Kompakt és robusztus, teljesen szilárdtest közép-infravörös (MIR) lézer 6,45 um-on, nagy átlagos kimeneti teljesítménnyel és közel Gauss-féle sugárminőséggel. Maximális kimeneti teljesítménye 1,53 W, impulzusszélessége körülbelül 42 ns 10-nél. A kHz-et egy ZnGeP2 (ZGP) optikai parametrikus oszcillátor (OPO) segítségével érik el. Legjobb tudomásunk szerint ez a legmagasabb átlagos teljesítmény 6,45 um-nál bármely szilárdtestlézernél.Az átlagos sugárminőségi tényező a mérések szerint M2=1,19.
Ezen túlmenően a nagy kimeneti teljesítmény stabilitása megerősített, a teljesítmény ingadozása 2 órán keresztül 1,35% rms-nél kisebb, és a lézer összesen több mint 500 órán keresztül képes hatékonyan működni. Ennek a 6,45 um-es impulzusnak a sugárzási forrásként való használata az állatok ablációjához Az agyszövetet tesztelik. Ezen túlmenően legjobb tudásunk szerint először elméletileg elemezték a járulékos károsodás hatását, és az eredmények azt mutatják, hogy ez a MIR lézer kiváló ablációs képességgel rendelkezik, így potenciálisan helyettesítheti a szabad elektron lézereket.©2022 Optica Publishing Group

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

A közép-infravörös (MIR) 6,45 um lézersugárzás potenciálisan alkalmazható a nagy pontosságú gyógyászatban a jelentős ablációs sebesség és a minimális járulékos károsodás előnyei miatt 【1】. Szabad elektronlézerek (FEL-ek), stronciumgőz-lézerek A Raman-lézerek és az optikai paraméteres oszcillátoron (OPO) vagy a frekvenciakülönbség-generáláson (DFG) alapuló szilárdtest-lézerek általában 6,45 um-os lézerforrások. A FEL-ek magas költsége, nagy mérete és összetett szerkezete azonban korlátozza azok alkalmazását. A stroncium-gőzlézerek és a gáz-Raman-lézerek képesek elérni a célsávokat, de mindkettő gyenge stabilitású, rövid működési idő
Vizsgálatok kimutatták, hogy a 6,45 um-es szilárdtestlézerek kisebb hőkárosodási tartományt produkálnak a biológiai szövetekben, és ablációs mélységük mélyebb, mint a FEL azonos körülmények között, ami igazolta, hogy képesek a FEL-ek hatékony alternatívájaként használható a biológiai szövetablációhoz 【2】. Ezen túlmenően a szilárdtestlézerek előnye a kompakt szerkezet, a jó stabilitás és a

asztali üzemeltetés, ígéretes eszközzé téve őket a 6,45μn fényforrás megszerzéséhez.Mint ismeretes, a nemlineáris infravörös kristályok fontos szerepet játszanak a nagy teljesítményű MIR lézerek frekvenciaátalakítási folyamatában. A 4 um-os vágási éllel rendelkező oxid-infravörös kristályokhoz képest a nem oxidkristályok jók. alkalmas MIR lézerek előállítására. Ezek a kristályok a legtöbb kalkogenidet tartalmazzák, mint például az AgGaS2 (AGS)【3,41，LiInS2 (LIS）【5,61， LilnSe2 （LISe）【7〼S（LISe）【7〼S（LISe）【7〼GGS A 】， és a BaGaSe (BGSe）【10-12】，, valamint a CdSiP2(CSP）【13-16】) és a ZnGeP2 (utóbbi kooperatív) foszforvegyületeknek (ZGP）【17】) mindkettőnek nagy (a két 17】-koefficiens) hatása van. Például a MIR-sugárzás CSP-OPO-k segítségével érhető el. A legtöbb CSP-OPO azonban ultrarövid (piko- és femtoszekundumos) időskálán működik, és körülbelül 1 um-os üzemmódban zárt lézerek szinkronban pumpálják őket. Sajnos ezek a szinkron szivattyúzású OPO-k. Az SPOPO）rendszerek bonyolult felépítésűek és költségesek. Átlagos teljesítményük is kevesebb, mint 100 mW, körülbelül 6,45 um【13-16】. A CSP kristállyal összehasonlítva a ZGP-nek nagyobb a lézersérülési küszöbe.(60 MW/cm2), nagyobb hővezető képességgel (0,36 W/cm K) és hasonló nemlineáris együtthatóval (75 pm/V). Ezért a ZGP kiváló MIR nemlineáris optikai kristály nagy teljesítményű vagy nagy teljesítményű energiaalkalmazások 【18-221. Például egy 3,8-12,4 um hangolási tartománnyal rendelkező, 2,93 um-es lézerrel pumpált lapos-lapos üregű ZGP-OPO-t mutattak be. Az üresjárati fény maximális egyimpulzusos energiája 6,6 um-nál 1,2 mJ 【201. A 6,45 um fajlagos hullámhosszhoz 5,67 mJ maximális egyimpulzus-energiát értek el 100 Hz-es ismétlési frekvenciánál egy nem sík gyűrűs OPO üreg segítségével, amely ZGP kristályon alapul. Ismétléssel 200 Hz-es frekvencia, 0,95 W átlagos kimeneti teljesítményt értek el 【221. Amennyire tudjuk, ez a 6,45 um-nál elért legmagasabb kimeneti teljesítmény.A meglévő tanulmányok azt sugallják, hogy nagyobb átlagos teljesítmény szükséges a hatékony szövetablációhoz 【23】. Ezért egy gyakorlati, nagy teljesítményű, 6,45 um-es lézerforrás kifejlesztése nagy jelentőséggel bírna a biológiai gyógyászat népszerűsítésében.Ebben a levélben egy egyszerű, kompakt, teljesen szilárdtest MIR 6,45 um lézerről számolunk be, amely nagy átlagos kimeneti teljesítménnyel rendelkezik, és egy nanoszekundumos (ns) impulzussal 2,09 um-os ZGP-OPO-n alapul.

