Näidatakse kompaktset ja tugevat täisfaasilist infrapuna- (MIR) laserit 6,45 um suure keskmise väljundvõimsusega ja peaaegu Gaussi kiire kvaliteediga. Maksimaalne väljundvõimsus on 1,53 W ja impulsi laius ligikaudu 42 ns temperatuuril 10 kHz saavutatakse ZnGeP2 (ZGP) optilise parameetrilise ostsillaatori (OPO) abil. See on meie teadmiste kohaselt kõigi tahkislaserite suurim keskmine võimsus 6,45 um juures.Kiire keskmiseks kvaliteediteguriks mõõdetakse M2=1,19.
Lisaks on kinnitust leidnud kõrge väljundvõimsuse stabiilsus, võimsuse kõikumine 2 tunni jooksul alla 1,35% ruutkeskmiselt ja laser võib töötada tõhusalt kokku üle 500 tunni. Kasutades seda 6,45 um impulsi kiirgusallikana, on loomade ablatsioon ajukude testitakse. Lisaks analüüsitakse meie teadmiste kohaselt esimest korda teoreetiliselt kaaskahjustuse mõju ja tulemused näitavad, et sellel MIR-laseril on suurepärane ablatsioonivõime, mis muudab selle potentsiaalseks asendajaks vabade elektronlaserite jaoks.©2022 Optica Publishing Group

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

Keskmise infrapunakiirguse (MIR) 6,45 um laserkiirgust saab kasutada ülitäpsetes meditsiinivaldkondades, kuna sellel on märkimisväärne ablatsioonikiirus ja minimaalne kõrvalkahjustus 【1】.Vabaelektronlaserid (FEL-id), strontsiumiauru laserid, gaaslaserid. Ramani laserid ja optilisel parameetrilisel ostsillaatoril (OPO) või erinevuse sageduse genereerimisel (DFG) põhinevad tahkislaserid on tavaliselt kasutatavad 6,45 um laseriallikad. FEL-ide kõrge hind, suur suurus ja keeruline struktuur piiravad aga nende kasutamist. Rakendus. Strontsiumi aurulaserid ja gaas-Ramani laserid suudavad saavutada sihtribasid, kuid mõlemal on halb stabiilsus, lühike kasutusaeg.
Uuringud näitasid, et 6,45 um tahkislaserid tekitavad bioloogilistes kudedes väiksema termilise kahjustuse vanusevahemiku ja et nende ablatsioonisügavus on sügavam kui FEL samadel tingimustel, mis kinnitas, et nad suudavad kasutada tõhusa alternatiivina FEL-idele kudede bioloogilisel ablatsioonil 【2】. Lisaks on tahkislaserite eelised kompaktne struktuur, hea stabiilsus ja

lauaplaadi kasutamine, muutes need paljulubavateks tööriistadeks 6,45 μn valgusallika saamiseks.Nagu on hästi teada, mängivad mittelineaarsed infrapunakristallid olulist rolli sageduse muundamise protsessis, mida kasutatakse suure jõudlusega MIR-laserite saavutamiseks. Võrreldes 4 um lõikeservaga oksiid-infrapunakristallidega on mitteoksiidkristallid head. sobivad MIR-laserite genereerimiseks. Need kristallid sisaldavad enamikku kalkogeniide, nagu AgGaS2 (AGS)【3,41，LiInS2 (LIS）【5,61， LilnSe2 （LISe）【7〼S（LISe）【7〼GGS8 】，ja BaGaSe（BGSe）【10-12】，, aga ka fosforiühenditel CdSiP2（CSP）【13-16】ja ZnGeP2 (viimatinimetatu ZGP）【17】) on mõlemal kahel korral suhteliselt ebatõhusad. Näiteks saab MIR-kiirgust saada CSP-OPO-de abil. Enamik CSP-OPO-sid töötab siiski ülilühikese (piko- ja femtosekundilise) ajaskaalal ning neid pumbatakse sünkroonselt ligikaudu 1 um režiimilukuga laseritega. Kahjuks on need sünkroonselt pumbatavad OPOd. SPOPO）süsteemidel on keeruline seadistus ja need on kulukad. Nende keskmine võimsus on ka alla 100 mW umbes 6,45 um【13-16】 juures. Võrreldes CSP-kristalliga on ZGP-l suurem laserkahjustuste määr.peab (60 MW/cm2), suurema soojusjuhtivuse (0,36 W/cm K) ja võrreldava mittelineaarse koefitsiendi (75 pm/V). Seetõttu on ZGP suurepärane MIR mittelineaarne optiline kristall suure võimsusega või suure energiarakendused 【18-221.Näiteks demonstreeriti 2,93 um laseriga pumbatavat lame-lameda õõnsusega ZGP-OPO häälestusvahemikuga 3,8-12,4 um. Tühikäiguvalguse maksimaalne ühe impulsi energia 6,6 um juures oli 1,2 mJ 【201. Spetsiifilise lainepikkuse 6,45 um korral saavutati ZGP kristallil põhineva mittetasapinnalise rõnga OPO õõnsuse abil ühe impulsi maksimaalne energia 5,67 mJ kordussagedusel 100 Hz. Kordusega sagedus 200 Hz, saavutati keskmine väljundvõimsus 0,95 W 【221. Meile teadaolevalt on see suurim väljundvõimsus 6,45 um juures.Olemasolevad uuringud näitavad, et efektiivseks koeablatsiooniks on vaja suuremat keskmist võimsust 【23】. Seetõttu oleks praktilise suure võimsusega 6,45 um laserallika väljatöötamine bioloogilise meditsiini edendamisel väga oluline.Selles kirjas kirjeldame lihtsat ja kompaktset tahkis-MIR 6,45 um laserit, millel on kõrge keskmine väljundvõimsus ja mis põhineb ZGP-OPO-l, mida pumbatakse nanosekundilise (ns) impulsiga 2,09 um.

