ISSN 0021-3454 (печатная версия)
ISSN 2500-0381 (онлайн версия)
Меню

4
Содержание
том 63 / Апрель, 2020
СТАТЬЯ

DOI 10.17586/0021-3454-2017-60-4-367-374

УДК 621.373.826:535.21

ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЖИДКОСТИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ МОЩНЫХ МИКРОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ Yb,Er:GLASS-ЛАЗЕРА

Беликов А. В.
Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация; профессор


Гагарский С. В.
Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация; ведущий инженер


Сергеев А. Н.
Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация; ассистент


Смирнов С. Н.
Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация; аспирант


Читать статью полностью 

Аннотация. Представлены результаты исследования гидродинамических процессов, возбуждаемых в жидкости импульсами излучения Yb,Er:Glass-лазера с длиной волны 1,54 мкм, энергией 100±5 мДж и длительностью в единицы микросекунд. С целью получения объективного и полного представления о возбуждаемых в жидкости под воздействием лазерного излучения процессах в исследовании использовались методы регистрации акустического сигнала, оптического зондирования и высокоскоростной видеосъемки. Установлена корреляция между полученными с помощью этих методов данными. Анализ полученных изображений и осциллограмм показал, что импульсы лазерного излучения, доставленные в физиологический раствор через кварц-кварцевое оптическое волокно с диаметром сердцевины 470 мкм, возбуждают в растворе термоупругие волны, а также вызывают образование парогазовой полости (пузыря). Установлено, что изменение оптических свойств жидкости под воздействием излучения Yb,Er:Glass-лазера связано в основном с образованием пузыря. Показано, что стадия роста парогазовой полости начинается через 5—10 мкс после начала адиабатического воздействия лазерного импульса. Полость достигает максимального размера (3 мм в диаметре) спустя в среднем 140 мкс, а затем схлопывается до критического размера (около 0,5 мм) за 120 мкс и отделяется от поверхности торца оптического волокна. Полученные данные могут быть полезны при оптимизации временных и энергетических параметров лазерного излучения для задач лазерной обработки погруженных в жидкость объектов, в том числе при эффективном и безопасном воздействии на биологические объекты.
Ключевые слова: Yb,Er:Glass-лазер, микросекундные импульсы, гидродинамика, оптическое зондирование, акустический сигнал, высокоскоростная видеосъемка

