Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы и постановка задачи исследования 15
1.1 Основные области применения микропипеток 15
1.1.1 Биотехнологии 15
1.1.2 Микроскопия 17
1.1.3 Микроэлектроника 22
1.2 Требования к микропипеткам 25
1.3 Техника изготовления микропипеток 27
1.3.1 Методы и устройства вытяжки МП 28
1.3.2 Лазерная технология изготовления микропипеток 35
1.4 Выводы 37
Глава 2. Разработка экспериментальной установки и технологии с лазерным нагревом для вытяжки МП .
2.1 Лазерно-технологический комплекс для формирования МП. 41
2.1.1 .Выбор энергетического источника. 42
2.1.2. Разработка оптических систем для формирования МП. 47
2.1.3.Анализ возможностей механических систем вытяжки. 60
2.2 Выбор материала для формирования МП. 68
2.3 Выводы 74
Глава 3. Экспериментальное и теоретическое исследование процесса формообразования МП .
3.1 .Экспериментальное исследование процесса формообразования. 75
3.1.1 Методика эксперимента 75
3.1.2 Результаты эксперимента. 79
3.2. Теоретическое исследование процесса формообразования МП . 87
3.2.1 Анализ процесса лазерного нагревания МП 88
3.2.2 Математическая модель процесса вытяжки. 92
3.3. Выводы. 96
Глава 4. Оптимизация технологии формирования МП и демонстрация практических приложений .
4.1 Требования к современной экспериментальной установке для 99 формирования МП
4.2 Модифицированная установка для вытяжки МП 100
4.2.1 Оптимизация оптической схемы 101
4.2.2 Энергетический расчет оптической схемы с гомогенизатором 106
4.2.3 Оптимизация механической системы 110
4.3 Оптимизация процесса формирования МП 112
4.4 Основные модификации МП и методы их формирования 115
4.5 Практические применения МП 117
4.5.1 Световодовод 117
4.5.2 Офтальмология 122 Заключение 125
Список литературы
- Требования к микропипеткам
- Разработка оптических систем для формирования МП.
- Теоретическое исследование процесса формообразования МП
- Энергетический расчет оптической схемы с гомогенизатором
Введение к работе
Актуальность
В настоящее время исследовательские и производственные микро- и нанотехнологии в самых разнообразных областях современной жизни -от фотоники и микроэлектроники до медицины и генной инженерии- стимулируют разработку компактного и высокоточного инструментария. Для проведения исследований на уровне молекул и клеток необходим инструмент, выполняющий функции универсальной микроиглы - трубочки, позволяющий проводить операции с зонами воздействия микронных и субмикронных размеров [1-5].
Необходимость в создании такого инструмента была вызвана интенсивными исследованиями в области клеточной физиологии, в частности нейрофизиологии, в 40-х годах XX века [6-15]. Серьезным препятствием в исследованиях того времени являлось несовершенство техники изготовления различных модификаций микроинструментов.
Микроинструменты, открывшие новые перспективы решения трудновыполнимых задач науки, в том числе и особенно биомедицины и биотехнологий, стали называться микропипетками (МП), а техника для их изготовления - микропипеточными пуллерами [16].
Создание МП техники - пуллеров, было спровоцировано стремлением к повышению качества формируемых микроинструментов.
5 Первые МП были изготовлены вручную: посредством кислородной горелки
и ручной вытяжки [17]. Полученные таким образом микропипетки могли быть использованы лишь для решения ограниченного класса задач, а для формирования микроинструментов, предназначенных для более деликатных применений, таких например, как нейрофизиология, требовались более контролируемые способы. Переход от ручного метода к МП-пуллерам позволил добиться управления процессом формирования, обеспечивая при этом надежные МП с разумно тонкими стенками, более короткой длиной наконечника и значением апертуры наконечника менее 1 мкм [16,18-23]. Такая конфигурация МП наиболее благоприятна для вне- и внутриклеточных исследований, облегчая проникновение и инъекцию в клетки и ткани. В результате внедрения пуллеров была открыта перспектива формирования МП с разнообразными конфигурациями. МП стали доступными инструментами для измерения мембранных потенциалов клеток, для доставки веществ к труднодоступным зонам воздействия, для идентификации клеток различных тканей. Эволюция МП техники привела к появлению новых типов МП -автоматических высокоточных микропипеток с цифровой индикацией объема. Для этих целей требуются МП с апертурой наконечника от десятков нанометров до нескольких миллиметров.
