В ПНИПУ разработали модель для оптимизации применения оптоволокна в медицине

При некоторых операциях, а также в лечении сосудистых патологий и рака используют волоконно-оптические рассеиватели как источник излучения или тепла. Чтобы они работали эффективно, нужно обеспечить равномерное распределение излучения вдоль волокна.

Учёные Пермского Политеха разработали математическую модель для расчёта необходимых параметров.

Оптоволокно — это материал из тонких стеклянных или пластиковых нитей, которые передают свет на большие расстояния. Его используют в телекоммуникациях, системах связи, медицине и других областях.

В оптоволокне есть цепочка микропузырьков или микродефектов, заполненных кислородом. Она формируется после прохождения по волокну плазменной искры. Это явление называется оптическим пробоем волокна. Цепочка микродефектов почти периодически рассеивает оптическое излучение (свет) в разные стороны. Интенсивность рассеянного излучения зависит от размеров, формы и взаимного расположения дефектов.

Оптический пробой волокна обычно считается негативным эффектом, так как он разрушает сердцевину волокна, по которой передаётся информация с помощью света.

Но в последнее время учёные стали активно изучать это явление. Это связано с тем, что квазипериодические структуры внутри волокна можно использовать в медицине для лечения сосудистых патологий, подсветки раневых поверхностей и полостей, операций фотодинамической и фотоимуннотерапии (лечения рака), облучения полых органов изнутри для уничтожения очагов инфекций и воспалений.

Учёные Пермского Политеха разработали математическую модель, которая позволит определить оптимальные параметры рассеянного светового потока. Для этого нужно выяснить, какие параметры микродефектов (форма, размер и расстояние между ними) влияют на распределение излучения вдоль волокна.

Мы изучили участок волокна SMF-28e с микродефектами в сердцевине и выяснили, как распределяется интенсивность света с боковой поверхности в зависимости от формы, размера и расположения микродефектов.

Оказалось, что сферические дефекты рассеивают свет более равномерно. А пулевидные и эллипсоидальные создают всплеск рассеянного света вблизи первого дефекта, после чего интенсивность резко падает.

Дефекты, близкие по диаметру к сердцевине, сильнее всего рассеивают излучение на первом же дефекте. Это нежелательно. Поэтому лучше создавать микродефекты меньшего размера и близкой к сферической формы, — объясняет Анатолий Перминов, заведующий кафедрой «Общая физика» ПНИПУ, доктор физико-математических наук.

Исследование учёных ПНИПУ позволило определить параметры микроструктур, которые создаются с помощью оптического пробоя внутри волокна для улучшения свойств оптоволоконных рассеивателей.

Статья опубликована в журнале «Вестник Российской академии наук: физика». Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда, грант № 23-21-00169.

26.09.2024