Демонстриран е компактен и здрав изцяло твърдотелен среден инфрачервен (MIR) лазер при 6,45 um с висока средна изходна мощност и качество на лъча, близко до Гаус. Максимална изходна мощност от 1,53 W с ширина на импулса приблизително 42 ns при 10 kHz се постига с помощта на ZnGeP2 (ZGP) оптичен параметричен осцилатор (OPO). Това е най-високата средна мощност при 6,45 um на всеки изцяло твърд лазер, доколкото ни е известно.Средният коефициент на качество на лъча се измерва като M2=1,19.
Освен това, стабилността на високата изходна мощност е потвърдена, с флуктуация на мощността от по-малко от 1,35%rms за 2 часа и лазерът може да работи ефективно за повече от 500 часа общо. Използването на този импулс от 6,45 um като източник на радиация, аблация на животно мозъчната тъкан е тествана. Освен това ефектът на страничните увреждания е теоретично анализиран за първи път, доколкото ни е известно, и резултатите показват, че този MIR лазер има отлична способност за аблация, което го прави потенциален заместител на лазерите със свободни електрони.©2022 Издателска група Оптика

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

Средно инфрачервеното (MIR) 6,45 um лазерно лъчение има потенциални приложения в областите на високоточна медицина поради предимствата си на значителна скорост на аблация и минимални странични щети 【1】. Рамановите лазери и твърдотелни лазери, базирани на оптичен параметричен осцилатор (OPO) или генериране на различна честота (DFG) са често използвани 6,45 um лазерни източници. Въпреки това, високата цена, големият размер и сложната структура на FEL ограничават тяхното приложение. Лазерите на стронциева пара и газовите Раман лазери могат да получат целевите ленти, но и двата имат лоша стабилност, къси серв.
порокът живее и изисква сложна поддръжка. Проучванията показват, че 6,45 um твърдотелни лазери произвеждат по-малък диапазон на термично увреждане в биологичните тъкани и че тяхната дълбочина на аблация е по-дълбока от тази на FEL при същите условия, което потвърждава, че те могат да се използва като ефективна алтернатива на FEL за аблация на биологична тъкан 【2】. В допълнение, твърдотелните лазери имат предимствата на компактна структура, добра стабилност и

настолна работа, което ги прави обещаващи инструменти за получаване на източник на светлина от 6,45 μn.Както е добре известно, нелинейните инфрачервени кристали играят важна роля в процеса на преобразуване на честотата, използван за постигане на високопроизводителни MIR лазери. В сравнение с оксидните инфрачервени кристали с 4 um гранични ръбове, неоксидните кристали са добре подходящи за генериране на MIR лазери. Тези кристали включват повечето халкогениди, като AgGaS2 （AGS）【3,41，LiInS2 (LIS)【5,61， LilnSe2 (LISe)（LISe（S〼S【7㼌】，и BaGaSe（BGSe）【10-12】，както и фосфорните съединения CdSiP2 (CSP)【13-16】 и ZnGeP2 (ZGP) имат по-малко съвместно по-малко за две линии, които не са по-големи 【17】. например, MIR лъчението може да бъде получено с помощта на CSP-OPOs. Въпреки това, повечето CSP-OPO работят в ултракратък (пико-и фемтосекундна) времева скала и се изпомпват синхронно от приблизително 1 um лазери със заключен режим. За съжаление, тези синхронно изпомпвани OPO SPOPO）системите имат сложна настройка и са скъпи. Техните средни мощности също са по-ниски от 100 mW при около 6,45 um【13-16】. В сравнение с CSP кристала, ZGP има по-високи три лазерни повредитрябва (60 MW/cm2), по-висока топлопроводимост (0,36 W/cm K), и сравним нелинеен коефициент (75 pm/V). Следователно, ZGP е отличен MIR нелинеен оптичен кристал за висока мощност или високо- енергийни приложения 【18-221. Например, беше демонстрирана плоска кухина ZGP-OPO с обхват на настройка 3,8-12,4 um, изпомпвана от 2,93 um лазер. 1,2 mJ 【201. За специфичната дължина на вълната от 6,45 um, максимална енергия на единичен импулс от 5,67 mJ при честота на повторение от 100 Hz беше постигната с помощта на непланарен пръстен OPO кухина на базата на ZGP кристал. С повторение. честота от 200Hz, достигната е средна изходна мощност от 0,95 W 【221. Доколкото ни е известно, това е най-високата изходна мощност, постигната при 6,45 um.Съществуващите проучвания предполагат, че е необходима по-висока средна мощност за ефективна тъканна аблация 【23】. Следователно разработването на практически високомощен лазерен източник 6,45 um би било от голямо значение за популяризирането на биологичната медицина.В това писмо ние съобщаваме за прост, компактен, изцяло твърд лазер MIR 6,45 um, който има висока средна изходна мощност и се основава на ZGP-OPO, изпомпван от наносекунден (ns) импулс 2,09 um

лазер. Максималната средна изходна мощност на 6,45 um лазера е до 1,53 W с ширина на импулса от приблизително 42ns при честота на повторение от 10 kHz и има отлично качество на лъча. Аблиращият ефект на 6,45 um лазера върху животинска тъкан е изследвано. Тази работа показва, че лазерът е ефективен подход за действителна тъканна аблация, тъй като действа като лазерен скалпел.Експерименталната настройка е скицирана на фиг. 1. ZGP-OPO се изпомпва от домашен LD-изпомпван 2,09 um Ho:YAG лазер, който доставя 28 W средна мощност при 10 kHz. с продължителност на импулса приблизително 102 ns（ FWHM) и среден коефициент на качество на лъча M2 от приблизително 1,7.MI и M2 са две 45 огледала с покритие, което е силно отразяващо при 2,09 um. Тези огледала позволяват контрол на посоката на лъча на помпата. Две фокусиращи лещи (f1 =100 mm ,f2=100 mm) се прилагат за колимация на лъча с диаметър на лъча от около 3,5 mm в ZGP кристала. Използва се оптичен изолатор (ISO) за предотвратяване връщането на лъча на помпата към източника на помпата 2,09 um. Полувълнова плоча (HWP) на 2,09 um се използва за контролиране на поляризацията на светлината на помпата. M3 и M4 са OPO огледала с кухина, с плосък CaF2, използван като субстратен материал. Предното огледало M3 е с антирефлексно покритие (98%) за помпата лъч и покритие с високо отражение (98%) за 6,45 um и 3,09 um сигнални вълни. Изходното огледало M4 е силно отразяващо (98%) при 2,09um и 3,09 um и позволява частично предаване на 6,45 um празен ход.Кристалът ZGP се изрязва при 6-77,6° и p=45° за съгласуване на фаза тип-JⅡ 【2090,0 (o）6450,0 (o)+3091,9 (e)】), което е по-подходящо за специфична дължина на вълната и параметрична дължина на вълната широчина на линията в сравнение с тип I фазово съвпадение. Размерите на ZGP кристала са 5 mm x 6 mm x 25 mm и е полиран и покрит с антирефлексно покритие от двете крайни страни за горните три вълни. Той е опакован в индиево фолио и фиксиран в меден радиатор с водно охлаждане (T=16)。Дължината на кухината е 27 mm. Времето за двупосочно движение на OPO е 0,537 ns за помпения лазер. Тествахме прага на повреда на ZGP кристала от R -on-I метод 【17】. Прагът на повреда на ZGP кристала беше измерен на 0,11 J/cm2 при 10 kHz.в експеримента, съответстващ на пикова плътност на мощността от 1,4 MW/cm2, което е ниско поради сравнително лошо качество на покритието.Изходната мощност на генерираната празна светлина се измерва от енергиен метър (D,OPHIR, 1 uW до 3 W), а дължината на вълната на сигналната светлина се следи от спектрометър (APE, 1,5-6,3 m), за да се получаваме висока изходна мощност от 6,45 um, ние оптимизираме дизайна на параметрите на OPO. Числена симулация се извършва въз основа на теорията на тривълнова смесване и параксиални формули за разпространение 【24,25】； в симулацията, ние използват параметрите, съответстващи на експерименталните условия и приемат входен импулс с гаусов профил в пространството и времето. Връзката между изходното огледало на OPO

пропускливостта, интензивността на мощността на помпата и изходната ефективност се оптимизират чрез манипулиране на плътността на лъча на помпата в кухината за постигане на по-висока изходна мощност, като същевременно се избягва увреждане на ZGP кристала и оптичните елементи. По този начин най-високата мощност на помпата е ограничена до около 20 W за работа на ZGP-OPO. Симулирани резултати показват, че докато се използва оптимален изходен разклонител с пропускливост от 50%, максималната пикова плътност на мощността е само 2,6 x 10 W/cm2 в ZGP кристала и средната изходна мощност може да се получи повече от 1,5 W. Фигура 2 показва връзката между измерената изходна мощност на празния вал при 6,45 um и мощността на падащата помпа. От фиг.2 може да се види, че изходната мощност на празника нараства монотонно с инцидентна мощност на помпата. Прагът на помпата съответства на средна мощност на помпата от 3,55 WA максималната изходна мощност на празен ход от 1,53 W се постига при мощност на помпата от приблизително 18,7 W, което съответства на ефективността на оптично-оптично преобразуване of приблизително 8,20%% и коефициент на квантово преобразуване от 25,31%. За дългосрочна безопасност лазерът работи при близо 70% от максималната си изходна мощност. Стабилността на мощността се измерва при изходна мощност IW, като показано на вмъкване (a) на фиг.2. Установено е, че измереното колебание на мощността е по-малко от 1,35%rms за 2 часа и че лазерът може да работи ефективно за повече от 500 часа общо. Дължината на вълната на сигналната вълна се измерва вместо тази на безучастието поради ограничения диапазон на дължината на вълната на спектрометъра (APE, 1,5-6,3 um), използван в нашия експеримент. Измерената дължина на вълната на сигнала е центрирана на 3,09 um и ширината на линията е приблизително 0,3 nm, както е показано във вставка (b) на фиг.2. След това централната дължина на вълната на безделника се извежда като 6,45 um. Широчината на импулса на безделника се открива от фотодетектор (Thorlabs, PDAVJ10) и се записва от цифров осцилоскоп (Tcktronix) ）。Типичната форма на вълната на осцилоскопа е показана на Фиг.3 и показва ширина на импулса от приблизително 42 ns. Широчината на импулсае с 41,18% по-тясна за 6,45 um празен ход в сравнение с импулса на помпата от 2,09 um поради стесняващия ефект на временното усилване от процеса на нелинейно преобразуване на честотата. В резултат на това съответната пикова мощност на импулса на празен ход е 3,56 kW. Коефициентът на качество на лъча на 6,45 um празен ход се измерва с лазерен лъч

анализатор (Spiricon,M2-200-PIII) при 1 W изходна мощност, както е показано на фиг.4. Измерените стойности на M2 и M，2 са 1,32 и 1,06 по оста x и y, съответно, съответстващи на среден коефициент на качество на лъча от M2=1,19. Насекомото на Фиг.4 показва двуизмерния (2D) профил на интензитета на лъча, който има пространствен режим почти на Гаус. За да се провери, че импулсът от 6,45 um осигурява ефективна аблация, се провежда експеримент за доказване на принципа, включващ лазерна аблация на свински мозък. Използва се леща f=50 за фокусиране на импулсния лъч от 6,45 um до радиус на кръста от около 0,75 mm. Позицията, която трябва да се аблира върху мозъчната тъкан на свинята се поставя във фокуса на лазерния лъч. Повърхностната температура (T) на биологичната тъкан като функция на радиалното местоположение r се измерва от термокамера (FLIR A615) синхронно по време на процеса на аблация. Продължителността на облъчването е 1 ,2,4,6,10，и 20 s при мощност на лазера от I W. За всяка продължителност на облъчването се изписват шест позиции на пробата: r=0,0,62,0,703,1.91,3.05, и 4,14 mm по радиалната посока по отношение на централната точка на позицията на облъчване, както е показано на фиг.5. Квадратите са измерените температурни данни. На фиг.5 се установява, че повърхностната температура в позицията на аблация върху тъканта се увеличава с увеличаване на продължителността на облъчване. Най-високите температури T в централната точка r=0 са 132.39,160.32,196.34,

205.57,206.95，и 226.05C за продължителност на облъчване съответно 1,2，4,6,10，и 20 s. За да се анализира страничните щети, се симулира разпределението на температурата върху повърхността на аблираната тъкан. Това се извършва съгласно теорията на топлопроводимостта за биологична тъкан126】и теорията за разпространението на лазера в биологичната тъкан 【27】в комбинация с оптичните параметри на свинския мозък 1281.
Симулацията се извършва с допускането на входен гаусов лъч. Тъй като биологичната тъкан, използвана в експеримента, е изолирана мозъчна тъкан на свине, влиянието на кръвта и метаболизма върху температурата се игнорира и мозъчната тъкан на свинята се опростява в форма на цилиндър за симулация. Параметрите, използвани в симулацията, са обобщени в Таблица 1. Плътните криви, показани на Фиг.5, са симулираните радиални температурни разпределения по отношение на центъра на аблация на повърхността на тъканта за шестте различни облъчвания Те показват гаусов температурен профил от центъра към периферията. От фиг. 5 е видно, че експерименталните данни се съпоставят добре със симулираните резултати. От фиг. 5 също е видно, че симулираната температура в центъра на позицията на аблация се увеличава с увеличаване на продължителността на облъчването за всяко облъчване. Предишни изследвания показват, че клетките в тъканта са напълно безопасни при температури по-ниски55C, което означава, че клетките остават активни в зелените зони (T<55C) на кривите на фиг.5. Жълтата зона на всяка крива (55C)60C）。Може да се наблюдава на фиг.5, че симулираните радиуси на аблация при T=60°Care0.774,0.873,0.993,1.071,1.198 и 1.364 mm, съответно, за продължителност на облъчване 1,6,4， 10， и 20s, докато симулираните радиуси на аблация при T=55C са съответно 0,805, 0,908, 1,037, 1,134, 1,271， и 1,456 mm. При количествен анализ на мъртвите клетки на аблацията1 се установява, че arca82 е с мъртви клетки. 2.394,3.098,3.604,4.509，и5.845 mm2 за 1,2,4,6,10，и 20s облъчване, съответно. Площта със странични щети е 0.003,0.0040.0136,0.00,0. и 0,027 mm2. Вижда се, че зоните на лазерна аблация и зоните на страничните щети се увеличават с продължителността на облъчването. Дефинираме коефициента на страничните щети като съотношението на зоната на страничните щети при 55C s T60C. Открива се коефициентът на странични щети да бъде 8,17%, 8,18%, 9,06%, 12,11%, 12,56%, и 13,94% за различни времена на облъчване, което означава, че съпътстващото увреждане на аблираните тъкани е малко. Следователно, изчерпателни експериментиl данните и резултатите от симулацията показват, че този компактен, високомощен, изцяло твърд лазер 6,45 um ZGP-OPO осигурява ефективна аблация на биологични тъкани. В заключение, ние демонстрирахме компактен, с висока мощност, изцяло твърдотелен MIR импулсен лазерен източник 6,45 um, базиран на подхода ns ZGP-OPO. Получава се максимална средна мощност от 1,53 W с пикова мощност от 3,65 kW и среден коефициент на качество на лъча от M2=1,19. Използвайки това 6,45 um MIR лъчение, a Беше извършен експеримент за доказване на принципа за лазерна аблация на тъкан. Разпределението на температурата върху повърхността на аблираната тъкан беше експериментално измерено и теоретично симулирано. Измерените данни се съгласуваха добре със симулираните резултати. Освен това, страничните щети бяха теоретично анализирани за първи път. Тези резултати потвърждават, че нашия настолен MIR импулсен лазер при 6,45 um предлага ефективна аблация на биологични тъкани и има голям потенциал да бъде практически инструмент в медицинската и биологичната наука, тъй като може да замени обемисти FEL католазерен скалпел.