Конспекты лекций / Лекция 8

Лекция 8.

Оптоволоконные преобразователи, лазеры, фотоэлектрические преобразователи. 1. Строение оптического волокна

Явление полного внутреннего отражения:

Закон Снеллиуса: угол падения света на поверхность связан с углом преломления соотношением

Здесь:

— показатель преломления среды, из которой свет падает на границу раздела;

— угол падения света — угол между падающим на поверхность лучом и

нормалью к поверхности;

— показатель преломления среды, в которую свет попадает, пройдя границу

раздела;

— угол преломления света — угол между прошедшим через поверхность лучом и нормалью к поверхности.

Рисунок 1. Неполное и полное внутренне отражение

Рассмотрим внутреннее отражение на примере двух монохроматических лучей, падающих на границу раздела двух сред. Лучи падают из зоны более плотной среды (обозначена более тёмным голубым цветом) с коэффициентом преломления на границу с менее плотной средой (обозначена светло-голубым цветом) с коэффициентом

преломления .Красный луч падает под углом , то есть на границе сред он раздваивается – частично преломляется и частично отражается. Часть луча преломляется под углом .Зелёный луч падает и полностью отражается . Волоко́нно-опти́ческая связь — способ передачи информации, использующий в качестве носителя информационного сигнала электромагнитное излучение оптического (ближнего инфракрасного) диапазона, а в качестве направляющих систем — волоконнооптические кабели. Благодаря высокой несущей частоте и широким возможностям мультиплексирования (2) (передача нескольких потоков (каналов) данных с меньшей скоростью по одному каналу), пропускная способность волоконно-оптических линий многократно превышает пропускную способность всех других систем связи и может измеряться терабитами в секунду. Малое затухание света в оптическом волокне позволяет применять волоконно-оптическую связь на значительных расстояниях без использования усилителей. Волоконно-оптическая связь свободна от электромагнитных помех и труднодоступна для несанкционированного использования: незаметно перехватить сигнал, передаваемый по оптическому кабелю, технически крайне сложно.

1

В основе волоконно-оптической связи лежит явление полного внутреннего отражения электромагнитных волн на границе раздела диэлектриков с разными показателями преломления. Оптическое волокно состоит из двух элементов — сердцевины, являющейся непосредственным световодом, и оболочки. Показатель преломления сердцевины несколько больше показателя преломления оболочки, благодаря чему луч света, испытывая многократные переотражения на границе сердцевинаоболочка, распространяется в сердцевине, не покидая её.

Рисунок 2. Упрощенное строение оптоволоконного кабеля

Числовая апертура – максимальный угол, в пределах которого происходит распространения света за счет последовательных отражений.

Оптические волокна могут быть одномодовыми и многомодовыми (мода = тип волны). Диаметр сердцевины одномодовых волокон составляет от 7 до 10 микрон. Благодаря малому диаметру достигается передача по волокну лишь одной моды электромагнитного излучения, за счёт чего исключается влияние дисперсионных искажений. В настоящее время практически все производимые волокна являются одномодовыми.

Многомодовые волокна отличаются от одномодовых диаметром сердцевины, который составляет 50 микрон в европейском стандарте и 62,5 микрон в североамериканском и японском стандартах. Из-за большого диаметра сердцевины по многомодовому волокну распространяется несколько мод излучения — каждая под своим углом, из-за чего импульс света испытывает дисперсионные искажения и из прямоугольного превращается в колоколоподобный. Из-за этого тип ступенчатых волокон (вариант 1, рисунок 3), с постоянным коэффициентом преломления (постоянной плотностью) по всему сечению сердечника, уже давно не используется из-за большой модовой дисперсии.

Градиентное волокно (вариант 2, рисунок 3), имеет неравномерную плотность материала сердечника. На рисунке хорошо видно, что длины пути лучей сильно сокращены за счет сглаживания. Хотя лучи, проходящие дальше от оси световода, преодолевают большие расстояния, они при этом имеют большую скорость распространения. Происходит это из-за того, что плотность материала от центра к внешнему радиусу уменьшается по параболическому закону. А световая волна распространяется тем быстрее, чем меньше плотность среды.

В ряде случае многомодовое соединение более экономично, поскольку может быть использовано вместе с недорогими соединителями и лазерными устройствами, что снижает общую стоимость системы. Это делает многомодовые волоконные соединения идеальным выбором для небольших расстояний (до 500 метров) от передатчика к приемнику (или наоборот).

