Es demostra un làser d'infraroig mitjà （MIR） d'estat sòlid compacte i robust a 6,45 um amb una potència de sortida mitjana alta i una qualitat de feix gairebé gaussiana. kHz s'aconsegueix mitjançant un oscil·lador paramètric òptic ZnGeP2 (ZGP) （OPO）。Aquesta és la potència mitjana més alta a 6,45 um de qualsevol làser d'estat sòlid segons el que sabem.El factor mitjà de qualitat del feix es mesura com a M2=1,19.
A més, es confirma una alta estabilitat de potència de sortida, amb una fluctuació de potència inferior a l'1,35% rms durant 2 h, i el làser pot funcionar de manera eficient durant més de 500 h en total. Utilitzant aquest pols de 6,45 um com a font de radiació, ablació d'animals Es prova el teixit cerebral. A més, l'efecte del dany col·lateral s'analitza teòricament per primera vegada, segons el que sabem, i els resultats indiquen que aquest làser MIR té una excel·lent capacitat d'ablació, el que el converteix en un substitut potencial dels làsers d'electrons lliures.©2022 Optica Publishing Group

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

La radiació làser d'infrarojos mitjans (MIR) de 6,45 um té aplicacions potencials en camps de la medicina d'alta precisió a causa dels seus avantatges d'una taxa d'ablació substancial i un dany col·lateral mínim 【1】. Làsers d'electrons lliures (FELs), làsers de vapor d'estronci, gas Els làsers Raman i els làsers d'estat sòlid basats en un oscil·lador paramètric òptic (OPO) o la generació de freqüència de diferència (DFG) s'utilitzen habitualment fonts làser de 6,45 um. No obstant això, l'alt cost, la gran mida i l'estructura complexa dels FEL restringeixen la seva aplicació. Els làsers de vapor d'estronci i els làsers Raman de gas poden obtenir les bandes objectiu, però tots dos tenen poca estabilitat, servei curt.
Viu el vici i requereix un manteniment complex. Els estudis van demostrar que els làsers d'estat sòlid de 6,45 um produeixen un rang de danys tèrmics més reduït als teixits biològics i que la seva profunditat d'ablació és més profunda que les d'un FEL en les mateixes condicions, la qual cosa va verificar que poden s'utilitzarà com una alternativa eficaç als FEL per a l'ablació de teixits biològics 【2】. A més, els làsers d'estat sòlid tenen els avantatges d'una estructura compacta, una bona estabilitat i

funcionament de sobretaula, convertint-los en eines prometedores per obtenir una font de llum de 6,45 μn.Com és ben sabut, els cristalls infrarojos no lineals tenen un paper important en el procés de conversió de freqüència utilitzat per aconseguir làsers MIR d'alt rendiment. En comparació amb els cristalls infrarojos d'òxid amb una vora de tall de 4 um, els cristalls no òxids estan bé. adequat per generar làsers MIR. Aquests cristalls inclouen la majoria dels calcogenurs, com ara AgGaS2 （AGS）【3,41，LiInS2 （LIS）【5,61， LilnSe2 （LISe）【7】GS）【7】S０（9 】，i BaGaSe（BGSe）【10-12】，així com els compostos de fòsfor CdSiP2（CSP）【13-16】i ZnGeP2 （ZGP）【17】 tenen dos coeficients relativament grans; Per exemple, la radiació MIR es pot obtenir mitjançant CSP-OPO. No obstant això, la majoria de CSP-OPO operen en una escala de temps ultracurta (pico i femtosegundo) i són bombejats de manera sincrònica per làsers bloquejats en mode d'aproximadament 1 um. Malauradament, aquests OPO bombejats de manera sincrònica Els sistemes SPOPO) tenen una configuració complexa i són costosos. Les seves potències mitjanes també són inferiors a 100 mW al voltant de 6,45 um【13-16】. En comparació amb el cristall CSP, ZGP té un dany làser més alt.shold (60 MW/cm2), una conductivitat tèrmica més alta (0,36 W/cm K) i un coeficient no lineal comparable (75 pm/V). Per tant, ZGP és un excel·lent cristall òptic no lineal MIR per a alta potència o aplicacions energètiques 【18-221. Per exemple, es va demostrar una cavitat plana plana ZGP-OPO amb un rang de sintonització de 3,8-12,4 um bombejat per un làser de 2,93 um. L'energia màxima d'un sol pols de la llum ociosa a 6,6 um va ser 1,2 mJ 【201. Per a la longitud d'ona específica de 6,45 um, es va aconseguir una energia màxima d'un sol pols de 5,67 mJ a una freqüència de repetició de 100 Hz utilitzant una cavitat OPO d'anell no plana basada en un cristall ZGP. Amb una repetició freqüència de 200 Hz, es va assolir una potència de sortida mitjana de 0,95 W 【221. Pel que sabem, aquesta és la potència de sortida més alta aconseguida amb 6,45 um.Els estudis existents suggereixen que és necessària una potència mitjana més alta per a l'ablació de teixits eficaç 【23】. Per tant, el desenvolupament d'una font làser pràctica d'alta potència de 6,45 um seria de gran importància en la promoció de la medicina biològica.En aquesta carta, informem d'un làser MIR 6,45 um d'estat sòlid senzill i compacte que té una potència de sortida mitjana elevada i es basa en un ZGP-OPO bombat per un pols de 2,09 um de nanosegon (ns).

