Новости

Уникальны результаты применения лазеров в медицине.

Дата публикации: 12/10/2011
Категория: Новости лазерных технологий
Версия для печати

В материале к.т.н. Раткина Л. рассмотрены приоритетные направления научных исследований в сфере фотоники, обсуждаемые на научных собраниях и форумах, в которых участвовали представители Российской академии наук (РАН) в 2010-2011 году.
Поверхностное и объемное микро- и наноструктурирование, фемтобиология и фотосинтез, применение лазерной техники в медицине, фотонная активация синтеза наноструктур - все эти вопросы интересуют научное сообщество.
Использование алмаза в электрохимии, оптике, биосенсорике и электронике связано с его высокой химической и радиационной стойкостью, которые наряду с биосовместимостью и рядом других свойств обусловливают нарастающий интерес к алмазу. В настоящее время наблюдается тенденция к удешевлению стоимости алмаза, при этом синтетические алмазы имеют лучшие характеристики по сравнению с природными монокристаллами.
Темой доклада члена-корреспондента РАН В.И.Конова стало поверхностное и объемное микро- и наноструктурирование алмазных материалов.
Синтетический алмаз можно получать несколькими методами. Один из них - метод СVD (сhemical vapor deposition) - базируется на технологии газофазного плазмохимического осаждения на горячую подложку алмазных пленок. В качестве газовой среды применяют смесь водорода и титана, при этом зона осаждения может достигать десятков сантиметров, а температура подложки не превышать 1000° С. Другой метод - НРНТ (high pressure high temperature) - предусматривает сжатие графитовой шихты при высоких значениях температуры и давления.
Добавление металлических катализаторов помогает синтезировать моно- и поликристаллические образцы с размерами до 5-10 мм.
Применение НРНТ-метода ограничено высоким содержанием азота и примесей в конечном продукте. После завершения процесса осаждения алмазная пластина или пленка отделяется от подложки. Применение монокристаллов алмаза в качестве подложки позволяет обеспечить эпитаксиальный рост пленок. Обнаружено, что при использовании моноизотопного углерода в метане для повышения качества СVD-алмазов его теплопроводность в поликристаллической форме превышает значения аналогичных показателей для природных монокристаллов.
Нанокристаллические алмазные пленки являются модификациями СVD-алмаза.
Наноалмазные зерна диаметром 4-20 нм в матрице из полиацетилена и нанографита синтезируются при температурах, лежащих в диапазоне 400-600° С.
Они имеют улучшенные значения оптической прозрачности, толщину до 20 мкм, шероховатость на уровне от 20 до 50 нм и высокую микротвердость - до 90 ГПа.
Высокими значениями гладкости и твердости обладают алмазоподобные пленки, получаемые газофазным осаждением и вакуумным напылением.
Эффект термической графитизации алмаза применяется для изготовления бриллиантов. Изучение спектров комбинированного рассеяния света, включая исследования электропроводности, подтверждают локальную графитизацию.
При этом иногда проявляется вспученность участков поверхности, высота которой порой достигает десятков нанометров.
Причина кроется в разной плотности графитизированного и алмазного материалов.
Сканируя поверхность по контуру через фотошаблоны, можно формировать структуры проводящих дорожек и микро- и наноструктур на поверхности материала.
Предварительное нанесение тонкопленочных покрытий на образец облегчает процесс его поверхностной графитизации. При низкой интенсивности жесткого УФ-излучения возможна перестройка структуры алмаза: на поверхности появляются слабо связанные с решеткой алмаза кластеры и атомы углерода, удаляемые посредством реакции окисления при незначительном нагреве лазерными импульсами.
Многократное облучение в воздухе позволяет формировать на поверхности алмаза жестко контролируемые по глубине структуры глубиной до 10 нм.
При интенсивности, достаточной для испарения графитизированного слоя, наблюдается активная абляция алмаза, порог которой возрастает с увеличением длительности импульсов: от нескольких микрон за импульс для микросекундных импульсов до 50-100 нм/импульс для фемто- и пикосекундных импульсов.
Особенностью абляции алмазных материалов является формирование фазового перехода "алмаз-графит" при отсутствии жидкой фазы в зоне и продуктах абляции. Важна минимизация влияния на качество лазерной обработки жидкой фазы материала - например, термокапиллярных волн на поверхности расплава и капель.
Графитизированный слой, который остается всегда на стенках и дне кратера по окончании действия импульса, препятствует повышению качества абляционного микроструктурирования поверхности.
Его толщина эквивалентна толщине удаленного импульсом слоя алмаза.
В этом случае облученная поверхность протравливается или окисляется, позволяя формировать на поверхности алмазных материалов субмикронные трехмерные структуры - например, дифракционные алмазные элементы - тонкие алмазные пластины с фазовым рельефом.
Получаемые алмазные оптические элементы обеспечивают трансформацию апертуры с заданным распределением энергии. Эксимерные КrF-лазеры применяются для создания дифракционных алмазных элементов.
Засвеченная квадратная диафрагма проецируется с десятикратным уменьшением в пятно 250 мкм2 на поверхность образца, расположенного на управляемом компьютером двухкоординатном подвижном столе.
