Особенности кипения вблизи торца лазерного волокна в биоткани

Лазеры широко применяются в медицине для выполнения фотобиомодуляции, фотодинамической терапии и хирургических операций при лечении широкого спектра заболеваний

Многие медицинские лазерные технологии основаны на использовании волоконных лазеров умеренной мощности 3-30 Вт

Процессы, происходящие в области лазерного воздействия, обычно исследуются с применением методов оптоакустики. В данной работе с помощью этих методов изучаются процессы, связанные с образованием и схлопыванием пузырьков вблизи торца волокна, находящегося в окружении водонасыщенной биоткани.

В эксперименте использовались лазеры умеренной мощности ЛС-0,97-ИРЭ-Полюс с длиной волны 0.97 мкм (с мощностью до 10 Вт) и ЛС-1,9-ИРЭ- Полюс с длиной волны 1.94 мкм (до 3 Вт) с кварцевым волокном диаметром 400 мкм. Для данных длин волн лазерного излучения коэффициенты поглощения в воде существенно различаются и составляют для 0.97 мкм – 0.47 см–1, для 1.9 мкм – 92 см–1 

Для регистрации широкополосных акустических сигналов рабочий торец лазерного волокна помещался в кювету с водой или гелем. На расстоянии ~1 см от торца перпендикулярно оптической оси устанавливались широкополосный гидрофон 8103 фирмы «Брюль и Къер» (Дания) с полосой 0.1 Гц–180 кГц (чувствительность -211 дБ отн. 1 В/мкПа). Запись акустических сигналов производилась на четырехканальный цифровой запоминающий осциллограф GDS 72304 (GW Instek, Тайвань) с полосой пропускания 300 МГц. Для контроля спектрального состава и мощности оптических излучений использовались анализатор спектра USB4000 (Ocean Optics, США) c разрешением ~1.5 нм (диапазон регистрации от 200 до 1100 нм) и измеритель мощности FieldMaster с измерительной головкой LM-10HTD (Coherent, США).

Для анализа акустических сигналов строились спектры и вейвлетограммы. Спектральная плотность мощности (СПМ) вычислялась с помощью метода усовершенствованных периодограмм Уэлча. В отличие от быстрого преобразования Фурье, периодограммы Уэлча позволяют получать лучшую оценку сигнала с нестационарными компонентами

На рис. 1 показаны характерные акустические сигналы при применении «черненого» волокна и излучения с λ=0,97 мкм (а) и волокна с чистым сколом и излучения с λ=1,94 мкм (б), когда в качестве среды используется вода. Видно, что в первом случае, регистрируется практически непрерывный шум в то время, как при использовании чистого торца без поглощающего покрытия и излучения с λ=1,94 мкм акустический шум генерируется в виде импульсных затухающих колебаний длительностью ~1 мс, которые значительно разнесены по времени.

Рисунок 1 - Характерные акустические сигналы, генерируемые вблизи черненого (а) и не черненого (б) торца лазерного волокна в воде: 

а - λ=0,97 мкм, Р=23 Вт; б - λ=1,94 мкм, Р=3 Вт

DOI:10.60797/IRJ.2025.151.74.1

Спектральные характеристики этих сигналов во многом похожи: В низкочастотной области (до 1-10 кГц) в среднем наблюдается минимум, а основная энергия сосредоточена в диапазоне частот 50 кГц-1 МГц. Следует отметить, что эффективность преобразования лазерной энергии в акустическую для большей длины волны оказывается значительно выше, что видно из сопоставления используемых энергий (23 Вт для λ=0,97 мкм и 3 Вт для λ=1,94 мкм).

Рисунок 2 - Спектры акустических сигналов, генерируемых вблизи черненого (синяя кривая) и не черненого (красная кривая) торца лазерного волокна в воде: 

синяя кривая - λ=0,97 мкм, Р=23 Вт; красная кривая - λ=1,94 мкм, Р=3 Вт

DOI:10.60797/IRJ.2025.151.74.2

При погружении торца волокна в водонасыщенный гель картина качественно не меняется. Так, при воздействии излучения с λ=0,97 мкм сигнал регистрируется в виде «квазинепрерывного» шума, а при использовании λ=1,94 мкм наблюдаются разнесенные во времени короткие пачки импульсов. Вейвлетограммы сигналов для λ=1,94 мкм, полученные в геле при различных мощностях лазерного излучения показаны на рис. 3. Видно, что с повышением мощности качественная картина «всплесков» на вейвлетограммах практически не меняется, но значительно уменьшаются промежутки между ними.

Рисунок 3 - Вейвлетограммы фрагментов акустического сигнала, генерируемого вблизи торца лазерного волокна, погруженного в гель, при воздействии лазерного излучения с λ=1,94 мкм для различных мощностей лазерного излучения:

а - 1 Вт; б - 2 Вт; в - 3 Вт

DOI:10.60797/IRJ.2025.151.74.3

Особенности процессов, происходящих в самый начальный период образования короткой пачки импульсов, можно изучить по подробному участку вейвлетограммы с первым импульсом, возникшем после включения лазерного излучения (рис. 4, б). Здесь в самом начале пачки выделяется наиболее низкочастотная (2 – 20 кГц) область в виде перевернутой пирамиды. От вершины этой пирамиды начинается широкополосный более высокочастотный сигнал. Энергия этого сигнала со временем постепенно уменьшается, а нижняя граница частот несколько повышается с 20 кГц до 30 кГц.

