Исследование совокупного влияния предварительного лазерного нагрева жидкости и формы выходного торца оптического волокна доставки на гидроакустические процессы, индуцированные излучением лазера на иттербий-эрбиевом стекле

Нассер Р., Смирнов Е.Н., Перепеляков А.Ю., Беликов А.В.

Ссылка для цитирования:

Раед Нассер, Смирнов С.Н., Перепеляков А.Ю., Беликов А.В. Исследование совокупного влияния предварительного лазерного нагрева жидкости и формы выходного торца оптического волокна доставки на гидроакустические процессы, индуцированные излучением лазера на иттербий-эрбиевом стекле // Оптический журнал. 2026. Т. 93. № 6. С. 28–39. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-06-28-39

Raed Nasser, Smirnov S.N., Perepelyakov A.Yu., Belikov A.V. Study of the combined influence of pre-heating of the liquid and the shape of the delivery optical fiber output end on Yb,Er:Glass laser-induced hydroacoustic processes [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2026. V. 93. № 6. P. 29–39. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-06-28-39

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Гидроакустические процессы, индуцированные в воде микросекундными лазерными импульсами. Цель работы. Оценка совокупного влияния формы выходного торца оптического волокна и предварительного лазерного нагрева жидкости (воды) на характеристики (размер, временная динамика) лазерно-индуцированных парогазовых пузырей и параметры акустических волн, связанных с их коллапсом. Метод. Микросекундные импульсы Yb,Er:Glassлазера с энергией до 100 мДж доставлялись в воду по кварц-кварцевым оптическим волокнам с диаметром сердцевины 470 мкм и различной формой выходного торца. Предварительный нагрев жидкости, окружающей выходной торец волокна, осуществлялся за счёт преднагревающего лазерного импульса в процессе двухимпульсного лазерного воздействия. Временная динамика парогазовых пузырей фиксировалась высокоскоростной камерой (до 105 кадр/с), а акустические волны — гидрофоном (0,25–40 МГц). Основные результаты. Предварительный нагрев и форма торца волокна существенно влияют на диаметр парогазовых пузырей и амплитуду акустических волн, снижая порог кавитации. Наибольшее влияние обнаружено в режиме, сочетающем использование оптического волокна с формой выходного торца в виде клина, и преднагревающего лазерного импульса при двухимпульсном воздействии. Практическая значимость. Результаты
исследования могут быть использованы при разработке новой лазерной техники и технологий и позволят повысить безопасность и эффективность лазерной гидроакустической обработки материалов, что особенно важно в медицине.

Ключевые слова:

лазер, оптическое волокно, лазерно-индуцированные гидроакустические процессы, кавитация, предварительный нагрев, Yb,Er:Glass-лазер, акустическая волна

Благодарность:

работа выполнена при поддержке программы «Научно-исследовательская работа магистрантов и аспирантов» (НИРМА) Института лазерных технологий Университета ИТМО, Россия.

Коды OCIS: 060.2310, 350.3390

Список источников:

Парфенов В.А. Физические основы лазерной очистки произведений искусства // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2017. № 10. С. 62–74.

Parfenov V.A. Physical principles of laser cleaning of artworks [in Russian] // Proceedings of Saint Petersburg Electrotechnical University. 2017. № 10. P. 62–74.

Вейко В.П., Смирнов В.Н., Чирков А.М., Шахно Е.А. Лазерная очистка в машиностроении и приборостроении. СПб: НИУ ИТМО, 2013. 103 с.

Veiko V.P., Smirnov V.N., Chirkov A.M., Shakhno E.A. Laser cleaning in mechanical engineering and instrument making [in Russian]. St. Petersburg: NRU ITMO, 2013. 103 p.

Chen J., Ho D.S., Xiang G., Sankin G., Preminger G.M., Lipkin M.E., Zhong P. Cavitation plays a vital role in stone dusting during short pulse holmium: YAG laser lithotripsy // J. Endourol. 2022. V. 36. № 5. P. 674–683. https:// doi.org/10.1089/end.2021.0526
Kim K., Seo Y.S., Chung P.S., Eom J.B. Analysis of lithotripsy efficiency and stone retropulsion displacement according to pulse characteristics of Ho:YAG laser with Moses effect // Lasers Surg. Med. 2024. V. 56. № 2. P. 197–205. https:// doi.org/10.1002/lsm.23743
Lukač M., Lukač N., Jezeršek M. Characteristics of bubble oscillations during laser‐activated irrigation of root canals and method of improvement // Lasers Surg. Med. 2020. V. 52. № 9. P. 907–915. https:// doi.org/10.1002/lsm.23226
Jezeršek M., Lukač N., Lukač M. Measurement of simulated debris removal rates in an artificial root canal to optimize laser‐activated irrigation parameters // Lasers Surg. Med. 2021. V. 53. № 3. P. 411–417. https:// doi.org/10.1002/lsm.23297
Беликов А.В., Смирнов С.Н., Батов Ю.Н. и др. Использование пакетов микросекундных импульсов лазерного излучения с длиной волны 1,54 мкм для разрушения катаракты // Квантовая электроника. 2021. Т. 51. № 1. С. 2–7. https:// doi.org/10.1070/QEL17473

