Este demonstrat un laser cu infraroșu mijlociu (MIR) cu stare solidă, compact și robust, la 6,45 um, cu o putere medie de ieșire mare și o calitate a fasciculului aproape gaussian. O putere de ieșire maximă de 1,53 W cu o lățime a impulsului de aproximativ 42 ns la 10 ns. kHz este obținut folosind un oscilator optic parametric ZnGeP2 (ZGP) （OPO）。Aceasta este cea mai mare putere medie la 6,45 um a oricărui laser cu stare solidă, după cunoștințele noastre.Factorul mediu de calitate a fasciculului este măsurat ca fiind M2=1,19.
Mai mult decât atât, stabilitatea ridicată a puterii de ieșire este confirmată, cu o fluctuație a puterii de mai puțin de 1,35% rms în 2 ore, iar laserul poate funcționa eficient pentru mai mult de 500 de ore în total. Folosind acest impuls de 6,45 um ca sursă de radiație, ablația animalelor țesutul cerebral este testat. În plus, efectul de deteriorare colaterală este analizat teoretic pentru prima dată, din câte cunoștințele noastre, iar rezultatele indică faptul că acest laser MIR are o capacitate excelentă de ablație, făcându-l un înlocuitor potențial pentru laserele cu electroni liberi.©2022 Optica Publishing Group

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

Radiația laser cu infraroșu mediu (MIR) de 6,45 um are aplicații potențiale în domeniile medicinei de înaltă precizie datorită avantajelor sale de o rată substanțială de ablație și daune colaterale minime 【1】. Laser cu electroni liberi (FEL), lasere cu vapori de stronțiu, gaz Laserele Raman și laserele cu stare solidă bazate pe un oscilator optic parametric (OPO) sau generarea de frecvență diferită (DFG) sunt utilizate în mod obișnuit surse laser de 6,45 um. Cu toate acestea, costul ridicat, dimensiunea mare și structura complexă a FEL-urilor le limitează. aplicație. Laserele cu vapori de stronțiu și laserele Raman cu gaz pot obține benzile țintă, dar ambele au stabilitate slabă, ser-
viciul trăiește și necesită întreținere complexă. Studiile au arătat că laserele cu stare solidă de 6,45 um produc un interval mai mic de deteriorare termică în țesuturile biologice și că adâncimea lor de ablație este mai profundă decât cea a unui FEL în aceleași condiții, ceea ce a verificat că pot. să fie utilizat ca o alternativă eficientă la FEL pentru ablația biologică a țesuturilor 【2】. În plus, laserele cu stare solidă au avantajele unei structuri compacte, stabilității bune și

operațiune de masă, făcându-le instrumente promițătoare pentru obținerea unei surse de lumină de 6,45 μn.După cum se știe, cristalele infraroșii neliniare joacă un rol important în procesul de conversie a frecvenței utilizate pentru a obține lasere MIR de înaltă performanță. În comparație cu cristalele infraroșii de oxid cu o margine de tăiere de 4 um, cristalele neoxidice sunt bune. potrivite pentru generarea laserelor MIR. Aceste cristale includ cele mai multe calcogenuri, cum ar fi AgGaS2 （AGS）【3,41，LiInS2 （LIS）【5,61， LilnSe2 （LISe）【7】GS）【7】S０（9GS 】，și BaGaSe（BGSe）【10-12】，precum și compușii de fosfor CdSiP2（CSP）【13-16】și ZnGeP2 （ZGP）【17】 au doi coeficienți relativ mari; De exemplu, radiația MIR poate fi obținută folosind CSP-OPO. Cu toate acestea, majoritatea CSP-OPO funcționează pe o scară de timp ultrascurtă (picco-și femtosecundă) și sunt pompate sincron de lasere blocate în mod de aproximativ 1 um. Din păcate, aceste OPO pompate sincron（ Sistemele SPOPO) au o configurație complexă și sunt costisitoare. Puterile lor medii sunt, de asemenea, mai mici de 100 mW la aproximativ 6,45 um【13-16】. În comparație cu cristalul CSP, ZGP are un nivel mai mare de deteriorare a laserului.shold（60 MW/cm2），o conductivitate termică mai mare (0,36 W/cm K））） și un coeficient neliniar comparabil (75pm/V). Prin urmare, ZGP este un excelent cristal optic neliniar MIR pentru mare putere sau aplicații energetice 【18-221. De exemplu, a fost demonstrată o cavitate plat-plată ZGP-OPO cu un interval de reglaj de 3,8-12,4 um pompat de un laser de 2,93 um. Energia maximă a unui singur impuls a luminii de repaus la 6,6 um a fost 1,2 mJ 【201. Pentru lungimea de undă specifică de 6,45 um, o energie maximă a unui singur impuls de 5,67 mJ la o frecvență de repetiție de 100 Hz a fost obținută folosind o cavitate OPO inel neplanar bazată pe un cristal ZGP. Cu o repetiție frecvența de 200 Hz, a fost atinsă o putere medie de ieșire de 0,95 W 【221. Din câte știm, aceasta este cea mai mare putere de ieșire atinsă la 6,45 um.Studiile existente sugerează că o putere medie mai mare este necesară pentru ablația eficientă a țesuturilor 【23】. Prin urmare, dezvoltarea unei surse practice de laser de mare putere de 6,45 um ar fi de mare importanță în promovarea medicinei biologice.În această scrisoare, raportăm un laser MIR 6,45 um cu stare solidă, simplu și compact, care are o putere medie de ieșire mare și se bazează pe un ZGP-OPO pompat cu un puls de 2,09 um (ns) de nanosecundă.

