Demonstriran je kompaktan i robustan polu-infracrveni laser (MIR) na 6,45 um s visokom prosječnom izlaznom snagom i gotovo Gaussovom kvalitetom snopa. Maksimalna izlazna snaga od 1,53 W sa širinom impulsa od približno 42 ns na 10 kHz se postiže korištenjem ZnGeP2 (ZGP) optičkog parametarskog oscilatora (OPO). Ovo je najveća prosječna snaga na 6,45 um bilo kojeg potpuno čvrstog lasera prema našim saznanjima.Izmjeren je prosječni faktor kvalitete zraka M2=1,19.
Štoviše, potvrđena je visoka izlazna snaga s fluktuacijom snage manjom od 1,35%rms tijekom 2 h, a laser može učinkovito raditi više od 500 h ukupno. Koristeći ovaj impuls od 6,45 um kao izvor zračenja, ablacija životinja testirano je moždano tkivo. Nadalje, prvi put je teoretski analiziran učinak kolateralnog oštećenja, koliko je nama poznato, a rezultati pokazuju da ovaj MIR laser ima izvrsnu sposobnost ablacije, što ga čini potencijalnom zamjenom za lasere sa slobodnim elektronima.©2022 Izdavačka grupa Optica

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

Srednje infracrveno (MIR) lasersko zračenje od 6,45 um ima potencijalnu primjenu u visokopreciznim medicinskim poljima zbog svojih prednosti značajne stope ablacije i minimalne kolateralne štete 【1】. Laseri slobodnih elektrona (FELs), laseri na pare stroncija Ramanski laseri i laseri u čvrstom stanju temeljeni na optičkom parametričkom oscilatoru (OPO) ili generiranju razlike frekvencije (DFG) obično se koriste laserski izvori od 6,45 um. Međutim, visoka cijena, velika veličina i složena struktura FEL ograničava njihovu Laseri na paru stroncija i plinski Raman laseri mogu dobiti ciljne trake, ali oba imaju slabu stabilnost, kratki ser-
poroci žive i zahtijevaju složeno održavanje. Studije su pokazale da poluprovodnički laseri od 6,45 um proizvode manji raspon termičkih oštećenja u biološkim tkivima i da je njihova dubina ablacije dublja od one kod FEL-a pod istim uvjetima, što je potvrdilo da mogu koristiti kao učinkovitu alternativu FEL-ovima za ablaciju biološkog tkiva 【2】. Osim toga, solid-state laseri imaju prednosti kompaktne strukture, dobre stabilnosti i

rad na stolu, što ih čini obećavajućim alatima za dobivanje izvora svjetlosti od 6,45 μn.Kao što je poznato, nelinearni infracrveni kristali igraju važnu ulogu u procesu pretvorbe frekvencije koji se koristi za postizanje MIR lasera visokih performansi. U usporedbi s oksidnim infracrvenim kristalima s graničnim rubom od 4 um, neoksidni kristali su dobri pogodan za generiranje MIR lasera. Ovi kristali uključuju većinu halkogenida, kao što je AgGaS2 (AGS)【3,41, LiInS2 (LIS)【5,61, LilnSe2 (LISe2) (LISe)（S, 7【 】，i BaGaSe（BGSe）【10-12】，kao i fosforni spojevi CdSiP2 (CSP)【13-16】 i ZnGeP2 (ZGP) imaju dva relativna dva. na primjer, MIR zračenje se može dobiti pomoću CSP-OPO-a. Međutim, većina CSP-OPO-a radi na ultrakratkom (piko-i femtosekundni) vremenskoj skali i sinkrono ih pumpaju laseri s zaključavanjem moda od približno 1 um. Nažalost, ovi sinkrono pumpani OPO (OPO) SPOPO）sustavi imaju složenu postavku i skupi su. Njihove prosječne snage su također niže od 100 mW na oko 6,45 um【13-16】. U usporedbi s CSP kristalom, ZGP ima višu trostruku lasersku štetutreba (60 MW/cm2), veću toplinsku vodljivost (0,36 W/cm K), i usporediv nelinearni koeficijent (75 pm/V). Stoga je ZGP izvrstan MIR nelinearni optički kristal za velike snage ili visoke energetske primjene 【18-221. Na primjer, demonstrirana je ravna ravna šupljina ZGP-OPO s rasponom podešavanja od 3,8-12,4 um pumpana laserom od 2,93 um. Maksimalna energija jednog impulsa praznog svjetla na 6,6 um bila je 1,2 mJ 【201.Za specifičnu valnu duljinu od 6,45 um, maksimalna energija jednog impulsa od 5,67 mJ pri frekvenciji ponavljanja od 100 Hz postignuta je korištenjem neplanarne prstenaste OPO šupljine na bazi ZGP kristala. S ponavljanjem. frekvencija od 200Hz, postignuta je prosječna izlazna snaga od 0,95 W 【221. Koliko nam je poznato, ovo je najveća izlazna snaga postignuta na 6,45 um.Postojeće studije sugeriraju da je veća prosječna snaga potrebna za učinkovitu ablaciju tkiva 【23】. Stoga bi razvoj praktičnog laserskog izvora velike snage od 6,45 um bio od velikog značaja u promicanju biološke medicine.U ovom pismu izvještavamo o jednostavnom, kompaktnom, potpuno čvrstom MIR laseru od 6,45 um koji ima visoku prosječnu izlaznu snagu i temelji se na ZGP-OPO pumpanom nanosekundnim (ns) impulsom od 2,09 um