Рисунок 4 - Спектральные характеристики фрагментов акустического сигнала, генерируемого вблизи торца лазерного волокна, погруженного в гель, при воздействии лазерного излучения λ=1,94 мкм: 

а - вейвлетограмма фрагмента сигнала с серией импульсов. Р=3 Вт; б - подробный участок вейвлетограммы (а) с первым импульсом; в - обобщенные спектры для различных мощностей лазерного излучения

DOI:10.60797/IRJ.2025.151.74.4

На рис. 4,в представлены обобщенные спектры для различных мощностей лазерного излучения, которые были получены путем усреднения по времени соответствующих вейвлетограмм. Здесь можно заметить качественное отличие представленных кривых для Р=1 Вт, с одной стороны, и для Р=2 Вт и Р=3 Вт, с другой. При Р=1 Вт в диапазоне частот 100 Гц-100 кГц амплитуды компонент акустического сигнала в среднем постепенно увеличиваются. В то же время для больших мощностей в диапазоне 100 Гц – 2 кГц наблюдается локальный минимум, а в области 10 кГц – 80 кГц – локальный максимум. При этом, и для этих больших мощностей амплитуды компонент в диапазоне 1 кГц – 50 кГц в среднем постепенно увеличиваются с частотой.

Совершено другая картина наблюдается на вейвлетограмме, полученной при обработке акустического сигнала, зарегистрированного при воздействии излучением с λ=0,97 мкм, когда в геле находится «черненый» торец лазерного волокна (рис. 5). Здесь до возникновения широкополосного участка (2 на рис. 5,а), аналогичного «всплеску» на рис. 4, б, на участке 1 видны две линии, максимумы которых соответствуют частотам ~7 кГц и ~50 кГц (рис. 5, б). При этом, максимум кривой на обобщенном спектре для участка 2 находится в области 20 кГц.

Рисунок 5 - Спектральные характеристики акустического сигнала, генерируемого вблизи разогретого лазерным излучением (λ=0,97 мкм, Р=25 Вт) «черненного» торца лазерного волокна, погруженного в гель: 

а - вейвлетограмма акустического сигнала; б - обобщенные спектры для различных участков вейвлетограммы

DOI:10.60797/IRJ.2025.151.74.5

При использовании лазеров умеренной мощности вблизи торца волокна, погруженного в водонасыщенную биоткань, в случае интенсивного поглощения лазерного излучения происходит генерация пузырьков, струй, а также ударных и широкополосных акустических волн. В стандартных лазерных медицинских технологиях применяются либо «черненые» волокна, и в этом случае, эффект практически не зависит от длины волны лазерного излучения, либо – волокна с чистым сколом, но при этом используется лазерное излучение, хорошо поглощающееся в воде (λ=1,47 мкм, λ=1,56 мкм, λ=1,94 мкм, λ=2,9 мкм). Физические процессы, происходящие в этих двух случаях, имеют общие черты и существенные отличия.

И в том, и в другом случае первичным актом является поглощение лазерного излучения. При использовании поглощающего покрытия, возникает кипение на границе (гетерогенное кипение), а при использовании чистого торца происходит кипение в объеме жидкости (гомогенное кипение)

Проведенные экспериментальные исследования показали, что особенности акустического сигнала, зарегистрированного при использовании «черненого» и чистого торца оптоволокон, значительно отличаются. В первую очередь, это касается частоты генерации пачек импульсов, которая в случае «черненого» торца значительно выше (рис. 1). Подобная картина наблюдается и в геле, который моделировал водонасыщенную биоткань: для чистого торца регистрируются разнесенные по времени акустические цуги, период между которыми уменьшается при увеличении мощности лазерного излучения (рис. 3). Особенности генерируемых сигналов в частотно-временной области удалось выявить с помощью построения вейвлетограмм (рис. 3 – рис. 5). Наиболее важный результат заключается в выявлении двух режимов генерации акустического сигнала при погружении «черненого» торца оптоволокна в гель (рис. 5). В первом режиме (участок 1 на рис. 5а) генерируется акустический сигнал, отчетливо отображаемый на вейвлетограмме в виде двух линий с частотами ~7 кГц и ~50 кГц. Затем первый режим скачкообразно сменяется вторым (участок 2 на рис. 5а) с более размытым максимумом в области 20 кГц. Можно предположить, что первый режим соответствует пленочному кипению, а второй – интенсивному пузырьковому кипению

Проведены экспериментальные исследования процессов, происходящих при воздействии непрерывного лазерного излучения, проходящего по оптоволокну, на водонасыщенную биоткань, которая моделировалась гидрогелем. Использовались волокна с поглощающим покрытием и чистым торцом. Показано, что в случае «черненого» торца акустический сигнал регистрируется в виде непрерывного шума, в котором выделяются короткие и относительно частые всплески колебаний. Для чистого торца при использовании хорошо поглощающего в воде излучения регистрируются разнесенные по времени акустические цуги. Особенности генерируемых сигналов в частотно-временной области удалось выявить с помощью построения вейвлетограмм. Установлено, что при погружении «черненого» торца оптоволокна в биоткань чередуются режимы, соответствующие пленочному и интенсивному пузырьковому кипению по механизму термокавитации. Полученные результаты могут быть использованы для прояснения механизма действия лазерного излучения на биоткани и совершенствования медицинских технологий.