Фемтосекундный лазер своими руками

Обновлено: 05.07.2024

Фемтосекундный лазер - лазер, имеющий феноменально малую длительность импульса 1/1000000000000000 секунды. Такой лазер способен без нагрева испарить ткань роговицы не на поверхности, а на заданной глубине.

С помощью фемтосекундного лазера можно сформировать роговичный лоскут. Несмотря на очень высокую стоимость аппарата, в 2007 г. в некоторых офтальмологических клиниках США заменили микрокератомы на фемтосекундные лазеры. У фемтосекундного лазера пока нет принципиальных преимуществ перед микрокератомами.

Цель разработчиков этого лазера - снизить процент осложнений ЛАСИК, связанных с использованием микрокератомов. Насколько им это удастся, покажет время.

Фемтосекундная прямая лазерная запись оптических компонентов имеет большой потенциал для изготовления сложных интегрированных устройств в оболочке оптических волокон. Такие устройства обладают преимуществами перед традиционной оптикой: использование записанных компонентов снижает необходимость в сложной юстировке, устраняет вероятность загрязнений и повышает стабильность. Технология прямой записи уже нашла применение с использованием комбинаций решеток Брэгга, интерферометров и ответвителей для изготовления оптических фильтров, датчиков и мониторов мощности.

Волоконные разветвители и объединители Oz Optics с поддержкой поляризации заключены в герметичный корпус. Приборы специально разработаны для минимизации потерь в телекоммуникационных системах связи, возникающих при ослаблении сигнала при передаче в оптоволокно. Адаптеры способны работать в широком диапазоне температур, обеспечивая высокую производительность в различных сетях.

Метод фемтосекундной лазерной записи вызывает локальную модификацию показателя преломления за счет нелинейного поглощения сверхбыстрых лазерных импульсов внутри диэлектрического материала как в сердцевине, так и в оболочке волокна. Однако геометрические формы волокна, которые включают воздушные или полые структуры, такие как фотонно-кристаллические волокна (ФКВ), по-прежнему представляют проблему, поскольку области изменения показателя преломления, созданные в процессе записи, не могут быть созданы в полых областях волокна.

В этой работе описан метод записи фемтосекундным лазером, использующийся вместе с методом предварительной модификации, который заключается в частичном сжатии полых отверстий с помощью электрического дугового разряда. Ожидается, что этот новый подход найдет применение с другими специальными волокнами, таких как волокна с подвешенной сердцевиной, и может открыть путь для интеграции сложных устройств и облегчить миниатюризацию оптических схем, чтобы воспользоваться преимуществами конкретных характеристик фотонно-кристаллических волокон.

Прямая запись фемтосекундным лазером

Записанные в оптоволокне устройства, представленные в этой статье, изготовлены с помощью фемтосекундного лазера, работающего с частотой повторения 250 кГц, с длительностью импульса 75 фс на длине волны 800 нм и сфокусированными линзой с числовой апертурой 0,1.

Ступень трехмерного перемещения контролировала положение волокна относительно фокальной плоскости линзы, как показано на рис. 1, фокусируя приблизительно 4 мкДж энергии на импульс и перемещая волокно со скоростью 250 мкм/с.

Рисунок 1. Схема принципа записи фемтосекундным лазерным излучением, когда лазерный пучок сфокусирован внутри оптического волокна. На этой иллюстрации не учитываются другие эффекты фокусировки, искажения и аберрации, создаваемые цилиндрической формой самого волокна.

При таких условиях изготовления внутри волокна могут быть определены области с модифицированным показателем преломления превышающем показатель преломления оболочки. Волновые колебания могут взаимодействовать со светом, распространяющимся в сердцевине волокна. Этот метод не зависит от типа волокна и, в принципе, может применяться для производства интегрированных устройств на основе нескольких типов волокон, включая стандартные одномодовые (SM) волокна или волокна с сохранением поляризации (PM) с сердцевиной различных размеров и из различных материалов.

Профиль показателя преломления внутри волокон был измерен неразрушающим методом с помощью интерферометрической системы IFA-100, а волноводы, образованные измененной областью показателя преломления, были использованы для изготовления ответвителей, которые характеризовались прикреплением фотодетектора к краю оболочки оптического волокна.

