Степан Андреев, Давид Кочиев, Георгий Шафеев, Иван Щербаков
«Природа» №6, 2016

«Экспериментально установлено неизвестное ранее явление возникновения гидравлического ударного импульса при поглощении внутри жидкости светового луча квантового генератора (светогидравлический эффект)», — так гласила формула открытия, зарегистрированного А. М. Прохоровым, Г. А. Аскарьяном и Г. П. Шипуло в Государственном реестре открытий СССР под номером 65 с датой приоритета от 28 февраля 1963 г. За этими скупыми словами скрыто начало новой технологической эпохи.
Об авторах
Степан Андреев («Природа» №6, 2016)

Степан Николаевич Андреев — доктор физико-математических наук, ученый секретарь Института общей физики имени А. М. Прохорова (ИОФ) РАН. Специалист в области физики релятивистской лазерной плазмы.
Давид Кочиев («Природа» №6, 2016)

Давид Георгиевич Кочиев — кандидат физико-математических наук, заместитель директора ИОФ РАН по научной работе. Научные интересы связаны с лазерной физикой и лазерами для хирургии.
Георгий Шафеев («Природа» №6, 2016)

Георгий Айратович Шафеев — профессор, доктор физико-математических наук, и.о. директора Научного центра волновых исследований ИОФ РАН. Область научных интересов — физика взаимодействия лазерного излучения с конденсированными средами.
Иван Щербаков («Природа» №6, 2016)

Иван Александрович Щербаков — академик, академик-секретарь Отделения физических наук РАН, профессор, доктор физико-математических наук, директор ИОФ РАН, заведующий кафедрой лазерной физики Московского физико-технического института. Награжден золотой медалью имени А. М. Прохорова РАН (2013). Занимается лазерной физикой, спектроскопией, нелинейной и квантовой оптикой, медицинскими лазерами.
Сбывшиеся прогнозы

В том историческом эксперименте вода, подкрашенная медным купоросом, облучалась мощным лучом импульсного рубинового лазера. При достижении определенной интенсивности излучения начиналось образование пузырьков, а затем жидкость закипала [1]. Если же луч фокусировался вблизи поверхности погруженного в воду тела, происходило взрывное вскипание и распространялись ударные волны, которые приводили к повреждению твердых поверхностей (вплоть до разрушения кюветы!) и выбросу жидкости (высота струи достигала 1 м!).
Г. А. Аскарьян, А. М. Прохоров и Г. П. Шипуло («Природа» №6, 2016)

Авторы открытия Г. А. Аскарьян, А. М. Прохоров и Г. П. Шипуло (слева направо) у экспериментальной установки по исследованию светогидравлического эффекта

В описательной части авторы отмечают: «По-видимому, открытие даст возможность получать мощные гидравлические ударные импульсы и использовать их, например, для штамповки, обработки и упрочнения материалов, для ударной сварки и т.д. Светогидравлический эффект очень важен для микроэлектроники, для условий особо чистых поверхностей, для обработки таких материалов и изделий, которые исключают применение электродов, и т.д. Используя светогидравлический эффект, можно издалека, дистанционно, возбуждать гидравлические и ультразвуковые импульсы лучом света, падающим на поверхность воды». Как показало время, эти слова во многом были пророческими. Физика данного явления оказалась очень красивой и многогранной.

За годы, прошедшие с момента открытия, светогидравлический эффект был подробно исследован. Были изучены различные механизмы поглощения лазерного излучения в конденсированных средах, механизмы образования импульсов давления и ударных волн, фазовые переходы под действием лазерного излучения и многое другое. Выяснилось, что этот эффект наблюдается при лазерном воздействии не только на поглощающие жидкости, но и на твердые тела — металлы, диэлектрики, полупроводники. Светогидравлический эффект лег в основу многих передовых технологий в науке, промышленности, здравоохранении. Диапазон энергий используемого лазерного излучения сегодня огромен — от микроджоулей до килоджоулей и выше, длины волн источников занимают интервал от ультрафиолетовой до средней инфракрасной области. Основанная на этом эффекте лазерная абляция — удаление вещества с поверхности мишени лазерным лучом — имеет широчайшие применения. Возможность сфокусировать интенсивное излучение в пятно диаметром порядка одного микрометра позволяет производить поистине ювелирные манипуляции.