laser.6,45 um laseri maksimaalne keskmine väljundvõimsus on kuni 1,53 W impulsi laiusega ligikaudu 42 ns kordussagedusel 10 kHz ning sellel on suurepärane kiire kvaliteet. 6,45 um laseri ableeriv toime loomakudedele See töö näitab, et laser on tõhus meetod tegelikuks koe ablatsiooniks, kuna see toimib laserskalpellina.Eksperimentaalne seadistus on visandatud joonisel 1. ZGP-OPO pumbatakse kodus valmistatud LD-pumbaga 2,09 um Ho:YAG laseriga, mis annab 28 W keskmist võimsust sagedusel 10 kHz. impulsi kestusega umbes 102 ns (umbes 102 ns). FWHM) ja keskmine kiire kvaliteeditegur M2, mis on ligikaudu 1,7.MI ja M2, on kaks 45 peeglit, mille kate on 2,09 um juures hästi peegeldav. Need peeglid võimaldavad pumbakiire suunda juhtida.Kaks teravustamisobjektiivi (f1 = 100 mm ,f2=100 mm) rakendatakse kiirkollimatsiooniks, mille tala läbimõõt on ZGP kristallis umbes 3,5 mm. Optilist isolaatorit (ISO) kasutatakse selleks, et vältida pumba kiire tagasipöördumist 2,09 um pumbaallikasse. Poollaineplaat (HWP) 2,09 um juures kasutatakse pumba valguse polarisatsiooni reguleerimiseks. M3 ja M4 on OPO õõnsuspeeglid, mille alusmaterjalina kasutatakse lamedat CaF2. Esipeegel M3 on pumba jaoks peegeldusvastase kattega (98%). valgusvihk ja suure peegeldusega kattega (98%) 6,45 um tühikäigu ja 3,09 um signaalilainete jaoks. Väljundpeegel M4 peegeldab hästi (98%) 2,09um ja 3,09 um ning võimaldab 6,45 um tühikäigu osalist edastamist.ZGP kristall on lõigatud 6-77,6 ° ja p = 45 ° JⅡ faasi sobitamiseks 【2090,0 （o）6450,0 （o）+3091,9 （e）】，, mis sobib paremini konkreetse parameetrilise valguse ja kitsama lainepikkusega. joonelaius võrreldes I tüüpi faasi sobitamisega. ZGP kristalli mõõtmed on 5 mm x 6 mm x 25 mm ning see on poleeritud ja mõlemalt poolt peegeldusvastase kattega kaetud ülaltoodud kolme laine jaoks. See on mähitud indiumfooliumi ja kinnitatud vesijahutusega vasest jahutusradiaatorisse (T=16). Süvendi pikkus on 27 mm. OPO edasi-tagasi aeg on pumbalaseri puhul 0,537 ns. Testisime ZGP kristalli kahjustusläve R abil. -on-I meetod 【17】. ZGP kristalli kahjustuslävi mõõdeti katses 0,11 J/cm2 sagedusel 10 kHz. See vastab tippvõimsuse tihedusele 1,4 MW/cm2, mis on madal tänu suhteliselt halb katte kvaliteet.Tekitatud tühikäiguvalguse väljundvõimsust mõõdetakse energiamõõturiga (D,OPHIR, 1 uW kuni 3 W) ja signaalvalguse lainepikkust jälgitakse spektromeetriga (APE, 1,5-6,3 m). saada kõrge väljundvõimsus 6,45 um, optimeerime OPO parameetrite disaini. Numbriline simulatsioon viiakse läbi kolme laine segamise teooria ja paraksiaalse leviku võrrandite 【24,25】 põhjal simulatsioonis. kasutada katsetingimustele vastavaid parameetreid ja eeldada Gaussi profiiliga sisendimpulssi ruumis ja ajas. OPO väljundpeegli vaheline seos

