Нелинейные процессы

В области небольшой длительности импульсов и, следовательно, высокой плотности мощности возникает новый класс процессов, которые явно отличаются от чисто термических или фотохимических воздействий лазерного излучения на материю, так называемые нелинейные процессы (рис. 35).

Рис. 35. Области энергетической плотности и длительности импульсов для различных процессов лазерного воздействия на ткань.

В данном случае речь идет, с одной стороны, о процессе фотоабляция (фотодекомпозиции) с помощью УФ лазерного излучения, который впервые был описан Шринивашаном и приобрел значение в связи с прецизионным снятием материала при совершенно незначительной термической нагрузке на окружающие ткани. Возможное медицинское применение – лазерная ангиопластика или коррекция формы роговицы. Этот процесс возникает в области плотностей энергии 0,1-10 Дж/см² и длительности лазерных импульсов в наносекудном и микросекундном диапазонах. При более высокой плотности мощности (около 10¹¹ Вт/см²) возможен еще один процесс «оптический пробой». При этом из-за очень высокой электрической напряженности поля лазерного излучения материя ионизируется, что приводит к образованию плазмы и к механическим ударным волнам (фоторазрушение). Для этого процесса не требуется поглощение веществом энергии, и поэтому он наблюдается также в прозрачных средах, например, в воздухе. Процесс фотодисрупции находит применение, например, в офтальмологии при разрушении мембраны вторичной катаракты (разрушение задней мембраны капсулы хрусталика через роговицу) после имплантации искусственного хрусталика. Другое будущее применение – в лазернойлитотрипсии.

Фотоабляция

На рисунке 36 показана диаграмма удаления ткани при абляции. Типичный для нелинейных процессов пороговый режим характерен также и для абляции ввиду резкого увеличения интенсивности абляции, начиная от специфичной для ткани пороговой плотности энергии (порог абляции).

Рис. 36. Принципиальная диаграмма абляции. Удаляемая отдельным импульсом толщина ткани (интенсивность абляции) указана над плотностью энергии (l_s – порог абляции).

При незначительной плотности энергии в зоне I (рис. 36), приложенное лазерное излучение вызывает лишь незначительное нагревание ткани. К этой зоне при чуть более высокой плотности энергии примыкает переходная зона, в которой нагревание приводит к выпариванию ткани. Этот эффект сравним с выпариванием ткани излучением непрерывного лазера. При достижении порогового значения плотности энергии (l_s) глубина абляции значительно возрастает, т.е. облученный объем ткани мгновенно испаряется. Именно этот энергетический диапазон мы называем «зоной абляции» (зона II). Затем наступает насыщение (зона III), т.к. не вся энергия лазерного излучения идет на абляцию. Это «насыщение» (зона III) обусловлено плазмой, образующейся над поверхностью и поглощающей часть излучения, которое в результате не вызывает абляцию. Абляция в основном характеризуется порогом абляции и увеличением интенсивности абляции. Эти параметры зависят от коэффициента поглощения ткани на длине волны используемого лазерного излучения. На рис. 37 показано, что хотя при различных длинах волн лазерного излучения наблюдается одинаковый типичный характер абляции, но пороги абляции очень различны. Точный механизм абляции, который включает в себя как термическое удаление, так и разрыв молекулярных соединений, еще не полностью изучен.

Рис. 37. Интенсивность абляции ткани аорты при различных длинах волн лазерного излучения.