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超短脉冲激光诱导血液产生等离子体过程的仿真和实验研究

超短脉冲激光诱导血液产生等离子体过程的仿真和实验研究

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作者：陆文康华中科技大学

学位级别：硕士

激光血管成形术是一种血管内介入激光消融斑块的技术。超短脉冲激光消融产生的颗粒在亚微米级,阻塞血管的风险低,被认为是实现更安全消融的前沿技术之一。超短脉冲激光消融过程中将发生激光诱导等离子体和等离子体诱导烧蚀血栓。本文主... 详细信息

激光血管成形术是一种血管内介入激光消融斑块的技术。超短脉冲激光消融产生的颗粒在亚微米级,阻塞血管的风险低,被认为是实现更安全消融的前沿技术之一。超短脉冲激光消融过程中将发生激光诱导等离子体和等离子体诱导烧蚀血栓。本文主要对激光诱导纯水和血液形成等离子体过程以及等离子体诱导烧蚀体外血栓进行仿真和实验。对自由电子密度分布、等离子体形貌及尺寸、能量传输、等离子体吸收作用、等离子体中心位置、血液吸收作用、血栓烧蚀阈值及等离子诱导烧蚀血栓速率等进行了分析。论文的主要内容包括以下几个方面:(1)回顾了激光诱导等离子体形成的研究进展。对比分析了现有等离子体形成的时空分布计算模型,得出其中尚存在对等离子的非线性吸收描述不够准确、阈值自由电子密度取值、水分子的能带隙取值具有争议等问题。(2)构建纯水电离过程的简化时域模型,为等离子体时空分布计算奠定基础。与经典实验对比确定阈值自由电子密度为10/cm。计算得到击穿阈值随着脉宽从10fs增长到100ns从～10W/cm降低到～10-10W/cm,在1-100ns区间基本保持不变。随着脉宽减小,雪崩电离的作用逐渐减小,直到飞秒区间多光子电离占据主导。(3)为了对激光诱导血液产生等离子体的时空分布进行分析,首先构建了纯水中的时空分布计算模型。等离子体轮廓呈现向激光入射方向偏移的月牙形。等离子体中心位置在脉冲能量7.01-62.7μJ时,偏离焦点11.8-170.7μm。一旦达到击穿条件,能量透射比例会迅速下降。构建血液中等离子体时空分布计算简化模型并进行了模拟计算。发现相较于纯水,血液更高的消光系数将等离子体区域向焦点及光轴处限制,等离子体更强的吸收能力使得等离子体往入射方向偏移。(4)实验测定了蒸馏水、10g/L、50g/L、100g/L血液溶液的击穿脉冲能量并与计算值进行了对比,二者之间的差距是因为激光到达最初击穿位置时已经有了衰减。发现四种液体能量透射率图与计算值较为符合。在脉冲能量为27.7μJ、33.5μJ、41.5μJ、50.6μJ情况下等离子体中心偏移焦点150-200μm,与计算值109.1-170.7μm符合。测定了猪血栓、猪血管、牛腿骨在空气中烧蚀时间为20s、15s、10s、5s时的烧蚀阈值。基于血栓空气中的烧蚀阈值,进行了水中烧蚀血栓实验。发现在脉冲能量从3.80μJ提升到8.16μJ,两分钟烧蚀时间下,血栓烧蚀质量从36mg增加到67mg,而8.16μJ提升40.63μJ,烧蚀质量从67mg提升到110mg,原因是前者跨越了击穿阈值。本文构建了激光诱导液体等离子体形成的计算模型,将其应用范围从水中拓展到了血液中,确定了模型中对等离子的非线性吸收描述、阈值自由电子密度取值和水分子的能带隙取值,并通过实验验证了其合理性。

关键词：激光诱导等离子体形成水电离血液电离击穿阈值时空分布自由电子密度等离子体诱导烧蚀

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