Как видно из приведенного выше краткого обзора некоторых результатов, достигнутых с помощью техники микропипеток,можно выделить два основных вида таких инструментов - собственно микропипетки (МП) для передачи биологических (или иных) субстратов, и микроэлектроды,
т.е. микропипетки с вставленными в трубочку металлическими проволочками для приложения электрического потенциала к исследуемому объекту.
В настоящее время МП находят широкое применение в качестве биосенсоров, микроигл, насадок растров МП головок, ближнепольных зондов, световодоводов. В методе клонирования МП позволяют извлекать ядра из клетки донора и трансплантировать в обезъядренную клетку [1]. МП, наполненные электролитом, осуществляют регистрацию электрической активности клетки [4], а также микроскопическое исследование живых клеток, основанное на сканировании поверхности образца [5]. В сканирующем нанолитографическом методе доставка жидкого фоторезиста на подложку происходит через нанометровую апертуру наконечника МП [2]. В ряде новых аналитических методов в различных сферах человеческой деятельности МП осуществляют точное дозирование, транспортировку и идентификацию проб объемом от пкл до мкл [23-25].
Универсальность МП основана отчасти на использовании в качестве исходного материала стекла, удовлетворяющего требованиям большинства приложений, а отчасти на возможности создания различных конфигураций МП, приспособленных к многообразным областям применениям [26-32].
Для формирования разновидностей МП существуют два основных технологических метода, адаптированные под разные типо-размеры микроинструментов: оплавление и вытяжка. Для получения МП с коротким
7 конусным концом или приталенной МП, предназначенных для отсоса
продуктов хирургических операций, применяется метод оплавления. Суть
метода заключается в действии центробежных сил одновременно с
интенсивным нагревом стеклянного капилляра. Тепловому воздействию
подвергается участок заготовки в зависимости от назначения МП: либо торец
стеклянного капилляра, либо участок на некотором расстоянии от торца [33].
Формирование МП с удлиненной формой наконечника,
предназначенной для безболезненного проникновения в клетки и ткани, осуществляется с помощью метода вытяжки. Этот метод основан на действии мощного теплового источника на капиллярную заготовку с последующим приложением растягивающей силы [33-35].
Традиционным методом изготовления МП является вытяжка стеклянного капилляра при локальном нагреве источником тепла. На этом основан принцип работы пуллера - устройства для вытяжки МП [36-39].
История установок для вытяжки МП начинается с устройства Дю Бойса, разработанного на основе изучения процесса ручной вытяжки [18]. Главными требованиями к создаваемому устройству были подходящая температура стекла в момент формирования наконечника и относительно большая скорость вытяжки. Данные требования были выполнены с помощью платиновой нити накаливания для нагрева узкой зоны стеклянного капилляра, и крепежно-вытяжного механизма, включающего пружину. Степень нагрева платиновой нитью участка стеклянного капилляра
8 регулировалась с помощью тока через нить, а расстояние от стекла до нити
сохранялось постоянным. Крепежно-вытяжной механизм обеспечил необходимое натяжение капилляра в процессе вытяжки, параллельность трубки базе устройства и регулировку высоты над базой в момент охлаждения, во избежание деформации сформированной МП. Вытяжка начиналась автоматически с момента достижения температуры, при которой происходит уменьшение вязкости стекла. Конструкция Дю Бойса решила главные проблемы ручной вытяжки и стала прототипом других конструкций.
Пуллер Ливингстона являлся модификацией конструкции Дю Бойса [19]. В этой установке вытяжка МП осуществлялась с помощью пружины, вращающей в противоположных направлениях пару колес с зажимами для капилляра. Скорость вращения определялась напряжением пружины. При вращении колес капилляр опускался в область нагрева нитью накаливания, стекло разогревалось до температуры размягчения, и образовывалась МП. Главными недостатками этого устройства были тенденция к изгибу и излишняя длина наконечника МП.