laser. Puterea maximă medie de ieșire a laserului de 6,45 um este de până la 1,53 W cu o lățime a impulsului de aproximativ 42 ns la o frecvență de repetiție de 10 kHz și are o calitate excelentă a fasciculului. Efectul de ablație al laserului de 6,45 um asupra țesutului animal. Este investigat. Această lucrare arată că laserul este o abordare eficientă pentru ablația tisulară reală, deoarece acționează ca un bisturiu cu laser.Configurația experimentală este schițată în Fig.1. ZGP-OPO este pompat de un laser de 2,09 um Ho:YAG pompat cu LD de casă care furnizează 28 W de putere medie la 10 kHz. cu o durată a impulsului de aproximativ 102 ns（ FWHM）și un factor mediu de calitate a fasciculului M2 de aproximativ 1,7.MI și M2 sunt două oglinzi de 45 cu un strat care este foarte reflectorizant la 2,09 um. Aceste oglinzi permit controlul direcției fasciculului pompei. Două lentile de focalizare (f1 = 100 mm). ,f2=100 mm）se aplică pentru colimarea fasciculului cu un diametru al fasciculului de aproximativ 3,5 mm în cristalul ZGP. Un izolator optic (ISO) este utilizat pentru a preveni întoarcerea fasciculului pompei la sursa pompei de 2,09 um. O placă cu jumătate de undă. （HWP）la 2,09 um este folosit pentru a controla polarizarea luminii pompei. M3 și M4 sunt oglinzi cu cavitate OPO, cu CaF2 plat utilizat ca material substrat. Oglinda frontală M3 este acoperită antireflex (98%) pentru pompă fascicul și acoperire cu reflexie ridicată (98%) pentru undele de semnal de 6,45 um și 3,09 um. Oglinda de ieșire M4 este foarte reflectorizant (98%) la 2,09um și 3,09 um și permite transmiterea parțială a vallonului de 6,45 um.Cristalul ZGP este tăiat la 6-77,6 ° și p = 45 ° pentru potrivirea fazelor de tip JⅡ 【2090.0 （o）6450.0 （o）+3091.9 （e）】, care este mai potrivit pentru un parametru de undă luminoasă specifică lățimea liniei în comparație cu potrivirea fazei de tip I. Dimensiunile cristalului ZGP sunt 5 mm x 6 mm x 25 mm și este lustruit și acoperit antireflex pe ambele fațete ale capetelor pentru cele trei valuri de mai sus. Este învelit în folie de indiu și fixat într-un radiator de cupru cu răcire cu apă（T=16）。Lungimea cavității este de 27 mm. Timpul de călătorie dus-întors al OPO este de 0,537 ns pentru laserul pompei. Am testat pragul de deteriorare al cristalului ZGP de către R. Metoda -on-I 【17】.Pragul de deteriorare al cristalului ZGP a fost măsurat la 0,11 J/cm2 la 10 kHz. În experiment, corespunzând unei densități de putere de vârf de 1,4 MW/cm2, care este scăzută datorită calitate relativ slabă a acoperirii.Puterea de ieșire a luminii de repaus generată este măsurată de un contor de energie (D, OPHIR, 1 uW până la 3 W), iar lungimea de undă a luminii semnalului este monitorizată de un spectrometru (APE, 1,5-6,3 m). obținem o putere mare de ieșire de 6,45 um, optimizăm proiectarea parametrilor OPO. O simulare numerică este efectuată pe baza teoriei amestecării cu trei unde și a ecuațiilor de propagare paraxială 【24,25】；în simulare, am folosește parametrii corespunzători condițiilor experimentale și presupune un impuls de intrare cu profil gaussian în spațiu și timp. Relația dintre oglinda de ieșire OPO