laser.Maksimalna prosječna izlazna snaga lasera od 6,45 um je do 1,53 W sa širinom impulsa od približno 42 ns pri frekvenciji ponavljanja od 10 kHz, a ima izvrsnu kvalitetu zraka. Ablacijski učinak lasera od 6,45 um na životinjsko tkivo istražuje se. Ovaj rad pokazuje da je laser učinkovit pristup za stvarnu ablaciju tkiva, jer djeluje kao laserski skalpel.Eksperimentalna postavka je skicirana na slici 1. ZGP-OPO se pumpa domaćim LD-pumpanim Ho:YAG laserom od 2,09 um koji isporučuje 28 W prosječne snage na 10 kHz. s trajanjem impulsa od približno 102 ns（ FWHM) i prosječni faktor kvalitete snopa M2 od približno 1,7.MI i M2 su dva 45 zrcala sa premazom koji je visoko reflektirajući na 2,09 um. Ova zrcala omogućuju kontrolu smjera snopa pumpe. Dvije leće za fokusiranje (f1 =100 mm ,f2=100 mm) primjenjuju se za kolimaciju snopa s promjerom snopa od oko 3,5 mm u ZGP kristalu. Optički izolator (ISO) se koristi da spriječi povratak zraka pumpe na izvor pumpe od 2,09 um. Poluvalna ploča (HWP) na 2,09 um koristi se za kontrolu polarizacije svjetla pumpe. M3 i M4 su OPO zrcala s šupljinom, s ravnim CaF2 koji se koristi kao materijal podloge. Prednje zrcalo M3 je premazano protiv refleksije (98%) za pumpu snop i obložen s visokim odsjajem (98%) za signalne valove od 6,45 um i 3,09 um. Izlazno zrcalo M4 je visoko reflektirajuće (98%) na 2,09um i 3,09 um i omogućuje djelomični prijenos praznog hoda od 6,45 um.ZGP kristal se reže na 6-77,6° i p=45° za tip-JⅡ fazno podudaranje 【2090,0 (o) 6450,0 (o) +3091,9 (e)】, što je prikladnije za specifičnu valnu duljinu i parametar strelice svjetlosti širina linije u usporedbi s faznim podudaranjem tipa I. Dimenzije ZGP kristala su 5 mm x 6 mm x 25 mm, poliran je i antirefleksno premazan na obje krajnje strane za gornja tri vala. Umotan je u indij foliju i fiksiran u bakrenom hladnjaku s vodenim hlađenjem (T=16)。Duljina šupljine je 27 mm. Vrijeme povratnog puta OPO-a je 0,537 ns za laser pumpe. Testirali smo prag oštećenja ZGP kristala pomoću R -on-I metoda 【17】. Prag oštećenja ZGP kristala izmjeren je na 0,11 J/cm2 na 10 kHz.u eksperimentu, što odgovara vršnoj gustoći snage od 1,4 MW/cm2, što je nisko zbog relativno loša kvaliteta premaza.Izlazna snaga generiranog svjetla u praznom hodu mjeri se pomoću mjerača energije (D,OPHIR, 1 uW do 3 W), a valna duljina signalne svjetlosti se prati spektrometrom (APE, 1,5-6,3 m). dobijemo visoku izlaznu snagu od 6,45 um, optimiziramo dizajn parametara OPO-a. Numerička simulacija se provodi na temelju trovalne teorije miješanja i paraksijalnih propagacijskih formula 【24,25】；u simulaciji smo koristiti parametre koji odgovaraju eksperimentalnim uvjetima i pretpostaviti ulazni impuls s Gaussovim profilom u prostoru i vremenu. Odnos između OPO izlaznog zrcala

