Ученые из Сколтеха модифицировали поверхность полого оптического волокна таким образом, чтобы оно могло функционировать как крошечный фонарь на медицинском зонде для исследования кровеносных сосудов и других полостей в организме изнутри.
Описанный в журнале Annalen der Physik микрофонарь состоит из фрагмента полго оптического волокна — отрезка крошечной стеклянной трубки. На внутреннюю поверхность этой трубки наносят слои полимера и наночастиц, а концы трубки запечатывают полимерными мембранами. Если поверх мембран нанести зеркала, то фонарь превратится в лазер, который излучает узконаправленный одноцветный световой пучок. Последнее ценно для фотодинамической терапии: лазер может поражать опухоль, в которую доставлен фоточувствительный препарат.
Использование эндоскопических зондов из оптоволокна — перспективный способ добраться до труднодоступных участков в организме в целях визуализации или терапии. Благодаря своей малой толщине оптоволокно может войти, например, внутрь крупного кровеносного сосуда. Но если такой зонд не оборудован никакими функциональными инструментами, смысла в нем мало.
Изготовленная учеными из Сколтеха и их коллегами структура могла бы войти в набор таких инструментов в качестве источника света, в том числе — при условии дополнительных усовершенствований — лазера с настраиваемой длиной волны излучения. Последний был бы весьма полезен на конце эндоскопического зонда как с точки зрения диагностики, так и с точки зрения терапии.
Обычно структуры, подобные представленному в работе микрофонарю, подвержены значительным потерям интенсивности света. Именно это слабое место удалось устранить ученым из Сколтеха и их коллегам. В основе источника света — кусок полого оптического волокна длиной несколько сантиметров и диаметром 0,5 миллиметра снаружи и 0,25 миллиметра внутри. На внутреннюю поверхность полой сердцевины волокна наносится слой полимера, а поверх него — слой так называемых квантовых точек. Это наноразмерные частицы, предоставленные Саратовским государственным университетом (сами волокна тоже изготовлены в Саратове, ООО НПП «Наноструктурная технология стекла»). Чем больше слоев полимера и квантовых точек наносится, тем выше потери света в волокне.
«Нам удалось установить, что наночастицы многослойного покрытия можно уплотнить посредством термической обработки, которая удаляет влагу из слоев полимера, уменьшает шероховатость нанокомпозитного покрытия и, как следствие, снижает оптические потери. Примечательно, что необходимый нагрев достигается попутно при формировании зеркал из диоксида титана и оксида кремния на поверхности полимерных мембран, которые наносятся на оба торца отрезка оптического волокна для создания оптического резонатора», — рассказал руководитель исследования профессор Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха Дмитрий Горин.
Получившаяся оптическая система перспективна для создания лазеров с оптической накачкой, работающих в довольно широком диапазоне длин волн, от 0,3 до 6 микрометров. Активной средой такого лазера послужат квантовые точки, а резонатор образуют два зеркала. Свет будет выходить с торца цилиндрической микроструктуры. Рабочую длину волны, то есть цвет лазерного луча, можно будет задать, варьируя характеристики слоя квантовых точек в процессе изготовления устройства.
В зависимости от конкретного случая медицинский зонд, оснащенный предложенным источником света, мог бы использоваться для исследования поверхностей, визуализации биологических тканей, удаления патологических образований с помощью так называемой фотодинамической терапии.