2

Рисунок 3. Одномодовое и многомодовое (ступенчатое и градиентное оптоволокно)

2.Применение оптического волокна в медицине

2.1.Гастроскопия (эзофагогастродуоденоскопия) - процедура, которая позволяет врачу-

эндоскописту осмотреть ваш пищевод, желудок и начальные отделы тонкой кишки (двенадцатиперстная кишка) со стороны слизистой оболочки через тонкий, гибкий

оптический инструмент, который носит название эндоскопа. Трубка эндоскопа

содержит в себе 4 различных каналов:

1) оптическое волокно для передачи видеосигнала и заканчивающееся камерой 2) пучок оптического волокна, по которому идет свет (нужен для осмотра органов, потому что внутри организма источников света нет).

3)канал для специальных щипцов, которые позволяют брать кусочки тканей для последующего морфологического исследования

4)канал для ирригации (орошения) с помощью воды или воздуха и их аспирации (удаления)

Фиброгастроскопия – то же самое, только дополнительно к исследованию берут биопсию.

Кончик эндоскопа аккуратно проводят через рот и затем мягко постепенно смещают его вниз в пищевод, желудок и двенадцатиперстную кишку, последовательно осматривая все верхние отделы желудочно-кишечного трактата. Используя эндоскоп, врач может выявить наличие язвы, инфекции, опухоли, кровотечения или явлений воспаления. Образцы ткани могут быть взяты во время биопсии, также возможно удаление полипов и диагностика источника кровотечения и его устранение. Эндоскопическое исследование позволяет обнаружить проблемы, которые не раскрываются при обычном рентгенографическом исследовании, к тому же его использование может иногда устранить необходимость в диагностической операции.

3

Рисунок 4. Процедура гастроскопии

Эндоскопист продвигает эндоскоп по просвету пищеварительного тракта, смотря в окуляр или на видеомонитор, чтобы оценить состояние стенок пищевода, желудка и двенадцатиперстной кишки. При возникновении проблем с осмотром стенок органов, через специальный каналец в эндоскопе в просвет желудка подается воздух или вода, которая, омывая стенки, расчищает место, подлежащее осмотру, или очищает линзу эндоскопа. После этого жидкость и воздух удаляется - аспирация. Камера, подсоединенная к эндоскопическому оборудованию, позволяет зафиксировать весь период исследования на видео для последующей детальной оценки находок. Через специальный канал в эндоскопе доктор может провести крошечные эндоскопические инструменты (щипцы, петли), которые позволят ему произвести биопсию или удалить патологические разрастания слизистой. Процедура биопсии является безболезненной.

Рисунок 5. Внешний вид современногоэндоскопа

4

Гибкий эндоскоп состоит из частей (см. рисунок): A – гибкая рабочая часть, B – корпус устройства, C – окуляр, D – соединительный кабель, E – разъем осветителя; 1 – управляемый дистальный конец, 2 – головка, 3 – кнопка подачи воды и воздуха, 4 – кнопка управления аспирацией, 5 – ручки управления дистальной частью, 6 – вход инструментального канала.

С помощью ручек управления 5) можно манипулировать дистальным концом 1), который способен изгибаться. Управляемый конец может изгибаться под разными углами, благодаря чему можно ввести прибор в труднодоступные области.

Гибкая рабочая часть А включает в себя каналы для передачи изображения, светового потока, воды и воздуха. В приборе есть специальный канал для инструментов 6), который также может быть использован для аспирации при исследовании. Выход каналов находится в головке 2) дистальной части 1).

Корпус B оснащен системами, которые управляют дистальной частью, подачей жидкостей, воздуха и аспирацией.

Основа волоконного эндоскопа – это оптическая система, которая состоит из объектива, установленного в головке и жгута проводящих стеклянных нитей. Окуляр C соединен со жгутом и позволяет рассматривать изображение в увеличенном виде.

Свет передается через стекловолоконный световод, который переходит в кабель D, подсоединенный к внешнему источнику света с помощью специального разъема E. Это дает возможность получить необходимый для осмотра уровень освещенности.

Через кабель также подаются воздух и вода, которые переключаются кнопкой 3). Функция аспирации управляется кнопкой 4).