lézer.A 6,45 um-os lézer maximális átlagos kimeneti teljesítménye legfeljebb 1,53 W, körülbelül 42 ns impulzusszélességgel, 10 kHz-es ismétlési frekvenciával, és kiváló sugárminőséggel rendelkezik. A 6,45 um-es lézer ablációs hatása állati szövetekre Ez a munka azt mutatja, hogy a lézer hatékony módszer a tényleges szöveteltávolításhoz, mivel lézerszikeként működik.A kísérleti elrendezést az 1. ábra vázolja. A ZGP-OPO-t egy házi készítésű LD-szivattyúzású 2,09 um Ho:YAG lézer pumpálja, amely 28 W átlagos teljesítményt ad le 10 kHz-en. Az impulzus időtartama körülbelül 102 ns. Az FWHM) és az átlagos M2 sugárminőségi tényező körülbelül 1,7.MI és M2 két 45-ös tükör 2,09 um-nál erősen visszaverő bevonattal.Ezek a tükrök lehetővé teszik a pumpás sugár irányának szabályozását.Két fókuszáló lencse (f1 =100mm) ,f2=100 mm) a ZGP kristályban körülbelül 3,5 mm-es sugárátmérőjű sugárkollimációhoz alkalmazzák.Optikai leválasztó (ISO) segítségével megakadályozza, hogy a szivattyúsugár visszatérjen a 2,09 um-es szivattyúforráshoz. Félhullámú lemez (2,09 um-os HWP) a szivattyú fényének polarizációjának szabályozására szolgál. Az M3 és M4 OPO üreges tükrök, lapos CaF2-vel hordozóanyagként. Az M3 elülső tükör tükröződésgátló bevonattal van ellátva (98%-ban) a szivattyúhoz sugár és nagy visszaverődésű bevonat (98%) a 6,45 um üresjárati és 3,09 um jelhullámokhoz. Az M4 kimeneti tükör erősen visszaver (98%) 2,09-nélum és 3,09 um, és lehetővé teszi a 6,45 um üresjárat részleges átvitelét.A ZGP kristály 6-77,6°-on és p=45°-on van vágva a JⅡ típusú fázisillesztéshez 【2090,0 (o) 6450,0 (o)+3091,9 (e)】, amely alkalmasabb egy meghatározott paraméteres fényhez szűkebb hullámhossz mellett. vonalszélesség az I. típusú fázisillesztéshez képest. A ZGP kristály mérete 5 mm x 6 mm x 25 mm, és mindkét végén csiszolt és tükröződésmentes bevonattal van ellátva a fenti három hullámhoz. Indium fóliába csomagolva és réz hűtőbordába rögzítve vízhűtéssel (T=16). Az üreg hossza 27 mm. Az OPO visszafutási ideje 0,537 ns a pumpás lézernél. A ZGP kristály károsodási küszöbét teszteltük az R-el -on-I módszer 【17】. A kísérletben a ZGP kristály károsodási küszöbét 0,11 J/cm2-nek mérték 10 kHz-en. Ez 1,4 MW/cm2 csúcsteljesítmény-sűrűségnek felel meg, ami a viszonylag gyenge bevonatminőség.Az előállított üresjárati fény kimenő teljesítményét egy energiamérő (D,OPHIR, 1 uW-3 W) méri, a jelzőfény hullámhosszát pedig spektrométer (APE，1,5-6,3 m）) figyeli. nagy, 6,45 um kimenő teljesítményt kapunk, optimalizáljuk az OPO paramétereinek tervezését. A numerikus szimulációt háromhullámos keveredési elmélet és paraxiális terjedési egyenletek alapján végezzük 【24,25】； a szimulációban, mi alkalmazzuk a kísérleti feltételeknek megfelelő paramétereket, és tételezzünk fel egy Gauss-profilú bemeneti impulzust térben és időben. Az OPO kimeneti tükör kapcsolata