В установке Александра-Настука пружина заменяется соленоидом [20]. Зажимы располагаются с одной стороны капилляра в двух точках с некоторым интервалом, на котором осуществляется нагрев платиновой нитью накаливания. Требуемый поток через сформированную в петлю полосу платины контролируется выключателем. В результате односторонней
9 вытяжки из одного капилляра сформированы наконечники с различными
длинами, не удовлетворяющими многим применениям.
Особой модификацией пуллеров является вертикальная установка, устраняющая проблемы формирования МП в горизонтальных пуллерах связанные с влиянием силы тяжести [22]. В вертикальном пуллере тяготение стало важным положительным фактором вытяжки,позволишим избежать изгиба МП и сократить длину получаемых наконечников.
До настоящего момента было предложено достаточное количество конструкций установок. Однако, несмотря на определенные успехи в совершенствовании МП-пуллеров оставались нерешенными вопросы, связанные с формированием высокоточных, химически чистых МП различных модификаций, предназначенных и доступных для разнообразных приложений.
Основными недостатками ранее существующих методов являлись низкая производительность и сложность контроля. В связи со значительным расширением сферы использования, повышением требований к точности производимых работ, а также быстрым износом МП, появилась потребность в существенной оптимизации технологии изготовления МП. В настоящее время эти задачи решаются с помощью современной технологии формирования МП с использованием лазерного нагрева [33,40].
10
С 1950г. изготовлением технологических установок для
формирования МП - пуллеров-, занимается компания "Sutter Instrument Со",
которая вышла в мировые лидеры и к концу 90-х годов перешла на лазерные
источники нагрева [40]. Предложенная технология вытяжки в пуллерах этой
фирмы является несовершенной, так как лазер установлен напрямую в той
же схеме, где ранее в качестве теплового источника нагрева применялась
платиновая нить накаливания. Простейшая оптическая схема пуллера с
односторонним нагревом приводит к заметному браку, а иногда и просто к
растрескиванию заготовки, особенно у пипеток малого диаметра из-за
склонности к изгибу конца МП. К недостаткам данного устройства можно
отнести ограничение при работе с внешним диаметром капилляров,
предназначенных для формирования МП: для формирвоания МП из
капилляров различных диаметров используются модели пуллеров P-2000/G и
P-2000/F. Стоимость каждой модели пуллера составляет 12 250 $.
Представленные модели пуллеров предназначены для формирования МП
методом вытяжки.
Таким образом, оптимизация лазерной технологии и разработка
прототипа отечественной лазерной установки, обеспечивающей создание
коммерчески доступных МП различных конфигураций и размеров, и поныне
является актуальной задачей формирования МП.
Цель и задачи работы
Цель работы: исследование, разработка и оптимизация лазерной технологии формирования МП.
Достижение указанной цели потребовало решения следующих основных задач:
Создание установки для вытяжки микропипеток с лазерным нагревом;
Исследование процесса, разработка и оптимизация технологии лазерной вытяжки микропипеток;
3. Изучение параметров полученных микропипеток и демонстрация их
практических применений.
Для решения поставленных задач были разработаны и выбраны следующие методы исследования:
1.Проведен анализ основных литературных данных по методам изготовления и применению микропипеток.
2.Проведено экспериментальное исследование процесса лазерной вытяжки микропипеток, в том числе с применением видеосъемки.
3.Предложена математическая модель процесса формирования микропипеток на основе модели Ньютона.
4. Использованы методы оптической и электронной микроскопии для
оценки качества полученных микропипеток.
12 Личный вклад автора
Все представленные экспериментальные исследования и теоретические
расчеты проведены при личном участии автора.
Научная новизна диссертации
Впервые решена математическая задача о вытяжке МП, позволяющая в полной постановке, учитывающей изменение вязкости с температурой и температуры во времени, проводить анализ влияния различных факторов на параметры получаемых МП.
Впервые изучена кинетика процесса лазерного формообразования МП методом вытяжки с использованием микровидеосъемки.