Например, при использовании фемтосекундных импульсов титан-сапфирового (Ti:Sa) лазера с длиной волны 800 нм и плотностью энергии в импульсе менее 3 Дж/см2 удается добиться филигранной точности в обработке алмаза, удаляя его поверхностный слой толщиной в один атом за 1000 лазерных импульсов. Подобный режим наноабляции позволяет создавать элементы дифракционной и интегральной алмазной оптики, обладающие высокой эффективностью и лучевой стойкостью.

Лазерный луч, давно ставший привычным инструментом в руках косметологов, набирает все большую популярность у реставраторов, имеющих дело с ценнейшими картинами, скульптурами и другими произведениями искусства. В тех случаях, когда другие методы неприменимы, именно лазер приходит на выручку. Самыми распространенными в реставраторском деле стали импульсные твердотельные лазеры на основе кристалла иттрий-алюминиевого граната, легированного ионами неодима (Nd-YAG), с длиной волны 1,06 мкм и наносекундной длительностью импульсов. При интенсивности лазерного излучения около 107–108 Вт/см2 происходит удаление поверхностного слоя загрязнения, не затрагивающее материал оригинала. Так лазерная абляция позволяет быстро и безопасно очищать уникальные творения человеческих рук, изготовленные практически из любых материалов, от позднейших наслоений и загрязнений.

Какие же физические механизмы лежат в основе этих и многих других технологий?
Физика процесса

В основе светогидравлического эффекта лежит способность конденсированных сред поглощать электромагнитное излучение. Феноменологически проникновение излучения в среду было описано еще в XVIII–XIX вв.: согласно закону Бугера — Ламберта — Бера, оно экспоненциально затухает с глубиной. На микроскопическом уровне для разных веществ механизмы поглощения лазерного излучения различны. В случае металлов практически всю электромагнитную энергию поглощают свободные электроны в очень тонком (толщиной всего 100 нм) приповерхностном слое мишени. За время ~10 пс они передают полученную энергию кристаллической решетке металла, в результате чего последняя нагревается. По этой причине нагрев металлов лазерным излучением в широком диапазоне длин волн оказывается поверхностным. В полупроводниках поглощение определяется соотношением ширины запрещенной зоны и энергией кванта света — фотон «перебрасывает» электрон из валентной зоны в зону проводимости. Для кристаллических диэлектриков основной «агент», принимающий энергию лазерного излучения, — колебания их кристаллической решетки. Поглощение света полимерами и жидкостями в основном тоже определяется возбуждением колебательных (и колебательно-вращательных) уровней, только уже молекул. Эти вещества хорошо поглощают излучение с длинами волн в инфракрасной области спектра; для них лазерный нагрев, как правило, бывает объемным.

Под действием лазерного излучения на жидкости и твердые тела происходит их тепловое расширение. Оно приводит к генерации и распространению в мишени и окружающей среде импульсов давления и ударных волн. Если облучаемая поверхность свободна (т.е. не контактирует с другой конденсированной средой), возникающий при этом импульс давления (который обусловлен тепловым расширением мишени) в линейном приближении пропорционален производной лазерного импульса по времени. В случае широко распространенной колоколообразной формы последнего изменение давления приобретает характерный биполярный вид «бабочки», в котором за фазой сжатия следует фаза разрежения (такие волны легче представить себе бегущими по поверхности жидкости, а в «глубинах вод» и в твердых телах этому соответствуют обычные звуковые волны). Если же облучаемая поверхность контактирует с поверхностью более плотной среды, например при лазерном воздействии на поглощающую жидкость через прозрачную стенку или дно кюветы, импульс давления становится униполярным импульсом сжатия.