Belikov A.V., Smirnov S.N., Batov Yu.N. et al. Use of bursts of 1,54-μm microsecond laser pulses for cataract destruction // Quantum Electron. 2021. V. 51. № 1. P. 2–7 https:// doi.org/10.1070/QEL17473

Беликов А.В., Смирнов С.Н., Батов Ю.Н. и др. In vitro исследование экстракции катаракты лазерным излучением с λ = 1,54 мкм в виде пакетов микросекундных импульсов // Квантовая электроника. 2022. Т. 52. № 1. С. 69–77. https:// doi.org/10.1070/QEL17959

Belikov A.V., Smirnov S.N., Batov Yu.N. et al. In vitro study of cataract extraction by bursts of microsecond 1.54-μm laser pulses // Quantum Electron. 2022. V. 52. № 1. P. 69–77. https:// doi.org/10.1070/QEL17959

9. Кочиев Д.Г. Двухволновые твердотельные лазеры микросекундной длительности для применения в хирургии // Автореферат канд. дисс. Москва: Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, 2011. 213 с.

Kochiev D.G. Dual-wavelength microsecond-pulsed solid-state lasers for surgical applications [in Russian] // PhD (Physics, Mathematics) thesis. Moscow: A.M. Prokhorov Institute of General Physics of the RAS, 2011. 213 p.

10. Смирнов С.Н. Лазерная гидроакустическая обработка хрусталика глаза микросекундными импульсами излучения лазера на иттербий-эрбиевом стекле // Автореферат канд. дисс. Санкт-Петербург: СПбНИУ ИТМО, 2018. 147 с.

Smirnov S.N. Laser hydroacoustic processing of the eye lens with microsecond pulses of ytterbium-erbium glass laser radiation [in Russian] // PhD (Engineering) thesis. Saint Petersburg: ITMO University, 2018. 147 p.

11. Нассер Р., Смирнов С.Н. Исследование влияния формы выходного торца оптического волокна на гидроакустические процессы в жидкости, стимулируемые микросекундными импульсами излучения Yb,Er:Glass-лазера // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2024. Т. 24. № 1. С. 165–169. https:// doi.org/10.17586/2226-1494-2024-24-1-165-169

Nasser R., Smirnov S.N. Study of the influence of the optical fiber output end shape on hydroacoustic processes in a liquid stimulated by microsecond pulses of Yb,Er:Glass laser radiation [in Russian] // Sci.Tech. J. Inf. Technol. Mech. Opt. 2024. V. 24. № 1. P. 165–169. https:// doi.org/10.17586/2226-1494-2024-24-1-165-169

Incropera F.P., DeWitt D.P. Fundamentals of heat and mass transfer. New York: John Wiley, 1996. 997 p.
Hale G.M., Querry M.R. Optical constants of water in the 200-nm to 200-µm wavelength region // Appl. Opt. 1973. V. 12. № 3. P. 555–563. https:// doi.org/10.1364/AO.12.000555
Карташевич А.Н., Костенич В.Г., Гордеенко А.В. Теплотехника. Реальные газы. Влажный воздух. Циклы холодильных машин: курс лекций. Горки: БГСХА, 2016. 48 с.

Kartashevich A.N., Kostenich V.G., Gordeenko A.V. Thermal engineering. Real gases. Moist air. Cycles of refrigerating machines: course of lectures. Gorki: BSAA, 2016. 48 p.

Frenz M., Pratisto H., Konz F. et al. Comparison of the effects of absorption coefficient and pulse duration of 2.12-µm and 2.79-µm radiation on laser ablation of tissue // IEEE J. Quantum Electron. 1996. V. 32. № 1. P. 2025–2036. https:// doi.org/10.1109/3.544746