Впервые предложены и разработаны схемные решения в оптике для лазерной вытяжки на базе торического зеркала и гомогенизирующей камеры, позволяющие значительно улучшить качество МП, управляемость и воспроизводимость процесса вытяжки.
Научные положения, выносимые на защиту
Основными параметрами, определяющими качество МП и их форму, являются равномерность зоны лазерного воздействия и ее размеры.
Равномерность зоны лазерного воздействия может быть обеспечена либо за счет зеркальной оптики при соблюдении условия
13 перпендикулярности пучка и оси заготовки (торическое зеркало), либо за
счет гомогенизатора.
3. При реализации численной модели лазерной вытяжки МП, предназначенной для быстрых оценок параметров процесса, достаточно учесть деформацию капилляра только в самой горячей зоне облучения.
Практическая ценность работы
Выявлены оптимальные режимы и технология формирования МП стандартных конфигураций.
Продемонстрированы наиболее современные и перспективные приложения МП
Изготовлены различные модификации МП, прошедшие экспериментальную проверку в качестве аппликаторов при глазных операциях в НИИ «Микрохирургии глаза», ближнепольных оптических зондов в ВНЦ ГОИ им. Вавилова.
Реализация на практике
Изготовленные образцы МП были опробованы в качестве: -ближнепольных оптических зондов -световодоводов -офтальмологических аппликаторов
14 Апробация работы
Результаты проведенных в работе исследований докладывались: на
международных конференциях NATO-ASI (Крит, Греция, 2003), ILATA-III
(Санкт-Петербург, Россия, 2003), ILAA-2000 (Санкт-Петербург, Россия,
2000), на Международной школе по оптическим микро-и нанотехнологиям
OMAN (Санкт-Петербург, Россия, 2002); на конференциях ППС
СПбГУИТМО, «Современные направления приборостроения,
информационных и гуманитарных наук» (Санкт-Петербург, СПбГУИТМО, 2004).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 6 статей, опубликованных в научно-технических журналах и сборниках трудов.
Требования к микропипеткам
Все применения МП можно свести к нескольким широким категориям, где они используются в качестве: биосенсоров; ярким примером являются МП с электродами, полученными заполнением МП раствором соли (КС1). полых микроигл для трасфера определенных веществ; в эту категорию входит использование МП в области генной инженерии для введения искусственных форм генетического материала в клетки, которые вырабатывают определенные вещества, необходимые для медицинских целей насадок для растров, головок, емкостью от пиколитров до микролитров, используемых в системах, которые осуществляют диагностику жидких проб. ближнепольных зондов для изучения структур на субмикронном уровне; микрооптического инструмента, осуществляющего комбинированную доставку лазерного излучения совместно с подачей жидких растворов; применение такого инструмента перспективно для исследований, проводящихся в различных областях медицины; в этом случае на МП наносят металлическое покрытие, например алюминиевое.
Требования к МП из представленного ряда применений различны. В пределах каждой из этих категорий имеется много разновидностей, и каждая из них также накладывает собственные особенности [90-100]. Рабочие характеристики МП, от которых зависят эффективность их использования в той или иной области, а также диапазон применений, определяются в первую очередь: геометрическими параметрами. материалом. Геометрические параметры МП находятся в прямой зависимости от процесса формообразования, который в свою очередь определяется методом. При разработке необходимо также учитывать эксплуатационные параметры МП: нетоксичность. возможность стериализации. коммерческую доступность создаваемого микроэлемента. Анализ изложенных приложений позволяет сделать вывод, что наиболее важными требованиями к микропипеткам являются следующие: химическая пассивность и чистота; механическая прочность; электрическая инертность; термостойкость (обеспечивающая возможность их стерилизации); возможность использования в широком диапазоне длин волн оптического излучения при работе в качестве оптического инструмента; необходимый диапазон размеров (50 пт-50цт); коммерческая доступность.