läbilaskvus, pumba võimsuse intensiivsus ja väljundefektiivsus on optimeeritud manipuleerides pumba kiire tihedust õõnsuses, et saavutada suurem väljundvõimsus, vältides samal ajal ZGP kristalli ja optiliste elementide kahjustamist. Seega on pumba suurim võimsus piiratud umbes 20-ga. W ZGP-OPO töö jaoks. Simuleeritud tulemused näitavad, et kuigi kasutatakse optimaalset väljundühendust, mille läbilaskvus on 50%, on maksimaalne võimsustihedus ZGP kristallis ainult 2,6 x 10 W/cm2 ja keskmine väljundvõimsus võib saada rohkem kui 1,5 W.Joonis 2 näitab seost tühikäigu 6,45 um juures mõõdetud väljundvõimsuse ja langeva pumba võimsuse vahel.Jooniselt 2 on näha, et tühikäigu väljundvõimsus suureneb monotoonselt pumba võimsus. Pumba läviväärtus vastab pumba keskmisele võimsusele 3,55 WA Maksimaalne tühikäigu väljundvõimsus 1,53 W saavutatakse pumba võimsusel ligikaudu 18,7 W, mis vastab optiliseks-optiliseks muundamise efektiivsusele.f ligikaudu 8,20% ja kvantkonversiooni cfliciteet 25,31%. Pikaajalise ohutuse tagamiseks töötab laser peaaegu 70% maksimaalsest väljundvõimsusest. Võimsuse stabiilsust mõõdetakse väljundvõimsusel IW. Joonise 2 sisestuses (a) on leitud, et mõõdetud võimsuse kõikumine on 2 tunni jooksul väiksem kui 1,35% ruutkeskmiselt ja laser võib töötada tõhusalt kokku rohkem kui 500 tundi. Signaalilaine lainepikkus mõõdetakse tühikäigu lainepikkuse asemel meie katses kasutatud spektromeetri (APE, 1,5–6,3 um) piiratud lainepikkuste vahemiku tõttu. Mõõdetud signaali lainepikkuse keskpunkt on 3,09 um ja joone laius on ligikaudu 0,3 nm, nagu näidatud. joonise 2 sisetükis (b). Seejärel tuletatakse tühikäigu lainepikkuseks 6,45 um. Tühiratta impulsi laius tuvastatakse fotodetektori (Thorlabs, PDAVJ10) abil ja salvestatakse digitaalse ostsilloskoobiga (Tcktronix). ）。Tüüpiline ostsilloskoobi lainekuju on näidatud joonisel 3 ja selle impulsi laius on ligikaudu 42 ns. Impulsi laiuson 6,45 um tühikäigul 41,18% kitsam võrreldes 2,09 um pumbaimpulsiga mittelineaarse sagedusmuundamisprotsessi ajalise võimenduse kitsendamise tõttu. Selle tulemusel on vastav tühikäigu impulsi tippvõimsus 3,56 kW. Laserkiirega mõõdetakse 6,45 um tühikut

analüsaator (Spiricon, M2-200-PIII) 1 W väljundvõimsusel, nagu näidatud joonisel 4. M2 ja M, 2 mõõdetud väärtused on vastavalt 1,32 ja 1,06 piki x-telge ja y-telge, mis vastavad keskmine kiire kvaliteeditegur M2=1,19.Joonise 4 insct näitab kahemõõtmelist (2D) kiire intensiivsuse profiili, millel on peaaegu Gaussi ruumiline režiim. Veendumaks, et 6,45 um impulss tagab tõhusa ablatsiooni, viiakse läbi põhimõtet tõendav katse, mis hõlmab sea aju laserablatsiooni. 6,45 um impulsikiire fokuseerimiseks umbes 0,75 mm vööraadiusele kasutatakse läätse f=50.Ableeritav asend sea ajukoes asetatakse laserkiire fookusesse. Bioloogilise koe pinnatemperatuuri (T) sõltuvalt radiaalsest asukohast r mõõdetakse termokaameraga (FLIR A615) sünkroonselt ablatsiooniprotsessi ajal. Kiirituse kestused on 1 ,2, 4, 6, 10 ja 20 s laseri võimsusel 1 W. Iga kiiritamise kestuse kohta tehakse kuus prooviasendit: r=0,0,62,0,703, 1,91, 3,05 ja 4,14 mm piki radiaalset suunda kiiritusasendi keskpunkti suhtes, nagu on näidatud joonisel 5. Ruudud on mõõdetud temperatuuriandmed. Jooniselt 5 on näha, et pinnatemperatuur ablatsiooniasendis koel suureneb kiirituse kestuse suurenedes. Kõrgeimad temperatuurid T keskpunktis r=0 on 132,39,160,32,196,34，

