Кристальный «зум»: лазеры с новой архитектурой повысят точность лечения рака
В России разработали лазеры с новой световой схемой, где несколько каналов усиливают в одном кристалле. Инновация в разы повышает мощность системы, сохраняя ее простоту и компактность. Сконструированные по новому принципу лазерные ускорители частиц могут стать основой для передовых разработок в области медицинской техники, электронном приборостроении, высокоточной обработке материалов. Такие устройства позволят повысить точность и силу воздействия на раковые опухоли и открывают путь к созданию установок для нанолитографии следующего поколения. Кроме того, эксперты полагают, что технология будет востребована в сфере космонавтики и системах передачи данных. Подробнее — в материале «Известий».
Как можно усилить лазер
Ученые в Институте прикладной физики РАН имени А.В. Гапонова-Грехова разработали многоканальный лазер принципиально новой световой схемы. Это решение в разы повышает мощность и стабильность луча, сохраняя простоту и компактность всей системы. По словам авторов проекта, разработка может стать базой для создания оборудования нового поколения в медицине, микроэлектронике и в сфере обработки материалов.
— Мы предложили архитектуру многоканального лазера, где несколько пучков усиливают в одном кристалле. Это упростило задачу копирования каналов и позволило масштабировать выходную мощность. Благодаря новой схеме лазер может работать в режиме мощных коротких импульсов, которые следуют друг за другом с высокой частотой. Это сочетание силы и скорости в одном источнике излучения раньше было труднодостижимо, — рассказал «Известиям» старший научный сотрудник отдела импульсных лазеров с высокой средней мощностью ИПФ РАН Иван Кузнецов.
Чтобы увеличить мощность, инженеры традиционно создают системы из нескольких независимых модулей (каналов), которые затем объединяют в один луч, пояснил он. Однако такое преобразование — сложная техническая задача, которая требует идентичности всех каналов и равенства фаз излучения в них, что технически сложно и дорого.
Старший научный сотрудник отдела импульсных лазеров с высокой средней мощностью ИПФ РАН Иван Кузнецов
Вместо таких подходов новое решение предполагает направление разделенных световых потоков не в отдельные кристаллы, а в один и тот же кристалл-усилитель, сообщил ученый. Таким образом все лучи проходят через одну среду и испытывают почти одинаковые искажения. Благодаря этому их фазы остаются согласованными. Затем специальный контроллер тонко состыковывает их друг с другом. В итоге отпадает необходимость создавать для каждого канала отдельные усилительные тракты, вследствие чего вся система становится проще и компактнее.
— Обычные стержневые лазеры имеют физический предел мощности для одного луча. Новая схема позволила обойти этот предел, просто добавляя количество каналов, которые усиливаются в одном активном элементе. В эксперименте была продемонстрирована четырехканальная система. То есть полученный лазер стал в четыре раза мощнее, чем одноканальный. В дальнейшем планируем создание 16-канальной системы, и это тоже не предел, — сообщил Иван Кузнецов.
Как новая схема улучшит медицинскую и космическую технику
Лазеры, которые одновременно обладают высокой пиковой и средней мощностью, востребованы в самых разных областях техники. Одна из самых перспективных — разработка ускорителей заряженных частиц, которые можно использовать для лечения онкологических заболеваний, рассказал ученый.
Такие устройства могут стать более компактной заменой громоздким вакуумно-электронным ускорителям частиц — многоэтажным комплексам, которые используют в медицине для протонной терапии рака. Это сделает лучевую терапию дешевле и доступней. Но для достижения требуемых параметров установки потребуется сложить не менее 100 каналов, что весьма амбициозная задача.
— Представленную технологию также можно применять в качестве накачки для источника рентгеновского излучения в литографе нового поколения. Проект создания этого оборудования сейчас реализуют в РФ. Такой литограф позволит изготавливать самые передовые микросхемы, — добавил Иван Кузнецов.
По его словам, увеличение пиковой и средней мощности установок открывает новые возможности и в сфере промышленности, где используют непрерывные лазеры для резки, сварки и прочих видов обработки. Сильные и короткие импульсы света смогут мгновенно испарять участки материала, не повреждая соседние области. Это открывает путь к высокоточной гравировке и созданию микрорельефа на уровне, недоступном обычным лазерам. Другой пример, когда ударными волнами мощных вспышек упрочняют структуру металлов в поверхностном слое, не перегревая всю деталь.
— Разработка реализует новый подход в усилении лазерного излучения. В области высокоинтенсивных лазерных источников продвижение в увеличении мощности лазерного излучения при сохранении компактности системы и качества лазерного пучка — большое достижение, — рассказала «Известиям» доцент кафедры полупроводниковой квантовой электроники и биофотоники Инженерно-физического института биомедицины НИЯУ МИФИ и старший научный сотрудник Физического института им. П. Н. Лебедева РАН Анастасия Фроня.
По ее словам, разработка перспективна для использования в генерации терагерцового излучения. Этот диапазон занимает «нишу» между инфракрасным светом и микроволновым радиоизлучением и обладает рядом уникальных свойств.
Как пояснила специалист, терагерцовые волны могут проникать сквозь многие непрозрачные материалы, не нанося (в отличие от рентгена) вреда живым тканям. Это излучение обладает высокой чувствительностью к содержанию воды и ее состоянию, на чем основана диагностика злокачественных новообразований. Также новые лазерные усилители актуальны для устройств протонной терапии раковых заболеваний.
— Большая мощность лазера сокращает время хирургических процедур и повышает их эффективность. Высокое качество пучка обеспечивает точность воздействия, что сводит к минимуму повреждение здоровых тканей. Это особенно важно в офтальмологии, нейрохирургии и косметологии. Компактность и надежность конструкции упростят интеграцию системы в медицинскую аппаратуру, — отметил доцент кафедры физики Самарского университета имени Королева Антон Кренц.
Для нанолитографии при производстве микросхем, добавил он, необходим мощный, стабильный и однородный лазерный луч. Простота и компактность решения снизят расходы на эксплуатацию в промышленных условиях.
По мнению доктора физико-математических наук, профессора Пензенского государственного университета, заслуженного деятеля науки РФ Владимира Кревчика, лазеры такого типа также будут востребованы в металлообработке, в том числе в сложных климатических условиях, военной сфере, космонавтике и системах передачи данных. При этом эксперт обратил внимание, что пока представлен только принцип работы нового лазера, а не готовое устройство.
