить менее инвазивные фемтосекундные лазеры для этих целей, энергия импульса в которых на несколько порядков меньше, а также разрабатывают различные методы диагностики для слежения за процессом в режиме реального времени. Если в наносекундном лазере энергия импульса составляет несколько десятков миллиджоулей, то в фемтосекундном лазере для эффективной работы необходимо создать энергии в микроджоули. Это в тысячу раз меньше, что сделает зону повреждения глаза гораздо меньше.

В своей последней работе ученые решили исследовать феномен филаментации, самофокусировки, сильно расходящегося лазерного пучка в воде — как в наиболее подходящем прототипе стекловидного тела глаза.

«Грубо говоря, при явлении филаментации поперечный размер пучка начинает меняться по определенному закону, хотя никакой фокусирующей оптики может и не быть, – пояснил Потемкин. – Благодаря этому излучение может распространяться на очень большие дистанции, практически не расходясь».

Обычно процессы филаментации ученые наблюдают при больших энергиях импульсов — порядка миллиджоулей в слабофокусированных пучках. Потемкин же с коллегами задался целью изучить возможность филаментации в остросфокусированных лазерных пучках при энергиях в микроджоули, поскольку до недавнего времени считалось, что это невозможно.

«Мы разрушили сразу два представления: что создать филаментацию в среде нельзя, используя сильно расходящиеся пучки, и тем более нельзя, используя сверхмалые энергии», – рассказал автор работы.

В эксперименте ученые светили сфокусированным лазерным пучком в прозрачный плоский сосуд с дистиллированной водой. Перемещая сосуд, они заставляли лазерный луч фокусироваться либо в 0,5 мм над поверхностью воды, а дальше расходиться в ее глубине, либо в ее толще, в 0,5 мм от ее поверхности. При помощи спектральной аппаратуры в обоих случаях изучался процесс филаментации лазерного пучка при его распространении в воде. При этом о наличии филаментации можно было судить по уширению частотного спектра прошедшего через сосуд излучения.

«Суперконтинуум – это обогащение спектра фемтосекундного излучения в центральной части пучка дополнительными частотами в процессе филаментации, когда у возникающего излучения спектр шире, чем у входного, – пояснил Потемкин. – Мы показали, что процесс филаментации возможно получить, используя остросфокусированное излучение, а работа в режиме сильнорасходящегося пучка наиболее перспективна. В этом случае мы имеем возможность управления процессом филаментации и спектром выходного излучения». Эксперимент показал, что управлять филаментацией можно, просто изменяя расстояние от точки фокуса до поверхности воды.

В экспериментальной работе принимали участие студенты из МГУ, а с теоретическим описанием зарегистрированного явления помогали коллеги из Франции.

В будущем можно ожидать использование полученного эффекта при создании коммерческих лазеров ультракороткой длительности, перестраиваемых по длине волны от видимого до среднего ИК-диапазона. Управление филаментацией лазерного излучения может найти применение в лабораторной спектроскопии, когда ученым требуется исследовать колебательный спектр различных материалов, в том числе и белков, а подстраиваясь под резонансные частоты таких молекул, они могут исследовать их свойства во времени с фемтосекундной длительностью и пространстве с микронным разрешением. Наконец, возможность создавать локализованное воздействие на определенном расстоянии от границы среды с возможностью подбора оптимальных параметров излучения и диагностикой в режиме реального времени найдет применение в офтальмологии, для которой изначально и планировались эти исследования.

Фото: экспериментальная установка. Источник: Федор Потемкин.

29 февраля, 2024
Лишайники будут выделять больше парниковых газов при изменении климата
Красноярские ученые впервые обнаружили, что лишайники, растущие на живых деревьях, при повышении в...
29 февраля, 2024
Как смочить полимер: перспективы пучково-плазменных технологий
Исследователи из МФТИ, ОИВТ РАН и ИБХФ им. Н. М. Эмануэля РАН при учас...