205.57, 206.95， ja 226.05C kiirituse kestusega vastavalt 1,2, 4,6,10 ja 20 s. Kaaskahjustuse analüüsimiseks simuleeritakse temperatuurijaotust ableeritud koepinnal. See viiakse läbi vastavalt bioloogilise koe soojusjuhtivuse teooria126】 ja bioloogilises koes laseri leviku teooria 【27】 kombineerituna sea aju 1281 optiliste parameetritega.
Simulatsioon viiakse läbi Gaussi sisendkiire eeldusel. Kuna katses kasutatud bioloogiline kude on isoleeritud sea ajukude, siis vere ja ainevahetuse mõju temperatuurile eiratakse ning sea ajukude on lihtsustatud simulatsiooni silindri kuju. Simulatsioonis kasutatud parameetrid on kokku võetud tabelis 1. Joonisel 5 näidatud tahke kõverad on simuleeritud radiaalsed temperatuurijaotused koepinna ablatsioonikeskuse suhtes kuue erineva kiirituse korral. kestus.Neil on Gaussi temperatuuriprofiil tsentrist perifeeriani.Jooniselt 5 on ilmne, et katseandmed sobivad hästi simuleeritud tulemustega.Jooniselt 5 on samuti näha, et simuleeritud temperatuur on keskpunktis. ablatsiooni asend pikeneb kiiritamise kestuse pikenedes iga kiiritamise korral. Varasemad uuringud on näidanud, et koes olevad rakud on allpool toodud temperatuuridel täiesti ohutud.55C, mis tähendab, et rakud jäävad aktiivseks joonise 5 kõverate rohelistes tsoonides (T<55C). Iga kõvera kollane tsoon (55C)60C）.Jooniselt 5 on näha, et simuleeritud ablatsiooniraadiused T = 60° Hooldus 0,774, 0,873, 0,993, 1,071, 1,198 ja 1,364 mm kiirituse kestuse korral 1,2,4,6, 10，ja 20s, samal ajal kui simuleeritud ablatsiooniraadiused temperatuuril T = 55C on vastavalt 0,805, 0,908, 1,037, 1,134, 1,271， ja 1,456 mm. Ablatsiooniefekti kvantitatiivsel analüüsimisel leitakse, et kaar8 on surnud rakkudega8. 2,394,3,098,3,604,4,509，ja 5,845 mm2 1,2,4,6,10，ja 20s kiirituse korral. Kaaskahjustusega ala on 0,003,0,0040,006,0011,006,001 ja 0,027 mm2.On näha, et laserablatsiooni tsoonid ja kõrvalkahjustuste tsoonid suurenevad koos kiirituse kestusega.Kaasnekahjustuse suhteks defineerime külgkahjustuse piirkonna suhte 55C s T60C juures.Kaasnekahjustuste suhe leitakse olla 8,17%, 8,18%, 9,06%, 12,11%, 12,56% ja 13,94% erinevate kiiritusaegade korral, mis tähendab, et eemaldatud kudede kõrvalkahjustus on väike. Seetõttu on põhjalik eksperimentAndmed ja simulatsioonitulemused näitavad, et see kompaktne suure võimsusega tahkislaser 6,45 um ZGP-OPO võimaldab tõhusalt eemaldada bioloogilisi kudesid. Kokkuvõtteks võib öelda, et oleme demonstreerinud kompaktset suure võimsusega tahkislaser. MIR-impulssiga 6,45 um laseriallikas, mis põhineb ns ZGP-OPO lähenemisviisil. Maksimaalne keskmine võimsus 1,53 W saadi tippvõimsuse 3,65 kW ja keskmise kiire kvaliteediteguriga M2 = 1,19. Kasutades seda 6,45 um MIR-kiirgust, Viidi läbi koe laserablatsiooni põhimõtet tõendav eksperiment. Temperatuurijaotus eemaldatud koepinnal mõõdeti eksperimentaalselt ja teoreetiliselt simuleeriti. Mõõdetud andmed ühtisid hästi simuleeritud tulemustega. Lisaks analüüsiti teoreetiliselt kaasnevat kahju esimest korda. Need tulemused kinnitavad, et meie lauapealne 6,45 um MIR-impulsslaser pakub tõhusat bioloogiliste kudede ablatsiooni ja sellel on suur potentsiaal olla praktiline tööriist meditsiini- ja bioloogiateaduses, kuna see võib asendada mahuka FEL-i.laserskalpell.