transmitanța, intensitatea puterii pompei și eficiența de ieșire sunt optimizate prin manipularea densității fasciculului pompei în cavitate pentru a obține o putere de ieșire mai mare, evitând simultan deteriorarea cristalului ZGP și a elementelor optice. Astfel, cea mai mare putere a pompei este limitată la aproximativ 20. W pentru funcționarea ZGP-OPO. Rezultatele simulate arată că, în timp ce se utilizează un cuplaj de ieșire optim cu o transmisie de 50%, densitatea maximă de putere de vârf este de numai 2,6 x 10 W/cm2 în cristalul ZGP și o putere medie de ieșire. se poate obține mai mult de 1,5 W. Figura 2 arată relația dintre puterea de ieșire măsurată a rotorului la 6,45 um și puterea incidentă a pompei. Din Fig.2 se poate observa că puterea de ieșire a rotorului crește monoton cu Puterea incidentă a pompei. Pragul pompei corespunde unei puteri medii a pompei de 3,55 WA. Puterea maximă de ieșire la ralanti de 1,53 W este atinsă la o putere a pompei de aproximativ 18,7 W, ceea ce corespunde unei eficiențe de conversie optică-optică of aproximativ 8,20%% și o eficiență de conversie cuantică de 25,31%. Pentru siguranță pe termen lung, laserul este operat la aproape 70% din puterea sa maximă de ieșire. Stabilitatea puterii este măsurată la o putere de ieșire de IW, așa cum Se constată că fluctuația de putere măsurată este mai mică de 1,35% rms în 2 ore și că laserul poate funcționa eficient pentru mai mult de 500 de ore în total. Lungimea de undă a undei semnalului se măsoară în loc de cea a inelului datorită intervalului limitat de lungimi de undă a spectrometrului (APE，1,5-6,3 um) utilizat în experimentul nostru. Lungimea de undă a semnalului măsurată este centrată la 3,09 um și lățimea liniei este de aproximativ 0,3 nm, după cum se arată în insertul (b) din Fig.2. Lungimea de undă centrală a inelului este apoi dedusă la 6,45 um. Lățimea impulsului a locului este detectată de un fotodetector (Thorlabs, PDAVJ10) și înregistrată de un osciloscop digital (Tcktronix, 2GHz). ）。O formă de undă tipică a osciloscopului este prezentată în Fig.3 și afișează o lățime a impulsului de aproximativ 42 ns. Lățimea impulsuluieste cu 41,18% mai îngust pentru impulsul de 6,45 um um comparativ cu impulsul pompei de 2,09 um, datorită efectului de îngustare a câștigului temporal al procesului de conversie a frecvenței neliniare. Ca urmare, puterea de vârf corespunzătoare a impulsului de ralanti este de 3,56 kW. Factorul de calitate al fasciculului Rolul de 6,45 um este măsurat cu un fascicul laser

analizor （Spiricon,M2-200-PIII）la 1 W de putere de ieșire, așa cum se arată în Fig.4. Valorile măsurate ale lui M2 și M，2 sunt 1,32 și 1,06 de-a lungul axei x și, respectiv, corespunzând cu un factor mediu de calitate a fasciculului de M2=1,19.Insectul din Fig.4 arată profilul de intensitate a fasciculului bidimensional (2D), care are un mod spațial aproape Gaussian. Pentru a verifica dacă pulsul de 6,45 um asigură o ablație eficientă, se efectuează un experiment de demonstrare a principiului care implică ablația cu laser a creierului de porc. Se folosește o lentilă f=50 pentru a focaliza fasciculul de puls de 6,45 um pe o rază a taliei de aproximativ 0,75 mm. Poziția care urmează să fie ablată pe țesutul cerebral de porc. este plasat la focarul fasciculului laser. Temperatura suprafeței （T） a țesutului biologic în funcție de locația radială r este măsurată de o termocamera（FLIR A615） sincron în timpul procesului de ablație. Duratele de iradiere sunt 1 ,2,4,6,10，și 20 s la o putere laser de I W. Pentru fiecare durată de iradiere, șase poziții de probă sunt marcate: r=0,0,62,0,703,1.91,3.05，și 4,14 mm de-a lungul direcției radiale față de punctul central al poziției de iradiere, așa cum se arată în Fig.5. Pătratele sunt datele de temperatură măsurată. Se găsește în Fig.5 că temperatura suprafeței la poziția de ablație pe țesut crește odată cu creșterea duratei de iradiere. Cele mai ridicate temperaturi T în punctul central r=0 sunt 132,39,160,32,196,34，

