Ученые Пермского Политеха разработали математическую модель для эффективного использования оптоволокна в медицине

При малотравматичных терапевтических операциях, лечении сосудистых патологий и рака как источник излучения или тепла применяют волоконно-оптические рассеиватели. Для их эффективной работы необходимо обеспечить равномерное распределение излучения вдоль волокна. Для этого ученые Пермского Политеха разработали математическую модель, которая поможет правильно рассчитать необходимые параметры.

Статья опубликована в журнале «Вестник Российской академии наук: физика». Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда, грант № 23-21-00169.

Оптоволокно — материал из тонких стеклянных или пластиковых нитей, которые используют для передачи света на большие расстояния. Его применяют в телекоммуникациях, системах связи, медицине и других областях.

Структура квазипериодического рассеивателя представляет собой цепочку микропузырьков или микродефектов, заполненных кислородом, которая формируется в сердцевине оптоволокна после прохождения по нему плазменной искры. Это явление называется оптическим пробоем волокна. Цепочка микродефектов образует почти периодическую структуру, рассеивающую оптическое излучение (свет) в разные стороны. Размеры, форма и взаимное расположение дефектов сильно влияют на интенсивность рассеянного излучения.

Как правило, оптический пробой волокна считается негативным эффектом, поскольку приводит к разрушению сердцевины волокна, по которой с помощью света происходит передача информации. Однако в последние годы у научного сообщества возник повышенный интерес к изучению этого явления как в экспериментальных, так и теоретических работах. Это связано с открывшимися практическими возможностями применения квазипериодических структур внутри волокна, например, в медицине при лечение сосудистых патологий; подсветке раневых поверхностей и полостей; операциях фотодинамической терапии и фотоимуннотерапии (лечении рака); облучении полых органов изнутри, для уничтожения очагов инфекций и воспалений.

Необходимо выяснить, какие параметры микродефектов (форма, размер и расстояние между ними) сильно влияют на конечное распределение рассеянного излучения вдоль волокна. Ученые Пермского Политеха разработали математическую модель, которая позволит спрогнозировать наиболее оптимальные параметры рассеянного светового потока.

— Мы рассмотрели участок волокна SMF-28e с микродефектами в сердцевине и оценили распределение интенсивности с боковой поверхности в зависимости от формы, размера и взаимного расположения микродефектов. Анализ результатов показал, что сферические дефекты рассеивают излучение более равномерно. Пулевидные и эллипсоидальные дают всплеск рассеянного света вблизи первых дефектов, далее вдоль структуры интенсивность резко падает. Необходимо отметить, что структура дефектов, близких по диаметру к сердцевине, дает самый высокий процент рассеяния излучения на самом первом дефекте. Это негативный фактор. Поэтому следует создавать структуры микродефектов по размеру меньше сердцевины, с формой, близкой к сферической, — комментирует Анатолий Перминов, заведующий кафедрой «Общая физика» ПНИПУ, доктор физико-математических наук.

Исследование ученых ПНИПУ помогло определить параметры периодических микроструктур, которые необходимо создавать с помощью оптического пробоя внутри волокна, для получения оптимальных свойств оптоволоконных рассеивателей.