Demonstriran je kompaktan i robustan polu-infracrveni laser (MIR) na 6,45 um sa visokom prosječnom izlaznom snagom i skoro Gausovim kvalitetom zraka. 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 od bilo kojeg potpuno čvrstog lasera prema našim saznanjima.Izmjeren je prosječni faktor kvalitete zraka M2=1,19.
Štaviše, potvrđena je visoka izlazna snaga, sa fluktuacijom snage manjom od 1,35% rms tokom 2 h, a laser može efikasno 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 efekat kolateralnog oštećenja, koliko nam je poznato, a rezultati pokazuju da ovaj MIR laser ima odličnu 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 stroncijuma Ramanski laseri i laseri u čvrstom stanju zasnovani na optičkom parametričkom oscilatoru (OPO) ili generisanju razlike frekvencije (DFG) obično se koriste laserski izvori od 6,45 um. Međutim, visoka cijena, velika veličina i složena struktura FEL ograničavaju njihov Laseri na paru stroncijuma i gasni Raman laseri mogu da dobiju ciljne trake, ali oba imaju slabu stabilnost, kratki ser-
poroka živi i zahtijeva složeno održavanje. Studije su pokazale da laseri u čvrstom stanju od 6,45 um proizvode manji raspon termičkog oštećenja u biološkim tkivima i da je njihova dubina ablacije dublja od one kod FEL pod istim uvjetima, što je potvrdilo da mogu koristiti kao efikasna alternativa FEL-ovima za ablaciju biološkog tkiva 【2】. Osim toga, laseri u čvrstom stanju imaju prednosti kompaktne strukture, dobre stabilnosti i

stoni rad, što ih čini obećavajućim alatima za dobijanje izvora svetlosti od 6,45 μn.Kao što je poznato, nelinearni infracrveni kristali igraju važnu ulogu u procesu konverzije frekvencije koji se koristi za postizanje MIR lasera visokih performansi. U poređenju sa oksidnim infracrvenim kristalima sa graničnom ivicom 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【S. 】，i BaGaSe（BGSe）【10-12】，kao i fosforna jedinjenja CdSiP2 (CSP)【13-16】 i ZnGeP2 (ZGP) imaju dva relativna koeficijent 【17】. na primjer, MIR zračenje se može dobiti korištenjem CSP-OPO-a. Međutim, većina CSP-OPO-a radi na ultrakratkom (piko-i femtosekundnom) vremenskoj skali i sinhrono ih pumpaju laseri sa zaključavanjem moda od približno 1 um. Nažalost, ovi OPO sinhrono pumpaju SPOPO）sistemi imaju složenu postavku i skupi su. Njihove prosječne snage su također niže od 100 mW na oko 6,45 um【13-16】. U poređenju sa CSP kristalom, ZGP ima veću trostruku lasersku štetutreba (60 MW/cm2), veću toplotnu provodljivost (0,36 W/cm K), i uporedivi nelinearni koeficijent (75 pm/V). Prema tome, ZGP je odličan MIR nelinearni optički kristal za velike snage ili visoke- energetske aplikacije 【18-221. Na primjer, demonstrirana je ravna ravna šupljina ZGP-OPO s opsegom podešavanja od 3,8-12,4 um pumpana laserom od 2,93 um. Maksimalna energija jednog impulsa praznog svjetla na 6,6 um je bila 1,2 mJ 【201.Za specifičnu talasnu dužinu od 6,45 um, maksimalna energija jednog impulsa od 5,67 mJ pri frekvenciji ponavljanja od 100 Hz je postignuta korišćenjem neplanarne prstenaste OPO šupljine zasnovane na ZGP kristalu. Sa 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 neophodna za efikasnu ablaciju tkiva 【23】. Stoga bi razvoj praktičnog laserskog izvora velike snage od 6,45 um bio od velikog značaja u promociji biološke medicine.U ovom pismu izvještavamo o jednostavnom, kompaktnom, potpuno čvrstom MIR laseru od 6,45 um koji ima visoku prosječnu izlaznu snagu i baziran je na ZGP-OPO koji se pumpa nanosekundnim (ns) impulsom od 2,09 um

