2.7.4. Прохождение света в световоде
Оптическое волокно в большинстве случаев представляет собой диэлектрический волновод и состоит из сердцевины, в которой проходит свет, и оптической оболочкой которая охватывает сердцевину и удерживает в ней свет. Физический принцип прохождения света в данном случае основан на полном внутреннем отражении: если луч света падает со стороны среды с большим показателем преломления на границу раздела двух прозрачных оптических сред (рис. 59), то возникает эффект полного внутреннего отражения, при этом значение предельного угла падения определяется выражением
Рис. 59. Прохождение света в диэлектрическом световоде
В этом случае луч не выходит за пределы сердцевины световода, т.е. вся оптическая энергия отражается. Поэтому полное отражение в принципе не имеет потерь. Хотя при полном отражении свет не пропускается за пределы световода, он проникает на глубину, равную нескольким длинам волн, в оптически менее плотную среду, т.е. чтобы быть эффективной, абсолютно отражающая среда должна иметь определенную минимальную толщину, зависящую от длины волны. Для этого сердцевина световода должна иметь более высокий показатель преломления, чем оболочка, т.е. nc > n0, причем оптическая оболочка должна иметь минимальную толщину от 10 до 20 длин волн.
Предельный угол полного внутреннего отражения ограничивает лучи, распространяющиеся в световоде. Полное внутреннее отражение имеют только те лучи, которые входят в сердцевину волокна под углом, не превышающим значения max по отношению к продольной оси волокна. У всех других лучей часть света в ходе отражения проникает в оболочку, и они имею большой показатель затухания. Это может привести к разрушению волокна при неправильном введении лазерной мощности.
Важным показателем волновода является числовая апертура, значение которой определяется следующим образом:
.
(13)
Она определяет эффективность ввода света из диффузных источников, выбор оптики ввода лазерного излучения в оптическое волокно и потери света в изгибах волокна.
В реальном световоде, даже при условии полного внутреннего отражения, существуют потери света. Мощность излучения уменьшается по длине волокна l
,
(14)
откуда величина затухания а:
.
(15)
Потери в оптических волокнах возникают в силу основного затухания в идеальном материале волокна, дополнительного затухания из-за неоднородности материала (загрязнения, поры, пузыри, трещины, включения), из-за колебаний диаметра сердцевины, микро и макроизгибов волокна и наличия механических напряжений. Кроме этого на входе и выходе появляются потери из-за загрязнений и плохой обработки торцев волокна.
2.7.5. Оптические наконечники
Оптические наконечники лазерных систем или аппликаторы предназначены для доставки излучения от световода или шарнирного манипулятора к месту воздействия на биологический материал и должны обеспечивать требуемую геометрию луча в месте его применения, определяемую достигаемым эффектом воздействия на ткань (удаление, рассечение, сварка и т.п.). Во многих случаях (например, в Nd-YAG-лазерах) световодное волокно является частью аппликаторной системы. В зависимости от назначения лазера различают следующие виды аппликаторов.
Аппликатор с расходимостью лазерного луча. Учитывая процесс прохождения света в световоде, расходимость излучения на выходе аппликатора определяется вводом излучения в волокно у лазерного излучателя и числовой апертурой самого волокна (рис. 60).
Рис. 60. Ввод и передача излучения в стекловолокне
У идеально прямого цилиндрического волокна угол расходимости равен углу ввода излучения в волокно, но на практике он увеличивается из-за изгибов световода.
Угол расходимости необходим для расчета плотности мощности на месте приложения излучения, с помощью которой регулируется эффект воздействия на биоткань. Плотность мощности определяется
,
(Вт/см2) (16)
где РW – излучаемая мощность;
F – площадь облучаемой поверхности.
Диаметр Д облучаемой поверхности рассчитывается на основе расстояния l от световода до ткани, угла выхода 1 и диаметра сердцевины волокна d:
Д = d + 2l tg1 (17)
Для гауссового распределения интенсивности в пределах этой области концентрируется 86,5 % излучаемой мощности.
Эффективный выход излучения из световода возможен только в том случае, если торцовая поверхность волокна свободна от царапин, сколов и загрязнений. Повреждения поверхности приводят к неравномерному рассеянию излучения и нагреванию окружающих насадочных инструментов. Загрязнение поглощает лазерное излучение на выходной поверхности и может вызвать мгновенное обгорание волокна.
Для достижения необходимой плотности мощности аппликаторы помещаются на небольшом расстоянии от биоткани. Вследствие этого при хирургических операциях возникает опасность загрязнения конца световода тканью, кровью или парами. Для исключения загрязнения применяют промывку световода газом или жидкостью. В зависимости от назначения лазера в качестве промывочной среды используют CO2, сжатый воздух, дисциллированную воду или раствор NaCl.
При газовой промывке газ подводится коаксиально по тефлоновому шлангу и подается к дистальному концу волокна, где он выходит из сопла (рис. 61).
Рис. 61. Схема сопла световода с газовой промывкой
В последнее время по такой же схеме стали применять промывку жидкостью. В большинстве случаев промывочная система с жидкостной промывкой не встраивается в световод, а присоединяется отдельно. Только дистальная часть – чистое световодное волокно вводится в рабочий канал, на конце которого оно промывается жидкостью.
Для лазерной хирургии, т.е. для рассечения и испарения ткани необходимы высокие плотности энергии, которые достигаются фокусировкой лазерного излучения в небольшое фокальное пятно за счет использования аппликаторов с фокусировкой. Диаметр луча определяет ширину рассечения или ширину зоны испарения. Фокусирующая оптика аппликаторов чаще всего располагается в рукоятке, находящейся в конце системы подачи излучения. Фокальное пятно невидимого лазерного луча точно обозначается соосным излучением He-Ne юстировочного лазера. При использовании очень высокой мощности оптические элементы должны охлаждаться.
Контактные наконечники обеспечивают меньшую площадь воздействия на ткань, чем при других видах аппликаторов. Чаще всего они применяются в сочетании с Nd-Yag-лазером или с аргоновым лазером для точного испарения небольших объемов ткани, а также используются для бескровного рассечения и препарирования, обеспечивая при этом коагуляцию. Изготавливаются из сапфира (Al2O3).