Рабочая часть покрыта эластичной оболочкой, что минимизирует дискомфорт при проведении устройства по анатомическому проходу.

Современные эндоскопы могут различаться по функциональности, но имеют общие принципы строения. Все эндоскопическое оборудование должно обязательно проходить очистку и дезинфекцию специальными растворами.

Рисунок 6. Пептический эзофагит нижней трети пищевода. Видеоэндоскопия. Видны линейные дефекты слизистой оболочки

2.2 Лапа̀роскопи́я (др.-греч. λαπάρα — пах, чрево + др.-греч. σκοπέω — смотрю) —

современный метод хирургии, в котором операции на внутренних органах проводят через небольшие (обычно 0,5—1,5 см) отверстия, в то время как при традиционной хирургии требуются большие разрезы. Лапароскопия обычно проводится на органах внутри

5

брюшной или тазовой полостей. Основной инструмент в лапароскопической хирургии — лапароскоп: телескопическая трубка, содержащая систему линз и обычно присоединённая к видеокамере. Современные лапароскопы оснащены цифровыми матрицами и обеспечивают изображение высокой четкости. К трубке также присоединён оптический кабель, освещённый «холодным» источником света (галогеновая или ксеноновая лампа). Брюшная полость обычно наполняется углекислым газом (наложение т. н. карбоксиперитонеума) для создания оперативного пространства. Фактически, живот надувается как воздушный шар, стенка брюшной полости поднимается над внутренними органами как купол.

2.3. Эндоваскулярная хирургия

Эндоваскулярная хирургия (endо — внутри, vascular — сосудистый) — современный метод лечения сосудистых заболеваний, при котором лечебное воздействие осуществляется изнутри сосуда. Эндоваскулярные вмешательства выполняются под местной анестезией через прокол в сосуде (как правило, пунктируется артерия на бедре

осуществить лечебное воздействие на сосудистую стенку.

Баллонная ангиопластика — расширение просвета суженного сосуда изнутри специальным раздувающимся баллоном. Баллонная дилатация имеет хорошие результаты лечения только в определённых сосудистых бассейнах (например, подвздошные артерии). К сожалению, зачастую эффект от баллонной ангиопластики непродолжителен.

Стентирование — установка в просвет суженного или закупоренного сосуда цилиндрической пружинки (стента), расширяющей сосуд и восстанавливающей кровоток по ней. Стентирование относится к наиболее популярным хирургическим методам лечения атеросклероза, поскольку выполняется через небольшой прокол сосуда и легко переносится больными. Однако, этот метод лечения наиболее эффективен только при локальных и непротяжённых поражениях артерий, поэтому может быть применён далеко не у всех

3. Лазеры в терапии, хирургии и офтальмологии

генера́тор - это устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного (в различных пространственных точках волны осцилляции происходят синхронно, то есть разность фаз между двумя точками не зависит от времени), монохроматического, поляризованного (колебания в одной плоскости) и узконаправленного потока излучения.

после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Таким образом, происходит усиление света.

6

Все лазеры состоят из трёх основных частей:

активной (рабочей) среды;

системы накачки (источник энергии);

оптического резонатора (может отсутствовать, если лазер работает в режиме усилителя).

В названии лазера упоминается жидкая, газообразная, твердая или

электронная субстанция, которая используется для генерации излучения. Полупроводниковый лазер — твердотельный лазер, в котором в качестве рабочего

вещества используется полупроводни. Типичный представитель диодный лазер – лазер, построенный на базе диода. Если через область p-n перехода пройдёт фотон нужной (резонансной) частоты, он может вызвать вынужденную рекомбинацию с выделением второго фотона, причём его направление, вектор поляризации и фаза будут в точности совпадать с теми же характеристиками первого фотона (то есть получится лазерное излучение).

С момента своего изобретения лазеры зарекомендовали себя как «готовые решения ещё неизвестных проблем». В силу уникальных свойств излучения лазеров, они широко

излучения позволяет производить локальную термическую обработку и связанную с ней механическую обработку (резку, сварку, пайку,гравировку). Точный контроль зоны нагрева позволяет сваривать материалы, которые невозможно сварить обычными способами (к примеру, керамику и металл). Луч лазера может быть сфокусирован в

полупроводниковых кристаллов, сверление особо тонких отверстий в печатных платах).