lasera. 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, i ima odličan kvalitet zraka. Ablacijski efekat lasera od 6,45 um na životinjsko tkivo istražuje se. Ovaj rad pokazuje da je laser efikasan pristup za stvarnu ablaciju tkiva, jer djeluje kao laserski skalpel.Eksperimentalna postavka je skicirana na slici 1. ZGP-OPO pumpa domaći Ho:YAG laser sa LD pumpom od 2,09 um koji isporučuje 28 W prosječne snage na 10 kHz. sa trajanjem impulsa od približno 102 ns（ FWHM）i prosječni faktor kvaliteta zraka M2 od približno 1,7.MI i M2 su dva 45 ogledala sa premazom koji je visoko reflektirajući na 2,09 um.Ova ogledala omogućavaju kontrolu smjera zraka pumpe.Dva sočiva za fokusiranje (f1 =100mm ,f2=100 mm) se primjenjuju za kolimaciju snopa s prečnikom 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. Polutalasna ploča (HWP) na 2,09 um koristi se za kontrolu polarizacije svjetla pumpe. M3 i M4 su OPO ogledala sa šupljinom, sa ravnim CaF2 koji se koristi kao materijal podloge. Prednje ogledalo M3 je premazano protiv refleksije (98%) za pumpu snop i obložen visokom refleksijom (98%) za 6,45 um i 3,09 um signalne valove. Izlazno ogledalo M4 je visoko reflektirajuće (98%) na 2,09um i 3,09 um i omogućava djelomični prijenos 6,45 um praznog hoda.ZGP kristal se seče na 6-77,6° i p=45° za tip-JⅡ fazno podudaranje 【2090,0 (o) 6450,0 (o) +3091,9 (e)】, što je pogodnije za specifičan parametar talasne dužine svetlosti. širina linije u poređenju sa 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 talasa. Umotan je u indijum foliju i fiksiran u bakrenom hladnjaku sa vodenim hlađenjem (T=16)。Dužina 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 je izmjeren na 0,11 J/cm2 na 10 kHz.u eksperimentu, što odgovara vršnoj gustini snage od 1,4 MW/cm2, što je nisko zbog relativno loš kvalitet premaza.Izlazna snaga generiranog praznog svjetla mjeri se pomoću mjerača energije (D,OPHIR, 1 uW do 3 W), a talasna dužina signalne svjetlosti se prati spektrometrom (APE, 1,5-6,3 m)。Da bi se dobijemo visoku izlaznu snagu od 6,45 um, optimiziramo dizajn parametara OPO-a. Numerička simulacija se izvodi na osnovu trovalne teorije miješanja i paraksijalnih prostiranja 【24,25】；u simulaciji, mi koristiti parametre koji odgovaraju eksperimentalnim uslovima i pretpostaviti ulazni impuls sa Gausovim profilom u prostoru i vremenu. Odnos između OPO izlaznog ogledala

propusnost, intenzitet snage pumpe i izlazna efikasnost su optimizirani manipuliranjem gustinom zraka pumpe u šupljini kako bi se postigla veća izlazna snaga uz istovremeno izbjegavanje oštećenja ZGP kristala i optičkih elemenata. Dakle, najveća snaga pumpe je ograničena na oko 20 W za ZGP-OPO rad. Simulirani rezultati pokazuju da dok se koristi optimalni izlazni spojnik sa propusnošću od 50%, maksimalna vršna gustina snage je samo 2,6 x 10 W/cm2 u ZGP kristalu, a prosječna izlazna snaga može se dobiti više od 1,5 W. Na slici 2 prikazan je odnos između izmjerene izlazne snage ilera na 6,45 um i snage upadne pumpe. Na slici 2 se može vidjeti da izlazna snaga utora monotono raste sa incidentna snaga pumpe. Prag pumpe odgovara prosječnoj snazi ​​pumpe od 3,55 WA. Maksimalna izlazna snaga praznog hoda od 1,53 W se postiže pri snazi ​​pumpe od približno 18,7 W, što odgovara efikasnosti optičke konverzije of približno 8,20%% i kvantna efikasnost konverzije od 25,31%. Za dugoročnu sigurnost, laser radi na skoro 70% svoje maksimalne izlazne snage. Stabilnost snage se mjeri 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 za 2 h, i da laser može efikasno raditi više od 500 h ukupno. Talasna dužina signalnog talasa se mjeri umjesto one u praznom hodu zbog ograničenog raspona talasnih dužina spektrometra (APE, 1,5-6,3 um) koji se koristi u našem eksperimentu. Izmjerena talasna dužina 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. Centralna talasna dužina praznog hoda je tada zaključena na 6,45 um. Širina impulsa praznog hoda detektira fotodetektor (Thorlabs, PDAVJ10) i bilježi digitalni osciloskop (Tcktronix，2GHz， ）。Tipični talasni oblik osciloskopa je prikazan na slici 3 i prikazuje širinu impulsa od približno 42 ns. Širina impulsaje 41,18% uži za 6,45 um u odnosu na puls pumpe od 2,09 um zbog efekta sužavanja vremenskog dobitka nelinearnog procesa konverzije frekvencije. Kao rezultat, odgovarajuća vršna snaga praznog impulsa je 3,56 kW. Faktor kvaliteta snopa Laserskim snopom izmjereno je 6,45 um praznog hoda

