Prikazan je kompakten in robusten polprevodniški srednje infrardeči (MIR) laser pri 6,45 um z visoko povprečno izhodno močjo in skoraj Gaussovo kakovostjo žarka. Največja izhodna moč 1,53 W s širino impulza približno 42 ns pri 10 kHz je dosežen z uporabo optičnega parametričnega oscilatorja ZnGeP2 (ZGP) (OPO). To je najvišja povprečna moč pri 6,45 um katerega koli polprevodniškega laserja, kolikor nam je znano.Povprečni faktor kakovosti žarka je izmerjen kot M2=1,19.
Poleg tega je potrjena visoka izhodna moč stabilnosti, z nihanjem moči manj kot 1,35% rms v 2 h, laser pa lahko deluje učinkovito več kot 500 ur skupaj. Uporaba tega 6,45 um impulza kot vira sevanja, ablacija živali testirano je možgansko tkivo. Poleg tega je učinek kolateralne poškodbe prvič teoretično analiziran, kolikor nam je znano, in rezultati kažejo, da ima ta MIR laser odlično sposobnost ablacije, zaradi česar je potencialna zamenjava za laserje prostih elektronov.©2022 Založniška skupina Optica

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

Lasersko sevanje srednjega infrardečega (MIR) 6,45 um ima potencialno uporabo na področjih visoke natančnosti medicine zaradi svojih prednosti znatne stopnje ablacije in minimalne kolateralne škode 【1】. Laserji prostih elektronov (FELs), laserji na stroncijeve pare Ramanski laserji in polprevodniški laserji, ki temeljijo na optičnem parametričnem oscilatorju (OPO) ali generiranju razlike frekvenc (DFG), so običajno uporabljeni laserski viri 6,45 um. Vendar pa visoki stroški, velika velikost in zapletena struktura FEL omejujejo njihovo Laserji na hlapi stroncija in plinski Ramanovi laserji lahko dosežejo ciljne pasove, vendar imata oba slabo stabilnost, kratka ser-
vice živi in ​​zahteva kompleksno vzdrževanje. Študije so pokazale, da 6,45 um polprevodniški laserji proizvajajo manjši razpon toplotnih poškodb v bioloških tkivih in da je njihova globina ablacije globlja od globine FEL pod enakimi pogoji, kar je potrdilo, da lahko uporabiti kot učinkovito alternativo FEL za ablacijo biološkega tkiva 【2】. Poleg tega imajo polprevodniški laserji prednosti kompaktne strukture, dobre stabilnosti in

namiznega delovanja, zaradi česar so obetavna orodja za pridobivanje svetlobnega vira 6,45 μn.Kot je dobro znano, imajo nelinearni infrardeči kristali pomembno vlogo v procesu pretvorbe frekvenc, ki se uporablja za doseganje visoko zmogljivih MIR laserjev. V primerjavi z oksidnimi infrardečimi kristali s 4 um mejnim robom so neoksidni kristali dobro primeren za generiranje MIR laserjev. Ti kristali vključujejo večino halkogenidov, kot je AgGaS2 (AGS)【3,41，LiInS2 (LIS)【5,61， LilnSe2 (LISe2)（LISe（S【7【S. 】，in BaGaSe（BGSe）【10-12】，, pa tudi fosforjeve spojine CdSiP2 (CSP)【13-16】 in ZnGeP2 (ZGP) imata rev.dve. na primer, sevanje MIR je mogoče pridobiti z uporabo CSP-OPO. Vendar pa večina CSP-OPO deluje na ultrakratki (piko-in femtosekundni) časovni lestvici in jih sinhrono črpajo laserji z zaklenjenim načinom 1 um. Na žalost ti sinhrono črpani OPO (OPO) SPOPO）sistemi imajo zapleteno nastavitev in so dragi. Njihove povprečne moči so tudi nižje od 100 mW pri približno 6,45 um【13-16】. V primerjavi s kristalom CSP ima ZGP višjo stopnjo poškodb laserjashold (60 MW/cm2), višja toplotna prevodnost (0,36 W/cm K) in primerljiv nelinearni koeficient (75 pm/V). Zato je ZGP odličen nelinearni optični kristal MIR za visoko zmogljive ali visoko energetske aplikacije 【18-221. Na primer, prikazana je bila ravna ravna votlina ZGP-OPO z razponom nastavitve 3,8-12,4 um, ki jo črpa laser 2,93 um. Največja energija enega impulza neaktivne svetlobe pri 6,6 um je bila 1,2 mJ 【201.Za specifično valovno dolžino 6,45 um je bila dosežena največja energija posameznega impulza 5,67 mJ pri ponavljalni frekvenci 100 Hz z uporabo neplanarne obročne OPO votline na osnovi kristala ZGP. S ponovitvijo. frekvenca 200Hz, dosežena je bila povprečna izhodna moč 0,95 W 【221. Kolikor nam je znano, je to najvišja izhodna moč, dosežena pri 6,45 um.Obstoječe študije kažejo, da je za učinkovito ablacijo tkiva 【23】 potrebna višja povprečna moč. Zato bi bil razvoj praktičnega laserskega vira velike moči 6,45 um velikega pomena pri promociji biološke medicine.V tem dopisu poročamo o preprostem, kompaktnem polprevodniškem laserju MIR 6,45 um, ki ima visoko povprečno izhodno moč in temelji na ZGP-OPO, ki ga črpa nanosekundni (ns) impulz 2,09 um