205.57,206.95，și 226.05C pentru durate de iradiere de 1,2，4,6,10，și 20 s, respectiv. Pentru a analiza deteriorarea colaterală, este simulată distribuția temperaturii pe suprafața țesutului ablat. Acest lucru se realizează în conformitate cu teoria conducției termice pentru țesutul biologic126】și teoria propagării laser în țesutul biologic 【27】combinată cu parametrii optici ai creierului porcin 1281.
Simularea se realizează prin presupunerea unui fascicul gaussian de intrare. Deoarece țesutul biologic utilizat în experiment este țesut cerebral izolat de porc, influența sângelui și a metabolismului asupra temperaturii este ignorată, iar țesutul creierului porcin este simplificat în forma unui cilindru pentru simulare. Parametrii utilizați în simulare sunt rezumați în Tabelul 1. Curbele solide prezentate în Fig.5 sunt distribuțiile radiale de temperatură simulate în raport cu centrul de ablație de pe suprafața țesutului pentru cele șase iradieri diferite. Prezintă un profil de temperatură gaussian de la centru la periferie. Este evident din Fig.5 că datele experimentale se potrivesc bine cu rezultatele simulate. Este, de asemenea, evident din Fig.5 că temperatura simulată în centrul poziția de ablație crește pe măsură ce durata iradierii crește pentru fiecare iradiere. Cercetările anterioare au arătat că celulele din țesut sunt perfect sigure la temperaturi mai mici.55C, ceea ce înseamnă că celulele rămân active în zonele verzi (T<55C) ale curbelor din Fig.5. Zona galbenă a fiecărei curbe (55C).60C）。Se poate observa în Fig.5 că razele de ablație simulate la T=60°Care0.774,0.873,0.993,1.071,1.198 și, respectiv, 1.364 mm, pentru durate de iradiere de 1,2,4，6, 10，și 20s, în timp ce razele de ablație simulate la T=55C sunt 0,805,0,908,1,037,1,134,1,271，și 1,456 mm, respectiv. Analizând cantitativ efectul de ablație, se constată că arcul cu celule moarte este 1.882. 2.394,3.098,3.604,4.509，și 5.845 mm2 pentru 1,2,4,6,10，și 20 de secunde de iradiere, respectiv. Zona cu daune colaterale se constată a fi 0.003,0.0040.0040.006,0.0173,0.0173,0.0. și 0,027 mm2. Se poate observa că zonele de ablație cu laser și zonele de deteriorare colaterală cresc odată cu durata iradierii. Definim raportul daunelor colaterale ca fiind raportul zonei de deteriorare colaterală la 55C s T60C. Raportul daunelor colaterale se găsește să fie 8,17%，8,18%，9,06%，12,11%，12,56%， și 13,94% pentru diferiți timpi de iradiere, ceea ce înseamnă că deteriorarea colaterală a țesuturilor ablate este mică. Prin urmare, experimente cuprinzătoareDatele și rezultatele simulării arată că acest laser compact, de mare putere, complet în stare solidă de 6,45 um ZGP-OPO asigură ablația eficientă a țesuturilor biologice. În concluzie, am demonstrat un compact, de mare putere, complet în stare solidă. Sursă laser MIR pulsată de 6,45 um bazată pe o abordare ns ZGP-OPO. A fost obținută o putere medie maximă de 1,53 W cu o putere de vârf de 3,65 kW și un factor mediu de calitate a fasciculului de M2=1,19. Folosind această radiație MIR de 6,45 um,a A fost efectuat un experiment de dovadă a principiului privind ablația cu laser a țesutului. Distribuția temperaturii pe suprafața țesutului ablat a fost măsurată experimental și simulată teoretic. Datele măsurate au fost de acord cu rezultatele simulate. În plus, daunele colaterale au fost analizate teoretic pentru prima dată. Aceste rezultate verifică faptul că laserul nostru cu puls MIR de masă la 6,45 um oferă o ablație eficientă a țesuturilor biologice și are un potențial mare de a fi un instrument practic în știința medicală și biologică, deoarece ar putea înlocui un FEL voluminos caun bisturiu cu laser.