Продемонстровано компактний і надійний повністю твердотільний середньо-інфрачервоний (MIR) лазер на 6,45 мкм з високою середньою вихідною потужністю та якістю променя, близькою до Гаусса. Максимальна вихідна потужність 1,53 Вт з шириною імпульсу приблизно 42 нс при 10 кГц досягається за допомогою оптичного параметричного генератора ZnGeP2 (ZGP) (OPO). Наскільки нам відомо, це найвища середня потужність при 6,45 мкм будь-якого твердотільного лазера.Середній коефіцієнт якості променя вимірюється як M2=1,19.
Крім того, підтверджено високу стабільність вихідної потужності з коливанням потужності менше 1,35% середньоквадратичного значення протягом 2 годин, і лазер може ефективно працювати більше 500 годин загалом. Використовуючи цей імпульс 6,45 мкм як джерело випромінювання, можна видалити тварину Перевіряється тканина мозку. Крім того, вперше теоретично проаналізовано ефект побічного пошкодження, наскільки нам відомо, і результати показують, що цей лазер MIR має чудову здатність до абляції, що робить його потенційною заміною лазерам на вільних електронах.©2022 Видавнича група Optica

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

Середньоінфрачервоне (MIR) лазерне випромінювання 6,45 мкм має потенційне застосування в галузях високоточної медицини завдяки перевагам значної швидкості абляції та мінімального побічного пошкодження 【1】. Раманівські лазери та твердотільні лазери на основі оптичного параметричного генератора (OPO) або генерації різницевої частоти (DFG) зазвичай використовуються для лазерних джерел 6,45 мкм. Однак висока вартість, великий розмір і складна структура ЛПВ обмежують їх Лазери на парах стронцію та газові раманівські лазери можуть отримати цільові смуги, але обидва мають погану стабільність, коротку серію
порок живе і потребує складного обслуговування. Дослідження показали, що твердотільні лазери 6,45 мкм створюють менший діапазон термічних пошкоджень у біологічних тканинах і що їх глибина абляції глибша, ніж у FEL за тих же умов, що підтвердило, що вони можуть використовуватися як ефективна альтернатива FEL для абляції біологічної тканини 【2】. Крім того, твердотільні лазери мають переваги компактної структури, хорошої стабільності та

настільна робота, що робить їх перспективними інструментами для отримання джерела світла 6,45 мкн.Як відомо, нелінійні інфрачервоні кристали відіграють важливу роль у процесі перетворення частоти, який використовується для отримання високоефективних MIR-лазерів. У порівнянні з оксидними інфрачервоними кристалами з межею межі 4 мкм, неоксидні кристали добре працюють. підходить для генерації MIR-лазерів. Ці кристали включають більшість халькогенідів, таких як AgGaS2 (AGS)【3,41, LiInS2 (LIS)【5,61, LilnSe2 (LilnSe2 (LISe)（GaS2（GS【7㼌】，і BaGaSe（BGSe）【10-12】，, а також сполуки фосфору CdSiP2 (CSP)【13-16】 і ZnGeP2 (ZGP) (ZGP) мають невеликий коефіцієнт для обох, для двох менших. наприклад, MIR-випромінювання можна отримати за допомогою CSP-OPO. Однак більшість CSP-OPO працюють у ультракороткому (піко-і фемтосекундному) часовому масштабі та синхронно накачуються лазерами з блокуванням моди приблизно 1 мкм. На жаль, ці OPO з синхронною накачкою (OPO) Системи SPOPO） мають складну конфігурацію і коштують дорого. Їх середня потужність також нижча за 100 мВт при близько 6,45 мкм【13-16】. У порівнянні з кристалом CSP, ZGP має вищий рівень ураження лазером.має (60 МВт/см2), більшу теплопровідність (0,36 Вт/см К), і порівнянний нелінійний коефіцієнт (75 пм/В). Енергетичні додатки 【18-221. Наприклад, було продемонстровано плоский резонатор ZGP-OPO з діапазоном налаштування 3,8-12,4 мкм з накачкою лазером 2,93 мкм. 1,2 мДж 【201.Для питомої довжини хвилі 6,45 мкм максимальна енергія одноразового імпульсу 5,67 мДж при частоті повторення 100 Гц була досягнута за допомогою непланарного кільцевого резонатора OPO на основі кристала ZGP. З повторенням. частота 200 Гц, була досягнута середня вихідна потужність 0,95 Вт 【221. Наскільки нам відомо, це найвища вихідна потужність, досягнута при 6,45 мкм.Існуючі дослідження показують, що для ефективної абляції тканини 【23】 необхідна вища середня потужність. Тому розробка практичного потужного лазерного джерела 6,45 мкм мала б велике значення для просування біологічної медицини.У цьому листі ми повідомляємо про простий, компактний повністю твердотільний лазер MIR 6,45 мкм, який має високу середню вихідну потужність і заснований на ZGP-OPO з накачуванням наносекундним (нс) імпульсом 2,09 мкм.