Поскольку распространение волны в жидкости легче визуализировать, обратимся к яркой иллюстрации проявления светогидравлического эффекта при воздействии импульсного лазерного излучения на поглощающую жидкость в цилиндрической кювете. Формирующиеся на границе раздела импульсы сжатия фокусируются в центре кюветы и разбивают ее. На рис. 1 приводится последовательность кадров скоростной видеосъемки процесса облучения емкости с водой 140-наносекундным импульсом электроразрядного водород-фторного (HF) лазера с длиной волны около 3 мкм и энергией 2 Дж. Временной интервал между кадрами составляет 200 мкс. Показан момент воздействия лазерного импульса, а также динамика разрушения кюветы.
Рис. 1. Облучение кюветы с водой импульсом HF-лазера («Природа» №6, 2016)

Рис. 1. Облучение кюветы с водой импульсом HF-лазера: момент лазерного воздействия (а, стрелкой показано направление воздействия) и кювета спустя 200 (б), 400 (в), 600 мкс (г) после лазерного воздействия. Кювета подсвечивалась внешним источником белого света

С точки зрения практических задач большой интерес представляет воздействие лазерного излучения на твердые мишени. Фокусировка импульсов сжатия позволяет получить рекордные значения давлений в веществе, вплоть до десятков и сотен гигапаскалей, при лазерном облучении мишеней сложной формы, в частности конических  [2]. Если такой импульс, распространяясь по веществу, доходит до его свободной поверхности, то при отражении он преобразуется в импульс растяжения (отрицательного давления), отрывая фрагменты поверхности мишени (возникают так называемые откольные явления). На этом принципе основана лазерная методика изучения откольной прочности твердых тел, благодаря которой получены предельные значения прочности для многих технически важных материалов [3]. Использование этой уникальной методики позволяет вплотную подойти к теоретическому пределу отрицательных давлений в твердых телах, составляющему около 10–30 ГПа.

Когда плотность мощности падающего излучения на мишень достигает величины ~105 Вт/см2, начинается плавление материала мишени. Это порождает дополнительный вклад в импульс давления, который определяется скоростью движения фронта плавления в глубь мишени и разностью плотностей жидкой и твердой фазы вещества. Если при плавлении плотность уменьшается (что справедливо для большинства материалов), вклад в давление будет положительным, в противоположном случае (например, для германия и кремния) на сигнале давления возникает узкий отрицательный провал [4].

При увеличении плотности мощности лазерного излучения до значений ~106–107 Вт/см2 начинается интенсивное поверхностное испарение вещества мишени. В отличие от плавления, вклад поверхностного испарения в сигнал давления всегда положительный. Он приблизительно равен половине от давления насыщенного пара конкретного вещества при данной температуре его поверхности. С действием испарительного давления отдачи на мишень связаны идеи по лазерному ускорению легких летательных аппаратов.

Один из физических механизмов светогидравлического эффекта — объемное взрывное вскипание, или фазовый взрыв. Он реализуется в том случае, если при лазерном воздействии вещество мишени оказывается в метастабильном состоянии, перегретом существенно выше температуры кипения. Распад этого состояния сопровождается резким повышением давления и образованием большого количества новых границ раздела фаз «жидкость — пар» — кавитационных пузырей. При определенных условиях этот процесс может носить периодический, повторяющийся характер [5].

Дальнейшее увеличение интенсивности лазерного излучения на поверхности мишени до величин ~109 Вт/см2 приводит к оптической ионизации паров вещества мишени и образованию плазменного факела, сопровождающемуся генерацией еще более мощных импульсов давления и ударных волн.

Теперь, вооружившись представлениями о самом эффекте, приведем несколько примеров встречи с ним. Сначала убедимся, что в научных исследованиях еще далеко не поставлена точка.
Фотовольтаический эффект

Исследуя светогидравлический эффект, Прохоров с соавторами подкрашивали воду медным купоросом, чтобы создать полосу поглощения на длине волны рубинового лазера 694 нм. Разработка твердотельных и электроразрядных газовых лазеров трехмикрометрового диапазона дала возможность использовать воду без примесей, поскольку она имеет сильную полосу поглощения в этой области спектра.
Рис. 2. Принципиальная схема эксперимента по исследованию фотовольтаического эффекта при лазерном воздействии на свободную поверхность воды; осциллограмма электрического сигнала при облучении воды импульсом HF-лазера с энергией 2,3 Дж («Природа» №6, 2016)

Рис. 2. Принципиальная схема эксперимента по исследованию фотовольтаического эффекта при лазерном воздействии на свободную поверхность воды (а); осциллограмма электрического сигнала при облучении воды импульсом HF-лазера с энергией 2,3 Дж (б, шкала по оси x — 500 мкс/дел., по оси y — 5 В/дел.)

