Российские ученые создали лучшее в мире по показателю потери энергии оптоволокно, которое позволит усовершенствовать медицинские лазеры для хирурги и офтальмологии за счет увеличения их точности и мощности. Превзойти иностранные аналоги удалось благодаря устранению дефектов при производстве волокон и очищения их от примесей. По словам хирургов, специалисты крайне заинтересованы в улучшении характеристик лазерных скальпелей, так как они применяются для самых тонких операций, в которых важна точность до десятых долей миллиметра.

Лучшее в мире оптоволокно

Специалисты Института химии высокочистых веществ имени Г.Г. Девятых РАН разработали лучшее в мире оптоволокно, которое в пять раз превосходит аналоги по показателю потери энергии. Его можно использовать для создания более мощных и точных лазеров, применяемых в микрохирургии и офтальмологии. Также оно подойдет для высокочувствительных сенсоров, способных мониторить содержание углекислого газа, метана, аммиака и других веществ в воде и воздухе. Исследование было поддержано грантом Российского научного фонда.

— Полученные характеристики оптоволокна — это важный технологический результат, который приближает нас к практическому использованию теллуридных световодов в реальных устройствах для инфракрасного диапазона: от лазерных скальпелей нового поколения до спектрометров для изучения далеких планет. Ключевой результат работы — не только достижение рекордно низких оптических потерь в волокне, но и найденные пути дальнейшего улучшения их свойств. Мы планируем испытать полученные волокна в качестве проводящих сред в конструкциях реальных лазеров, — рассказал руководитель проекта, кандидат химических наук, старший научный сотрудник молодежной лаборатории высокочистых халькогенидных стекол института Александр Вельмужов.

Оптическое волокно — это тонкая стеклянная нить, которая позволяет передавать свет на большие расстояния. Эта технология лежит в основе проводных интернет-сетей, телевидения и каналов защищенной передачи данных. Волокна для инфракрасного диапазона используются в лазерах для высокоточных офтальмологических и нейрохирургических операций. Они позволяют провести лазерный луч в нужную точку без использования громоздких систем зеркал, что делает операции более безопасными. Наиболее перспективны для медицины и промышленности волокна, передающие инфракрасные лучи с длиной волны 9,3 и 10,6 микрометров.

Сейчас для их производства в основном используются стекла на основе селена. Однако в процессе изготовления образуются микрокристаллики, которые рассеивают свет и приводят к высоким оптическим потерям. До сих пор этот уровень составлял около 10 децибел на метр, а рекордные значения не опускались ниже 3 дБ/м. Чтобы улучшить этот показатель, исследователи усовершенствовали три ключевых этапа производства оптоволокна.

Во-первых, авторы оптимизировали химический состав стекла, что не только повысило устойчивость волокна, но и снизило температуру, при которой формируется стеклянная нить. Это уменьшило риск образования кристалликов. Во-вторых, для борьбы с вредными примесями ученые разработали новый метод глубокой очистки веществ, входящих в состав стекла, благодаря чему концентрация этих примесей не превышала 0,00001%. В-третьих, ученые применили оригинальную технику образования оптического волокна, при которой его выдавливают из стеклянного стержня через маленькое отверстие в дне сосуда.

Лазеры для хирургов

Эти меры позволили уменьшить потери на длине волны 10,6 микрометров, на которой работает самый распространенный в медицине и промышленности лазер. Этот показатель составил 0,79 дБ/м. На сегодняшний день это абсолютный рекорд для таких волокон.

— Улучшение характеристик лазерных скальпелей крайне важно для медиков, поскольку это напрямую влияет на точность проникновения в патологическую ткань. Лазеры позволяют удалять только измененные ткани, сохранив здоровые, — рассказал «Известиям» лазерный хирург-оториноларинголог Владимир Князьков.
Он отметил, что в глазной и ЛОР-хирургии важна точность до полумиллиметра. Если обычный инструмент имеет диаметр 2–2,5 мм, то толщина лазерного луча достигает 0,1 мм и может пройти в узкую рану. Кроме того, лазеры предлагают хирургу несколько опций: можно менять мощность и фокус луча, разрезать, нагревать или испарять ткань, а также комбинировать эти методы.

Технология выглядит весьма перспективной, поскольку снижение потерь как минимум позволит снизить стоимость эксплуатации лазерного оборудования, отметил руководитель магистерской программы «Прикладной анализ в медицинской сфере» МФТИ Станислав Отставнов.

По его словам, если при ее промышленном внедрении стоимость конечного медицинского изделия существенно не возрастет, а функциональные характеристики не будут уступать существующим лазерным системам, планы использования новой разработки выглядят вполне реальными.