Список литературы:
  1. Handbook of Laser Technology and Applications (Three-Volume Set) / Ed. by C. E. Webb, J. D. C. Jones. IOP Publishing, 2004. 2752 p.
  2. Niemz M. H. Laser-Tissue Interactions. Fundamentals and Applications. Springer, 2007. 316 p. DOI: 10.1007/978-3-540-72192-5.
  3. Vogel A., Schmidt P., Flucke B. Minimization of thermo-mechanical side effects and increase of ablation efficiency in IR ablation by use of multiply Q-switched laser pulses // Proc. SPIE. 2002. Vol. 4617. DOI: 10.1117/12.472512.
  4. Zhang X., Chen C., Chen F. et al. In vitro investigation on Ho:YAG laser-assisted bone ablation underwater // Lasers Med. Sci. 2016. Vol. 31, Iss. 5. P. 891—898. DOI: 10.1007/s10103-016-1931-x.
  5. Hecht J. Photonics Frontiers: Eye-Safe Lasers – Retina-safe wavelengths benefit open-air applications // LaserFocusWorld. March 1, 2008.
  6. Федоров С. Н., Копаева В. Г., Андреев Ю. В., Богдалова Э. Г., Беликов А. В. Техника лазерной экстракции катаракты // Офтальмохирургия. 1999. № 1. С. 3—12.
  7. Копаева В. Г., Андреев Ю. В. Лазерная экстракция катаракты. М.: Офтальмология, 2011. 262 с.
  8. Гацу А. Ф. Инфракрасные лазеры (1—3 мкм) в хирургии наружных отделов глаза: автореф. дис. ... док. мед. наук. СПб, 1995.
  9. Agarwal S., Agarwal A., Apple D. J. Textbook of Ophthalmology. Vol. 1. Jaypee Brothers Publishers, 2002. 3086 p. DOI: 10.5005/jp/books/10931.
  10. Беликов А. В., Гагарский С. В., Губин А. Б., Вайнер C. Я., Сергеев А. Н., Смирнов С. Н. Субджоульный лазер на иттербий-эрбиевом стекле с диодной накачкой и модуляцией полезных потерь резонатора для экстракции катаракты // Науч.-техн. вестн. информационных технологий, механики и оптики. 2015. Т. 15, № 6. С. 1021—1029. DOI: 10.17586/2226-1494-2015-15-6-1021-1029.
  11. Chen Y. F., Chen S. W., Tsai S. W., Lan Y. P. High-repetition-rate eye-safe optical parametric oscillator intracavity pumped by a diode-pumped Q-switched Nd:YVO4 laser // Applied Physics B. 2003. Vol. 76, Iss. 3. P. 263—266. DOI: 10.1007/s00340-002-1086-2.
  12. Hodgson N., Nighan W. L., Golding D. J., Eisel D. Efficient 100-W Nd:YAG laser operating at a wavelength of 1.444 μm // Optics Letters. 1994. Vol. 19, N 17. P. 1328—1330. DOI: 10.1364/OL.19.001328.
  13. Комплекс для лазерной экстракции катаракт РАКОТ-6М [Электронный ресурс]: http://ucmg.ru/kompleksdlya-lazemoy-ekstraktsii-katarakt-rakot-6m.html.
  14. Hale G. M., Querry M. R. Optical Constants of Water in the 200-nm to 200-μm Wavelength Region // Appl. Opt. 1973. Vol. 12, N 3. P. 555—563. DOI: 10.1364/AO.12.000555.
  15. Karlsson G., Laurell F., Tellefsen J., Denker B., Galagan B., Osiko V., Sverchkov S. Development and characterization of Yb-Er laser glass for high average power laser diode pumping // Appl. Phys. B. 2002. Vol. 75, Iss. 1. P. 41—46. DOI: 10.1007/s00340-002-0950-4.
  16. Jansen E. D., Asshauer T., Frenz M., Motamedi M., Delacretaz G., Welch A. J. Effect of pulse duration on bubble formation and laser-induced pressure waves during holmium laser ablation // Lasers in Surgery and Medicine. 1996. Vol. 18, Iss. 3. P. 278—293. DOI: 10.1002/(SICI)1096-9101(1996)18:3<278::AID-LSM10>3.0.CO;2-2.
  17. Lu T., Li Z. J. Underwater holmium-laser-pulse-induced complete cavitation bubble movements and acoustic transients // Chinese Sci Bull. 2011. Vol. 56, N 12. P. 1226—1229. DOI: 10.1007/s11434-011-4367-5.
  18. Stock K., Steigenhofer D., Pongratz T., Graser R., Sroka R. Investigation on cavitation bubble dynamics induced by clinically available Ho:YAG lasers // Photonics & Lasers in Medicine. 2016. Vol. 5, Iss. 2. P.141—150. DOI: 10.1515/plm-2015-0039.
  19. Frenz M., Pratisto H., Konz F., Jansen E.D. Comparison of the effects of absorption coefficient and pulse duration of 2.12-μm and 2.79-μm radiation on laser ablation of tissue // IEEE J. of Quantum Electronics. 1996. Vol. 32, Iss. 12. P. 2025—2036. DOI: 10.1109/3.544746.
  20. Lord Rayleigh. On the pressure developed in a liquid during the collapse of a spherical cavity // Philosoph. Magazine Ser. 6. 1917. Vol. 34, Iss. 200. P. 94—98. DOI:10.1080/14786440808635681.
  21. Blanken J., De Moor R. J., Meire M., Verdaasdonk R. Laser Induced Explosive Vapor and Cavitation Resulting in Effective Irrigation of the Root Canal. Part 1: A Visualization Study // Lasers in Surgery and Medicine. 2009. Vol. 41, Iss. 7. P. 514—519. DOI: 10.1002/lsm.20798.
  22. Sugimoto Y., Yamanishi Y., Sato K., Moriyama M. Measurement of Bubble Behavior and Impact on Solid Wall Induced by Fiber-Holmium:YAG Laser // J. of Flow Control, Measurement & Visualization. 2015. Vol. 3, N 4. P. 135—143. DOI: 10.4236/jfcmv.2015.34013. 
  23. Vogel A., Lauterborn W., Timm R. Optical and acoustic investigations of the dynamics of laser-produced cavitation bubbles near a solid boundary // J. Fluid Mech. 1989. Vol. 206. P. 299—338. DOI: 10.1017/S0022112089002314.
  24. Petkovsek R., Mozina J., Mocnik G. Optodynamic characterization of shock waves after laser-induced breakdown in water // Opt. Express. 2005. Vol. 13, N 11. P. 4107—4112. DOI: 10.1364/OPEX.13.004107.
  25. Petkovsek R., Gregorcic P., Mozina J. A beam-deflection probe as a method for optodynamic measurements of cavitation bubble oscillations // Meas. Sci. Technol. 2007. Vol. 18, N 9. P. 2972—2978. DOI:10.1088/0957-0233/18/9/030.
  26. Petkovšeka R., Gregorčič P. A laser probe measurement of cavitation bubble dynamics improved by shock wave detection and compared to shadow photography // J. Appl. Phys. 2007. Vol. 102, Iss. 4. P. 044909. DOI: 10.1063/1.2774000.
  27. Bufetova G. A., Nikolaev D. A., Seregin V. F. et al. Long pulse lasing with Q-switching by FTIR shutter // Laser Physics. 1999. Vol. 9, N 1. P. 314—318.
  28. Денкер Б. И., Осико В. В., Сверчков С. Е. и др. Высокоэффективные лазеры на эрбиевом стекле с модуляцией добротности затвором на основе нарушенного полного внутреннего отражения // Квантовая электроника. 1992. Т. 19, № 6. С. 544—547.
  29. Frenz M., Könz F., Pratisto H., Weber H. P., Silenok A. S., Konov V. I. Starting mechanisms and dynamics of bubble formation induced by a Ho:Yttrium aluminum garnet laser in water // J. Appl. Phys. 1998. Vol. 84. P. 5905—5913. DOI: 10.1063/1.368906.