Демонстриран е компактен и робустен средно-инфрацрвен (MIR) ласер во целосно цврста состојба на 6,45 um со висока просечна излезна моќност и квалитет на речиси Гаусовиот зрак. Максимална излезна моќност од 1,53 W со ширина на импулсот од приближно 42 ns на 10 kHz се постигнува со користење на ZnGeP2 (ZGP) оптички параметарски осцилатор (OPO).Просечниот фактор на квалитет на гредата се мери M2=1,19.
Покрај тоа, потврдена е стабилност на висока излезна моќност, со флуктуација на моќноста помала од 1,35% rms во текот на 2 часа, а ласерот може ефикасно да работи повеќе од 500 часа вкупно. Користејќи го овој пулс од 6,45 мм како извор на зрачење, аблација на животно мозочното ткиво е тестирано. Понатаму, ефектот на колатерално оштетување е теоретски анализиран за прв пат, според нашите сознанија, а резултатите покажуваат дека овој MIR ласер има одлична способност за аблација, што го прави потенцијална замена за ласерите со слободни електрони.©2022 Optica Publishing Group

https://doi.org/10.1364/OL.446336

Средно инфрацрвено (МИР) ласерско зрачење 6,45 мм има потенцијална примена во полињата на медицината со висока прецизност поради неговите предности од значителна стапка на аблација и минимална колатерална штета 【1】. Бесплатни електронски ласери (FELs), ласери, пареа на стронциум Раман ласерите и ласерите со цврста состојба базирани на оптички параметриски осцилатор (OPO) или генерирање на разлика во фреквенцијата (DFG) вообичаено се користат ласерски извори од 6,45 мм. Сепак, високата цена, големата големина и сложената структура на FEL ги ограничуваат нивните Апликација. Стронциумските парни ласери и гасните Раман ласери можат да ги добијат целните ленти, но и двата имаат слаба стабилност, кратки серии
порокот живее и бара сложено одржување. Студиите покажаа дека ласерите со цврста состојба од 6,45 мм произведуваат помал опсег на термичко оштетување во биолошките ткива и дека нивната длабочина на аблација е подлабока од онаа на FEL под исти услови, што потврди дека тие можат да се користи како ефикасна алтернатива на FEL за биолошка ткивна аблација 【2】. Покрај тоа, ласерите во цврста состојба ги имаат предностите на компактна структура, добра стабилност и

работа на маса, што ги прави ветувачки алатки за добивање извор на светлина a6,45μn.Како што е познато, нелинеарните инфрацрвени кристали играат важна улога во процесот на конверзија на фреквенцијата што се користи за постигнување на MIR ласери со високи перформанси. погодни за генерирање на МИР ласери. Овие кристали ги вклучуваат повеќето халкогениди, како што се AgGaS2 (AGS）【3,41，LiInS2 （LIS）【5,61， LilnSe2 （LIS，BaGa9,9 】，и BaGaSe（BGSe）【10-12】), како и фосфорните соединенија CdSiP2 (CSP) 【13-16】 и ZnGeP2 (ZGP) и двете имаат неефикасна 17 реланија. на пример, MIR зрачењето може да се добие со користење на CSP-OPOs. Сепак, повеќето CSP-OPO работат на ултракратка (пико-и фемтосекунда) временска скала и синхроно се пумпаат од приближно 1 um ласери заклучени со режим. За жал, овие синхроно пумпани OPO ( SPOPO) системите имаат сложено поставување и се скапи. Нивната просечна моќност е исто така помала од 100 mW на околу 6,45 um【13-16】. Во споредба со CSP кристалот, ZGP има поголемо ласерско оштетување.има (60 MW/cm2), поголема топлинска спроводливост (0,36 W/cm K) и споредлив нелинеарен коефициент (75pm/V). Затоа, ZGP е одличен MIR нелинеарен оптички кристал за висока моќност или енергетски апликации 【18-221. На пример, беше демонстрирана рамна рамна празнина ZGP-OPO со опсег на подесување од 3,8-12,4 um пумпана со ласер од 2,93 um. 1,2 mJ 【201. За специфичната бранова должина од 6,45 мм, постигната е максимална енергија со еден импулс од 5,67 mJ при фреквенција на повторување од 100 Hz со користење на нерамнински прстенест OPO празнина базирана на кристал ZGP. Со повторување фреквенција од 200 Hz, постигната е просечна излезна моќност од 0,95 W 【221. Колку што сме свесни, ова е највисоката излезна моќност постигната на 6,45 мм.Постоечките студии сугерираат дека поголема просечна моќност е неопходна за ефективна ткивна аблација 【23】. Затоа, развојот на практичен ласерски извор со висока моќност од 6,45 мм ќе биде од големо значење во промоцијата на биолошката медицина.Во ова писмо, известуваме за едноставен, компактен MIR 6,45 м ласер со целосно цврста состојба кој има висока просечна излезна моќност и се заснова на ZGP-OPO пумпан со наносекунда (ns) пулс од 2,09 мм