Анализ литературных данных показал, что на всем протяжении истории развития технологии формирования МП принцип их изготовления вытяжкой из капилляра сохраняется, изменяются лишь технологические особенности формирования, вызванные изменяющимся уровнем развития микротехнологий, а также повышением интереса к МП в связи с увеличением диапазона областей исследования. Формирование микропипеток заключается в том что, под действием мощного теплового источника на капиллярной заготовке разогревается маленький участок, к концам капилляра прикладывается растягивающее механическое усилие. На этом основан принцип работы пуллера инструмента для вытяжки микропипеток. Для нагрева капилляра применяются различные тепловые источники: резистивные. газоразрядные.
Растягивающее механическое усилие подается с помощью пружины, груза или соленоида.При увеличении температуры разогреваемого участка капилляра происходит уменьшение вязкости стекла, в результате чего на нагретом участке происходит растяжение капилляра с уменьшением апертуры и последующим обрывом с образованием острых наконечников на концах капилляра.
Разработка оптических систем для формирования МП.
В лазерно-технологических установках основным инструментом воздействия является пучок лазерного излучения. Таким образом, при разработке оптической системы установки наиболее важным моментом является концентрация энергии на поверхности капилляра с формированием зоны нагрева заданных размеров и формы [80-82]. Эксперименты, проводившиеся на установке, представленной на схеме (рис.2.2), показали, что при одностороннем нагреве капилляра чаще всего его тонкий конец при вытяжке искривляется, вследствие возникновения неравномерных термонапряжений из-за градиента температур в сечении капилляра. Поэтому создание установки, оптическая система которой позволит получить на всем участке зоны нагрева равномерный тепловой источник, размерами которого можно легко варьировать, является одной из основных проблем в технологии лазерного формирования МП.
На рис.2.3 .а оптическая схема состоит из двух элементов, фокусирующей линзы и плоского отражательного зеркала, размещенного за волокном. В этом случае (при тщательной юстировке) на поверхности волокна создаются два противоположно расположенных источника тепла -один со стороны зеркала (создается центральными лучами), а второй — с противоположной стороны (создается периферическими лучами, отразившимися от зеркала). Не засвеченные области нагреваются посредством теплопроводности. Наиболее равномерного источника тепла на заготовке в такой схеме можно добиться при расположении оптических элементов схемы таким образом, когда и капилляр, и зеркало находятся перед задней фокальной плоскостью фокусирующей линзы.
В ходе экспериментальных работ было выявлено, что создание зоны облучения с равномерным нагревом на поверхности капилляра в поле воздействия может быть обеспечено 2 подходами (Рис.2.4):
а) Вращение стеклянного капилляра вокруг собственной оси. Лазерное излучение, попадающее сбоку на капилляр, нагревает поверхность по диаметру в результате вращения. Данный подход реализуется с помощью оптико-механической схемы обработки. Кольцевая зона обеспечивается вращением образца, что вызывает дополнительное влияние на процесс формирования МП: несинхронное вращение и несоосность двигателей (рис.2.4а) и дополнительной центробежной силы приводят к раннему обрыву волокна.
б) Фокусировка лазерного излучения в кольцевой зоне на поверхности капилляра с помощью "зеркальной оптики"( рис. 2.46). Особый интерес представляла бы оптическая схема, которая позволила бы получить равномерную засветку разогреваемого участка в зоне «лазерного формирования» по всей окружности поперечного сечения стеклянного капилляра. Зона нагрева в этом случае при достаточной хорошей юстировке схемы и тщательно подобранном по мощности режиме нагревания будет обеспечивать высокую степень симметричности и воспроизводимости получаемых МП. Таким образом, схемные решения на основе зеркальной фокусирующей оптики могут позволить создать вполне удобную универсальную установку для «лазерного формирования» микропипеток и ближнепольных зондов с первоначальными диаметрами в диапазоне 50-1500 мкм.
Основным оптическим элементом, имеющим решающее значение, является фокусирующее сферическое зеркало, которое позволяет реализовать кольцевой способ засветки разогреваемого участка капилляра. Данная оптическая схема, представленная на рис.2.4 б, была использована в установке с двухсторонним горизонтальным механизмом вытяжки [83].