Az áteresztőképesség, a szivattyú teljesítményintenzitása és a kimeneti hatásfok a szivattyú sugársűrűségének az üregben történő manipulálásával optimalizálva nagyobb kimeneti teljesítmény elérése érdekében, ugyanakkor elkerülhető a ZGP kristály és az optikai elemek károsodása. Így a legnagyobb szivattyúteljesítmény 20 körüli értékre korlátozódik. W a ZGP-OPO működéséhez. A szimulált eredmények azt mutatják, hogy miközben egy optimális kimeneti csatolót használnak 50%-os áteresztőképességgel, a maximális csúcsteljesítmény-sűrűség csak 2,6 x 10 W/cm2 a ZGP kristályban, és átlagos kimeneti teljesítmény 1,5 W-nál nagyobb teljesítmény érhető el. A 2. ábra az alapjárat 6,45 um-nál mért kimenő teljesítménye és a beeső szivattyú teljesítménye közötti összefüggést mutatja. A 2. ábrán látható, hogy az üresjárat kimenő teljesítménye monoton módon növekszik a beeső szivattyúteljesítmény. A szivattyú küszöbértéke 3,55 watt átlagos szivattyúteljesítménynek felel meg. Az 1,53 W-os maximális üresjárati kimeneti teljesítmény körülbelül 18,7 W-os szivattyúteljesítmény mellett érhető el, ami megfelel az optikai-optikai konverziós hatásfoknak.f körülbelül 8,20% és a kvantumkonverziós 25,31%.A hosszú távú biztonság érdekében a lézert a maximális kimeneti teljesítményének közel 70%-án üzemeltetik. A teljesítménystabilitást IW kimeneti teljesítményen mérik. A 2. ábra (a) beszúrása látható. Megállapítást nyert, hogy a mért teljesítmény ingadozása kisebb, mint 1,35% effektív 2 óra alatt, és a lézer összesen több mint 500 órán keresztül képes hatékonyan működni. A jelhullám hullámhossza az üresjárat helyett mérjük a kísérletünkben használt spektrométer (APE，1,5-6,3 um) korlátozott hullámhossz-tartománya miatt. A mért jel hullámhosszának középpontja 3,09 um, a vonal szélessége pedig körülbelül 0,3 nm, amint az látható. A 2. ábra (b) betétjében az üresjárat központi hullámhossza 6,45 um. Az üresjárat impulzusszélességét egy fotodetektor (Thorlabs, PDAVJ10) érzékeli, és digitális oszcilloszkóppal (Tck2GHz) rögzíti. ）。Egy tipikus oszcilloszkóp hullámforma látható a 3. ábrán, és körülbelül 42 ns impulzusszélességet mutat. Az impulzusszélesség41,18%-kal szűkebb a 6,45 um-os üresjáratnál a 2,09 um-os szivattyúimpulzushoz képest a nemlineáris frekvencia-átalakítási folyamat időbeli erősítésszűkítő hatása miatt. Ennek eredményeként a megfelelő üresjárati impulzus csúcsteljesítménye 3,56 kW. A sugárminőségi tényező 6,45 um üresjáratot lézersugárral mérnek

Analizátor (Spiricon,M2-200-PIII) 1 W kimeneti teljesítménnyel, a 4. ábrán látható módon. Az M2 és M，2 mért értéke 1,32 és 1,06 az x tengely és az y tengely mentén, ennek megfelelően átlagos sugárminőségi tényező M2=1,19. A 4. ábra insctje a kétdimenziós (2D) sugárintenzitás-profilt mutatja, amely közel Gauss-féle térbeli móddal rendelkezik. Annak igazolására, hogy a 6,45 um impulzus hatékony ablációt biztosít, egy alapelv-bizonyítási kísérletet végeznek sertés agyának lézeres ablációjával. Egy f=50 lencsét használnak a 6,45 um-es impulzusnyalábot körülbelül 0,75 mm-es deréksugárra való fókuszálására. Az ablálandó pozíció a sertés agyszövetén a lézersugár fókuszába helyezzük. A biológiai szövet felületi hőmérsékletét (T) az r radiális helyzet függvényében hőkamerával (FLIR A615) mérik szinkronban az ablációs folyamat során. A besugárzási időtartamok 1 ,2, 4, 6, 10 és 20 s 1 W lézerteljesítmény mellett. Minden besugárzási időtartamhoz hat mintahelyzetet fújunk be: r=0,0,62,0,703, 1,91, 3,05 és 4,14 mm sugárirányban a besugárzási pozíció középpontjához képest, amint az az 5. ábrán látható. A négyzetek a mért hőmérsékleti adatok. Az 5. ábrán látható, hogy a felületi hőmérséklet a szövet ablációs pozíciójában a besugárzás időtartamának növekedésével növekszik. A legmagasabb hőmérsékleti T a középpontban r=0 132,39,160,32,196,34，