Оптические ответвители в одномодовых волокнах

В одномодовых волокнах всегда существовала потребность в надежных делителях мощности для контроля передачи.

Традиционно этот контроль может осуществляться с помощью плавленых ответвителей, с помощью которых свет разделяется и собирается в монитор мощности в одном из выходных плеч ответвителя, после чего производятся измерения, пропорциональные оптической мощности в другом плече. Этот подход прост, однако конечные устройства могут быть большими (с длиной порядка десятков миллиметров), а области применения ограничены, поскольку этот метод нелегко применить к волокнам с размером сердцевины менее 4 мкм, в составе которых используется несколько слоев материалов.

Рисунок 2. (a) Вид сбоку на световод с фемтосекундным лазером, записанным волноводом, пересекающим сердцевину под произвольным углом; (b) Иллюстрация светового потока, распространяющегося в волокне, и небольшого участка, входящего в волновод оболочки и выходящего на краю волокна. Как и на рис. 1, на этом рисунке также игнорируются другие эффекты фокусировки, искажения и аберрации, создаваемые цилиндрической формой самого волокна.

С помощью метода записи фемтосекундным лазером перекрестный ответвитель может быть записан непосредственно внутри волокна и обеспечить достаточную связь для отслеживания оптической мощности, распространяющейся в сердцевине волокна. На рис. 2 показано такое устройство с волноводом, видимым сверху (плоскость, перпендикулярная направлению распространения пишущего лазера), пересекающим волокно через оболочку и сердцевину под небольшим углом. Индуцированные потери в сердцевине волокна и соответствующий коэффициент связи можно точно контролировать в пределах ±0,005 дБ, используя точное позиционирование волокна относительно фокуса лазера (±1 мкм) и точный контроль угла перекрестной связи (±0,002 рад).

Рисунок 3. Томографические изображения одномодового волокна, сделанные в трех разных точках вдоль оси волокна, с фемтосекундным волноводом, пересекающим сердцевину.

На рис. 3 показан профиль показателя преломления одномодового волокна с записанным волноводом. Величина изменения показателя преломления области, облученной фемтосекундным лазером, составляет ≈4·10 −3 и сравнима с показателем преломления сердцевины. Несмотря на искажения и эллипсоидальную форму волновода, эта конфигурация обеспечивает одномодовое распространение, и слабо ограниченный свет может эффективно собираться на краю оболочки (рис. 2-б) с низкими избыточными потерями, что демонстрируется эффективностью более 80%.

Оптические ответвители в оптических волокнах с сохранением поляризации

Другими подходящими волокнами для метода записи лазером являются волокна, сохраняющие поляризацию.

На рис. 4 показаны примеры двух профилей показателя преломления, полученных для двух различных типов волокон, сохраняющих поляризацию. Образец слева представляет собой волокно, легированное германием, со стержнями типа Panda и оболочкой из плавленого кварца. Образец справа представляет собой волокно с сердцевиной из плавленого кварца, легированное фтором. В обоих случаях волновод показан в том месте, где он пересекает сердцевину, а плоскость поперечного волновода совмещена с быстрой осью волокна, это выравнивание способствует поддержанию коэффициента экстинкции.

Рисунок 4. Томографические изображения двух волокон с сохранением поляризации.

Оптические отводы в фотонно-кристаллических волокнах

Первоначально фотонно-кристаллические волокна (ФКВ) представляли конкретную проблему для записи фемтосекундными импульсами. Воздушные отверстия, создающие фотонную запрещенную зону (рис. 5), не были затронуты процессом лазерной записи и, следовательно, делали невозможным передачу света от сердцевины к оболочке волокна. Даже простое попадание в сердцевину фемтосекундного лазерного излучения может быть проблемой, поскольку воздушные отверстия искажают и препятствуют фокусировке лазерного света и созданию значимого перепада показателя преломления. Чтобы преодолеть эту проблему, был разработан дополнительный метод, заключающийся в частичном сжатии фотонной запрещенной структуры, что позволило соединить сердцевину с оболочкой. Для этой демонстрации использовалось волокно с сохранением поляризации.