ласер. Максималната просечна излезна моќност на ласерот од 6,45 мм е до 1,53 W со ширина на пулсот од приближно 42 ms при фреквенција на повторување од 10 kHz, и има одличен квалитет на зракот. се истражува. Оваа работа покажува дека ласерот е ефикасен пристап за вистинска ткивна аблација, бидејќи делува како ласерски скалпел.Експерименталното поставување е скицирано на Сл. 1. ZGP-OPO се пумпа со домашен LD-пумпен ласер од 2,09 um Ho:YAG кој испорачува 28 W просечна моќност на 10 kHz. со времетраење на пулсот од приближно 102 ns ( FWHM) и просечен фактор за квалитет на зракот М2 од приближно 1,7.MI и M2 се две 45 огледала со слој кој е многу рефлективен на 2,09 мм. Овие огледала овозможуваат контрола на насоката на зракот на пумпата. Две леќи за фокусирање (f1 =100 mm ,f2=100 mm) се применуваат за склопување на зракот со дијаметар на зракот од околу 3,5 mm во кристалот ZGP. Оптички изолатор (ISO) се користи за да се спречи враќањето на зракот на пумпата во изворот на пумпата од 2,09 um. Плоча со полубранови (HWP) на 2,09 мм се користи за контрола на поларизацијата на светлото на пумпата. сноп и обложена со висока рефлексија (98%) за сигналните бранови од 6,45 мм и 3,09 мм. Излезното огледало М4 е многу рефлективно (98%) на 2,09um и 3,09 um и овозможува делумно пренесување на 6,45 um без работа.Кристалот ZGP се сече на 6-77,6° и p=45° за совпаѓање на фазата од типот JⅡ 【2090.0 (o)6450.0 (o)+3091.9 (e)】), што е посоодветно за специфична должина на брановидност и посоодветна блескава должина ширина на линијата во споредба со совпаѓањето на фазата тип-I. Димензиите на кристалот ZGP се 5mm x 6 mm x 25 mm, и тој е полиран и обложен против рефлексија на двете крајни страни за горенаведените три бранови. Завиткан е во индиумска фолија и фиксиран во бакарен ладилник со водено ладење (T=16). -на-I метод 【17】. Прагот на оштетување на кристалот ZGP беше измерен на 0,11 J/cm2 на 10 kHz. во експериментот, што одговара на максималната густина на моќност од 1,4 MW/cm2, што е ниско поради релативно слаб квалитет на облогата.Излезната моќност на генерираното светло за мирување се мери со мерач на енергија (D, OPHIR), 1 uW до 3 W), а брановата должина на сигналното светло се следи со спектрометар (APE), 1,5-6,3 m). добиеме висока излезна моќност од 6,45 мм, го оптимизираме дизајнот на параметрите на OPO. Се изведува нумеричка симулација врз основа на теоријата на мешање со три бранови и параксилното размножување 【24,25】；во симулацијата, ние употребете ги параметрите што одговараат на експерименталните услови и претпоставете влезен пулс со Гаусовиот профил во просторот и времето. Врската помеѓу излезното огледало на OPO