Недавно ученые ИОФ РАН обнаружили эффект генерирования электрического сигнала (фотовольтаический эффект) при воздействии на чистую воду импульсного излучения твердотельного гольмиевого лазера с длиной волны 2,92 мкм и энергией в импульсе 10 мДж [6]. В этих экспериментах кювета, наполненная дистиллированной водой, помещалась между обкладками незаряженного конденсатора. При импульсном лазерном облучении свободной поверхности воды на обкладках конденсатора регистрировалась разность потенциалов с амплитудой ~10 мВ. В последующих работах были использованы более мощные электроразрядные импульсные HF-лазеры с энергией до 2,5 Дж и длительностью импульса 140 нс, что позволило зарегистрировать электрические сигналы с амплитудой до 20 В [7]. В этом случае обкладками конденсатора служили два кольцевых электрода, расстояние между которыми составляло от 3 до 8 см. На рис. 2,а приводится принципиальная схема эксперимента по исследованию фотовольтаического эффекта при лазерном воздействии на свободную поверхность воды, а рис. 2,б показывает типичную осциллограмму электрического сигнала при облучении воды импульсом HF-лазера с энергией 2,3 Дж.

Когда импульс лазерного излучения с длиной волны 3 мкм воздействует на открытую поверхность воды, она сначала нагревается в приповерхностном слое толщиной всего несколько микрометров. Из-за интенсивного поверхностного испарения и процессов теплопроводности максимум температурного профиля не располагается на самой поверхности, а смещен вглубь жидкости на расстояние около 0,5 мкм. Повышенная температура в перегретом слое сдвигает константу диссоциационного равновесия воды в сторону роста концентрации ионов H+ и OH−.

Наличие резких температурных градиентов, возникающих в воде в процессе импульсного лазерного нагрева, приводит к появлению градиентов концентраций и диффузионных потоков ионов H+ и ОH−. Поскольку коэффициент диффузии ионов H+ превосходит коэффициент диффузии ионов ОH− почти вдвое, в воде происходит первоначальное разделение зарядов: область вблизи температурного максимума оказывается обедненной ионами H+, т.е. заряженной отрицательно, а области вблизи поверхности воды и в глубине жидкости — положительно. Процесс диффузионного разделения зарядов длится около 300 нс.

При достижении температуры предельного перегрева в максимуме температурного профиля происходит взрывное вскипание и образуется паровая полость, границы которой оказываются разноименно заряженными. Динамика развития паровой полости, а также процессы переноса зарядов внутри нее определяют эволюцию электрического сигнала в течение 100–200 мкс. Этим быстропротекающим процессам соответствует острый пик на сигнале, показанном на рис. 2,б. Дальнейшее расширение парового пузыря приводит к сбросу (отколу) и разбрызгиванию перегретого приповерхностного слоя жидкости. В процессе разбрызгивания мельчайшие капли воды дополнительно электризуются. Перемещение заряженной паро-капельной смеси между обкладками конденсатора в течение 2–4 мс дает основной вклад в электрический сигнал на рис. 2,б и определяет его амплитуду.

Этот пример показывает, что такое простое, казалось бы, явление, как воздействие лазерного излучения на поверхность дистиллированной воды, в действительности оказывается сложным многомасштабным и многостадийным процессом, охватывающим пять порядков по времени (от десятков наносекунд до единиц миллисекунд) и пространству (от десятых долей микрометра до единиц сантиметров).
Динамика паровой полости

Не менее интересный и важный для приложений случай реализуется при лазерном воздействии на нижнюю поверхность водного столба через прозрачное для излучения дно кюветы [8]. Отличие от предыдущего случая состоит в том, что процессы интенсивного испарения и разбрызгивания заряженных капель с открытой поверхности воды здесь полностью исключены. Однако фотовольтаический эффект по-прежнему имеет место. На рис. 3,а показана типичная осциллограмма электрического сигнала, на которой отчетливо выделяются два наиболее выраженных пика. В ходе экспериментов было установлено, что временной интервал между ними линейно зависит от энергии облучения.
Рис. 3. Осциллограмма электрического сигнала при облучении нижней поверхности водного столба импульсом HF-лазера; Давление, действующее на водный столб, в зависимости от времени при плотности лазерной энергии в пятне облучения («Природа» №6, 2016)