Рисунок 5. Пример двух конфигураций фотонно-кристаллического волокна. (а) Простая сотовая структура с твердым сердечником, окруженным воздушными отверстиями, которые создают ограничение запрещенной зоны. (b) Фотонно-кристаллическое волокно с твердой сердцевиной и стержнями, поддерживающими поляризацию.

Ожидается, что этот метод будет применим к другим специальным волокнам, таким как волокна с подвешенным стержнем, где воздушные отверстия также являются ключевым компонентом структуры волокна, и поэтому подобное частичное сжатие может быть подходящим для эффективного доступа к сердцевине.

Рисунок 6. Схема способа изготовления волноводных ответвителей в фотонно-кристаллических световодах. (а) Структура фотонно-кристаллического волокна до записи. (b) Разряд электрической дуги перпендикулярно волокну. (c) Фотонно-кристаллическое волокно с изображением частично сжатых воздушных отверстий. (d) Фемтосекундная запись волновода в том месте, где частично сжатые воздушные отверстия создавали возмущение в структуре запрещенной зоны.

Рисунок 7. Микроскопические изображения фотонно-кристаллического волокна, демонстрирующие конечный результат метода изготовления. (а) Волокно с частично нарушенным сердечником и сужающейся оболочкой после разряда дугового заряда. (б) То же волокно, что и в (а), с фотодетектором на заднем плане. (c) и (d) Волокно, освещенное зеленым лазерным светом, показывающее рассеяние в месте расположения волновода.

Изображение частично сжатой области сердцевины можно увидеть на рис. 7-a с тем же волокном, сфотографированным поверх фотодетектора на рис. 7-б. Основываясь на этом изображении, можно оценить, что область воздействия имеет размер порядка 100 мкм, что близко диаметру волокна 125 мкм. На рисунках 7-c и рис. 7-d показано рассеяние зеленого света в месте расположения волновода.

Масляная иммерсия

Форму волноводов можно отрегулировать, изменив числовую апертуру фокусирующего объектива и используя масляную иммерсионную линзу с числовой апертурой 1,25 NA. На рисунке 8 показано сравнение между фокусировкой в волокне с низкой числовой апертурой (слева) и с масляной иммерсионной фокусировкой с высокой числовой апертурой (справа), когда вокруг сердечника были записаны три волновода. Фокусировка в волокне с высокой числовой апертурой создает большую интенсивность лазерного излучения в пятне фокусировки, что создает область с отрицательным показателем преломления над объемом с положительным показателем. Характеристики и преимущества масляной иммерсионной записи в фемтосекундных пучках не новы и изучались многими другими исследователями в прошлом. Тем не менее, здесь показано, что это жизнеспособная альтернатива для коммерческих приложений, улучшающая перспективы более высокой плотности интеграции и повышенной сложности устройства за счет более жестких требований к точности выравнивания.

Рисунок 8. Сравнение волноводов с числовой апертурой 0,1 (слева) и 1,25 (справа).

Рисунок 9. Подробный профиль показателя преломления волноводов с фемтосекундной записью с масляной иммерсионной линзой с высокой числовой апертурой на оболочке (слева) и частично перекрывающейся сердцевиной (справа).

Волновод с малой числовой апертурой на рис. 8 (слева) был записан параллельно сердцевине, но в той же плоскости, что и сердцевина, относительно направления распространения излучения фемтосекундного лазера. Эффекты расфокусировки и аберраций не позволяют этому методу записывать волноводы выше или ниже сердечника относительно положения фокусирующей линзы. Метод масляной иммерсии позволяет преодолеть это ограничение, как видно на рис. 8 (справа), где волноводы могут быть произвольно размещены в любом месте объема волокна для истинного метода трехмерной записи.

Подробный профиль показателя преломления волноводов с фемтосекундной записью и масляной иммерсионной линзой с высокой числовой апертурой показан на рис. 9. Все остальные параметры записи аналогичны тем, которые были описаны выше, за исключением линзы объектива,

Заключение

Волноводы, записанные с помощью фемтосекундного лазера, были успешно использованы для формирования ответвителя внутри фотонно-кристаллического волокна. Эти методы подходят для изготовления оптических отводов в одномодовых волокнах и оптических волокнах с сохранением поляризации. Авторы статьи предложили уникальный метод, благодаря которому стало возможно соединение сердцевины с оболочкой волокна. Подобная демонстрация проведена впервые. Ответвители показали эффективность более 60%.