205,57, 206,95, illetve 226,05 C 1, 2, 4, 6, 10 és 20 s besugárzási időtartamra. A mellékkárosodás elemzéséhez az ablált szövetfelület hőmérséklet-eloszlását szimulálják. a biológiai szövetek hővezetési elmélete126 és a biológiai szövetben történő lézerterjedés elmélete 【27】, a sertésagy 1281 optikai paramétereivel kombinálva.
A szimulációt egy bemeneti Gauss-nyaláb feltételezésével hajtjuk végre. Mivel a kísérletben használt biológiai szövet izolált sertés agyszövet, a vér és az anyagcsere hőmérsékletre gyakorolt ​​hatását figyelmen kívül hagyjuk, és a sertés agyszövetét leegyszerűsítjük henger alakja szimulációhoz. A szimulációban használt paramétereket az 1. táblázat foglalja össze. Az 5. ábrán látható szilárd görbék a szimulált radiális hőmérséklet-eloszlások a szövetfelszínen lévő ablációs központhoz képest hat különböző besugárzás esetén Az 5. ábrán látható, hogy a kísérleti adatok jól illeszkednek a szimulált eredményekhez. Az 5. ábrán az is látható, hogy a szimulált hőmérséklet a középponttól a perifériáig Az ablációs pozíció növekszik, ahogy a besugárzás időtartama növekszik minden egyes besugárzásnál. Korábbi kutatások kimutatták, hogy a szövetben lévő sejtek az alábbi hőmérsékleteken teljesen biztonságosak55C, ami azt jelenti, hogy a sejtek aktívak maradnak az 5. ábrán látható görbék zöld zónáiban (T<55C). Minden görbe sárga zónája (55C)60C）。Az 5. ábrán megfigyelhető, hogy a szimulált ablációs sugarak T=60°Cree-nél 0,774, 0,873, 0,993, 1,071, 1,198 és 1,364 mm, 1,2,4，6, besugárzási időtartamok esetén 10 és 20 s, míg a szimulált ablációs sugarak T=55C-on 0,805, 0,908, 1,037, 1,134, 1,271, illetve 1,456 mm. 2.394,3.098,3.604,4.509，és 5.845 mm2 1,2,4,6,10， és 20s besugárzás esetén. A járulékos sérüléses terület 0.003,0.0040.006,0011,006,001 és 0,027 mm2. Látható, hogy a lézeres ablációs zónák és a melléksérülési zónák a besugárzás időtartamával növekszenek. A melléksérülési hányadost az 55C s T60C melletti károsodási terület arányaként határozzuk meg. 8,17%, 8,18%, 9,06%, 12,11%, 12,56% és 13,94% különböző besugárzási idők esetén, ami azt jelenti, hogy az ablált szövetek mellékkárosodása kicsi. Ezért átfogó kísérletAz adatok és a szimulációs eredmények azt mutatják, hogy ez a kompakt, nagy teljesítményű, teljesen szilárdtest 6,45 um-es ZGP-OPO lézer hatékonyan távolítja el a biológiai szöveteket. Összefoglalva, bemutattunk egy kompakt, nagy teljesítményű, teljesen szilárdtest-lézert. MIR impulzusos 6,45 um-os lézerforrás ns ZGP-OPO megközelítésen alapul. 1,53 W maximális átlagos teljesítményt kaptunk 3,65 kW csúcsteljesítmény mellett, és átlagos sugárminőségi tényező M2=1,19. Ennek a 6,45 um-os MIR sugárzásnak a felhasználásával a Elvi bizonyítási kísérletet végeztünk a szövet lézeres ablációjával kapcsolatban. Az ablált szövetfelület hőmérséklet-eloszlását kísérletileg mértük és elméletileg szimuláltuk. A mért adatok jól egyeztek a szimulált eredménnyel. Ezenfelül elméletileg elemeztük a mellékkárosodást Ez az első alkalom.Ezek az eredmények igazolják, hogy a 6,45 um-es asztali MIR impulzuslézerünk hatékonyan távolítja el a biológiai szöveteket, és nagy potenciállal rendelkezik, hogy az orvos- és biológiatudomány gyakorlati eszköze legyen, mivel helyettesítheti a terjedelmes FEL-t,lézerszike.