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 ose, respektivno, što odgovara prosječni faktor kvaliteta snopa od M2=1,19. Insct na slici 4 prikazuje dvodimenzionalni (2D) profil intenziteta snopa, koji ima skoro Gausov prostorni mod. izveden je eksperiment dokaza o principu koji uključuje lasersku ablaciju svinjskog mozga. F=50 sočivo se koristi 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 laserskog snopa. Temperatura površine (T) biološkog tkiva kao funkcija radijalne lokacije r mjeri se termokamerom (FLIR A615) sinhrono tokom procesa ablacije. Trajanje zračenja je 1 ,2,4,6,10，i 20 s pri snazi ​​lasera od I W. Za svako trajanje zračenja, 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 tačku pozicije ozračivanja, kao što je prikazano na slici 5. Kvadrati su podaci izmjerene temperature. Na slici 5 se nalazi da je površinska temperatura na ablacijskoj poziciji na tkivu raste sa povećanjem trajanja ozračivanja. Najviše temperature T u središnjoj tački 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. Ovo se provodi prema teorija toplinske provodljivosti 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 Gausovog snopa. Budući da je biološko tkivo korišteno u eksperimentu izolovano svinjsko moždano tkivo, utjecaj krvi i metabolizma na temperaturu se zanemaruje, a svinjsko moždano tkivo se pojednostavljuje u oblik cilindra za simulaciju. Parametri korišteni u simulaciji su sumirani u tabeli 1. Pune krive prikazane na slici 5 su simulirane radijalne raspodjele temperature u odnosu na centar ablacije na površini tkiva za šest različitih zračenja Pokazuju Gausov temperaturni profil od centra do periferije. Sa slike 5 vidljivo je da se eksperimentalni podaci dobro poklapaju sa simuliranim rezultatima. Takođe je vidljivo sa slike 5 da je simulirana temperatura u centru pozicija ablacije se povećava kako se trajanje zračenja povećava za svako zračenje. Prethodna istraživanja su pokazala da su ćelije u tkivu savršeno sigurne na temperaturama ispod55C, što znači da ćelije ostaju aktivne u zelenim zonama (T<55C) krive na slici 5. Žuta zona svake krive (55C60C）。Može se primijetiti na slici 5 da su simulirani radijusi ablacije na 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 efekta ablacije, utvrđeno je da je arca82 sa mrtvim ćelijama. 2.394,3.098,3.604,4.509，i5.845 mm2 za 1,2,4,6,10，i 20s zračenja, respektivno. Područje sa kolateralnim oštećenjem je 0.003,0.0040.0036,0.0,0. i 0,027 mm2. Može se vidjeti da se zone laserske ablacije i zone kolateralnog oštećenja povećavaju s trajanjem zračenja. Definiramo kolateralnu štetu kao omjer površine kolateralnog oštećenja na 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 ozračivanja, što znači da je kolateralno oštećenje abliranih tkiva malo. Stoga, sveobuhvatni eksperimentiPodaci i rezultati simulacije pokazuju da ovaj kompaktni, velike snage, potpuno čvrsti 6,45 um ZGP-OPO laser omogućava efikasnu ablaciju bioloških tkiva. MIR impulsni laserski izvor od 6,45 um baziran na ns ZGP-OPO pristupu. Dobivena je maksimalna prosječna snaga od 1,53 W sa vršnom snagom od 3,65kW i prosječnim faktorom kvaliteta snopa M2=1,19. Koristeći ovo 6,45 um MIR zračenje,a Izveden je eksperiment proof-of-principe laserske ablacije tkiva. Eksperimentalno je izmjerena i teoretski simulirana raspodjela temperature na površini abliranog tkiva. Izmjereni podaci su se dobro slagali sa simuliranim rezultatima. Štaviše, teoretski je analizirana kolateralna šteta po prvi put. Ovi rezultati potvrđuju da naš stolni MIR pulsni laser na 6,45 um nudi efikasnu ablaciju bioloških tkiva i ima veliki potencijal da bude praktičan alat u medicinskoj i biološkoj nauci, jer bi mogao zamijeniti glomazni FEL kaolaserski skalpel.