Рис. 3. Осциллограмма электрического сигнала при облучении нижней поверхности водного столба импульсом HF-лазера с энергией 1,3 Дж (а, шкала по оси x — 250 мкс/дел., по оси y — 50 мВ/дел.). Давление, действующее на водный столб, в зависимости от времени при плотности лазерной энергии в пятне облучения 0,22 Дж/см2 (б)

Возникновение первого пика связано с процессами первоначального диффузионного разделения зарядов вблизи максимума температурного профиля, последующего взрывного вскипания и расширения паровой полости. Необходимо подчеркнуть, что последняя формируется в микрометровом слое вблизи дна кюветы из зародышей газовой фазы, которые, расширяясь и сливаясь друг с другом, образуют однородный квазиплоский пузырь. В момент возникновения полости давление в ней соответствует давлению насыщенного пара при температуре предельного перегрева (583 К), т.е. примерно на два порядка превосходит атмосферное. Под действием разности давлений внутри полости и внешнего атмосферного паровая полость начинает быстро расширяться, толкая при этом вверх водный столб. Результаты расчета давления, действующего на водный столб, в зависимости от времени при плотности лазерной энергии в пятне облучения 0,22 Дж/см2 приведены на рис. 3,б. Помимо давления пара в полости pv(t) в нем учитывается фотоакустическое давление ppa(t), которое обусловлено тепловым расширением тонкого слоя воды, нагреваемого лазерным импульсом у дна кюветы. В случае взрывного вскипания воды относительный вклад фотоакустического давления в ускорение водного столба незначителен, поскольку оно отлично от нуля лишь во время действия лазерного импульса. Однако если интенсивность лазерного импульса недостаточна для взрывного вскипания воды, вклад ppa становится определяющим.

Расширение паровой полости составляет вторую стадию процесса, сопровождающего воздействие излучения HF-лазера на воду. Тогда как длительность первой стадии «начального нагрева воды» не превышает полной длительности лазерного импульса (около 300 нс), вторая стадия продолжается все время, пока давление пара в полости превышает внешнее атмосферное давление (10–30 мкс).

Динамика водного столба и паровой полости на временах, много больших 10 мкс, составляет третью стадию движения водного слоя при взаимодействии с излучением. Здесь воду можно считать несжимаемой жидкостью, а движение водного столба — равноускоренным с отрицательным ускорением, пропорциональным атмосферному давлению. В этом случае полное время движения водного столба, которое совпадает с длительностью существования паровой полости, определяется удвоенным интегралом по времени от действующего на водный столб полного давления, нормированного на величину атмосферного давления. Долгое существование полости после уменьшения давления в ней ниже атмосферного обусловлено инерцией движения водного столба, приобретающего скорость в начальной фазе расширения полости. Оно длится от 200 мкс до 1,2 мс (в линейной зависимости от энергии лазерного импульса). Сравнение расчетного времени существования паровой полости с временным интервалом между двумя наиболее выраженными пиками на электрическом сигнале показало их хорошее соответствие. Это обстоятельство свидетельствует о том, что второй пик на сигнале возникает вследствие электрических явлений во время коллапса паровой полости. Такими явлениями могут быть электрический пробой и ионизация пара. Они могут сопровождаться различными плазмохимическими процессами, в частности диссоциацией молекул воды, образованием активных форм кислорода, выделением газообразного водорода.

Плазмохимические процессы, протекающие при воздействии лазерного излучения на поглощающие жидкости, представляют огромный интерес для целого ряда приложений в биологии и медицине, одно из которых будет рассмотрено ниже. Здесь же отметим, что для осуществления плазмохимических процессов в жидкости наиболее эффективным оказалось не единичное, хотя и мощное (~1 Дж), лазерное воздействие, а импульсно-периодический режим, в котором относительно слабые (~1 мДж) лазерные импульсы следуют с частотой 1 кГц и выше.
Лазерный пробой воды и генерация водорода

Рассмотрим, что происходит при фокусировке такого импульсно-периодического излучения неодимового (Nd-YAG) лазера в объем воды. В воде всегда есть растворенные газы из воздуха, и их растворимость уменьшается с ростом температуры жидкости. Вода практически прозрачна на длине волны 1,06 мкм, но все же небольшое поглощение, обусловленное либрационными колебаниями молекул, присутствует. Поглощение части излучения локально нагревает воду внутри лазерного пучка, в результате чего появляется пузырек растворенного в ней газа.