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Oz Optics на территории РФ

Фемтосекундный лазер (лазер сверхкоротких импульсов) — система, способная генерировать сверхкороткие импульсы лазерного излучения длительностью от 5 фемтосекунд и выше.

Приставка ФЕМТО, которая присоединяется к единицам измерения, в нашем случае к секунде, образует новую единицу — фемтосекунду. Она равна одной квадриллионной части секунды, этот результат получается путем умножения 1 секунды на число 10 в −15 степени.

Импульсы лазерного излучения, длительность которых составляет меньше 100 пикосекунд (1 пикосекунда = 1000 фемтосекунд), считаются сверхкороткими. При этом они обладают очень высокой интенсивностью, что влияет на их взаимодействие между светом и материей.

Первые лазеры, генерирующие импульсы света фемтосекундной длительности, были изобретены еще в конце 1980-х годов, однако применяться в офтальмологии они начали уже в новом тысячелетии. Так, первым фемтосекундным лазером, который получил сертификат FDA (агентство Министерства здравоохранения и социальных служб США), стал в 2001 году IntraLase от Abbott Medical Optics (США). Затем в 2004 г. сертификацию прошла система Femtec от Perfect Vision (США), в 2007 г. ее обладателем стал один из популярных современных фемтолазеров — VisuMax от Carl Zeiss (Германия), а в 2008 г. — лазерная установка Z-LASIK от Ziemer (Германия).

Применение фемтосекундных лазеров в офтальмологии

Лазерная коррекция близорукости, дальнозоркости и астигматизма методами ReLEx SMILE , ReLEx FLEx , Femto Super LASIK .
Лазерная коррекцияпресбиопии .
Хирургиякатаракты .
Имплантация интрастромальных колец при кератоконусе .
Кератопластика.

В мае этого года квантовому оптическому генератору (лазеру) исполнилось 60 лет. Первый функционирующий прибор был запущен Т. Мейманом 16 мая 1960 года.

Когда-то лазер Меймана был единственным в своем роде. За 60 лет мы прошли путь от уникального устройства к десяткам тысяч инструментов, использующих в основе принципы квантовой оптической генерации. Это большой путь, но мы до сих пор где-то в начале.

Лазер (LASER — акроним от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) — устройство, преобразующее энергию т. н. накачки в когерентное электромагнитное излучение оптического диапазона частот.

От других источников света (ламп, солнца) лазер отличается тем, что испускаемый им свет обладает свойствами монохроматичности и когерентности. По сути, это гармоническая электромагнитная волна с частотой в сотни и тысячи терагерц.

Благодаря своим уникальным свойствам лазер нашел применение во многих и совершенно разных отраслях: в телекоммуникациях, производстве и технологической среде, медицине и косметологии, метрологии и военной промышленности.

Наиболее каноничной демонстрацией свойства когерентности является наблюдение дифракции и интерференции, известное со школьных опытов. И хотя дифрагирует и интерферирует любой свет, лишь в монохроматичном излучении картина становится максимально наглядной. Напомним: дифракция — это явление огибания препятствий волной, а интерференция — пространственное или временное перераспределение амплитуд нескольких взаимодействующих волн.

Принцип работы квантового оптического генератора базируется на теории вынужденного излучения Эйнштейна. Предсказанное Эйнштейном в 1916 году явление получило строгое теоретическое обоснование в 1927–30 годах в рамках квантовой механики.

Суть квантовой генерации на самом деле проста. В микромире энергия, как известно, передается порциями — квантами. Размеры порций этой энергии для конкретной квантовой системы заранее предопределены природой. Определенный атом (или любая другая квантово-размерная частица) может принять или излучить энергию только определенных порций и ни толикой больше или меньше — это постулат квантового мира.

Предположим, у нас есть квантовая система в некотором стабильном (но не самом низком) энергетическом состоянии. Идея Эйнштейна заключалась в том, что под некоторым внешним воздействием эта квантовая система может перейти в состояние с более низкой энергией (вплоть до самого низкого), излучив порцию энергии (квант), который по своей величине равен разнице энергетических уровней системы. В качестве вынуждающего воздействия может выступать и фотон — индуцирующий квант света. Вся прелесть явления в том, что если индуцирующий квант по своей величине энергии соответствует разнице энергетических уровней квантовой системы, то ее релаксация происходит с высокой вероятностью, а излученный квант будет иметь те же характеристики, что и индуцирующий: то же направление, частоту, поляризацию и даже фазу.

