'n Kompakte en robuuste volvaste middel-infrarooi (MIR) laser by 6.45 um met 'n hoë gemiddelde uitsetkrag en naby-Gaussiese straalkwaliteit word gedemonstreer. 'n Maksimum uitsetkrag van 1.53 W met 'n pulswydte van ongeveer 42 ns by 10 kHz word bereik met behulp van 'n ZnGeP2 (ZGP) optiese parametriese ossillator (OPO). Dit is die hoogste gemiddelde drywing by 6.45 um van enige vastestoflaser na die beste van ons kennis.Die gemiddelde balkkwaliteitfaktor word gemeet as M2=1.19.
Boonop word hoë uitsetkragstabiliteit bevestig, met 'n drywingskommeling van minder as 1.35%rms oor 2 uur, en die laser kan in totaal meer as 500 uur doeltreffend werk. Deur hierdie 6.45 um-puls as 'n bestralingsbron te gebruik, kan die ablasie van dier breinweefsel word getoets.Verder word die kollaterale skade-effek vir die eerste keer teoreties ontleed, na die beste van ons kennis, en die resultate dui daarop dat hierdie MIR-laser uitstekende ablasievermoë het, wat dit 'n potensiële vervanging vir vryelektronlasers maak.©2022 Optica Publishing Group
https://doi.org/10.1364/OL.446336
Mid-infrarooi (MIR) 6,45 um laserstraling het potensiële toepassings in hoë-presisie medisyne velde as gevolg van sy voordele van 'n aansienlike ablasie tempo en minimale kollaterale skade 【1】. Vrye elektron lasers (FELs), strontium damp lasers, Raman-lasers en vastestoflasers gebaseer op 'n optiese parametriese ossillator (OPO) of verskilfrekwensiegenerering (DFG) word algemeen gebruik 6.45 um laserbronne. Die hoë koste, groot grootte en komplekse struktuur van FEL's beperk egter hul toepassing. Strontium damplasers en gas Raman lasers kan die teikenbande verkry, maar albei het swak stabiliteit, kort ser-
vice-lewens, en vereis komplekse instandhouding. Studies het getoon dat 6,45 um vastestoflasers 'n kleiner termiese skadeverwydering in biologiese weefsels produseer en dat hul ablasiediepte onder dieselfde toestande dieper is as dié van 'n FEL, wat bevestig het dat hulle kan word gebruik as 'n doeltreffende alternatief vir FEL's vir biologiese weefselablasie 【2】. Daarbenewens het vastestoflasers die voordele van 'n kompakte struktuur, goeie stabiliteit, en
tafelblad werking, wat hulle belowende gereedskap maak vir die verkryging van 'n 6.45μn ligbron.Soos bekend, speel nie-lineêre infrarooi kristalle 'n belangrike rol in die frekwensie-omskakelingsproses wat gebruik word om hoëprestasie MIR-lasers te bereik. In vergelyking met oksied-infrarooikristalle met 'n 4 um-afsnyrand, is nie-oksiedkristalle goed geskik vir die opwekking van MIR-lasers. Hierdie kristalle sluit die meeste chalcogeniede in, soos AgGaS2 （AGS）【3,41，LiInS2 （LIS）【5,61， LilnSe2 （LISe）（B】〼B】 】，en BaGaSe（BGSe）【10-12】，asook die fosforverbindings CdSiP2（CSP）【13-16】 en ZnGeP2 (ZGP）【17】 het beide re-effektief vir die laasgenoemde twee. MIR-straling kan byvoorbeeld verkry word met behulp van CSP-OPO's. Die meeste CSP-OPO's werk egter op 'n ultrakort (pico- en femtosekonde) tydskaal en word sinchronies gepomp deur ongeveer 1 um modus-geslote lasers. Ongelukkig is hierdie sinchronies gepompte OPO's. SPOPO）-stelsels het 'n komplekse opstelling en is duur. Hul gemiddelde kragte is ook laer as 100 mW teen ongeveer 6,45 um【13-16】. In vergelyking met CSP-kristal, het ZGP 'n hoër laserskadeshold (60 MW/cm2), 'n hoër termiese geleidingsvermoë (0.36 W/cm K), en 'n vergelykbare nie-lineêre koëffisiënt (75 pm/V) . Daarom is ZGP 'n uitstekende MIR nie-lineêre optiese of hoë-krag kristal vir hoë krag energietoepassings 【18-221. Byvoorbeeld, 'n plat-platholte ZGP-OPO met 'n instelbereik van 3,8-12,4 um wat deur 'n 2,93 um-laser gepomp word, is gedemonstreer. 