пропустливоста, интензитетот на моќноста на пумпата и излезната ефикасност се оптимизирани со манипулирање со густината на зракот на пумпата во шуплината за да се постигне поголема излезна моќност додека истовремено се избегнува оштетување на кристалот ZGP и оптичките елементи. Така, најголемата моќност на пумпата е ограничена на околу 20 W за работа со ZGP-OPO. Симулираните резултати покажуваат дека додека се користи оптимална излезна спојка со пропустливост од 50%, максималната густина на максимална моќност е само 2,6 x 10 W/cm2 во кристалот ZGP, а просечната излезна моќност може да се добие повеќе од 1,5 W. Слика 2 го прикажува односот помеѓу измерената излезна моќност на безделникот на 6,45 um и моќноста на упадната пумпа. Од Сл.2 може да се види дека излезната моќност на безделникот монотоно се зголемува со Моќта на пумпата. Прагот на пумпата одговара на просечна моќност на пумпата од 3,55 WA, максималната излезна моќност од 1,53 W се постигнува при моќност на пумпата од приближно 18,7 W, што одговара на ефикасноста на конверзија од оптичко во оптичко oѓ приближно 8,20%% и квантна конверзија од 25,31%. За долготрајна безбедност, ласерот работи со приближно 70% од неговата максимална излезна моќност. Стабилноста на моќноста се мери со излезна моќност од IW, како прикажано на влезот (а) на сл.2. Откриено е дека измерената флуктуација на моќноста е помала од 1,35%rms за 2 часа, и дека ласерот може ефикасно да работи повеќе од 500 часа вкупно. Брановата должина на сигналниот бран се мери наместо оној на безделникот поради ограничениот опсег на бранови должини на спектрометарот (APE), 1,5-6,3 um) што се користи во нашиот експеримент. во влезот (б) на сл.2. Централната бранова должина на безделникот потоа се заклучува дека е 6,45 м. Ширината на пулсот на безделникот е откриена со фотодетектор (Thorlabs, PDAVJ10) и е снимена со дигитален осцилоскоп (Tcktronix) ）. Типична бранова форма на осцилоскоп е прикажана на сл.3 и прикажува ширина на пулсот од приближно 42 ns. Ширината на пулсоте 41,18% потесен за 6,45 мм пулсот на пумпата во споредба со пулсот на пумпата од 2,09 мм поради ефектот на стеснување на временската добивка од процесот на конверзија на нелинеарната фреквенција. 6,45 мм без работа се мери со ласерски зрак

анализатор (Spiricon, M2-200-PIII) со 1 W излезна моќност, како што е прикажано на сл.4. Измерените вредности на M2 и M，2 се 1,32 и 1,06 долж оската x и оската y, соодветно, што одговараат на просечен фактор на квалитет на зракот од M2=1,19. Инсектот од Сл.4 го покажува дводимензионалниот (2D) профил на интензитетот на зракот, кој има просторен режим речиси на Гаус. За да се потврди дека пулсот од 6,45 um обезбедува ефективна аблација, спроведен е експеримент со доказ за принцип кој вклучува ласерска аблација на свински мозок. Леќа f=50 е употребена за фокусирање на пулсниот зрак од 6,45 um на радиус на половината од околу 0,75 mm. Позицијата што треба да се аблира на мозочното ткиво на свинско е поставена во фокусот на ласерскиот зрак. Температурата на површината (T) на биолошкото ткиво како функција на радијалната локација r се мери со термокамера (FLIR A615) синхроно за време на процесот на аблација. Времетраењето на зрачењето е 1 ,2,4,6,10, и 20 s со ласерска моќност од I W. За секое времетраење на зрачење, шест позиции на примерокот се бламирани:r=0,0,62,0,703,1,91,3,05, и 4,14 mm по должината на радијалната насока во однос на централната точка на положбата на зрачење, како што е прикажано на сл.5. Квадратите се измерените податоци за температурата. На сл.5 е откриено дека температурата на површината на позицијата на аблација на ткивото се зголемува со зголемување на времетраењето на зрачењето. Највисоките температури Т во централната точка r=0 се 132,39,160,32,196,34.

