П.Ю. РОГОВ Научный руководитель – В.Г. БЕСПАЛОВ, д.ф.-м.н. ВОЗДЕЙСТВИЕ ФЕМТОСЕКУНДНЫХ ЛАЗЕРНЫХ
advertisement
П.Ю. РОГОВ Научный руководитель – В.Г. БЕСПАЛОВ, д.ф.-м.н. Университет ИТМО, Санкт-Петербург ВОЗДЕЙСТВИЕ ФЕМТОСЕКУНДНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ НА ГЛАЗА И КОЖНЫЕ ПОКРОВЫ: МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ Представлены математические модели линейных и нелинейных процессов, возникающих при воздействии фемтосекундного лазерного излучения на кожные покровы и модельную среду человеческого глаза. Для моделирования распространения излучения в прозрачных тканях методами численного моделирования выполнено решение нелинейного спектрального уравнения, описывающего динамику двумерного ТЕ-поляризованногоизлучения в однородной изотропной среде с кубичной безынерционной нелинейностью. Для воздействия на мутные среды, описан механизм воздействия и проведен анализ и получено численное решение системы уравнений, описывающих динамику электронной и атомной подсистемы. Модели учитывают возникновение нелинейных эффектов. Фемтосекундные лазерные системы в настоящий момент широко используются в технических приложениях и медицинской технике [1, 2]. Но, не смотря на это, в настоящее время в Российской Федерации на настоящий момент не существует стандартов по безопасным уровням энергии фемтосекундного лазерного излучения [3]. Существенное отличие механизмов воздействия, интенсивного фемтосекундного лазерного излучения и импульсов большей длительности обусловлено возникновением нелинейных эффектов. Вследствие высокой плотности мощности можетвозникать самофокусировка, двух- и трех-фотонное поглощение, многофотонная и ударная ионизация, в связи малой длительностью – дисперсионное расплывание импульса во времени и, при высокой плотности энергии – оптический пробой [4].Особенно актуален вопрос воздействия фемтосекундного излучения на биологические ткани, так как мощное фемтосекундное излучение может нести существенную опасность для зрения, кожных покровов и внутренних органов человека. В связи с тем, что в биологических тканях основное содержание приходится на молекулы связанной с белком и несвязанной воды, в моделях рассматривается механизм ионизации молекул воды и затем передача энергии фононной подсистеме молекул белка. Распространение фемтосекундного излучения в оптических средах глаза было рассмотрено с помощью численного моделирования. Представлена динамика процесса дисперсионного уширения и самофокусировки фемтосекундного излучения вблизи глазного дна. Выяснено, что основным механизмом повреждения при использовании лазера на титан-сапфире (800 нм) является фотоионизация, так как длительность импульса излучения вблизи глазного дна имеет значение порядка 100 фс, даже при длительности падающего импульса 10 фс. При значении плотности мощности на входе в глаз больше 10 6 Вт/см2вблизи глазного дна будет возникать явление самофокусировки в непосредственной близости от сетчатки, что, в сравнении с непрерывным излучением, может приводить к серьезным повреждениям при меньшей интенсивности, что соответствует экспериментальным данным, приведенным в American National Standard for the Safe Use of Lasers [5]. Представлена математическая модель распространения фемтосекундного излучения при попадании на кожный покров. С помощью численного моделирования методом Монте-Карло[6]. Определена зависимость интенсивности излучения от глубины проникновения. С помощью аналитического решения системы уравнений, описывающих электронный баланс между электронной и атомной подсистемой, рассмотрен механизм воздействия фемтосекундного излучения на кожу и произведена оценка временных процессов протекающих при взаимодействии фемтосекундного излучения на кожу. Список литературы 1. Ахманов С.А., Выслоух В.А., Чиркин А.С. Оптика фемтосекундных лазерных импульсов. М.:Наука, 1988. 2. Rulliere C. Femtosecond laser pulses. Springer, Ed. Rulliere C. 2005. 3. ГОСТ Р 50723-94: Лазерная безопасность. Общие требования безопасности при разработке и эксплуатации лазерных изделий. М.:Издательство стандартов, 1995. 4. Sati P., Verma U., Tripathi V.K. Self-focusing and frequency broadening of laser pulse in water // Physics of Plasmas. 2014. V.21. No.11. P..112110. 5. Standard A. Z136. 1–2007. American National Standard for the Safe Use of Lasers. 2007. 6. Пушкарева А.Е. Методы математического моделирования в оптике биоткани: учебное пособие // СПб: СпбГУ ИТМО. 2008.
