Гольмиевые лазеры, излучающие на длине волны два микрометра, стали незаменимыми помощниками в медицине. Они способствуют быстрому заживлению ран, эффективно удаляют опухоли и дробят камни в почках. Для формирования их луча необходим другой лазер – обычно иттербиевый (1125 нм), который выполняет роль источника накачки. Однако сбои в процессе оптической накачки приводят к ослаблению луча. Вместо четких импульсов возникает нестабильное "рваное" излучение, представляющее опасность для тканей пациента, а избыточная энергия повреждает само лазерное волокно.
Риски для хирургических вмешательств
Некорректная работа системы грозит замедлением или полным прекращением работы лазера. Подобные ситуации абсолютно недопустимы во время операций на открытых органах, таких как удаление почечных камней или опухолей, где каждая минута под наркозом имеет критическое значение.
Цифровое моделирование как решение
– Надежная работа лазерных систем зависит от множества параметров: длины активного волокна, концентрации ионов, характеристик резонатора, – поясняет Мария Ременникова, начальник лаборатории медицинских лазеров ПНППК. – Экспериментальный подбор каждого фактора требует огромных затрат времени и ресурсов. Математическое моделирование, создание "цифрового двойника" лазера, позволяет заранее определить оптимальные настройки, предсказать мощность, КПД и стабильность работы.
Уникальная модель для непрерывного режима
Хотя модели для импульсных лазеров (например, для удаления татуировок) существуют, режим длительного непрерывного воздействия средней мощности, столь востребованный в медицине, требовал особого подхода. Ученые ПНИПУ и ПНППК разработали точную цифровую модель, соответствующую реальному иттербиевому волокну. Ее цель – выявить параметры, гарантирующие бесперебойную работу лазера и исключающие риски для пациента.
Оптимальные параметры для надежности
– Наша модель позволяет точно рассчитать идеальную длину волокна и коэффициент отражения света, – делится результатами Илларион Никулин, доцент кафедры общей физики ПНИПУ, д.т.н. – Моделирование показало: для достижения максимальной мощности иттербиевого лазера на 1125 нм оптимальная длина волокна составляет девять метров, а коэффициент отражения должен быть в диапазоне 20-30%. Эти значения обеспечат эффективную накачку гольмиевого лазера и предотвратят его отказ в самый ответственный момент операции.
Преимущества и перспективы разработки
Цифровая модель от ПНИПУ и ПНППК открывает путь к созданию иттербиевых лазеров с заранее заданными, оптимальными характеристиками. Соблюдение рассчитанных параметров гарантирует пиковую мощность накачки и стабильную работу гольмиевого лазера. Это значительно повышает безопасность хирургических вмешательств, сводя к минимуму риск опасныхбоев или внезапных отключений оборудования.
Кроме повышения надежности, модель существенно удешевляет производство, устраняя необходимость в многочисленных дорогостоящих экспериментах. Точность прогнозирования поведения волоконного лазера достигает впечатляющих 90%, что подтверждается практическими испытаниями с погрешностью всего в 10%.
Источник: naked-science.ru