làser. La potència de sortida mitjana màxima del làser de 6,45 um és de fins a 1,53 W amb una amplada de pols d'aproximadament 42 ns a una freqüència de repetició de 10 kHz i té una qualitat de feix excel·lent. L'efecte d'ablació del làser de 6,45 um sobre teixit animal s'investiga. Aquest treball demostra que el làser és un enfocament eficaç per a l'ablació de teixits real, ja que actua com un bisturí làser.La configuració experimental està esbossada a la figura 1. El ZGP-OPO és bombejat per un làser de 2,09 um Ho:YAG bombat amb LD fet a casa que ofereix 28 W de potència mitjana a 10 kHz. Amb una durada de pols d'aproximadament 102 ns（ FWHM）i un factor de qualitat del feix mitjà M2 d'aproximadament 1,7.MI i M2 són dos miralls de 45 amb un recobriment que és altament reflectant a 2,09 um. Aquests miralls permeten el control de la direcció del feix de la bomba. Dues lents d'enfocament (f1 = 100 mm). ,f2=100 mm）s'apliquen per a la col·limació del feix amb un diàmetre del feix d'uns 3,5 mm al cristall ZGP. S'utilitza un aïllador òptic (ISO) per evitar que el feix de la bomba torni a la font de la bomba de 2,09 um. Una placa de mitja ona （HWP）a 2,09 um s'utilitza per controlar la polarització de la llum de la bomba. M3 i M4 són miralls de cavitat OPO, amb CaF2 pla utilitzat com a material de substrat. El mirall frontal M3 té un recobriment antireflex (98%) per a la bomba feix i recobriment d'alta reflexió (98%) per a les ones de senyal de 6,45 um i 3,09 um. El mirall de sortida M4 és altament reflectant (98%) a 2,09um i 3,09 um i permet la transmissió parcial del rodet de 6,45 um.El cristall ZGP es talla a 6-77,6 ° i p = 45 ° per a la concordança de fase de tipus JⅡ 【2090,0 （o）6450,0 （o）+3091,9 （e）】，que és més adequat per a un parametre d'onades lleuger i específic. ample de línia en comparació amb la concordança de fase de tipus I. Les dimensions del cristall ZGP són de 5 mm x 6 mm x 25 mm, i està polit i recobert antireflectant a les dues cares extrems per a les tres ones anteriors. Està embolicat amb paper d'indi i fixat en un dissipador de calor de coure amb refrigeració per aigua（T=16）。La longitud de la cavitat és de 27 mm. El temps d'anada i tornada de l'OPO és de 0,537 ns per al làser de la bomba. Hem provat el llindar de dany del cristall ZGP per la R Mètode -on-I 【17】. El llindar de dany del cristall ZGP es va mesurar a 0,11 J/cm2 a 10 kHz. A l'experiment, que correspon a una densitat de potència màxima d'1,4 MW/cm2, que és baixa a causa del qualitat de recobriment relativament pobre.La potència de sortida de la llum ociosa generada es mesura amb un mesurador d'energia (D, OPHIR, 1 uW a 3 W) i la longitud d'ona de la llum del senyal es controla per un espectròmetre (APE, 1,5-6,3 m). obtenint una gran potència de sortida de 6,45 um, optimitzem el disseny dels paràmetres de l'OPO. Es realitza una simulació numèrica basada en la teoria de la mescla de tres ones i en les ecuacions de propagació paraxial 【24,25】；en la simulació, emprar els paràmetres corresponents a les condicions experimentals i assumir un pols d'entrada amb un perfil gaussià en l'espai i el temps. La relació entre el mirall de sortida OPO

