Волоконные лазеры активно используются в промышленности, связи и медицине. В качестве примера можно привести гольмиевые — это лазеры, в которых луч создается с помощью кристаллов или стекол с ионами гольмия. Их применяют для лечения ран, опухолей и дробления камней в почках. Главная их особенность в том, что они «заряжаются» от других лазеров — иттербиевых, т.е. с ионами иттербия. Однако порой такая «зарядка» проходит плохо, из-за чего снижается мощность гольмиевого лазера, импульсы становятся нестабильными и оборудование может выйти из строя. Это особенно опасно во время хирургических вмешательств для пациентов с неотложными состояниями. Ученые из Пермского Политеха и ПНППК разработали компьютерную модель, которая с точностью 90% позволяет заранее рассчитать оптимальные параметры лазеров и снизить риск их отказа в ответственный момент.
Исследование опубликовано в журнале «Прикладная фотоника» № 1 за 2025 год.
Гольмиевый лазер с длиной волны 2 микрометра используют в медицине для быстрого заживления ран, удаления опухолей и дробления камней в почках. Чтобы получился луч, его «накачивает» светом другой лазер — обычно иттербиевый с длиной волны 1125 нанометров. Однако если процесс «накачки» проходит плохо, луч слабеет, вместо четких вспышек будет «рваное» излучение, опасное для человеческих тканей, а неиспользованная энергия повредит лазерное волокно.
Помимо этого, лазер станет работать медленнее или с перебоями, а в отдельных случаях может выйти из строя. Это недопустимо во время операции на открытых органах, например, при удалении камней из почек или опухоли, где счет времени, в том числе из-за наркоза, идет на минуты.
— На работу лазеров в целом влияет множество факторов: длина активного волокна, концентрация ионов в его сердцевине, свойства резонатора (зеркал, отражающих свет внутри). Подбирать каждый из них экспериментально — долго и дорого. Поэтому применяют математическое моделирование, то есть создают «компьютерный двойник» лазера, задают ему определенные характеристики и смотрят, как он работает. Это позволяет заранее определить нужные параметры и предсказать, какова в зависимости от них будет мощность, КПД, стабильность и т.д., — комментирует Мария Ременникова, начальник лаборатории медицинских лазеров ПНППК.
Существуют компьютерные модели для лазеров импульсного излучения — т.е. тех, которые применяются там, где нужно быстрое точечное воздействие, например, при удалении татуировки. Режим длительного беспрерывного воздействия средней мощности, который и применяется в медицине, тоже требует моделирования. Поэтому ученые ПНИПУ и ПНППК создали цифровую модель, соответствующую реальному иттербиевому волокну, чтобы определять, какие параметры позволят лазеру работать безостановочно и не допускать ситуаций, критичных для жизни пациента.
— Наша модель помогает рассчитать оптимальную длину волокна и коэффициент отражения (долю света, отражающуюся от поверхности). Результаты моделирования показали, что чтобы мощность иттербиевого лазера на длине волны 1125 нанометров была максимальной, оптимальный размер его волокна должен составлять 9 метров, а коэффициент отражения — 20-30%. Такие значения позволят эффективно «накачивать» гольмиевый лазер и предотвратят его выход из строя в ответственный момент, — рассказывает Илларион Никулин, доцент кафедры общей физики ПНИПУ, доктор технических наук.
Компьютерная модель, созданная учеными ПНИПУ и ПНППК, позволила рассчитать оптимальные параметры для изготовления иттербиевого лазера. Если придерживаться этих значений, его мощность будет максимальной и гольмиевый лазер будет «напитываться» от него с достаточной интенсивностью. При таких условиях во время хирургических вмешательств снижается риск непредвиденных ситуаций, опасных для жизни человека, связанных с внезапным отключением или сбоем лазера.
Модель также позволяет удешевить производство лазеров, поскольку для этого не потребуются трудоемкие эксперименты. Погрешность моделирования в сравнении с экспериментальными данными — 10%, соответственно, можно сказать, что разработанная модель может предсказывать «поведение» волоконного лазера с точностью в 90%.