propustljivost, intenzitet snage crpke i izlazna učinkovitost optimizirani su manipuliranjem gustoćom zraka pumpe u šupljini kako bi se postigla veća izlazna snaga uz istovremeno izbjegavanje oštećenja ZGP kristala i optičkih elemenata. Stoga je najveća snaga crpke ograničena na oko 20 W za ZGP-OPO rad. Simulirani rezultati pokazuju da, dok se koristi optimalna izlazna spojnica s propustljivošću od 50%, maksimalna vršna gustoća snage iznosi samo 2,6 x 10 W/cm2 u ZGP kristalu, a prosječna izlazna snaga može se dobiti više od 1,5 W. Slika 2 prikazuje odnos između izmjerene izlazne snage praznog hoda na 6,45 um i snage upadne pumpe. Iz slike 2 se može vidjeti da izlazna snaga praznog hoda monotono raste sa incidentna snaga pumpe. Prag crpke odgovara prosječnoj snazi ​​crpke od 3,55 WA. Maksimalna izlazna snaga praznog hoda od 1,53 W postiže se pri snazi ​​crpke od približno 18,7 W, što odgovara učinkovitosti optičke pretvorbe of približno 8,20%% i kvantne pretvorbe od 25,31%. Za dugoročnu sigurnost, laser radi na gotovo 70% svoje maksimalne izlazne snage. Stabilnost snage mjeri se pri izlaznoj snazi ​​od IW, kao prikazano na umetku (a) na slici 2. Utvrđeno je da je izmjerena fluktuacija snage manja od 1,35%rms u 2 h, te da laser može učinkovito raditi više od 500 h ukupno. Valna duljina signalnog vala se mjeri umjesto one u praznom hodu zbog ograničenog raspona valnih duljina spektrometra (APE, 1,5-6,3 um) koji se koristi u našem eksperimentu. Izmjerena valna duljina signala je centrirana na 3,09 um, a širina linije je približno 0,3 nm, kao što je prikazano na umetku (b) na slici 2. Središnja valna duljina praznog hoda je tada zaključena kao 6,45 um. Širina impulsa praznog hoda detektira fotodetektor (Thorlabs, PDAVJ10) i bilježi je digitalnim osciloskopom (Tcktronix) ）。Tipični valni oblik osciloskopa prikazan je na slici 3 i prikazuje širinu impulsa od približno 42 ns. Širina impulsaje 41,18% uži za 6,45 um u praznom hodu u usporedbi s pulsom pumpe od 2,09 um zbog efekta sužavanja vremenskog dobitka nelinearnog procesa pretvorbe frekvencije. Kao rezultat toga, odgovarajuća vršna snaga praznog impulsa iznosi 3,56 kW. Faktor kvalitete snopa Laserskim snopom mjeri se iler od 6,45 um

analizator (Spiricon,M2-200-PIII) na 1 W izlazne snage, kao što je prikazano na slici 4. Izmjerene vrijednosti M2 i M，2 su 1,32 i 1,06 duž x osi i y osi, što odgovara prosječni faktor kvalitete snopa M2=1,19. Insct na slici 4 prikazuje dvodimenzionalni (2D) profil intenziteta snopa, koji ima prostorni mod gotovo Gaussov. Da bi se potvrdilo da impuls od 6,45 um pruža učinkovitu ablaciju, provodi se pokus dokaza o principu koji uključuje lasersku ablaciju svinjskog mozga. Koristi se leća f=50 za fokusiranje snopa impulsa od 6,45 um do radijusa struka od oko 0,75 mm. Položaj koji se ablatira na svinjskom moždanom tkivu se postavlja u fokus laserske zrake. Temperatura površine (T) biološkog tkiva kao funkcija radijalnog položaja r mjeri se termokamerom (FLIR A615) sinkrono tijekom procesa ablacije. Trajanje zračenja je 1 ,2,4,6,10，i 20 s pri snazi ​​lasera od I W. Za svako trajanje ozračivanja, šest pozicija uzorka je prikazano: r=0,0,62,0,703,1.91,3.05，i 4,14 mm duž radijalnog smjera u odnosu na središnju točku položaja zračenja, kao što je prikazano na slici 5. Kvadrati su izmjereni temperaturni podaci. Na slici 5 se nalazi da površinska temperatura u položaju ablacije na tkivu raste s povećanjem trajanja zračenja. Najviše temperature T u središnjoj točki r=0 su 132,39,160,32,196,34，

