Nhóm Science Island tạo ra bước đột phá trong truyền dẫn sợi quang hồng ngoại giữa năng lượng xung cao

Gần đây, nhóm nhà nghiên cứu Jiang Haihe tại Viện Y tế, Viện Khoa học Vật lý Hợp Phì, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã đạt được tiến bộ quan trọng trong việc nghiên cứu hệ truyền dẫn xung laser năng lượng cao ở dải bước sóng hồng ngoại giữa, và đã đã thiết kế sợi lõi rỗng chống cộng hưởng vi cấu trúc lỗ (AR-HCF) có đường kính lõi lớn hơn 78 μm, lần đầu tiên sợi này thực hiện việc truyền hiệu quả ánh sáng laser xung năng lượng cao ở dải bước sóng 2,79 μm trong điều kiện nhiệt độ phòng. Kết quả đã được công bố trên tạp chí Optical TTG nổi tiếng thế giới. Các kết quả đã được công bố trên Optics and Laser Technology, một tạp chí quang học TOP được quốc tế công nhận.
Các thiết bị y tế bằng laser thường yêu cầu một ống thông linh hoạt để truyền ánh sáng laser đến bệnh nhân, nhưng hầu hết các thiết bị y tế laser hồng ngoại giữa thông thường đều sử dụng cánh tay dẫn ánh sáng để truyền ánh sáng laser. Tuy nhiên, phương pháp truyền laser truyền thống bằng cánh tay dẫn hướng ánh sáng có nhiều vấn đề, chẳng hạn như cấu trúc hệ thống phức tạp, hiệu suất truyền thấp và thiếu tính linh hoạt. Việc sử dụng truyền dẫn cáp quang có thể giải quyết các vấn đề trên, nhưng vật liệu sợi quang lõi rắn ở dải hồng ngoại giữa của ngưỡng sát thương bằng laser thấp và không thể đáp ứng các dụng cụ y tế laser erbium băng tần 3μm với mật độ năng lượng cao về nhu cầu dẫn hướng ánh sáng. Do đó, nhóm nghiên cứu đã thiết kế và nghiên cứu cấu trúc đơn giản, hiệu suất truyền dẫn ghép cao, ngưỡng sát thương cao và khả năng truyền dẫn linh hoạt của cánh tay dẫn ánh sáng thay thế AR-HCF để truyền năng lượng laser.
Nhóm đã sử dụng AR-HCF cấu trúc vi mô lỗ 6-được thiết kế với đường kính lõi lớn 78 μm lần đầu tiên để truyền laser xung năng lượng cao một cách hiệu quả trong dải 2,79 μm ở nhiệt độ phòng. Không làm hỏng sợi quang, hiệu suất truyền ghép trung bình trong toàn khu vực là 77,3% và hiệu suất truyền ghép cao nhất đạt 85% với chất lượng chùm tia cao và năng lượng ghép nhỏ. Nếu trừ đi độ suy giảm hấp thụ không khí trong lõi thì hiệu suất truyền dẫn của chính hệ thống sợi có cấu trúc thực sự vượt quá 90%. Hệ thống đạt được công suất năng lượng xung laser tối đa là 11,78 mJ, với ngưỡng mật độ năng lượng tương ứng là 350 J/cm2, vượt xa giá trị cần thiết cho quá trình cắt bỏ mô mềm ở sinh vật sống. Đồng thời, bán kính uốn cong tối thiểu của AR-HCF là 20 cm và tổn thất tương ứng có thể đáp ứng nhu cầu lâm sàng của bác sĩ phẫu thuật và chất lượng chùm tia laser ở đầu ra của AR-HCF tốt hơn ở đầu vào , đó là một cải tiến tốt.
So với các sợi quang hiện nay được làm bằng các cấu trúc và vật liệu khác để truyền bước sóng 2,79 μm, cấu trúc lỗ 6- của silica AR-HCF có độ ổn định cơ học mạnh hơn, ngưỡng hư hỏng cao hơn, độ nhạy uốn thấp hơn và vượt trội hơn khả năng truyền cánh tay dẫn ánh sáng thông thường. Nghiên cứu này mở ra một phương pháp mới để truyền hiệu quả laser trạng thái rắn y tế 2,79 μm Cr, Er: YSGG.

Hình 1. Cấu trúc mặt cắt AR-HCF

Hình 2. Thiết bị thí nghiệm truyền dẫn không gian AR-HCF 2,79 μm

Hình 3. Tổn thất AR-HCF với bán kính uốn và hướng uốn khác nhau