La transmitància, la intensitat de la potència de la bomba i l'eficiència de sortida s'optimitzen manipulant la densitat del feix de la bomba a la cavitat per aconseguir una potència de sortida més alta alhora que s'evita danys al cristall ZGP i als elements òptics. Així, la potència de bomba més alta es limita a uns 20. W per al funcionament ZGP-OPO. Els resultats simulats mostren que, mentre s'utilitza un acoblador de sortida òptim amb una transmitància del 50%, la densitat màxima de potència màxima és de només 2,6 x 10 W/cm2 al cristall ZGP i una potència de sortida mitjana. es pot obtenir més d'1,5 W. La figura 2 mostra la relació entre la potència de sortida mesurada del rodet a 6,45 um i la potència incident de la bomba. A la figura 2 es pot veure que la potència de sortida del rodet augmenta monòtonament amb el potència de la bomba incident. El llindar de la bomba correspon a una potència mitjana de la bomba de 3,55 WA potència de sortida màxima de 1,53 W s'aconsegueix a una potència de la bomba d'aproximadament 18,7 W, que correspon a una eficiència de conversió òptica a òptica of aproximadament un 8,20%% i una eficiència de conversió quàntica del 25,31%. Per a una seguretat a llarg termini, el làser funciona a prop del 70% de la seva potència de sortida màxima. L'estabilitat de la potència es mesura a una potència de sortida de IW, com es mostra a l'insert （a） a la Fig.2. Es troba que la fluctuació de la potència mesurada és inferior a l'1,35% rms en 2 h, i que el làser pot funcionar de manera eficient durant més de 500 h en total. La longitud d'ona de l'ona del senyal es mesura en lloc de la del rodet a causa del rang limitat de longituds d'ona de l'espectròmetre (APE, 1,5-6,3 um) utilitzat en el nostre experiment. La longitud d'ona del senyal mesurada es centra a 3,09 um i l'amplada de la línia és d'aproximadament 0,3 nm, com es mostra. a la inserció (b) de la figura 2. La longitud d'ona central del rodet es dedueix que és de 6,45 um. L'amplada del pols del rodet és detectada per un fotodetector (Thorlabs, PDAVJ10) i registrada per un oscil·loscopi digital (Tcktronix, 2GHz). ）。A la figura 3 es mostra una forma d'ona d'oscil·loscopi típica i mostra una amplada del pols d'aproximadament 42 ns. L'amplada del polsés un 41,18% més estret per al pols inactiu de 6,45 um en comparació amb el pols de la bomba de 2,09 um a causa de l'efecte d'estrenyiment del guany temporal del procés de conversió de freqüència no lineal. Com a resultat, la potència màxima del pols inactiu corresponent és de 3,56 kW. El factor de qualitat del feix del El rodet de 6,45 um es mesura amb un raig làser

analitzador （Spiricon,M2-200-PIII）a 1 W de potència de sortida, tal com es mostra a la Fig.4. Els valors mesurats de M2 ​​i M，2 són 1,32 i 1,06 al llarg de l'eix x i l'eix y, respectivament, corresponent a un factor de qualitat del feix mitjà de M2 ​​= 1,19. L'inc. de la figura 4 mostra el perfil d'intensitat del feix bidimensional (2D), que té un mode espacial gairebé gaussià. Per verificar que el pols de 6,45 um proporciona una ablació efectiva, es porta a terme un experiment de prova de principi que implica l'ablació làser del cervell porcí. S'utilitza una lent f=50 per enfocar el feix de pols de 6,45 um a un radi de cintura d'uns 0,75 mm. La posició que s'ha d'ablació al teixit cerebral porcí es col·loca al focus del raig làser. La temperatura superficial （T） del teixit biològic en funció de la ubicació radial r es mesura per una termocàmera (FLIR A615) de manera sincrònica durant el procés d'ablació. Les durades d'irradiació són 1 ,2,4,6,10，i 20 s a una potència làser de I W. Per a cada durada d'irradiació, es fan sis posicions de mostra: r=0,0,62,0,703,1.91,3.05，i 4,14 mm al llarg de la direcció radial respecte al punt central de la posició d'irradiació, com es mostra a la Fig.5. Els quadrats són les dades de temperatura mesurades. A la Fig.5 es troba que la temperatura superficial a la posició d'ablació del teixit augmenta amb l'augment de la durada de la irradiació. Les temperatures més altes T al punt central r = 0 són 132,39,160,32,196,34，