205,57,206,95，i 226,05C za trajanje zračenja od 1,2，4,6,10，, odnosno 20 s. Za analizu kolateralnog oštećenja, simulira se raspodjela temperature na površini ablatiranog tkiva. To se provodi prema teorija toplinske vodljivosti za biološko tkivo126】i teorija širenja lasera u biološkom tkivu 【27】u kombinaciji s optičkim parametrima svinjskog mozga 1281.
Simulacija je izvedena uz pretpostavku ulaznog Gaussovog snopa. Budući da je biološko tkivo korišteno u eksperimentu izolirano svinjsko moždano tkivo, zanemaruje se utjecaj krvi i metabolizma na temperaturu, a svinjsko moždano tkivo se pojednostavljuje u oblik cilindra za simulaciju. Parametri korišteni u simulaciji sažeti su u tablici 1. Pune krivulje prikazane na slici 5 su simulirane radijalne raspodjele temperature u odnosu na centar ablacije na površini tkiva za šest različitih zračenja trajanja. Pokazuju Gaussov temperaturni profil od središta prema periferiji. Iz slike 5 vidljivo je da se eksperimentalni podaci dobro poklapaju sa simuliranim rezultatima. Također je vidljivo iz slike 5 da je simulirana temperatura u središtu položaj ablacije se povećava kako se trajanje zračenja povećava za svako zračenje. Prethodna istraživanja su pokazala da su stanice u tkivu savršeno sigurne na temperaturama ispod55C, što znači da stanice ostaju aktivne u zelenim zonama (T<55C) krivulja na slici 5. Žuta zona svake krivulje (55C60C）。Može se primijetiti na slici 5 da simulirani radijusi ablacije pri T=60°Care0,774,0,873,0,993,1,071,1,198 i 1,364 mm, respektivno, za trajanja zračenja od 1,6,4， 10，i 20s, dok su simulirani radijusi ablacije pri T=55C 0,805, 0,908, 1,037, 1,134, 1,271， i 1,456 mm, respektivno. Kvantitativnom analizom ablacijskih mrtvih stanica, utvrđeno je da je arca82 s mrtvim stanicama. 2.394,3.098,3.604,4.509, i 5.845 mm2 za 1,2,4,6,10, odnosno 20s zračenja. Utvrđeno je da je područje s kolateralnim oštećenjem 0,003,0,0040,0136,0.0,0. i 0,027 mm2. Može se vidjeti da se zone laserske ablacije i zone kolateralnog oštećenja povećavaju s trajanjem zračenja. Definiramo omjer kolateralne štete kao omjer površine kolateralne štete pri 55C s T60C. Pronađen je omjer kolateralne štete biti 8,17%, 8,18%, 9,06%, 12,11%, 12,56%, i 13,94% za različita vremena zračenja, što znači da je kolateralna oštećenja tkiva ablacije mala. Stoga, opsežni eksperimentil podaci i rezultati simulacije pokazuju da ovaj kompaktni ZGP-OPO laser velike snage, potpuno čvrstog stanja 6,45 um pruža učinkovitu ablaciju bioloških tkiva. U zaključku, demonstrirali smo kompaktno, visoko-snažno, potpuno čvrsto stanje MIR impulsni laserski izvor od 6,45 um baziran na ns ZGP-OPO pristupu. Dobivena je maksimalna prosječna snaga od 1,53 W s vršnom snagom od 3,65 kW i prosječnim faktorom kvalitete snopa M2=1,19. Korištenjem ovog MIR zračenja od 6,45 um, a Proveden je dokazni pokus na laserskoj ablaciji tkiva. Eksperimentalno je izmjerena i teoretski simulirana raspodjela temperature na površini abliranog tkiva. Izmjereni podaci dobro su se slagali sa simuliranim rezultatima. Štoviše, teoretski je analizirana kolateralna šteta po prvi put. Ovi rezultati potvrđuju da naš stolni MIR pulsni laser na 6,45 um nudi učinkovitu ablaciju bioloških tkiva i ima veliki potencijal da bude praktičan alat u medicinskoj i biološkoj znanosti, jer bi mogao zamijeniti glomazni FEL kaolaserski skalpel.