Не все лазерное излучение поглощается пузырьком — его часть отражается вследствие полного внутреннего отражения света на границе пара и жидкости. Однако та часть излучения, которая вошла в пузырек, падает на противоположную границу раздела фаз и испаряет воду внутрь него. Легко видеть, что доля вошедшего в пузырек лазерного пучка тем больше, чем больше радиус пузырька. Тем самым в системе существует положительная обратная связь, и с новыми поглощенными лазерными импульсами радиус пузырька растет взрывообразно. При этом создаются условия для электрического пробоя пара и плазмообразования внутри пузырька. Пробой среды — это образование в ней электронной лавины, в которой каждый электрон рождает новый (известный пример пробоя — молния). В воде электрон не может набрать нужной для лавины энергии, так как его длина свободного пробега в жидкости мала. Пар внутри пузырька — относительно разреженная среда, в ней электроны способны набрать энергию, необходимую для образования лавины. Такой пробой пара может происходить благодаря рассмотренному выше фотовольтаическому эффекту. Небольшая разность потенциалов на масштабах пузырька микрометровых размеров создает электрическое поле, достаточное для пробоя и плазмообразования.
Рис. 4. Плазменное кольцо при облучении воды лазерным пучком, сканирующим жидкость по окружности («Природа» №6, 2016)

Рис. 4. Плазменное кольцо при облучении воды лазерным пучком, сканирующим жидкость по окружности

Если концентрация пузырьков в перетяжке лазерного импульса достаточно велика, то отдельные плазменные области могут перекрываться, образуя единый плазменный канал, в котором происходит основное поглощение энергии лазерного импульса. При этом никаких электродов к жидкости не прикладывается, плазменный канал как бы подвешен в ней (рис. 4). Время жизни плазмы сопоставимо с длительностью лазерного импульса — в наших условиях около 10 нс. После окончания лазерного импульса плазма рекомбинирует. Спектр поглощения плазмы — сплошной (белый). Он обусловлен тормозным излучением электронов, теряющих свою энергию в поле положительных ионов.

Плазма взаимодействует с парами воды, в результате чего происходит диссоциация молекул на водород и кислород. По мере увеличения времени лазерного облучения начинает идти обратная реакция слияния кислорода с водородом, сопровождающаяся микровзрывами пузырьков, попавших в лазерный пучок [9].

Интересно отметить, что скорость лазерной генерации водорода в спиртах оказывается на два порядка выше, чем в воде. По-видимому, это обусловлено совместным действием плазмы и прямого пиролиза спиртов вследствие высокой температуры, достигаемой при пробое жидкости. Такой процесс потенциально представляет интерес для водородной энергетики, так как получение водорода из спиртов может быть альтернативой генерации водорода с помощью электролиза воды.
Двухволновая лазерная литотрипсия

Говоря о практическом использовании светогидравлического эффекта, имеет смысл остановиться на самом впечатляющем — в здравоохранении. Среди его разнообразных медицинских приложений сосредоточимся на разработанном и внедренном в клиническую практику сотрудниками ИОФ РАН лазерном хирургическом комплексе «Лазурит». Комплекс состоит их двух лазерных устройств, совмещенных в одном приборе: скальпеля-коагулятора на основе мощного хирургического лазера и лазерного литотриптора, т.е. лазера для разрушения камней в органах человека [10]. Возможности двух разных лазеров, объединенных в одном комплексе, обеспечивают решения во всем диапазоне задач, связанных как с рассечением, абляцией и коагуляцией тканей, так и с разрушением твердых конкрементов при лечении мочекаменной болезни.

Один из самых распространенных методов лечения мочекаменной болезни — метод дистанционной ударно-волновой литотрипсии, когда фрагментация камней происходит дистанционно, за счет фокусировки в область воздействия ультразвуковых волн. Однако с развитием эндоскопической хирургии все большее распространение находят контактные методы разрушения камней за счет разнообразных способов воздействия: пневматических, ультразвуковых, электроразрядных, лазерных, осуществляемых с использованием эндоскопического инструментария, который доставляет «агента» к месту его работы. Каждый из методов имеет свои достоинства и недостатки, их обсуждение, разумеется, выходит за рамки данной статьи, но одним из самых эффективных и безопасных оказывается метод лазерной литотрипсии.