лазер. Максимальна середня вихідна потужність лазера 6,45 мкм становить до 1,53 Вт з шириною імпульсу приблизно 42 нс при частоті повторення 10 кГц і має чудову якість променя. Абляційний ефект лазера 6,45 мкм на тканини тварин Досліджено. Ця робота показує, що лазер є ефективним підходом для фактичної абляції тканин, оскільки він діє як лазерний скальпель.Експериментальна установка зображена на рис.1. ZGP-OPO накачується саморобним лазером Ho:YAG з накачкою LD 2,09 мкм, який забезпечує 28 Вт середньої потужності на частоті 10 кГц. Тривалістю імпульсу приблизно 102 нс（ FWHM）і середній коефіцієнт якості променя M2 приблизно 1,7.MI і M2 – це два 45 дзеркала з покриттям, яке має високу відбивку на 2,09 мкм. Ці дзеркала дозволяють керувати напрямком променя накачування.Дві фокусувальні лінзи (f1 =100 мм ,f2=100 мм) застосовуються для колімації променя з діаметром променя приблизно 3,5 мм у кристалі ZGP. Оптичний ізолятор (ISO) використовується для запобігання повернення променя накачування до джерела накачування 2,09 мкм. Півхвильова пластина (HWP) на 2,09 мкм використовується для контролю поляризації світла насоса. M3 і M4 – це дзеркала порожнини OPO, з плоским CaF2, використаним як матеріал підкладки. Переднє дзеркало M3 має антивідбивне покриття (98%) для насоса промінь із покриттям із високим відбиттям (98%) для сигнальних хвиль 6,45 мкм і 3,09 мкм. Вихідне дзеркало M4 має високу відбивну здатність (98%) на 2,09мкм і 3,09 мкм і дозволяє часткову передачу 6,45 мкм холостого ходу.Кристал ZGP розрізається при 6-77,6° і p=45° для узгодження фаз типу JⅡ 【2090,0 (o）6450,0 (o)+3091,9 (e)】, що більше підходить для певної довжини хвилі і параметра світлової стрілки ширина лінії в порівнянні з узгодженням фаз типу I. Розміри кристала ZGP становлять 5 мм x 6 мм x 25 мм, він відполірований і покритий антивідблиском на обох торцевих гранях для трьох вищевказаних хвиль. Він загорнутий в індієву фольгу та закріплений в мідному радіаторі з водяним охолодженням (T=16)。Довжина резонатора 27 мм. Час обертання OPO становить 0,537 нс для лазера накачки. Ми перевірили поріг пошкодження кристала ZGP за допомогою R -on-I метод 【17】. Порогове значення пошкодження кристала ZGP було виміряно як 0,11 Дж/см2 на частоті 10 кГц. В експерименті, що відповідає пиковій щільності потужності 1,4 МВт/см2, що є низьким через відносно низька якість покриття.Вихідна потужність генерованого неактивного світла вимірюється лічильником енергії (D,OPHIR, 1 мкВт до 3 Вт), а довжина хвилі сигнального світла контролюється спектрометром (APE, 1,5-6,3 м), щоб Отримавши високу вихідну потужність 6,45 мкм, ми оптимізуємо розробку параметрів OPO. Чисельне моделювання виконується на основі теорії трьоххвильового змішування та парксіального розповсюдження 【24,25】；під час моделювання ми використовувати параметри, що відповідають умовам експерименту, і припускати вхідний імпульс з гауссовим профілем у просторі та часі. Зв'язок між вихідним дзеркалом OPO

