Лучшее в мире оптоволокно повысит точность лазерных скальпелей

Российские исследователи создали оптоволокно с самыми низкими в мире потерями энергии, что способствует развитию медицинских лазеров, используемых в хирургии и офтальмологии, за счет повышения их точности и мощности. Это достижение стало возможным благодаря устранению производственных дефектов и глубокой очистке волокон от посторонних примесей. Хирурги особо заинтересованы в таких улучшениях, поскольку лазерные скальпели применяются в тончайших операциях, где критична точность до десятых долей миллиметра.

Ученые из Института химии высокочистых веществ имени Г.Г. Девятых Российской академии наук создали уникальное оптоволокно, превосходящее иностранные аналоги по показателю энергетических потерь в пять раз. Это волокно пригодно для разработки более мощных и точных лазеров, применяемых в микрохирургии и офтальмологии, а также для чувствительных датчиков, отслеживающих содержание таких веществ как углекислый газ, метан и аммиак в воздухе и воде. Проект получил поддержку в виде гранта Российского научного фонда.

— Достигнутые параметры оптоволокна представляют собой значимый технологический результат, который приближает нас к внедрению теллуридных световодов в практические устройства инфракрасного диапазона, начиная с лазерных скальпелей нового поколения и заканчивая спектрометрами для исследования далеких планет. Главное достижение — рекордно низкие оптические потери, а также выявленные пути их дальнейшего снижения. Мы намерены протестировать волокна в роли проводящих сред в настоящих лазерных конструкциях, — рассказал руководитель проекта, кандидат химических наук Александр Вельмужов.

Оптоволокно представляет собой тонкую стеклянную нить, которая способна передавать световые сигналы на большие расстояния. Это технология лежит в основе интернет-сетей, телевидения и защищенной передачи данных. В инфракрасном диапазоне волокна применяются в лазерных установках для точнейших офтальмологических и нейрохирургических вмешательств, позволяя направлять лазерный луч непосредственно в цель без использования громоздких систем зеркал, что гарантирует повышенную безопасность операций. Особенно востребованы в медицине и промышленности волокна, передающие инфракрасные лучи с длиной волны 9,3 и 10,6 микрометров.

Большинство подобных волокон изготавливается из стекол на основе селена, однако в процессе производства образуются микрокристаллы, приводящие к рассеиванию света и значительным оптическим потерям. Ранее этот показатель достигал около 10 дБ/м, а лучшие значения не опускались ниже 3 дБ/м. Чтобы увеличить качество волокон, ученые улучшили три главных этапа их производства.

Во-первых, они оптимизировали химический состав стекла, что не только повысило прочность волокна, но и снизило температуру формирования стеклянной нити, уменьшив возможность появления кристаллов. Во-вторых, для удаления вредных примесей был разработан новый способ глубокой очистки компонентов стекла, благодаря чему концентрация загрязнений была снижена до уровня менее 0,00001%. Наконец, ученые применили инновационный метод выдавливания волокна из стеклянного стержня через узкое отверстие на дне сосуда.

В результате этих улучшений потери на длине волны 10,6 микрометров, ключевой для широко используемых медицинских и промышленных лазеров, снизились до 0,79 дБ/м, что стало абсолютным рекордом для данного типа волокон.

— Повышение качества лазерных скальпелей крайне важно для врачей, поскольку это увеличивает точность воздействия на патологические ткани. Лазеры позволяют работать исключительно с поврежденными участками, сохраняя здоровые, — пояснил «Известиям» хирург-оториноларинголог Владимир Князьков.
Он также подчеркнул, что в офтальмологии и ЛОР-хирургии необходима точность до полумиллиметра. Стандартный инструмент имеет диаметр 2–2,5 мм, тогда как лазерный луч достигает толщины всего 0,1 мм и способен проникать в узкие разрезы. Кроме того, лазеры предоставляют хирургу возможность регулировать мощность и фокусировку луча, применять разные методы — разрезать, нагревать или испарять ткань — и комбинировать эти функции.

Эксперт МФТИ, руководитель магистерской программы «Прикладной анализ в медицинской сфере» Станислав Отставнов отметил, что технология выглядит многообещающей, так как снижение потерь позволит понизить затраты на эксплуатацию лазерного оборудования.

По его мнению, при условии, что внедрение в производство не приведет к значительному удорожанию медицинских изделий, а показатели лазеров будут соответствовать существующим системам, планы применения новой разработки вполне реалистичны.