3.4. Нелинейные процессы
При небольшой длительности импульсов и высокой плотности мощности излучения возникает ряд процессов, которые существенно отличаются от чисто термических или фотохимических воздействий лазерного излучения на материю. Это так называемые нелинейные процессы. Рассмотрим наиболее важные из них.
Фотоабляция
Фотоабляция (фотодекомпозиция) материала происходит при воздействии коротких импульсов УФ излучения. Рассмотрим типичную зависимость интенсивности абляции (то есть толщины удаленного слоя) от плотности энергии излучения (рисунок 11).
Рисунок 11.
Качественный характер зависимости
толщины удаленного слоя при фотоабляции
от плотности энергии падающего излучения.
При небольшой
плотности энергии (зона 1) лазерное
излучение вызывает лишь незначительное
нагревание ткани. К этой зоне (при
увеличении плотности энергии излучения)
примыкает переходная зона. В ней действие
лазерного излучения приводит к удалению
ткани. Этот эффект сравним с абляцией
ткани излучением непрерывного лазера.
При достижении некоторого критического
(порогового) значения плотности энергии
излучения
глубина абляции значительно возрастает,
то есть облученный объем ткани тут же
испаряется. Именно этот энергетический
диапазон называют зоной абляции (зона
II).
В следующем энергетическом интервале
наступает насыщение, то есть с увеличением
плотности энергии толщина удаленного
слоя не увеличивается. Это означает,
что не вся энергия лазерного излучения
идет на абляцию. Насыщение обусловлено
образованием плазмы над поверхностью
обрабатываемого материала. Плазма
поглощает часть излучения, то есть
экранирует поверхность от него.
Основными характеристиками абляции являются порог абляции и увеличение интенсивности абляции с увеличением плотности энергии излучения (наклон кривой в зоне II). Эти параметры определяются в основном показателем поглощения ткани на длинe волны используемого лазерного излучения. Хотя при различных длинах волн характер этой зависимости одинаков, но численные значения могут сильно отличаться.
Механизм абляции
включает в себя как термическое удаление,
так и фотодекомпозицию, то есть удаление,
связанное с разрывом связей в молекулах
ткани (при большой энергии кванта h
)
и образованием фрагментов молекул,
отдельных атомов, ионов и электронов.
Принципиально зависимость порога абляции от показателя поглощения излучения тканью может быть описана с помощью простой феноменологической модели. В модели делаются следующие предположения:
1) излучение поглощается тканью в соответствии с экспоненциальным законом поглощения,
2) тепловые явления в ткани пренебрежимо малы (так как время воздействия излучения мало),
3) процесс абляции
начинается лишь тогда, когда энергия,
накопленная в единице объема Q,
превышает критическую плотность энергии
.
Значение критической энергии зависит
только от типа материала и примерно
равняется теплоте парообразования.
Рассмотрим эту модель (рисунок 12). Уменьшение плотности энергии излучения по мере проникновения в ткань может быть описано выражением
,
(21)
где
- плотность энергии на поверхности
материала (за вычетом отраженного
излучения),
- плотность энергии на глубине x,
α
- показатель поглощения (см. рисунок
13). Вычислим объемную плотность мощности
излучения:
,
(22)
где Е – энергия излучения, V – объем ткани, подвергнутый воздействию излучения.
Рисунок 12. К описанию физической модели лазерной абляции.
Рисунок 13. К определению плотности поглощенной энергии при лазерном облучении тела.
Абляция происходит
до той глубины
,
в пределах которой объемная плотность
энергии излучения, поглощенной в ткани,
превышает критическое значение
,
то есть выполняется соотношение
.
(23)
Отсюда получим толщину удаленного слоя:
,
(24)
.
(25)
Полученная
зависимость для физически значимых
значений
представлена на рисунке 14.
Рисунок 14. Расчетное определение зависимости толщины удаленного слоя при фотоабляции от плотности энергии падающего излучения.
Таким образом, пороговое значение плотности энергии излучения
.
(26)
где
-
глубина проникновения излучения в
ткани.
В рассмотренной модели не был учтен ряд эффектов, влияющих на характер абляции. В частности, изменение поглощения при удалении части материала, изменение поглощения при большой интенсивности лазерного излучения. Влияние этих факторов до сих пор мало изучено.
Применения
Процесс фотоабляции представляется весьма привлекательным для использования в лазерной медицине, так как он позволяет осуществлять прецизионное удаление материала при совершенно незначительном термическом воздействии на окружающие ткани.
Процесс фотоабляции применяется в микрохирургических операциях, требующих ювелирного подхода, например, при коррекции формы роговицы или в ангиопластике (операциях на сосудах). Применяется излучение с плотностью энергии 0,1 – 10 Дж/см2 и длительности импульсов наносекундного и микросекундного диапазона.