1,2 mJ 【201.Vir die spesifieke golflengte van 6.45 um, is 'n maksimum enkelpulsenergie van 5.67 mJ by 'n herhalingsfrekwensie van 100 Hz bereik met behulp van 'n nie-planêre ring OPO holte gebaseer op 'n ZGP kristal. Met 'n herhaling frekwensie van 200Hz, 'n gemiddelde uitsetkrag van 0.95 W is bereik 【221. Sover ons bewus is, is dit die hoogste uitsetkrag wat behaal is op 6.45 um.Bestaande studies dui daarop dat 'n hoër gemiddelde krag nodig is vir effektiewe weefselablasie 【23】. Daarom sal die ontwikkeling van 'n praktiese hoë-krag 6,45 um laserbron van groot belang wees in die bevordering van biologiese medisyne.In hierdie brief rapporteer ons 'n eenvoudige, kompakte volvaste toestand MIR 6.45 um laser wat 'n hoë gemiddelde uitsetkrag het en gebaseer is op 'n ZGP-OPO gepomp deur 'n nanosekonde (ns)-puls 2.09 um
laser. Die maksimum gemiddelde uitsetkrag van die 6.45 um laser is tot 1.53 W met 'n polswydte van ongeveer 42ns by 'n herhalingsfrekwensie van 10 kHz, en dit het uitstekende straalkwaliteit. Die ablasie effek van die 6.45 um laser op diereweefsel word ondersoek. Hierdie werk toon dat die laser 'n effektiewe benadering is vir werklike weefselablasie, aangesien dit as 'n laserskalpel optree.Die eksperimentele opstelling word in Fig.1 geskets. Die ZGP-OPO word gepomp deur 'n tuisgemaakte LD-gepompte 2.09 um Ho:YAG laser wat 28 W se gemiddelde drywing by 10 kHz lewer.met 'n pulsduur van ongeveer 102 ns（ FWHM) en 'n gemiddelde straalkwaliteitfaktor M2 van ongeveer 1.7.MI en M2 is twee 45-spieëls met 'n laag wat hoogs reflektief is by 2.09 um. Hierdie spieëls maak rigtingbeheer van die pompstraal moontlik. Twee fokuslense （f1 =100mm ,f2=100 mm）word toegepas vir bundelkollimasie met 'n bundeldeursnee van ongeveer 3.5 mm in die ZGP-kristal. 'n Optiese isolator (ISO) word gebruik om te verhoed dat die pompstraal na die 2.09 um-pompbron terugkeer. 'n Halfgolfplaat （HWP）by 2.09 um word gebruik om die polarisasie van die pomplig te beheer.M3 en M4 is OPO-holtespieëls, met plat CaF2 wat as die substraatmateriaal gebruik word. Die voorste spieël M3 is anti-refleksie bedek (98%) vir die pomp bundel en hoë-refleksie bedek （98%）vir die 6.45 um leegloper en 3.09 um seingolwe. Die uitsetspieël M4 is hoogs reflektief (98%) by 2.09um en 3.09 um en laat gedeeltelike oordrag van die 6.45 um-lediger toe.Die ZGP-kristal word gesny teen 6-77.6° en p=45° vir tipe-JⅡ fasepassing 【2090.0 （o）6450.0 （o）+3091.9 （e）】, wat meer geskik is vir 'n spesifieke liggolflengte en 'n parametriese golflengte en 'n pyl. lynwydte in vergelyking met tipe-I-fasepassing. Die afmetings van die ZGP-kristal is 5 mm x 6 mm x 25 mm, en dit is gepoleer en anti-weerkaatsing bedek op beide eindfasette vir die bogenoemde drie golwe. Dit is toegedraai in indiumfoelie en vasgemaak in 'n koper-hittebak met waterverkoeling (T=16)。Die holtelengte is 27 mm. Die retoertyd van die OPO is 0.537 ns vir die pomplaser. Ons het die skadedrempel van die ZGP-kristal getoets met die R -op-I metode 【17】. Die skadedrempel van die ZGP kristal is gemeet as 0,11 J/cm2 by 10 kHz.in die eksperiment, wat ooreenstem met 'n piek drywingsdigtheid van 1,4 MW/cm2, wat laag is as gevolg van die relatief swak laag kwaliteit.Die uitsetkrag van die gegenereerde leeglooplig word gemeet deur 'n energiemeter (D,OPHIR，1 uW tot 3 W), en die golflengte van die seinlig word deur 'n spektrometer (APE，1.5-6.3 m) gemonitor. 'n hoë uitsetkrag van 6.45 um verkry, optimaliseer ons die ontwerp van die parameters van die OPO. 'n Numeriese simulasie word uitgevoer op grond van drie-golf mengteorie en paraaksiale voortplantingskwasies 【24,25】；in die simulasie, ons gebruik die parameters wat ooreenstem met die eksperimentele toestande en aanvaar 'n insetpuls met 'n Gaussiese profiel in ruimte en tyd. Die verhouding tussen OPO uitsetspieël