205.57,206.95，i 226.05C per a durades d'irradiació d'1,2，4,6,10，i 20 s, respectivament. Per analitzar el dany col·lateral, es simula la distribució de la temperatura a la superfície del teixit extirpat. Això es realitza segons la teoria de la conducció tèrmica per al teixit biològic126】i la teoria de la propagació làser en el teixit biològic 【27】combinada amb els paràmetres òptics del cervell porcí 1281.
La simulació es realitza amb l'assumpció d'un feix gaussià d'entrada. Atès que el teixit biològic utilitzat en l'experiment és teixit cerebral porcí aïllat, s'ignora la influència de la sang i el metabolisme sobre la temperatura, i el teixit cerebral porcí es simplifica en el forma d'un cilindre per a la simulació. Els paràmetres utilitzats en la simulació es resumeixen a la taula 1. Les corbes sòlides que es mostren a la figura 5 són les distribucions de temperatura radial simulades respecte al centre d'ablació a la superfície del teixit per a les sis irradiacions diferents. Exhibeixen un perfil de temperatura gaussià des del centre fins a la perifèria. A la figura 5 és evident que les dades experimentals concorden bé amb els resultats simulats. També es desprèn de la figura 5 que la temperatura simulada al centre de la La posició d'ablació augmenta a mesura que augmenta la durada de la irradiació per a cada irradiació. Investigacions anteriors han demostrat que les cèl·lules del teixit són perfectament segures a temperatures inferiors.55C, el que significa que les cel·les romanen actives a les zones verdes (T<55C) de les corbes de la figura 5. La zona groga de cada corba (55C).60C）。Es pot observar a la Fig.5 que els radis d'ablació simulats a T = 60 °Care0,774,0,873,0,993,1,071,1,198 i 1,364 mm, respectivament, per a durades d'irradiació de 1,2,4，6, 10 i 20 s, mentre que els radis d'ablació simulats a T = 55C són 0,805,0,908,1,037,1,134,1,271, i 1,456 mm, respectivament. En analitzar quantitativament l'efecte d'ablació, es troba que l'arca amb cèl·lules mortes és 1.882. 2.394,3.098,3.604,4.509，i 5.845 mm2 per a 1,2,4,6,10，i 20s d'irradiació, respectivament. L'àrea amb àrea de danys col·laterals es troba a 0,003,0,0040,0040,006,0.0173,0.0173,0.0. i 0,027 mm2. Es pot veure que les zones d'ablació làser i les zones de danys col·laterals augmenten amb la durada de la irradiació. Definim la proporció de danys col·laterals com la relació de l'àrea de danys col·laterals a 55C s T60C. Es troba la proporció de danys col·laterals. ser el 8,17%，8,18%，9,06%，12,11%，12,56%， i 13,94% per a diferents temps d'irradiació, la qual cosa significa que el dany col·lateral dels teixits extirpats és petit. Per tant, un experiment completLes dades i els resultats de la simulació mostren que aquest làser ZGP-OPO de 6,45 um compacte, d'alta potència, totalment en estat sòlid proporciona una ablació efectiva de teixits biològics. Font làser de pols MIR de 6,45 um basada en un enfocament ZGP-OPO ns. Es va obtenir una potència mitjana màxima d'1,53 W amb una potència màxima de 3,65 kW i un factor de qualitat de feix mitjà de M2=1,19. Utilitzant aquesta radiació MIR de 6,45 um,a Es va realitzar un experiment de prova de principi sobre l'ablació làser del teixit. La distribució de la temperatura a la superfície del teixit ablat es va mesurar experimentalment i es va simular teòricament. Les dades mesurades van coincidir bé amb els resultats simulats. A més, es va analitzar teòricament el dany col·lateral. per primera vegada. Aquests resultats verifiquen que el nostre làser de pols MIR de sobretaula a 6,45 um ofereix una ablació efectiva de teixits biològics i té un gran potencial per ser una eina pràctica en ciència mèdica i biològica, ja que podria substituir un FEL voluminós comun bisturí làser.