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.

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.

Похожие новости

  • 14/10/2017

    Российские ученые разработали компактный детектор фотонов

    ​Сотрудники Московского педагогического государственного университета создали компактную микросхему, которая детектирует одиночные фотоны - кванты света - и определяет состав света. Такие детекторы могут применяться в медицине и в системах безопасности.
    390
  • 15/05/2018

    Российские ученые обнаружили аномалии в изменении теплоемкости кристаллов

    ​Российские ученые из МГТУ им. Н.Э. Баумана и Института физики высоких давлений им. Л.Ф. Верещагина РАН исследовали необычное увеличение теплоемкости кристаллов, которое проявляется, если между частицами действуют силы с ограниченным радиусом действия.
    213
  • 05/09/2017

    Терагерцовый лазер помог изучить нагревание кристаллов

    ​Ученые исследовали тепловые и световые искажения в кристалле при его взаимодействии с высокочастотным терагерцовым излучением. В результате было установлено, как в кристалле изменяется температура. Работа опубликована в журнале Laser Physics Letters.
    480
  • 15/01/2018

    Российские ученые выяснили, как способ обработки полипропилена влияет на механические свойства конечного изделия

    ​Коллектив учёных, в том числе из Института синтетических полимерных материалов РАН и МФТИ, выяснил, как «правильность» молекул полипропилена и способ обработки влияют на механические свойства конечного изделия.
    328
  • 13/02/2018

    Внимание чиновников к исследованиям ученых оборачивается лишь усилением бюрократического пресса

    ​Президент РФ Владимир Путин рассказал о планах по заманиванию обратно в Россию наиболее успешных ученых-россиян. Избранный в сентябре 2017 года новый президент Российской академии наук Александр Сергеев энергично взялся за дело (в минувшем январе оба президента встретились и остались довольны друг другом).
    560
  • 12/05/2016

    Российские физики смоделировали акустические волны в пьезоэлектрических микроструктурах

    ​Физики из Технологического института сверхтвердых и новых углеродных материалов, Московского физико-технического института и Сибирского федерального университета смоделировали акустические волны в пьезоэлектрических микроструктурах, на основе которых можно создать компактные и высокочувствительные датчики.
    1047
  • 20/04/2018

    Ученые обнаружили неожиданные функции белка, ответственного за программируемую гибель клеток

    Продолжая исследовать необычные роли белка каспаза-2, одного из важнейших участников апоптоза (программируемой клеточной гибели), биологи обнаружили еще один белок, с которым он может взаимодействовать.
    249
  • 14/11/2016

    Прорыв в науке совершит энергия молодых

    Где молодым учёным познакомиться и пообщаться с ведущими экспертами и руководителями фондов, буквально «варящимися» в сфере науки и инноваций? Например, на одном из главных мероприятий подобного рода – Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых учёных и специалистов по проблемам практической реализации разработок по приоритетным направлениям развития науки и технологий.
    1336
  • 22/07/2017

    Российские ученые установили, что тип галактики зависит от массы черной дыры

    Созданная астрономами модель объяснила, как черные дыры массой в несколько тысяч раз больше массы Солнца могут существовать в центрах шаровых звездных скоплений. Исследование научной группы из Новосибирского государственного университета и Государственного астрономического института имени Штернберга МГУ, поддержанное грантом Российского научного фонда, опубликовано в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.
    667
  • 24/08/2017

    18-я Ломоносовская конференция по физике элементарных частиц

    24 августа 2017 г. в Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова начинает свою работу 18-я Ломоносовская конференция по физике элементарных частиц. Серия Ломоносовских конференций начала проводиться на регулярной основе в 1992 году, и с 1993 года конференции проводятся каждый нечетный год.
    634