Излучение (Х=10.6 мкм) от непрерывного СОг-лазера попадает на линзу. После линзы, расходящийся пучок с помощью поворотного зеркала и поворотного зеркала с отверстием попадает на сферическое зеркало с отверстием, которое фокусирует излучение на капилляр. Стеклянный капилляр закрепляется в двух цанговых зажимах, которые устанавливаются на специальных прецизионных подвижках, приводимы в движение под действием растягивающей силы. Закрепленный в цангах капилляр размещается вдоль оптической системы благодаря отверстиям в плоском поворотном зеркале и сферическом зеркале. Такое расположение капилляра позволяет создавать на поверхности практически равномерную кольцевую зону разогрева.
Теоретическое исследование процесса формообразования МП
На сегодняшний день предложено достаточное количество разнообразных конструкций технологических установок для формирования МП. Основной задачей в современных технологических установках для формирования МП с использованием лазерного излучения является концентрация энергии на поверхности капилляра с формированием зоны нагрева. Особое влияние на геометрические параметры МП и их воспроизводимость оказывают форма и размер зоны нагрева, формируемая посредством оптической схемы. Однако предложенные лазерные установки не позволяли создать в зоне нагрева равномерный тепловой источник и изготавливать симметричные МП с необходимыми размерами наконечника.
Поэтому, по-прежнему одной из основных проблем в технологии лазерной вытяжки при создании установки является разработка и создание оптической схемы фокусировки излучения СОг-лазера на поверхности капилляра, которая позволит создать на всем участке зоны нагрева равномерный тепловой источник, размерами которого можно легко варьировать. Кроме того, получение МП с оптимальными характеристиками зависит также от другого не менее важного элемента установки механической системы, осуществляющей формирование материала в размягченном состоянии.
Таким образом, основными задачами при создании новой экспериментальной установки становятся оптимизация оптической схемы, осуществляющей транспортировку и фокусировку излучения СОг-лазера на капилляре, и усовершенствование механической системы, формирующей МП требуемым образом. Модифицированная установка для вытяжки МП
Новая экспериментальная установка разработана на базе представленного ранее лазерного технологического комплекса, однако позволяет устранить вышеперечисленные недостатки посредством модифицирования конструкции.
Преимущество современной конструкции для вытяжки МП основано на усовершенствовании оптической и механической систем комплекса с целью обеспечения равномерности зоны нагрева лазерным излучением, а также контроля растягивающей силы, и как следствия, повышения качества формируемых МП. г/ Рис. 4.1. Оптимизированная экспериментальная установка на базе гомогенизатора. 1- С02-лазер,2-электромеханический затвор,3-ослабитель мощности, 4- измеритель мощности, 5-светоделитель, 6-поворотное зеркало, 7-линза, 8-гомогенизатор,9-капилляр, 10,11- растягивающий механизм.
Оптимизация оптической схемы
При детальном анализе схемы со стандартной оптической схемой, а также в процессе экспериментальных работ с "зеркальной оптикой" были выявлены некоторые недостатки этих установок. Основной задачей в технологии "лазерной вытяжки" является создание равномерного нагрева. При использовании в лазерной установке оптической схемы, неспособной обеспечить равномерную засветку капилляра со всех сторон, происходит возникновение неравномерного теплового источника на поверхности капилляра, что с большой вероятностью приведет к искажению заданной формы наконечника. Данный эффект был экспериментально подтвержден на схеме со сферическим зеркалом, представленным в главе 2, а также на схеме с вращением в главе 3.
Приемлемого качества МП можно добиться путем тщательной юстировки, однако это представляет, во-первых, трудности, во-вторых, как показала практика, малую воспроизводимость. Также при обработке МП больших диаметров неравномерность сказывается сильнее, и принципиально невозможно обеспечить равномерный прогрев со всех сторон, так как греются только противоположные стороны, что приводит к сильным искажениям формы наконечников.
В случае использования сферического зеркала фокусировка излучения под острым углом к капилляру имеет большие недостатки, и это сказывается при диаметре капилляра в 125 мкм, не говоря о больших размерах трубочек. Оптическая схема на основе тороидального зеркала, осуществляющая фокусировку под прямым углом к капилляру полностью не решает проблему неравномерности. МП, сформированные на установке с данной оптической схемой, являются несимметричными.