Когда речь идет про лазерное излучение, под квантом понимается фотон — частица света — хотя эта терминология относительно условна: принцип работы высокочастотного микроволнового генератора, мазера, аналогичен, но в радиочастотном диапазоне не принято говорить о квантах. В ходе эксперимента вынужденное излучение было впервые продемонстрировано У. Лэмбом и Р. Резерфордом в 1947 году.

Понимание этих явлений и умение создавать условия для их проявления привели к разработке квантового оптического генератора.

Впервые лазеры, выдающие импульсы фемтосекундной длительности, появились в начале 80-х гг. прошлого века. Тогда это произвело истинную революцию в науке. Сейчас, спустя три десятилетия, фемтосекундная лазерная физика – совершенно самостоятельное и чрезвычайно перспективное направление. Об исследованиях и разработках в этой области нам рассказал заведующий отделом лазерной плазмы ОИВТ РАН, руководитель Фемтосекундного лазерного центра доктор физико-математических наук Михаил Борисович Агранат.

Михаил Борисович Агранат

- Михаил Борисович, с лазерами нам все более или менее ясно. А чем специфическим может заниматься именно Фемтосекундный лазерный центр?

- Думаю, и с лазерами далеко не всем все ясно. Лазерная физика – обширнейший раздел науки, который мы еще только начали осваивать. И фемтосекундные лазеры занимают в нем стратегически важную позицию. Бурно развивается и фемтосекундная лазерная техника в направлении увеличения мощности излучения и уменьшения длительности импульса до долей фемтосекунд (аттосекундный диапазон).

Наш центр можно условно разбить на три комплекса, или три направления.

Первый комплекс состоит из фемтосекундных лазерных систем тераваттного (до 10 ТВт) и субтераваттного уровня мощности импульса излучения. Здесь проводятся экспериментальные исследования взаимодействия сверхсильных полей с веществом, свойств высокотемпературной лазерной плазмы, разработка короткоимпульсных источников терагерцевого и ренгеновского спектра излучения.

Второй комплекс условно называем технологическим. Здесь проводятся исследования с помощью фемтосекундных лазеров мегаваттной импульсной мощности, такие как исследования неравновесного нагрева спиновой подсистемы в ферромагнетиках, прочностных свойств материалов под действием ударных нагрузок предельно короткой длительности, образование горячих электронов в металлах и полупроводниках, сверхбыстрые фазовые превращения и многое другое. Отрабатываются прикладные задачи: как с помощью лазера снимать или наносить нанослой вещества, как создавать наноструктуры на поверхности различных материалов.

Третий комплекс – биомедицинский. Здесь разрабатывается уникальное оборудование, ведется работа над многими интересными задачами, для решения которых мы работаем вместе с биологами из Института биологии развития им. Н.К. Кольцова, биологического факультета МГУ, НИИ общей патологии и патофизиологии РАМН, медиками из Российского онкологического научного центра им. Н.Н. Блохина, Центром биофотоники при Гарвардском университете США, Центром молекулярной нейробиологии в Гамбурге, Германия. Основное направление исследований – клеточная медицина.

Накачка генератора мультитераваттной лазерной установки

В лаборатории тераваттных лазерных систем

С помощью этой уникальной установки было проведено много исследований, поскольку стояли ряд задач, требующих мощного фемтосекундного инфракрасного лазерного импульса. Но самая эффективная и яркая возможность применения хром-форстерит-лазерной системы неожиданно для нас возникло в прошлом году. Выяснилось, что только благодаря нашей установке можно получить с помощью преобразования на нелинейном кристалле мощные импульсы субпикосекундной длительности когерентного направленного излучения терагерцевого спектрального диапазона.