Коефіцієнт пропускання, інтенсивність потужності накачування та вихідна ефективність оптимізовані шляхом маніпулювання щільністю променя накачування в порожнині для досягнення більшої вихідної потужності, одночасно уникаючи пошкодження кристала ZGP та оптичних елементів. Таким чином, найвища потужність накачування обмежена приблизно 20 Вт для роботи ZGP-OPO. Результати моделювання показують, що в той час, коли використовується оптимальний вихідний розгалужувач з коефіцієнтом пропускання 50%, максимальна пикова щільність потужності становить лише 2,6 x 10 Вт/см2 в кристалі ZGP, а середня вихідна потужність можна отримати більше ніж 1,5 Вт. На малюнку 2 показано співвідношення між виміряною вихідною потужністю холостого ходу на 6,45 мкм і потужністю падаючого насоса. З рис.2 видно, що вихідна потужність холостого ходу монотонно зростає з Порогове значення накачування відповідає середній потужності накачування 3,55 Вт. Максимальна вихідна потужність холостого ходу 1,53 Вт досягається при потужності накачування приблизно 18,7 Вт, що відповідає ефективності оптико-оптичного перетворення of приблизно 8,20%% і коефіцієнт квантового перетворення 25,31%. Для довгострокової безпеки лазер працює майже на 70% від його максимальної вихідної потужності. Стабільність потужності вимірюється при вихідній потужності IW, як показано на вставці (a) на рис.2. Виявлено, що виміряна флуктуація потужності становить менше 1,35% середньоквадратичного значення за 2 години, і що лазер може ефективно працювати більше 500 годин загалом. Довжина хвилі сигналу вимірюється замість довжини хвилі холостого ходу через обмежений діапазон довжин хвиль спектрометра (APE, 1,5-6,3 мкм), який використовується в нашому експерименті. на вставці (b) на рис.2. Центральна довжина хвилі холостого ходу визначається як 6,45 мкм. Ширина імпульсу холостого ходу визначається фотодетектором (Thorlabs, PDAVJ10) і записується цифровим осцилографом (Tcktronix) ）。Типова форма сигналу осцилографа показана на рис.3 і відображає ширину імпульсу приблизно 42 нс. Ширина імпульсує на 41,18% вужчим для холостого ходу 6,45 мкм порівняно з імпульсом накачування 2,09 мкм через ефект звуження тимчасового посилення процесу нелінійного перетворення частоти. У результаті відповідна пікова потужність холостого імпульсу становить 3,56 кВт. Коефіцієнт якості променя. Лазерний промінь вимірюється 6,45 мкм

аналізатор (Spiricon,M2-200-PIII) при 1 Вт вихідної потужності, як показано на рис.4. Виміряні значення M2 і M，2 становлять 1,32 і 1,06 по осі x і y відповідно, що відповідає середній коефіцієнт якості променя M2=1,19. На малюнку 4 показаний двовимірний (2D) профіль інтенсивності променя, який має просторову моду, близьку до Гаусса. Щоб переконатися, що імпульс 6,45 мкм забезпечує ефективну абляцію, проведено доказовий експеримент із лазерною абляцією мозку свині. Для фокусування імпульсного променя 6,45 мкм використовується лінза f=50 на радіус талії приблизно 0,75 мм. Позиція для видалення на тканині мозку свині знаходиться у фокусі лазерного променя. Температура поверхні (T) біологічної тканини як функція радіального розташування r вимірюється термокамерою (FLIR A615) синхронно під час процесу абляції. Тривалість опромінення становить 1 ,2,4,6,10，і 20 с при потужності лазера I Вт. Для кожної тривалості опромінення шість позицій зразка висвітлюються: r=0,0,62,0,703,1.91,3.05，і 4,14 мм уздовж радіального напрямку відносно центральної точки положення опромінення, як показано на рис.5. Квадрати є виміряними температурними даними. На рис.5 видно, що температура поверхні в положенні абляції на тканині збільшується зі збільшенням тривалості опромінення. Найвищі температури T в центральній точці r=0 становлять 132,39,160,32,196,34，