Энергетический расчет оптической схемы с гомогенизатором
В данной работе в качестве основной цели поставлена задача разработки и проверки метода расчета прохождения света через стеклянный стержень со стенками толщиной порядка 0.1 мм, внутри которого находится воздух. Распределение в пространстве энергии света, выходящего из оконечности инструмента можно рассчитать как в воздухе, так и внутри биоткани, для которой известны ее оптические свойства. Моделирование распространения поля внутри инструмента реализовано при помощи аппарата преобразования Фурье с учетом приближения Фраунгофера[33]. В процессе программной реализации математического аппарата и алгоритма возникли сложности с использованием преобразования Фурье для вычисления распространения поля внутри инструмента. Дело в том, что выбор шага по пространственным координатам, длина волны излучения и объем выборки тесно взаимосвязаны по теореме отсчетов. Если dt - это шаг по JC или у, Л - длина волны, NxN- объем выборки, то шаг по пространственной частоте dv можно вычислить из следующего соотношения: где dt выражена в длинах волн.
Из выражения (4.1) видно, что если dt значительно превышает длину волны, то шаг по пространственным частотам будет ничтожно мал, что не даст никакого эффекта при применении данного метода к требуемым структурам. Именно это обстоятельство служит препятствием на пути использования такого метода для расчета волновых дальнепольных структур.
Тем не менее, эту проблему удалось обойти, применив приближение Фраунгофера, заключающееся в том, что если шаг превышает длину волны на несколько порядков, то дифракция и распространение света точно описывается при помощи аппарата преобразования Фурье.
Расчеты по данной программе были выполнены только для цилиндрического стержня, поскольку из этих расчетов уже видно прохождение светового потока с образованием бокового рассеяния через стенки в окружающее пространство. На рисунке 4.9 представлен Фурье-спектр поперечного сечения стержня диаметром 200 мкм.
В последнее время, помимо традиционных - вытянутых - МП, появилась потребность в приталенных МП. Особым отличием этих микротрубок, внешний вид которых представлен на рисунке 4.6 в, является сформированная перетяжка на некотором расстоянии от торца.
Данный тип МП был экспериментально опробован и в настоящий момент является особенно востребованным при проведении офтальмологических операций по удалению катаракты с помощью It-Er-лазера в Центре Федорова. Сущность операции заключается в следующем. Схема операционной установки представлена на рисунке 4.12. При воздействии силовым излучением It-Er- лазера через фокусирующую оптическую систему непосредственно на замутненном потемневшем хрусталике глаза образуется так называемая суспензия, вязкая жидкость. При растровом сканировании облученной зоны глаза видно, что происходит расстрой массы хрусталика на мелкие частицы, размером 0.1мм хОЛмм, которые необходимо удалить. МП с перетяжкой обеспечивает наименьшую вероятность засорения канала отсоса продуктами операции, а при образовании так называемой пробки локализует конкретное ее место расположения. Немедленный отсос вязкой жидкости из операционной области осуществляется с помощью компрессора, который создает обратное давление и тем самым " высасывает" продукты операции из области глазного яблока. При классической операции приходится производить глубокий дуговой разрез на зрачке глаза, а в данном случае необходимо выполнить лишь один прокол.
1. Предложен, разработан, изготовлен и исследован новый оптический элемент- гомогенизатор, обеспечивающий равномерное облучение капилляра в результате многократных отражений от внутренних стенок камеры. Произведена оценка значения энергии в зоне нагрева гомогенизирующей камеры. В ходе экспериментов гомогенизатор показал хорошие качества: простота настройки и юстировки, надежность воспроизведения и управления параметрами МП.
2. Предложен новый многофукциональный медицинский оптический инструмент - световодовод - на базе МП с металлическим покрытием, предназначенный для транспортировки лазерного излучения одновременно с перемещением растворов.
3. Предложены и реализованы технологические методы формирования МП оплавленной, вытянутой и приталенной формы, необходимые для реализации различных этапов офтальмологических операций.
4. Продемонстрирована практическая возможность применения МП для транспортировки лазерного излучения и жидких сред.