Аспирант Сергей Ромащенков готовит эксперимент

Наши совместные исследования (опубликованные в 2014 и 2015 гг. в журналах Optics Letters и Optics Express) получили широкий резонанс, к нам приходили письма с просьбой помочь сделать такую же установку. Только в Минобрнауки нас до сих пор особо не замечают. В 2014 г., после того как мы получили терагерцевый импульс рекордной мощности, мы подали заявку на конкурс по модернизации уникальных установок, где все эти проблемы и задачи были изложены, но грант нам не дали. Нас немного поддержала РАН, выделив финансирование из программ президиума. Сейчас В.Е. Фортов активно старается доказать, что открыто новое направление, требующее интенсивного развития. С помощью мощного короткоимпульсного источника когерентного терагерцевого излучения можно проводить дистанционную диагностику параметров различных материалов (в том числе газовых сред), дефектов, скрытых от оптического излучения, и оказывать на вещество силовое воздействие.

- То есть можно воздействовать на объект через стену?

- Да. Но чтобы проводить подобные исследования, нужен нелинейный преобразователь, который строится на основе мозаики из кристаллов, и мозаика эта достаточно большого диаметра. Такие кристаллы выращивается пока только в Швейцарии и в Японии, а стоимость такого преобразователя составляет около 10 млн. рублей. Сейчас мы занимаем лидирующую позицию, но через два года, если не проведем никаких исследований и не найдем мощных приложений, нас обойдут. В настоящее время средств на покупку такого преобразователя и проведение работ у нас нет. Будем пока пользоваться во время совместных исследований кристаллом наших швейцарских коллег.

Странная материя

- Когда говорят о таких мощных лазерах, сразу возникает вопрос о переходе вещества в состояние плазмы.

- На нашей установке плазма, разумеется, получается, но в маленьком объеме, с линейными размерами примерно 10 мкм. Это объект исследований, который по-другому смоделировать невозможно. С помощью фемтосекундного лазера можно не только создавать плазму, но, например, с помощью интерферометра диагностировать свойства плазмы и определять различные ее параметры спустя 100, 200, 300 и т.д. фемтосекунд после ее образования. Только с помощью такого лазера можем наблюдать, как она разлетается, какие параметры у нее изменились.

- Но это уже фундаментальные исследования.

- Совершенно верно. Но имеющие и большое прикладное значение. Вы можете в маленьком объеме лазером ускорить электроны до таких энергий, для которых строят огромнейшие ускорители. То же самое с ионами, а ускорение ионов уже важно и чисто практически, для лечения злокачественных заболеваний.

С помощью фемтосекундного лазера можно создать и исследовать необычные экстремальные состояния в твердом веществе. Например, перегреть кристаллическую решетку до сверхвысоких температур 10÷100 тыс. градусов, когда она не может долго существовать и вот-вот должна перейти в состояние плазмы. Но это произойдет лишь спустя сотни или тысячи фемтосекунд, когда вы ее нагрели сверхкоротким импульсом, в плазму она превратится только через пикосекунды, а может быть, даже через десятки пикосекунд. И в этот промежуток времени вы будете иметь дело с очень необычным веществом: уже не кристалл, еще не плазма, а вообще неизвестно, что это за состояние вещества.

- Переходная стадия?

- Да, экстремальное состояние материи. Мы моделируем фемтосекундным лазером такие экстремальные состояния и им же их исследуем.

Сергей Игоревич Ашитков, старший научный сотрудник лазерного воздействия ОИВТ РАН, кандидат физико-математических наук:

- Одно из наших направлений, в котором мы достигли результатов мирового уровня, – исследование прочностных свойств материалов под действием ударных нагрузок предельно короткой длительности, которые создаются с помощью фемтосекундного лазерного излучения. Прочность - это динамическая характеристика, т.е. чем быстрее мы хотим разорвать вещество, тем больше усилий мы должны приложить. Поэтому при коротких нагрузках прочность, например, алюминия становится соизмеримой с прочностью алмаза в обычных условиях. Такие исследования необходимы для прогнозирования поведения вещества при воздействии нагрузок в широком диапазоне их длительности. Нас интересуют экстремальные состояния. В нашей лаборатории была получена предельная скорость деформирования металла, 10 9 обратных секунд, на это способен только фемтосекундный лазер. В данной области мы обогнали американских коллег на полгода. И это было признано: позже они ссылались на наши работы.