laser. Največja povprečna izhodna moč laserja 6,45 um je do 1,53 W s širino impulza približno 42 ns pri ponavljalni frekvenci 10 kHz in ima odlično kakovost žarka. Ablacijski učinek laserja 6,45 um na živalsko tkivo To delo kaže, da je laser učinkovit pristop za dejansko ablacijo tkiv, saj deluje kot laserski skalpel.Eksperimentalna postavitev je skicirana na sliki 1. ZGP-OPO črpa doma izdelan LD-črpan 2,09 um Ho:YAG laser, ki zagotavlja 28 W povprečne moči pri 10 kHz. s trajanjem impulza približno 102 ns（ FWHM）in povprečni faktor kakovosti žarka M2 približno 1,7.MI in M2 sta dve 45 ogledali s prevleko, ki je zelo odbojna pri 2,09 um. Ta ogledala omogočata nadzor smeri žarka črpalke. Dve leči za ostrenje (f1 =100 mm ,f2=100 mm) se uporabljajo za kolimacijo žarka s premerom žarka približno 3,5 mm v kristalu ZGP. Optični izolator (ISO) se uporablja za preprečevanje vračanja snopa črpalke v vir črpalke 2,09 um. Polvalovna plošča (HWP) pri 2,09 um se uporablja za nadzor polarizacije svetlobe črpalke. M3 in M4 sta zrcala z votlino OPO, z ravnim CaF2, ki se uporablja kot material substrata. Sprednje ogledalo M3 je premazano proti odsevu (98 %) za črpalko žarek in prevlečen z visokim odsevom (98 %) za 6,45 um ležeče in 3,09 um signalne valove. Izhodno ogledalo M4 je zelo odsevno (98 %) pri 2,09um in 3,09 um ter omogoča delni prenos 6,45 um prostega teka.Kristal ZGP se razreže pri 6-77,6° in p=45° za ujemanje faze tipa JⅡ 【2090,0 (o) 6450,0 (o) +3091,9 (e)】, kar je bolj primerno za določen parameter valovne dolžine in puščice svetlobe širina črte v primerjavi s faznim ujemanjem tipa I. Mere kristala ZGP so 5 mm x 6 mm x 25 mm, poliran in protiodsevni premaz na obeh končnih straneh za zgornje tri valove. Zavit je v indijevo folijo in fiksiran v bakrenem hladilniku z vodnim hlajenjem (T=16)。Dolžina votline je 27 mm. Povratni čas OPO je 0,537 ns za laser črpalke. Preizkusili smo prag poškodb kristala ZGP z R -on-I metoda 【17】. Prag poškodb kristala ZGP je bil izmerjen na 0,11 J/cm2 pri 10 kHz.v poskusu, kar ustreza najvišji gostoti moči 1,4 MW/cm2, kar je nizko zaradi relativno slaba kakovost premaza.Izhodna moč ustvarjene svetlobe v prostem teku se meri z merilnikom energije (D,OPHIR, 1 uW do 3 W), valovno dolžino signalne svetlobe pa spremlja spektrometer (APE, 1,5-6,3 m), da se pridobimo visoko izhodno moč 6,45 um, optimiziramo zasnovo parametrov OPO. Numerična simulacija je izvedena na podlagi teorije mešanja treh valov in paraksialnih propagacijskih kvacij 【24,25】；v simulaciji smo uporabite parametre, ki ustrezajo eksperimentalnim pogojem, in predpostavite vhodni impulz z Gaussovim profilom v prostoru in času. Razmerje med izhodnim ogledalom OPO