Наиболее распространены лазерные литотрипторы на основе гольмиевых лазеров с длительностью импульса в 400–600 мкс. Их действие основано на фототермическом механизме воздействия, когда доставленное по световолокну лазерное излучение, поглощаясь веществом камня и водой (она находится внутри имеющихся в камне неоднородностей), ведет к его относительно медленному нагреву. За счет локального нагрева происходит и разрушение, и химическое разложение камня.

В основе же работы созданного в ИОФ РАН лазерного литотриптора лежит не фототермический, а знакомый нам светогидравлический эффект. В литотрипторе комплекса используется твердотельный лазер на базе кристалла Nd:YAlO3, генерирующий микросекундные импульсы основной длины волны 1079,6 нм и второй гармоники 539,8 нм.

Воздействие такого двухволнового излучения на камень, погруженный в жидкость, оказывается нелинейным и включает в себя несколько стадий (рис. 5) [11]. На первой стадии происходит оптический пробой на поверхности камня и образование плазменной искры — за счет поглощения камнем лазерного излучения с длиной волны 539,8 нм, имеющего энергию не более 30% от энергии всего импульса. Лазерное излучение с длиной волны 1079,6 нм, которое составляет основную часть энергии импульса, поглощается уже образованной плазмой. Она нагревает окружающую жидкость до температуры, существенно превышающей температуру кипения. На второй стадии происходит взрывное вскипание перегретой жидкости и образование кавитационного пузыря на поверхности камня. Развитие кавитационного пузыря и распространение ударной волны при его коллапсе составляет заключительную стадию лазерного воздействия. В итоге через ~700 мкс с момента падения лазерного излучения на поверхность камня происходит разрушение последнего благодаря воздействию ударной волны, генерируемой при коллапсе кавитационного пузыря.
Рис. 5. Теневые фотографии процесса развития кавитационного пузыря, который образуется при взаимодействии лазерного излучения микросекундной длительности с камнем, погруженным в жидкость («Природа» №6, 2016)

Рис. 5. Теневые фотографии процесса развития кавитационного пузыря, который образуется при взаимодействии лазерного излучения микросекундной длительности с камнем, погруженным в жидкость. Лазерное излучение подводится к поверхности камня по волокну, просматривающемуся в верхней части каждого кадра. Этапы развития кавитационного пузыря: 1 — оптический пробой и плазмообразование на поверхности камня; 2–4 — взрывное вскипание жидкости и образование кавитационного пузыря; 5–6 — процесс схлопывания пузыря под действием давления окружающей среды; 7 — момент коллапса кавитационного пузыря и формирование ударной волны, разрушающей камень [11]

В основе разрушения камней при контактной лазерной литотрипсии (рис. 6), так же как и при дистанционной ударно-волновой литотрипсии, лежит селективность воздействия ударных волн на твердые, хрупкие (камень) и мягкие, упругие (мягкие ткани) материалы. Давление ударной волны не наносит вреда мягким тканям, пока пиковое давление не превысит порогового значения ≈1 кбар. Однако оно может разрушать камни при меньших значениях, поскольку в хрупком материале относительные малые перемещения приводят к образованию трещин. Это обстоятельство оказывается основным преимуществом двухволновой лазерной литотрипсии по сравнению с другими лазерными методами литотрипсии. Кроме того, благодаря оптимально подобранным параметрам лазерного воздействия достигается высокая эффективность и скорость фрагментации камней любой локализации и химического состава, причем не разрушается волоконно-оптический инструмент для доставки лазерного излучения. Все это в совокупности приводит к радикальному уменьшению числа осложнений и сокращению послеоперационного периода лечения пациентов.
Рис. 6. Лазерная нефролитотрипсия двухволновым излучением микросекундной длительности («Природа» №6, 2016)

Рис. 6. Лазерная нефролитотрипсия двухволновым излучением микросекундной длительности: изображения камня в почке и оптического волокна для доставки излучения, торец которого подсвечен излучением пилотного лазера (а), процесс воздействия и фрагментация камня (б), раздробленная часть камня (в, просматривается торец оптического волокна), элиминация фрагментов камня из почки (г)

Принципиально важным моментом был выбор длительности лазерного импульса: она составляет величину ~1 мкс. С одной стороны, это позволяет с достаточной эффективностью обеспечить преобразование основной частоты излучения во вторую гармонику, т.е. двухчастотность, с другой — при такой длительности пиковая мощность излучения недостаточно велика для того, чтобы разрушить выходной торец оптического волокна. Следует также подчеркнуть, что подобная длительность импульса необычна для твердотельного лазера; она достигается с помощью кварцевого волокна требуемой длины, помещенного в резонатор. Такой метод создания оптической линии задержки в резонаторе был тоже предложен в ИОФ РАН [12].