transmissie, pompkragintensiteit en uitsetdoeltreffendheid word geoptimaliseer deur die pompstraaldigtheid in die holte te manipuleer om hoër uitsetkrag te verkry, terwyl skade aan die ZGP-kristal en die optiese elemente terselfdertyd vermy word. Dus word die hoogste pompkrag beperk tot ongeveer 20 W vir ZGP-OPO-werking. Gesimuleerde resultate toon dat terwyl 'n optimale uitsetkoppelaar met 'n transmissie van 50% gebruik word, die maksimum piekkragdigtheid slegs 2,6 x 10 W/cm2 in die ZGP-kristal is, en 'n gemiddelde uitsetkrag van meer as 1,5 W verkry kan word.Figuur 2 toon die verband tussen die gemete uitsetdrywing van die leegloper op 6,45 um en die invallende pompdrywing.Uit Fig.2 kan gesien word dat die uitsetdrywing van die leegler eentonig toeneem met die invallende pompkrag. Die pompdrempel stem ooreen met 'n gemiddelde pompkrag van 3.55WA maksimum lediger uitsetkrag van 1.53 W word bereik by 'n pompkrag van ongeveer 18.7 W, wat ooreenstem met 'n opties-na-optiese omskakelingsdoeltreffendheid of ongeveer 8.20%% en 'n kwantumomskakeling-frekwensie van 25.31%. Vir langtermynveiligheid word die laser teen byna 70% van sy maksimum uitsetkrag bedryf. Die drywingstabiliteit word gemeet teen 'n uitsetkrag van IW, soos getoon in inlas （a） in Fig.2. Daar word gevind dat die gemete drywingsskommeling minder as 1,35%rms in 2 uur is, en dat die laser in totaal meer as 500 uur doeltreffend kan werk. Die golflengte van die seingolf word gemeet in plaas van dié van die lediger as gevolg van die beperkte golflengtereeks van die spektrometer （APE，1.5-6.3 um） wat in ons eksperiment gebruik word. Die gemete seingolflengte is gesentreer op 3.09 um en die lynwydte is ongeveer 0.3 nm. in inlas （b） van Fig.2. Die sentrale golflengte van die lediger word dan afgelei as 6.45um. Die polswydte van die tussenrol word deur 'n fotodetektor (Thorlabs, PDAVJ10) bespeur en deur 'n digitale ossilloskoop aangeteken (Tcktronix，2GHz，，Tcktronix， ）。 'n Tipiese ossilloskoopgolfvorm word in Fig.3 getoon en vertoon 'n pulswydte van ongeveer 42 ns. Die pulswydteis 41,18% smaller vir die 6,45 um-lediger in vergelyking met die 2,09 um-pomppuls as gevolg van die tydelike versterkings-vernouingseffek van die nie-lineêre frekwensie-omskakelingsproses. As gevolg hiervan is die ooreenstemmende lediger-pulspiekkrag 3,56kW. Die straalkwaliteitfaktor van die 6,45 um lediger word gemeet met 'n laserstraal
ontleder (Spiricon,M2-200-PIII) by 1 W uitsetkrag, soos getoon in Fig. 'n gemiddelde bundelkwaliteitfaktor van M2=1.19. Die insct van Fig.4 toon die tweedimensionele (2D) bundelintensiteitsprofiel, wat 'n naby-Gaussiese ruimtelike modus het. 'n Bewys-van-beginsel eksperiment wat laserablasie van varkbrein behels word uitgevoer. 'n F=50 lens word gebruik om die 6.45 um polsstraal te fokus op 'n middellyf radius van ongeveer 0.75 mm. Die posisie wat geablateer moet word op die varkbreinweefsel word by die fokus van die laserstraal geplaas. Die oppervlaktemperatuur （T） van die biologiese weefsel as 'n funksie van die radiale ligging r word sinchroon gemeet deur 'n termokamera (FLIR A615) tydens die ablasieproses. Die bestralingsduur is 1 ,2,4,6,10，en 20 s by 'n laserkrag van I W.Vir elke bestralingsduur word ses monsterposisies geblaas:r=0,0.62,0.703,1.91,3.05， en 4.14 mm langs die radiale rigting met betrekking tot die middelpunt van die bestralingsposisie, soos in Fig.5 getoon. Die vierkante is die gemete temperatuurdata. In Fig.5 word gevind dat die oppervlaktemperatuur by die ablasieposisie op die weefsel neem toe met toenemende bestralingsduur. Die hoogste temperature T by die middelpunt r=0 is 132.39,160.32,196.34，
205.57,206.95，en 226.05C vir bestralingsduur van onderskeidelik 1,2，4,6,10， en 20 s. Om die kollaterale skade te ontleed, word die temperatuurverspreiding op die geablateerde weefseloppervlak gesimuleer.Dit word uitgevoer volgens die termiese geleidingsteorie vir biologiese weefsel126】en die teorie van laservoortplanting in biologiese weefsel 【27】 gekombineer met die optiese parameters van varkbrein 1281.