prepustnost, intenzivnost moči črpalke in izhodna učinkovitost se optimizira z manipuliranjem gostote žarka črpalke v votlini, da se doseže višja izhodna moč, hkrati pa se prepreči poškodba kristala ZGP in optičnih elementov. Tako je najvišja moč črpalke omejena na približno 20 W za delovanje ZGP-OPO. Simulirani rezultati kažejo, da je ob uporabi optimalnega izhodnega spojnika s prepustnostjo 50 % največja gostota največje moči le 2,6 x 10 W/cm2 v kristalu ZGP in povprečna izhodna moč lahko dobimo več kot 1,5 W. Slika 2 prikazuje razmerje med izmerjeno izhodno močjo prostega teka pri 6,45 um in močjo vpadne črpalke. Iz slike 2 je razvidno, da se izhodna moč prostega teka monotono povečuje z vpadna moč črpalke. Prag črpalke ustreza povprečni moči črpalke 3,55 WA. Največja izhodna moč prostega teka 1,53 W je dosežena pri moči črpalke približno 18,7 W, kar ustreza učinkovitosti pretvorbe optične v optične of približno 8,20 %% in kvantno pretvorbo 25,31 %. Za dolgoročno varnost laser deluje pri skoraj 70 % svoje največje izhodne moči. Stabilnost moči se meri pri izhodni moči IW, kot prikazano na vstavku (a) na sliki 2. Ugotovljeno je, da je izmerjeno nihanje moči manjše od 1,35 %rms v 2 h in da lahko laser skupaj deluje učinkovito več kot 500 ur. Valovna dolžina signalnega vala se meri namesto tistega v prostem teku zaradi omejenega območja valovne dolžine spektrometra (APE, 1,5-6,3 um), ki se uporablja v našem poskusu. Izmerjena valovna dolžina signala je osredotočena na 3,09 um in širina črte je približno 0,3 nm, kot je prikazano v vstavku (b) na sliki 2. Osrednja valovna dolžina prostega teka se nato izkaže, da je 6,45 um. Širina impulza prostega teka je zaznana s fotodetektorjem (Thorlabs, PDAVJ10) in zabeležena z digitalnim osciloskopom (Tcktronix) ）。Tipična valovna oblika osciloskopa je prikazana na sliki 3 in prikazuje širino impulza približno 42 ns. Širina impulzaje 41,18 % ožji za prosti tek 6,45 um v primerjavi z impulzom črpalke 2,09 um zaradi učinka zoženja časovnega dobička nelinearnega procesa pretvorbe frekvence. Posledično je ustrezna maksimalna moč impulza v prostem teku 3,56 kW. Faktor kakovosti žarka Z laserskim žarkom se meri 6,45 um

analizator (Spiricon,M2-200-PIII) pri 1 W izhodne moči, kot je prikazano na sliki 4. Izmerjene vrednosti M2 in M，2 so 1,32 in 1,06 vzdolž osi x in y, kar ustreza povprečni faktor kakovosti žarka M2=1,19. Insct na sliki 4 prikazuje dvodimenzionalni (2D) profil intenzivnosti žarka, ki ima skoraj Gaussov prostorski način. Da bi preverili, ali impulz 6,45 um zagotavlja učinkovito ablacijo, izveden je dokazni poskus, ki vključuje lasersko ablacijo prašičjih možganov. Za fokusiranje 6,45 um impulznega žarka se uporabi leča f=50 na polmer pasu približno 0,75 mm. Položaj, ki ga je treba odstraniti na prašičjem možganskem tkivu je postavljen v žarišče laserskega žarka. Površinsko temperaturo (T) biološkega tkiva kot funkcijo radialne lokacije r meri termokamera (FLIR A615) sinhrono med postopkom ablacije. Trajanje obsevanja je 1 ,2,4,6,10，in 20 s pri laserski moči I W. Za vsako trajanje obsevanja je prikazanih šest položajev vzorca: r=0,0,62,0,703,1.91,3.05，in 4,14 mm vzdolž radialne smeri glede na središčno točko položaja obsevanja, kot je prikazano na sliki 5. Kvadrati so izmerjeni temperaturni podatki. Na sliki 5 je razvidno, da je površinska temperatura pri ablacijskem položaju na tkivu narašča s podaljšanjem trajanja obsevanja. Najvišje temperature T v središčni točki r=0 so 132,39,160,32,196,34，