прозрачных материалов). Лазеры используются для получения поверхностных покрытий материалов (лазерное легирование, лазерная наплавка, вакуумно-лазерное напыление) с целью повышения их износостойкости. При лазерной обработке материалов на них не оказывается механическое воздействие, зона нагрева мала, поэтому возникают лишь незначительные термические деформации. Кроме того, весь технологический процесс может быть полностью автоматизирован. Лазерная обработка потому характеризуется высокой точностью и производительностью.

7

Лазеры применяются в голографии для создания самих голограмм и получения голографического объёмного изображения. Некоторые лазеры, например лазеры на красителях, способны генерировать монохроматический свет практически любой длины волны, при этом импульсы излучения могут достигать 10−16 с, а следовательно и огромныхмощностей (так называемые гигантские импульсы). Эти свойства используются

нескольких сантиметров. Лазерная локация космических объектов уточнила значения ряда фундаментальных астрономических постоянных и способствовала уточнению параметров космической навигации, расширила представления о строении атмосферы и поверхности планет Солнечной системы. В астрономических телескопах, снабжённых адаптивной оптической системой коррекции атмосферных искажений, лазер применяют для создания искусственных опорных звезд в верхних слоях атмосферы.

Применение лазеров в метрологии и измерительной технике не ограничивается измерением расстояний. Лазеры находят здесь разнообразнейшее применение: для измерения времени, давления, температуры, скорости потоков жидкостей и газов, угловой скорости (лазерный гироскоп), концентрации веществ, оптической плотности, разнообразных оптических параметров и характеристик, в виброметрии и др.

Сверхкороткие импульсы лазерного излучения используются в лазерной химии для запуска и анализа химических реакций. Здесь лазерное излучение позволяет обеспечить точную локализацию, дозированность, абсолютную стерильность и высокую скорость ввода энергии в систему. В настоящее время разрабатываются различные системы лазерного охлаждения, рассматриваются возможности осуществления с помощью лазеров управляемого термоядерного синтеза. Лазеры используются и в военных целях, например, в качестве средств наведения и прицеливания. Рассматриваются варианты создания на основе мощных лазеров боевых систем защиты воздушного, морского и наземного базирования.

В медицине лазеры применяются как бескровные скальпели, используются при

в косметологии (лазерная эпиляция, лечение сосудистых и пигментных дефектов кожи, лазерный пилинг, удаление татуировок и пигментных пятен).

Лазерное воздействие

Наиболее известны в лазерной хирургии лазер на углекислом газе (или СО2лазер) и неодимовый лазер. Некоторые другие виды высокоэнергетичных лазеров, используемых в медицине, имеют, как правило, свои узкие области применения. Например, в офтальмологии для прецизионного испарения поверхности роговицы глаза применяются эксимерные лазеры – (ультрафиолетовые химические лазеры)

В лазерной технике наилучшим для хирургии является использование тонкого кварцевого оптического волокна для доставки лазерного излучения к объекту воздействия. Оптическое волокно для хирургических лазеров хорошо сопрягается с существующими эндоскопами, имеющими для этого специальные каналы.

Лазерная англиопластика: применяется для удаления атеросклеротических бляшек в кровеносных сосудах. Ультрафиолетовые (308 нм) или инфракрасные (210 нм) импульсы подводятся к бляшке по волоконно-оптическому катетеру диаметром 1,2-2 мм с отверстием для проводника. Периодические импульсы испаряют воду, что вызывает механические волны, разрушающиебляшку кроме того, идет распад C-N и С-С связей.

Для тех, кому интересно, как производится лазерная коррекция зрения, смотреть: http://tvoelechenie.ru/oftalmologiya/lazernaya-korrekcii-zreniya-pri-dalnozorkosti-effektivno-i- bezopasno.html (написано вполне понятным языком).

Вопросы к лекции:

1.Закон Снеллиуса. Явление полного внутреннего отражения.

2.Волоконно-оптическая связь: принцип действия и основные преимущества

3.Одномодовые и многомодовые волокна: принципы построения и основные преимущества (включая волокна с градиентным показателем преломления)

4.Фиброгастроскопия. Составные части оптоволоконного видеоэндоскопа. Эндоваскулярная хирургия (дать определение)

5.Лазер: определение (в т.ч. акроним). Принцип формирования названия лазера.

6.Явление вынужденного излучения. Три основные части любого лазера.

9