Поверхность сканируется лазерным лучом: специальной программой в каждую точку подается определенное число импульсов, перемещение осуществляется с шагом 50 мкм. Аналогично создаются элементы со сложноструктурированной поверхностью на базе алмаза и ряда иных материалов для микросистемотехники, электроники и интегральной оптики. Перспективным направлением являются технологии формирования структур внутри объема твердого тела.
Они опираются на принципы программирования перемещения области фокальной перетяжки внутри облучаемого объекта, фазовые и структурные превращения материала, острую фокусировку излучения, минимизацию вложенной энергии импульса, учет механизма включения нелинейного поглощения в области высокой мощности излучения в фокальном объеме, прозрачность материала для низкоинтенсивного излучения. Фокусировка излучения, подаваемого в виде мощных наносекундных импульсов, внутри объема кварца или стекла приводит к растрескиванию (разрушению) материала в окрестностях и внутри фокального объема.
Рассеяние искусственного или дневного света на сформированных дефектах создает эффект появления белой непрозрачной области внутри прозрачного образца. Таким образом, сканируя внутреннюю область образца, в ней создают фигуры и тексты. При переходе к фемтосекундным импульсам лазерное воздействие затрагивает меньшую по размерам область внутри материала.
Поэтому фемтосекундные лазеры применимы для создания пространственно-модулированных по оптическим свойствам и лазерно-активных фотонных кристаллов. Получение графитизированных сфер (капель) при сдвиге положения фокального объема навстречу лазерному лучу приводит к синтезу графитизированных нитей и изогнутых нитевидных структур.
При выходе на поверхность образца графитизированого материала можно его удалить путем химического травления с последующим формированием структур и каналов в объеме алмаза.
Это дает пищу конструированию устройств и компонентов на базе алмаза с полупроводниковым (диэлектрическим) материалом - алмазной матрицей, электропроводящих графитизированных структур и полых каналов. Широкий спектральный диапазон прозрачности алмаза наряду с его высокой теплопроводностью позволяет конструировать различные метаматериалы и оптоэлектронные устройства. К числу технологий объемного микроструктурирования алмаза следует отнести комбинацию поверхностной лазерной обработки (например, электронным пучком) с химическим осаждением и повторяющимся СVD-процессом синтезирования алмаза. Данная технология - трехступенчатая.
Сначала из-за абляции алмазной поверхности на дне лазерного кратера образуется графитизированный слой. Затем в специальной ванне выполняется жидкостная металлизация поверхности образца.
При этом на поверхности дорожки формируется структура "графитизированное покрытие - металлическая пленка". Перемещая затем образец в плазмохимический реактор, выполняют дополнительное осаждение СVD-алмаза. В итоге проводящая дорожка предстает в виде алмазной инкапсуляции.
Многократное повторение процедуры способствует формированию внутри СVD-алмаза многослойных проводящих структур. В частности, полупроводник р-типа может быть синтезирован из СVD-алмаза при осаждении бора.
Доклад члена-корреспондента РАН И.А.Щербакова затрагивал различные аспекты применения лазерной техники в медицине. Использование импульсных лазеров при воздействии на биоткань определяется целой совокупностью факторов. Среди них отмечают длительность импульса излучения с учетом термического и нетермического воздействия, плотность энергии и длину волны.
Большой диапазон изменения длительности импульса способствовал повышению интереса к изучению различных явлений, в т.ч. генерации и распространению ударных волн, оптическому пробою на поверхности мишени, образованию и развитию плазмы и многофотонному поглощению.
Применяемый в медицинских приборах механизм разрушения камней является многостадийным нелинейным процессом. После поглощения зеленой компоненты излучения на поверхности камня возникает оптический пробой, который сопровождается образованием плазменной искры и поглощением плазмой ИК-излучения. Образование и развитие кавитационных пузырей связано с генерацией слабой ударной волны, предшествующей мощной ударной волне при коллапсе кавитационного пузыря.
Представленный метод литотрипсии приводит не только к радикальному снижению числа осложнений и сокращению послеоперационного периода лечения. Отмечают высокую скорость фрагментации - продолжительность разрушения варьируется в диапазоне 10-79 с, все зависит от механической прочности и твердости камней. Также необходимо отметить безопасность воздействия на окружающие мягкие ткани (ударная волна ими не поглощается и не наносит им вреда).
Отсутствие повреждения волоконного инструмента при доставке излучения и высокая эффективность при фрагментации камней разной локализации и различного химического состава - дополнительные преимущества метода.
Например, комплекс "Лазурит" включает скальпель-коагулятор, используемый для проведения операций на кровенаполненных органах.
Резекция опухолей производится без пережатия почечных сосудов с минимальной кровопотерей.

Источник: «Фотоника», 2011, №4, с.18-22

Статьи по теме:

страницы: 1