Биомедицинские исследования

- А чем фемтосекунды лучше наносекунд?

- Когда вы греете вещество с линейными размерами 10 мкм наносекундными импульсами, тепло за это время распространяется далеко от зоны воздействия. Если вам нужно сделать маленькую дырочку, наносекундами это не выйдет. А фемтосекундами – вполне, поскольку время короткое, тепло не успеет распространиться. Грубо говоря, фемтосекундный лазер на три порядка острее, чем лазер наносекундный. Поэтому для клеточной медицины фемтосекундный лазер подходит значительно лучше, особенно для трансфекции – когда в клетке делается отверстие и в него вводятся либо генетический материал, либо лекарства.

К нам приезжала южнокорейская фирма, привозила дисплей с трехслойным покрытием. Нужно было снять один слой так, чтобы не повредить следующий. И эту работу мы сделали.

Дмитрий Сергеевич Ситников, старший научный сотрудник лаборатории лазерного воздействия ОИВТ РАН, кандидат физико-математических наук:

Действие фемтосекундного лазерного пинцета

- Адресная доставка?

- Да. И такая методика нами разработана совместно с сотрудниками Института биологии развития.

- В том, что лазером что-то можно разрезать как скальпелем, сомневаться невозможно. Но вот чтобы он выполнял функции захвата.

- Лазерный пинцет был разработан еще во второй половине 1970-х гг. В нем луч лазера фокусируется в пятнышко диаметром в десяток микрометров. Поле в нем распределяется так, что попавшая в него частица уже не может выйти. Там идет неравномерное распределение интенсивности по пятну. Когда в него попадает диэлектрическая частичка, которая сдвигается благодаря такой неравномерности, при передаче импульсов фотонов возникает так называемая градиентная сила, которая возвращает ее обратно.

Инна Вячеславовна Ильина, старший научный сотрудник лаборатории лазерного воздействия ОИВТ РАН, кандидат физико-математических наук:

- Созданная в лаборатории комбинированная система позволяет выполнять прецизионные микрохирургические и микроманипуляционные процедуры с биообъектами. С помощью этой системы мы совместно с сотрудниками биологического факультета МГУ проводим бесконтактную биопсию эмбрионов на различных сроках преимплантационного развития. В частности, лазерным скальпелем делаем в оболочке эмбриона отверстие размером 5–20 мкм и оптическим пинцетом, без каких-либо механических инструментов, извлекаем полярное тельце. Оно не очень нужно в дальнейшем для развития эмбриона, но позволяет провести диагностику возможных генетических заболеваний. Кроме того, помимо биопсии полярного тельца аналогичную процедуру мы выполняли на более поздних сроках преимплантационного развития – осуществляли бесконтактную биопсию клеток трофэктодермы эмбриона.

- Такая лазерная нейронная сварка?

Лазеры сейчас очень широко применяются в хирургии, в онкологии. И здесь у фемтосекундных лазеров тоже большое будущее.

- Какие задачи вы сегодня решаете в этом направлении?

- В настоящее время мы совместно с НИИ общей патологии и патофизиологии РАМН разрабатываем технологию лазерной микрохирургией клеточных сфероидов (послойная диссекция заданной области клеточной культуры 3D) для моделирования повреждающего воздействия и исследования механизмов репарации сфероидов в задачах тканевой инженерии, регенеративной медицины.

Совместно с Московским НИИ психиатрии начались работы по разработке методов ранней диагностики психиатрических заболеваний (в частности, шизофрении) по динамике в пикосекундном временном диапазоне отклика молекулы альбумина в крови на воздействие фемтосекундных лазерных импульсов.

А совместно с гамбургским Центром молекулярной нейробиологии начинаются работы по исследованию транспортных процессов в нейронах.

- Ваши установки и сейчас не маленькие, но до каких размеров их можно довести?

Фемтосекундный лазерный центр ОИВТ РАН (ФЛЦ)

В составе ФЛЦ – пять фемтосекундных лазерных систем видимого и инфракрасного диапазона спектра излучения с длительностями импульсов от 30 фс, частотой повторения до 10 кГц и выходной мощностью излучения до 10 ТВт, имеются различные диагностические комплексы с уникальными методиками измерений.

Читайте также: