Tiek demonstrēts kompakts un izturīgs, cietvielu vidējas infrasarkanās (MIR) lāzers ar lielu vidējo izejas jaudu un gandrīz Gausa staru kūļa kvalitāti. Maksimālā izejas jauda 1,53 W ar impulsa platumu aptuveni 42 ns pie 10 kHz tiek sasniegts, izmantojot ZnGeP2 (ZGP) optisko parametrisko oscilatoru (OPO). Šī ir lielākā vidējā jauda pie 6,45 um jebkuram cietvielu lāzeram, cik mums zināms.Vidējais staru kūļa kvalitātes koeficients ir mērīts kā M2=1,19.
Turklāt tiek apstiprināta augsta izejas jaudas stabilitāte ar jaudas svārstībām, kas ir mazākas par 1,35% rms 2 stundu laikā, un lāzers var efektīvi darboties kopā vairāk nekā 500 h. Izmantojot šo 6,45 um impulsu kā starojuma avotu, dzīvnieku ablācija Tiek pārbaudīti smadzeņu audi. Turklāt, cik mums ir zināms, pirmo reizi teorētiski tiek analizēts papildu bojājumu efekts, un rezultāti liecina, ka šim MIR lāzeram ir lieliskas ablācijas spējas, padarot to par iespējamu brīvo elektronu lāzeru aizstājēju.©2022 Optica Publishing Group

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

Vidēja infrasarkanā starojuma (MIR) 6,45 um lāzera starojumu var izmantot augstas precizitātes medicīnas jomās, jo tā priekšrocības ir ievērojams ablācijas ātrums un minimāls blakus bojājums 【1】. Brīvo elektronu lāzeri (FEL), stroncija tvaiku lāzeri, gāzes lāzeri. Ramana lāzeri un cietvielu lāzeri, kuru pamatā ir optiskais parametriskais oscilators (OPO) vai atšķirības frekvences ģenerēšana (DFG), parasti tiek izmantoti 6,45 um lāzera avoti. Tomēr FEL augstās izmaksas, lielais izmērs un sarežģītā struktūra ierobežo tos. Stroncija tvaika lāzeri un gāzes Ramana lāzeri var iegūt mērķa joslas, taču abiem ir slikta stabilitāte, īss kalpošanas laiks.
Pētījumi parādīja, ka 6,45 um cietvielu lāzeri rada mazāku termisko bojājumu diapazonu bioloģiskajos audos un ka to ablācijas dziļums ir dziļāks nekā FEL tādos pašos apstākļos, kas apstiprināja, ka tie var var izmantot kā efektīvu alternatīvu FEL bioloģiskai audu ablācijai 【2】. Turklāt cietvielu lāzeriem ir tādas priekšrocības kā kompakta struktūra, laba stabilitāte un

darbība uz galda, padarot tos par daudzsološiem instrumentiem 6,45 μn gaismas avota iegūšanai.Kā zināms, nelineārajiem infrasarkanajiem kristāliem ir svarīga loma frekvenču pārveidošanas procesā, ko izmanto augstas veiktspējas MIR lāzeru iegūšanai. Salīdzinot ar oksīda infrasarkanajiem kristāliem ar 4 um robežu, neoksīdu kristāli ir labi. ir piemēroti MIR lāzeru ģenerēšanai. Šajos kristālos ietilpst lielākā daļa halkogenīdu, piemēram, AgGaS2 (AGS)【3,41，LiInS2 (LIS）【5,61， LilnSe2 （LISe）【7〼S（LISe）【7〼S（Ba98) 】，un BaGaSe(BGSe）【10-12】，, kā arī fosfora savienojumiem CdSiP2（CSP）【13-16】 un ZnGeP2 (pēdējiem ZGP）【17】 abiem ir lieli nelīnijas koeficienti). Piemēram, MIR starojumu var iegūt, izmantojot CSP-OPO. Tomēr lielākā daļa CSP-OPO darbojas ultraīsā (piko- un femtosekundes) laika skalā un tiek sinhroni sūknēti ar aptuveni 1 um režīmā bloķētiem lāzeriem. Diemžēl šie sinhroni sūknēti OPO. SPOPO）sistēmām ir sarežģīts uzstādījums, un tās ir dārgas. To vidējā jauda ir arī mazāka par 100 mW pie aptuveni 6,45 um【13-16】. Salīdzinot ar CSP kristālu, ZGP ir augstāks lāzera bojājumu koeficients.Jānodrošina (60 MW/cm2), augstāka siltumvadītspēja (0,36 W/cm K) un salīdzināms nelineārais koeficients (75 pm/V). Tāpēc ZGP ir lielisks MIR nelineārs optiskais kristāls lieljaudas vai augstas enerģijas lietojumi 【18-221. Piemēram, tika demonstrēts plakans un plakans dobums ZGP-OPO ar regulēšanas diapazonu 3,8-12,4 um, ko sūknēja 2,93 um lāzers. Tukšgaismas gaismas maksimālā viena impulsa enerģija pie 6,6 um bija 1,2 mJ 【201. Īpatnējam viļņa garumam 6,45 um, maksimālā viena impulsa enerģija 5,67 mJ ar atkārtošanās frekvenci 100 Hz tika sasniegta, izmantojot neplanāru gredzena OPO dobumu, kura pamatā ir ZGP kristāls. Ar atkārtojumu 200 Hz frekvence, tika sasniegta vidējā izejas jauda 0,95 W 【221. Cik mums zināms, šī ir lielākā izejas jauda, ​​kas sasniegta pie 6,45 um.Esošie pētījumi liecina, ka efektīvai audu ablācijai ir nepieciešama lielāka vidējā jauda 【23】. Tāpēc praktiska jaudīga 6,45 um lāzera avota izstrādei būtu liela nozīme bioloģiskās medicīnas veicināšanā.Šajā vēstulē mēs ziņojam par vienkāršu, kompaktu visu cietvielu MIR 6,45 um lāzeru, kam ir augsta vidējā izejas jauda un kura pamatā ir ZGP-OPO, ko sūknē nanosekundes (ns) impulss 2,09 um.

lāzera.6,45 um lāzera maksimālā vidējā izejas jauda ir līdz 1,53 W ar impulsa platumu aptuveni 42ns ar atkārtošanās frekvenci 10 kHz, un tam ir lieliska stara kvalitāte.6,45 um lāzera ablējošā iedarbība uz dzīvnieku audiem Šis darbs parāda, ka lāzers ir efektīva pieeja faktiskai audu ablācijai, jo darbojas kā lāzera skalpelis.Eksperimentālā iestatīšana ir ieskicēta 1. attēlā. ZGP-OPO tiek sūknēts ar paštaisītu LD sūknētu 2,09 um Ho:YAG lāzeru, kas nodrošina 28 W vidējo jaudu pie 10 kHz. ar impulsa ilgumu aptuveni 102 ns. FWHM) un vidējais staru kūļa kvalitātes koeficients M2, kas ir aptuveni 1,7.MI un M2, ir divi 45 spoguļi ar pārklājumu, kas ļoti atstaro 2,09 um. Šie spoguļi ļauj kontrolēt sūkņa staru kūļa virzienu. Divas fokusēšanas lēcas (f1 = 100 mm ,f2=100 mm) izmanto staru kolimācijai ar staru kūļa diametru aptuveni 3,5 mm ZGP kristālā. Optisko izolatoru (ISO) izmanto, lai novērstu sūkņa staru atgriešanos pie 2,09 um sūkņa avota. Pusviļņa plāksne. (HWP) pie 2,09 um tiek izmantots, lai kontrolētu sūkņa gaismas polarizāciju. M3 un M4 ir OPO dobuma spoguļi, un kā substrāta materiāls tiek izmantots plakans CaF2. Priekšējais spogulis M3 ir pārklāts ar pretatspīdumu (98%) sūknim. stars un ar augstu atstarošanas pārklājumu (98%) 6,45 um tukšgaitas un 3,09 um signāla viļņiem. Izejas spogulis M4 ir ļoti atstarojošs (98%) pie 2,09um un 3,09 um un ļauj daļēju pārraidīt 6,45 um tukšgaitas riteni.ZGP kristāls ir sagriezts pie 6-77,6 ° un p = 45 ° JⅡ tipa fāzes saskaņošanai 【2090,0 (o) 6450,0 (o) +3091,9 (e) 】, kas ir vairāk piemērots noteiktam parametram ar šaurāku viļņa garumu. līnijas platums, salīdzinot ar I tipa fāzes saskaņošanu. ZGP kristāla izmēri ir 5 mm x 6 mm x 25 mm, un tas ir pulēts un pārklāts ar pretatspīdumu abām gala malām iepriekšminētajiem trim viļņiem. Tas ir iesaiņots indija folijā un fiksēts vara dzesētājā ar ūdens dzesēšanu (T=16). Dobuma garums ir 27 mm. OPO virziena laiks sūkņa lāzeram ir 0,537 ns. Mēs pārbaudījām ZGP kristāla bojājuma slieksni ar R. -on-I metode 【17】. ZGP kristāla bojājuma slieksnis eksperimentā tika izmērīts kā 0,11 J/cm2 pie 10 kHz. Tas atbilst maksimālās jaudas blīvumam 1,4 MW/cm2, kas ir zems, jo salīdzinoši slikta pārklājuma kvalitāte.Radītās brīvgaismas izejas jaudu mēra ar enerģijas skaitītāju (D,OPHIR, 1 uW līdz 3 W), un signālgaismas viļņa garumu uzrauga ar spektrometru (APE), 1,5-6,3 m). lai iegūtu augstu izejas jaudu 6,45 um, mēs optimizējam OPO parametru dizainu. Tiek veikta skaitliskā simulācija, pamatojoties uz trīs viļņu sajaukšanas teoriju un paraksiālās izplatības vienādībām 【24,25】； simulācijā mēs izmantot parametrus, kas atbilst eksperimenta apstākļiem un pieņemt ieejas impulsu ar Gausa profilu telpā un laikā. Attiecības starp OPO izejas spoguli

caurlaidība, sūkņa jaudas intensitāte un izejas efektivitāte tiek optimizēta, manipulējot ar sūkņa staru kūļa blīvumu dobumā, lai sasniegtu lielāku izejas jaudu, vienlaikus izvairoties no ZGP kristāla un optisko elementu bojājumiem. Tādējādi lielākā sūkņa jauda ir ierobežota līdz aptuveni 20 W ZGP-OPO darbībai. Simulētie rezultāti liecina, ka, lai gan tiek izmantots optimālais izejas savienotājs ar 50% caurlaidību, maksimālais maksimālās jaudas blīvums ir tikai 2,6 x 10 W/cm2 ZGP kristālā un vidējā izejas jauda. var iegūt vairāk nekā 1,5 W. 2. attēlā parādīta attiecība starp izmērīto tukšgaitas sviras jaudu pie 6,45 um un krītošā sūkņa jaudu. No 2. att. var redzēt, ka tukšgaitas izejas jauda monotoni palielinās līdz ar krītošā sūkņa jauda. Sūkņa slieksnis atbilst vidējai sūkņa jaudai 3,55 WA maksimālā tukšgaitas izejas jauda 1,53 W tiek sasniegta pie aptuveni 18,7 W sūkņa jaudas, kas atbilst pārveidošanas efektivitātei no optiskās uz optisko.f aptuveni 8,20% un kvantu pārveides cfricitāte 25,31%. Ilgtermiņa drošībai lāzers tiek darbināts ar gandrīz 70% no tā maksimālās izejas jaudas. Jaudas stabilitāti mēra pie izejas jaudas IW, kā parādīts 2.att. ievilkumā (a). Konstatēts, ka izmērītās jaudas svārstības ir mazākas par 1,35% rms 2 h laikā un ka lāzers var efektīvi darboties kopā vairāk nekā 500 h. Signāla viļņa viļņa garums tiek mērīts tukšgaitas mehānisma vietā, jo mūsu eksperimentā izmantotā spektrometra (APE，1,5–6,3 um) ir ierobežots viļņu garuma diapazons. Izmērītā signāla viļņa garums ir centrēts pie 3,09 um, un līnijas platums ir aptuveni 0,3 nm, kā parādīts attēlā. 2. attēla ievilkumā (b). Pēc tam tiek secināts, ka tukšgaitas sviras centrālais viļņa garums ir 6,45 um. Tukšgaitas pulsa impulsa platumu nosaka fotodetektors (Thorlabs, PDAVJ10) un reģistrē ar digitālo osciloskopu (Tcktronix). ）。Tipiska osciloskopa viļņu forma ir parādīta 3. attēlā, un tā parāda impulsa platumu aptuveni 42 ns. Impulsa platumsir par 41,18% šaurāks 6,45 um tukšgaitā, salīdzinot ar 2,09 um sūkņa impulsu nelineārās frekvences pārveidošanas procesa pastiprinājuma laika sašaurinošās ietekmes dēļ. Rezultātā atbilstošā tukšgaitas impulsa maksimālā jauda ir 3,56 kW. 6,45 um tukšgaita tiek mērīta ar lāzera staru

analizators (Spiricon,M2-200-PIII) pie 1 W izejas jaudas, kā parādīts 4. attēlā. M2 un M，2 izmērītās vērtības ir 1,32 un 1,06 attiecīgi pa x asi un y asi, kas atbilst vidējais staru kūļa kvalitātes koeficients M2 = 1,19. 4. attēlā redzams divdimensiju (2D) staru kūļa intensitātes profils, kuram ir gandrīz Gausa telpiskais režīms. Lai pārbaudītu, vai 6,45 um impulss nodrošina efektīvu ablāciju, tiek veikts principa pierādījuma eksperiments, kas ietver cūku smadzeņu lāzerablāciju. Tiek izmantots objektīvs f=50, lai fokusētu 6,45 um impulsa staru aptuveni 0,75 mm vidukļa rādiusā. Noņemamā pozīcija uz cūku smadzeņu audiem tiek novietots lāzera stara fokusā.Bioloģisko audu virsmas temperatūru (T) atkarībā no radiālās atrašanās vietas r mēra ar termokameru (FLIR A615) ablācijas procesa laikā sinhroni. Apstarošanas ilgums ir 1 ,2,4,6,10，un 20 s ar lāzera jaudu 1 W. Katram apstarošanas ilgumam tiek izpūstas sešas parauga pozīcijas: r=0,0,62,0,703,1,91,3,05，un 4,14 mm gar radiālo virzienu attiecībā pret apstarošanas pozīcijas centra punktu, kā parādīts 5. attēlā. Kvadrāti ir izmērītās temperatūras dati. 5. attēlā ir konstatēts, ka virsmas temperatūra ablācijas stāvoklī uz audiem palielinās, palielinoties apstarošanas ilgumam. Augstākās temperatūras T centra punktā r=0 ir 132,39,160,32,196,34，

205.57, 206.95，un 226.05C apstarošanas ilgumam attiecīgi 1,2, 4,6,10 un 20 s. Lai analizētu blakus bojājumus, tiek simulēts temperatūras sadalījums uz ablētā audu virsmas. Tas tiek veikts saskaņā ar bioloģisko audu siltumvadīšanas teorija126】 un lāzera izplatīšanās teorija bioloģiskajos audos 【27】 apvienojumā ar cūku smadzeņu 1281 optiskajiem parametriem.
Simulācija tiek veikta, pieņemot ieejas Gausa staru kūli. Tā kā eksperimentā izmantotie bioloģiskie audi ir izolēti cūku smadzeņu audi, asins un vielmaiņas ietekme uz temperatūru tiek ignorēta, un cūku smadzeņu audi tiek vienkāršoti. simulācijas cilindra forma. Simulācijā izmantotie parametri ir apkopoti 1. tabulā. Cietās līknes, kas parādītas 5. attēlā, ir simulētais radiālās temperatūras sadalījums attiecībā pret ablācijas centru uz audu virsmas sešām dažādām apstarošanas reizēm. Tiem ir Gausa temperatūras profils no centra uz perifēriju. No 5. attēla redzams, ka eksperimentālie dati labi sakrīt ar simulētajiem rezultātiem. No 5. attēla arī redzams, ka simulētā temperatūra ir centrā. ablācijas pozīcija palielinās, palielinoties apstarošanas ilgumam katras apstarošanas gadījumā. Iepriekšējie pētījumi ir parādījuši, ka šūnas audos ir pilnīgi drošas zemākā temperatūrā.55C, kas nozīmē, ka šūnas paliek aktīvas līkņu zaļajās zonās (T<55C) 5. attēlā. Katras līknes dzeltenā zona (55C).60C）。5.att. var novērot, ka simulētie ablācijas rādiusi pie T=60°Aprūpe0,774,0,873,0,993,1,071,1,198 un 1,364 mm, attiecīgi apstarošanas ilgumam 1,2,4，6, 10，un 20s, kamēr simulētie ablācijas rādiusi pie T=55C ir attiecīgi 0,805, 0,908, 1,037, 1,134, 1,271， un 1,456 mm. Kvantitatīvi analizējot ablācijas efektu, tiek konstatēts, ka arkā2 ir 1 mirušas šūnas. 2.394,3.098,3.604,4.509，un 5.845 mm2 1,2,4,6,10，un 20s apstarošanai, attiecīgi. Platība ar blakusbojājumu laukumu ir konstatēta 0.003,0.0040.006,0011,006,001. un 0,027 mm2. Redzams, ka lāzerablācijas zonas un blakus bojājuma zonas palielinās līdz ar apstarošanas ilgumu. Mēs definējam blakus bojājuma koeficientu kā blakus bojājuma laukuma attiecību pie 55C s T60C. Tiek atrasta nodrošinājuma bojājuma attiecība. līdz 8,17%, 8,18%, 9,06%, 12,11%, 12,56% un 13,94% dažādiem apstarošanas laikiem, kas nozīmē, ka ablēto audu blakus bojājums ir neliels. Tāpēc visaptverošs eksperimentsl dati un simulācijas rezultāti liecina, ka šis kompaktais, lieljaudas, pilnīgi cietvielu 6,45 um ZGP-OPO lāzers nodrošina efektīvu bioloģisko audu ablāciju. Noslēgumā mēs esam parādījuši kompaktu, lieljaudas, pilnīgi cietvielu lāzeru. MIR impulsa 6,45 um lāzera avots, pamatojoties uz ns ZGP-OPO pieeju.Tika iegūta maksimālā vidējā jauda 1,53 W ar maksimālo jaudu 3,65 kW un vidējo staru kūļa kvalitātes koeficientu M2 = 1,19. Izmantojot šo 6,45 um MIR starojumu, a Tika veikts principa pierādījuma eksperiments par audu lāzerablāciju. Eksperimentāli tika izmērīts un teorētiski simulēts temperatūras sadalījums uz ablētā audu virsmas. Izmērītie dati labi saskanēja ar simulētajiem rezultātiem. Turklāt teorētiski tika analizēti blakus bojājumi. Pirmo reizi. Šie rezultāti apstiprina, ka mūsu galda MIR impulsa lāzers ar 6,45 μm nodrošina efektīvu bioloģisko audu ablāciju un tam ir liels potenciāls būt praktiskam medicīnas un bioloģijas zinātnes instrumentam, jo ​​tas varētu aizstāt apjomīgu FEL.lāzera skalpelis.