205,57, 206,95， in 226,05C za trajanje obsevanja 1,2，4,6,10， oziroma 20 s. Za analizo kolateralne poškodbe se simulira porazdelitev temperature na površini ablatiranega tkiva. To se izvede v skladu z teorija toplotne prevodnosti za biološko tkivo 126】 in teorija širjenja laserja v biološkem tkivu 【27】 v kombinaciji z optičnimi parametri prašičjih možganov 1281.
Simulacija je izvedena ob predpostavki vhodnega Gaussovega žarka. Ker je biološko tkivo, uporabljeno v poskusu, izolirano prašičje možgansko tkivo, se vpliv krvi in ​​presnove na temperaturo zanemari, prašičje možgansko tkivo pa je poenostavljeno v oblika cilindra za simulacijo. Parametri, uporabljeni v simulaciji, so povzeti v tabeli 1. Trdne krivulje, prikazane na sliki 5, so simulirane radialne porazdelitve temperature glede na ablacijski center na površini tkiva za šest različnih obsevanj. Kažejo Gaussov temperaturni profil od središča do obrobja. Iz slike 5 je razvidno, da se eksperimentalni podatki dobro ujemajo s simuliranimi rezultati. Iz slike 5 je tudi razvidno, da je simulirana temperatura v središču položaj ablacije se poveča, ko se trajanje obsevanja poveča za vsako obsevanje. Prejšnje raziskave so pokazale, da so celice v tkivu popolnoma varne pri nižjih temperaturah.55C, kar pomeni, da celice ostanejo aktivne v zelenih conah (T<55C) krivulj na sliki 5. Rumeno območje vsake krivulje (55C)60C）。Na sliki 5 je mogoče opaziti, da simulirani polmeri ablacije pri T=60°Care0,774,0,873,0,993,1,071,1,198 in 1,364 mm za trajanje obsevanja 1,6,4， 10， in 20s, medtem ko so simulirani polmeri ablacije pri T=55C 0,805, 0,908, 1,037, 1,134, 1,271， oziroma 1,456 mm. Po kvantitativni analizi učinka ablacije1 se ugotovi, da je arca82 z mrtvimi celicami. 2.394,3.098,3.604,4.509，in 5.845 mm2 za 1,2,4,6,10， oziroma 20s obsevanja. Ugotovljeno je, da je območje s stransko škodo 0,003,0,0040,0136,0,0,0 in 0,027 mm2. Vidimo, da se cone laserske ablacije in kolateralne poškodbe povečujejo s trajanjem obsevanja. Kolateralno škodo definiramo kot razmerje med površino kolateralne poškodbe pri 55C s T60C. Najdemo razmerje kolateralne škode biti 8,17 %, 8,18 %, 9,06 %, 12,11 %, 12,56 %, in 13,94 % za različne čase obsevanja, kar pomeni, da je kolateralna poškodba abliranih tkiv majhna.Podatki in rezultati simulacije kažejo, da ta kompakten, visoko zmogljiv, popolnoma polprevodniški 6,45 um ZGP-OPO laser zagotavlja učinkovito ablacijo bioloških tkiv. MIR impulzni laserski vir 6,45 um, ki temelji na pristopu ns ZGP-OPO. Dobljena je bila največja povprečna moč 1,53 W z največjo močjo 3,65 kW in povprečnim faktorjem kakovosti žarka M2 = 1,19. Z uporabo tega 6,45 um MIR sevanja, a Izveden je bil dokazni eksperiment z lasersko ablacijo tkiva. Eksperimentalno izmerimo in teoretično simuliramo porazdelitev temperature na površini abliranega tkiva. Izmerjeni podatki so se dobro ujemali s simuliranimi rezultati. Poleg tega je bila teoretično analizirana kolateralna škoda. prvič. Ti rezultati potrjujejo, da naš namizni MIR pulzni laser pri 6,45 um ponuja učinkovito ablacijo bioloških tkiv in ima velik potencial, da postane praktično orodje v medicinski in biološki znanosti, saj bi lahko nadomestil obsežni FEL kotlaserski skalpel.