Die simulasie word uitgevoer met die aanname van 'n Gaussiese insetstraal. Aangesien die biologiese weefsel wat in die eksperiment gebruik is, geïsoleerde varkbreinweefsel is, word die invloed van bloed en metabolisme op die temperatuur geïgnoreer, en word die varkbreinweefsel vereenvoudig tot die vorm van 'n silinder vir simulasie. Die parameters wat in die simulasie gebruik word, word in Tabel 1 opgesom. Die soliede kurwes wat in Fig.5 getoon word, is die gesimuleerde radiale temperatuurverspreidings met betrekking tot die ablasiesentrum op die weefseloppervlak vir die ses verskillende bestraling Durations.Hulle vertoon 'n Gaussiese temperatuurprofiel vanaf die middel na die periferie.Dit is duidelik uit Fig.5 dat die eksperimentele data goed ooreenstem met die gesimuleerde resultate.Dit is ook duidelik uit Fig.5 dat die gesimuleerde temperatuur in die middel van die ablasieposisie neem toe namate die bestralingsduur vir elke bestraling toeneem. Vorige navorsing het getoon dat die selle in die weefsel heeltemal veilig is by temperature hieronder55C, wat beteken dat selle aktief bly in die groen sones （T<55C） van die krommes in Fig.5. Die geel sone van elke kromme（55C60C）。Daar kan in Fig.5 waargeneem word dat die gesimuleerde ablasie radiusse by T=60°Care0.774,0.873,0.993,1.071,1.198 en 1.364 mm, onderskeidelik, vir bestralingsduur van 1,6,4， 10， en 20s, terwyl die gesimuleerde ablasie-radiusse by T=55C onderskeidelik 0.805, 0.908, 1.037, 1.134, 1.271， en 1.456 mm is. 2.394,3.098,3.604,4.509，en5.845 mm2 vir 1,2,4,6,10， en 20s van bestraling, onderskeidelik. Die area met kollaterale skade-area is gevind as 0.003,0.0040.013,010,. en 0,027 mm2.Dit kan gesien word dat die laser ablasie sones en die kollaterale skade sones toeneem met die bestralingsduur.Ons definieer die kollaterale skade verhouding as die verhouding van die kollaterale skade area by 55C s T60C.Die kollaterale skade verhouding word gevind 8,17%，8,18%，9,06%，12,11%，12,56%， en 13,94% vir verskillende bestralingstye, wat beteken dat die kollaterale skade van die geablateerde weefsels klein is. Daarom, omvattende eksperimentel data en simulasieresultate toon dat hierdie kompakte, hoëkrag, alle vaste toestand 6.45 um ZGP-OPO laser effektiewe ablasie van biologiese weefsels bied. Ten slotte het ons 'n kompakte, hoë krag, vol vaste toestand gedemonstreer MIR gepulste 6.45 um laserbron gebaseer op 'n ns ZGP-OPO benadering. 'n Maksimum gemiddelde drywing van 1.53 W is verkry met 'n piek drywing van 3.65kW en 'n gemiddelde bundel kwaliteit faktor van M2=1.19. Deur hierdie 6.45 um MIR bestraling te gebruik, bewys-van-beginsel eksperiment oor die laserablasie van weefsel is uitgevoer. Die temperatuurverspreiding op die geablateerde weefseloppervlak is eksperimenteel gemeet en teoreties gesimuleer. Die gemete data stem goed ooreen met die gesimuleerde resultate. Verder is die kollaterale skade teoreties ontleed vir die eerste keer. Hierdie resultate bevestig dat ons tafelblad MIR-pulslaser by 6.45 um doeltreffende ablasie van biologiese weefsel bied en groot potensiaal het om 'n praktiese hulpmiddel in die mediese en biologiese wetenskap te wees, aangesien dit 'n lywige FEL kan vervang as'n laser skalpel.