205,57, 206,95，і 226,05C для тривалості опромінення 1,2，4,6,10， і 20 с відповідно. Для аналізу побічних ушкоджень моделюється розподіл температури на поверхні тканини, що віддаляється. Це здійснюється відповідно до теорія теплопровідності для біологічної тканини126】і теорія поширення лазера в біологічній тканині【27】у поєднанні з оптичними параметрами мозку свині 1281.
Моделювання виконується з припущенням вхідного гауссового променя. Оскільки біологічна тканина, яка використовується в експерименті, є ізольованою тканиною мозку свині, вплив крові та метаболізму на температуру ігнорується, а тканина мозку свині спрощується до форма циліндра для моделювання. Параметри, використані в моделюванні, зведені в таблицю 1. Суцільні криві, показані на рис. 5, є змодельованим радіальним розподілом температури щодо центру абляції на поверхні тканини для шести різних видів опромінення. Вони демонструють гаусівський температурний профіль від центру до периферії. З рис.5 видно, що експериментальні дані добре поєднуються з результатами моделювання. З рис.5 також видно, що змодельована температура в центрі положення абляції збільшується зі збільшенням тривалості опромінення для кожного опромінення. Попередні дослідження показали, що клітини в тканині абсолютно безпечні при температурах нижче.55C, що означає, що клітини залишаються активними в зелених зонах (T<55C) кривих на рис.5. Жовта зона кожної кривої (55C)60C）。На рис.5 можна помітити, що імітовані радіуси абляції при T=60°Care0,774,0,873,0,993,1,071,1,198 і 1,364 мм відповідно для тривалості опромінення 1,6,4， 10，і 20s, тоді як імітовані радіуси абляції при T=55C становлять 0,805, 0,908, 1,037, 1,134, 1,271， і 1,456 мм відповідно. Після кількісного аналізу ефекту абляції мертвих клітин1 виявлено, що arca82 має 82 2,394,3,098,3,604,4,509，і 5,845 мм2 для 1,2,4,6,10， і 20с опромінення відповідно. Площа з площею побічних пошкоджень становить 0,003,0,0040,0136,0,0,0 і 0,027 мм2. Видно, що зони лазерної абляції та зони побічних пошкоджень збільшуються з тривалістю опромінення. Ми визначаємо коефіцієнт побічної шкоди як відношення площі побічного пошкодження при 55C с T60C. Знайдено коефіцієнт побічних пошкоджень становити 8,17%, 8,18%, 9,06%, 12,11%, 12,56%， і 13,94% для різного часу опромінення, що означає, що побічне пошкодження тканин, що віддаляються, невелике. Тому комплексний експериментДані та результати моделювання показують, що цей компактний, високопотужний, повністю твердотільний лазер ZGP-OPO 6,45 мкм забезпечує ефективну абляцію біологічних тканин. На завершення ми продемонстрували компактний, високопотужний, повністю твердотільний Імпульсне лазерне джерело MIR 6,45 мкм на основі підходу ns ZGP-OPO. Отримано максимальну середню потужність 1,53 Вт з піковою потужністю 3,65 кВт та середнім коефіцієнтом якості променя M2=1,19. Використовуючи це випромінювання MIR 6,45 мкм, a Було проведено доказовий експеримент з лазерної абляції тканини. Розподіл температури на поверхні аблованої тканини було експериментально виміряно та теоретично змодельовано. Виміряні дані добре узгоджувалися з результатами моделювання. Крім того, теоретично було проаналізовано побічні пошкодження вперше. Ці результати підтверджують, що наш настільний імпульсний лазер MIR на 6,45 мкм забезпечує ефективну абляцію біологічних тканин і має великий потенціал стати практичним інструментом у медичній та біологічній науці, оскільки він може замінити громіздкий FEL яклазерний скальпель.