205,57,206,95, и 226,05 C за времетраење на зрачење од 1,2, 4,6,10 и 20 секунди, соодветно. Теоријата на топлинска спроводливост за биолошко ткиво126】 и теоријата на ласерско ширење во биолошкото ткиво 【27】 во комбинација со оптичките параметри на свинскиот мозок 1281.
Симулацијата се изведува со претпоставка за влезен Гаусовиот зрак. Бидејќи биолошкото ткиво што се користи во експериментот е изолирано свинско мозочно ткиво, влијанието на крвта и метаболизмот врз температурата се игнорирани, а мозочното ткиво на свинско е поедноставено во форма на цилиндар за симулација. Параметрите што се користат во симулацијата се сумирани во Табела 1. Цврстите криви прикажани на сл.5 се симулирани радијални температурни распределби во однос на центарот за аблација на површината на ткивото за шесте различни зрачења времетраење. Тие покажуваат Гаусовиот температурен профил од центарот до периферијата. Очигледно е од Сл. 5 дека експерименталните податоци добро се усогласуваат со симулираните резултати. Исто така, од Сл. 5 е очигледно дека симулираната температура во центарот на позицијата на аблација се зголемува како што се зголемува времетраењето на зрачењето за секое зрачење. Претходните истражувања покажаа дека клетките во ткивото се совршено безбедни на температури под55C, што значи дека клетките остануваат активни во зелените зони (T<55C) од кривите на сл.5. Жолтата зона на секоја крива (55C)60C）. Може да се забележи на сл.5 дека симулираните радиуси на аблација на T=60°Care0,774,0,873,0,993,1,071,1,198 и 1,364 mm, соодветно, за времетраење на зрачење од 1,2,4， 10, и 20-ти, додека симулираните радиуси на аблација наT=55C се 0,805, 0,908, 1,037, 1,134, 1,271, и 1,456 mm, соодветно. По квантитативна анализа на ефектот на аблација, арката е откриена дека 8 е со 1 мртви клетки. 2,394,3,098,3,604,4,509, и 5,845 mm2 за 1,2,4,6,10 и 20 секунди зрачење, соодветно. и 0,027 mm2. Може да се види дека зоните на ласерска аблација и зоните на колатерална штета се зголемуваат со времетраењето на зрачењето. да биде 8,17%, 8,18%, 9,06%, 12,11%, 12,56% и 13,94% за различни времиња на зрачење, што значи дека колатералното оштетување на аблираните ткива е мало. Затоа, сеопфатни експериментиПодатоците и резултатите од симулацијата покажуваат дека овој компактен, високомоќен, целосно цврст ласер од 6,45 мм ZGP-OPO обезбедува ефикасна аблација на биолошките ткива. Како заклучок, демонстриравме компактна, со висока моќност, целосно во цврста состојба MIR импулсен ласерски извор од 6,45 um врз основа на ns ZGP-OPO пристап. Добиена е максимална просечна моќност од 1,53 W со максимална моќност од 3,65 kW и просечен фактор на квалитет на зракот од M2=1,19. Користејќи го ова зрачење MIR од 6,45 um, a Беше изведен експеримент со доказ за принцип на ласерска аблација на ткиво. Дистрибуцијата на температурата на површината на аблираната ткиво беше експериментално измерена и теоретски симулирана. Измерените податоци добро се совпаѓаа со симулираните резултати. Покрај тоа, колатералната штета беше теоретски анализирана за прв пат. Овие резултати потврдуваат дека нашиот MIR пулсен ласер на маса на 6,45 мм нуди ефективна аблација на биолошките ткива и има голем потенцијал да биде практична алатка во медицинската и биолошката наука, бидејќи може да замени гломазен FEL каколасерски скалпел.