Лазерный хирургический комплекс «Лазурит» зарегистрирован и внесен в реестр изделий медицинского назначения в России, на Украине, в Белоруссии и Казахстане. На сегодняшний день 25 действующих установок работают в больницах России и стран СНГ (в одном только Научно-клиническом центре РЖД в Москве на этом комплексе выполняется более 400 операций в год).

***

Надеемся, нам удалось наглядно продемонстрировать, что открытый Прохоровым и соавторами более 50 лет назад светогидравлический эффект продолжает ставить перед учеными сложные проблемы, решение которых открывает перспективы создания новых технологий в самых передовых отраслях человеческой деятельности. Прозорливость и талант Александра Михайловича навсегда вписали его имя в «Золотую книгу мировой науки».

Литература
1. Аскарьян Г. А., Прохоров A. M., Чантурия Г. Ф. и др. Луч ОКГ в жидкости // ЖЭТФ. 1963. Т. 44. Вып. 6. С. 2180–2182.
2. Красюк И. К., Семенов А. Ю., Чарахчьян А. А. Использование конических мишеней в исследованиях по инерциальному термоядерному синтезу // Квантовая электроника. 2005. Т. 35. № 9. С. 769–777.
3. Абросимов С. А., Бажулин А. П., Воронов В. В. и др. Особенности поведения вещества в области отрицательных давлений, создаваемых действием лазерного импульса пикосекундной длительности // Квантовая электроника. 2013. Т. 43. № 3. С. 246–251.
4. Веселовский И. А., Жиряков Б. М., Попов Н. И., Самохин А. А. Фотоакустический эффект и фазовые переходы в полупроводниках и металлах при импульсном воздействии лазерного излучения // Труды ИОФАН. Т. 13: Действие лазерного излучения на поглощающие конденсированные среды. М., 1988. С. 108–120.
5. Андреев С. Н., Орлов С. В., Самохин А. А. Моделирование взрывного вскипания при импульсном лазерном воздействии // Труды ИОФАН. Т. 60: Действие лазерного излучения на поглощающие среды. М., 2004. С. 127–147.
6. Ильичёв Н. Н., Кулевский Л. А., Пашинин П. П. Фотовольтаический эффект в воде при воздействии на нее излучения YSGG:Cr3+:Yb3+:Ho3+-лазера с длиной волны 2,92 мкм // Квантовая электроника. 2005. Т. 35. № 10. С. 959–961.
7. Andreev S. N., Ilichev N. N., Firsov K. N. et al. Generation of an electrical signal upon the interaction of laser radiation with water surface // Laser Physics. 2007. V. 17. № 8. P. 1041–1052.
8. Андреев С. Н., Казанцев С. Ю., Кононов И. Г. и др. Временная структура электрического сигнала при взаимодействии излучения HF-лазера с поверхностью воды // Квантовая электроника. 2009. Т. 39. № 2. С. 179–184.
9. Barmina E. V., Simakin A. V., Shafeev G. A. Hydrogen emission under laser exposure of colloidal solutions of nanoparticles // arXiv:1602.08333.
10. Helfmann J., Mikhailov V. A., Konov V. I. et al. Efficiency of stone fragmentation by long pulses of a Q-switched Nd:YAG laser // Proceedings SPIE. 1992. V. 1643. P. 78–85.
11. Rink K., Delacretaz G., Salathe R. P. Fragmentation process of current laser lithotriptors // Lasers Surg. Med. 1995. V. 16. P. 134–146.
12. Дианов Е. М., Исаев С. К., Корниенко Л. С. и др. Лазер со световодным резонатором // Квантовая электроника. 1976. Т. 3. № 11. С. 2503–2504.