Zademonstrowano kompaktowy i wytrzymały, całkowicie półprzewodnikowy laser （MIR） w zakresie średniej podczerwieni, przy 6,45 um z wysoką średnią mocą wyjściową i jakością wiązki zbliżoną do Gaussa. Maksymalna moc wyjściowa 1,53 W przy szerokości impulsu około 42 ns przy 10 kHz osiąga się przy użyciu optycznego oscylatora parametrycznego ZnGeP2（ZGP）OPO）。Jest to najwyższa średnia moc przy 6,45um spośród wszystkich laserów na ciele stałym, zgodnie z naszą najlepszą wiedzą.Mierzony średni współczynnik jakości wiązki wynosi M2=1,19.
Co więcej, potwierdzona jest wysoka stabilność mocy wyjściowej, przy wahaniach mocy poniżej 1,35% rms w ciągu 2 godzin, a laser może działać wydajnie przez łącznie ponad 500 godzin. Użycie tego impulsu 6,45 um jako źródła promieniowania, ablacja zwierzęcia Testowana jest tkanka mózgowa. Co więcej, efekt uszkodzeń ubocznych jest analizowany teoretycznie po raz pierwszy, zgodnie z naszą najlepszą wiedzą, a wyniki wskazują, że ten laser MIR ma doskonałą zdolność ablacji, co czyni go potencjalnym zamiennikiem laserów na swobodnych elektronach.©2022 Grupa Wydawnicza Optica

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

Promieniowanie laserowe średniej podczerwieni （MIR）6,45 um ma potencjalne zastosowania w dziedzinach medycyny o wysokiej precyzji ze względu na swoje zalety znacznej szybkości ablacji i minimalnych uszkodzeń ubocznych 【1】. Lasery na swobodnych elektronach （FELs），lasery na parze strontu, gaz Lasery ramanowskie i lasery na ciele stałym oparte na optycznym oscylatorze parametrycznym (OPO) lub generowaniu częstotliwości różnicowej (DFG) są powszechnie stosowane jako źródła laserowe 6,45 um. Jednak wysoki koszt, duży rozmiar i złożona struktura FELs ograniczają ich Zastosowanie. Lasery parowe strontu i gazowe lasery Ramana mogą uzyskać pasma docelowe, ale oba mają słabą stabilność, krótkie ser-
imadła żyją i wymagają skomplikowanej konserwacji. Badania wykazały, że lasery na ciele stałym 6,45 um powodują mniejszy zakres uszkodzeń termicznych w tkankach biologicznych oraz że ich głębokość ablacji jest głębsza niż w przypadku lasera laserowego w tych samych warunkach, co potwierdziło, że mogą być stosowane jako skuteczna alternatywa dla FEL do ablacji tkanek biologicznych 【2】. Ponadto lasery na ciele stałym mają zalety zwartej struktury, dobrej stabilności i

działanie na stole, co czyni je obiecującymi narzędziami do uzyskania źródła światła o średnicy 6,45 μn.Jak dobrze wiadomo, nieliniowe kryształy podczerwieni odgrywają ważną rolę w procesie konwersji częstotliwości stosowanym do uzyskania wysokowydajnych laserów MIR. W porównaniu z tlenkowymi kryształami podczerwieni z krawędzią odcięcia 4 um, kryształy nietlenkowe są dobrze nadaje się do generowania laserów MIR. Te kryształy zawierają większość chalkogenków, takich jak AgGaS2 （AGS）【3,41，LiInS2（LIS）【5,61，LilnSe2（LISe）【7】，BaGaS（BGS）【8,9 i BaGaSe（BGSe）【10-12】，oraz związki fosforu CdSiP2（CSP）【13-16】i ZnGeP2 （ZGP）【17】；te dwa ostatnie mają stosunkowo duże współczynniki nieliniowe. na przykład promieniowanie MIR można uzyskać za pomocą CSP-OPO. Jednak większość CSP-OPO działa w ultrakrótkiej, piko- i femtosekundowej skali czasu i jest pompowana synchronicznie przez lasery z blokadą trybu około 1 um. Niestety te synchronicznie pompowane OPO（ Systemy SPOPO mają złożoną konfigurację i są kosztowne. Ich średnie moce są również niższe niż 100 mW przy około 6,45 um (13-16).ma （60 MW/cm2），wyższą przewodność cieplną（0,36W/cmK），iporównywalny współczynnik nieliniowości（75pm/V）。Dlatego ZGP jest doskonałym nieliniowym kryształem optycznym MIR dla dużej mocy lub wysokiej Zastosowania energetyczne 【18-221. Zademonstrowano na przykład płaską wnękę ZGP-OPO o zakresie strojenia 3,8-12,4 um pompowaną laserem 2,93 um. 1,2 mJ 【 201. Dla właściwej długości fali 6,45 um osiągnięto maksymalną energię pojedynczego impulsu 5,67 mJ przy częstotliwości repetycji 100 Hz przy użyciu niepłaskiej pierścieniowej wnęki OPO opartej na krysztale ZGP. Z powtórzeniem częstotliwość 200 Hz, średnia moc wyjściowa 0,95 W została osiągnięta 【 221. O ile nam wiadomo, jest to najwyższa moc wyjściowa osiągnięta przy 6,45 um.Dotychczasowe badania sugerują, że do skutecznej ablacji tkanek konieczna jest wyższa moc średnia 【23】. Dlatego opracowanie praktycznego źródła lasera o dużej mocy 6,45 um miałoby ogromne znaczenie w promocji medycyny biologicznej.W tym liście przedstawiamy prosty, kompaktowy laser półprzewodnikowy MIR 6,45 um, który ma wysoką średnią moc wyjściową i jest oparty na ZGP-OPO pompowanym przez impuls nanosekundowy ns） 2,09 um

lasera. Maksymalna średnia moc wyjściowa lasera 6,45 um wynosi do 1,53 W przy szerokości impulsu około 42 ns przy częstotliwości powtarzania 10 kHz i ma doskonałą jakość wiązki. Efekt ablacji lasera 6,45 um na tkankę zwierzęcą jest przedmiotem badań. Praca ta pokazuje, że laser jest skutecznym podejściem do rzeczywistej ablacji tkanek, ponieważ działa jak skalpel laserowy.Układ doświadczalny jest naszkicowany na Rys. 1. ZGP-OPO jest pompowany przez domowy laser Ho:YAG 2,09 um pompowany LD, który dostarcza 28 W średniej mocy przy 10 kHz. z czasem trwania impulsu około 102 ns（ FWHM） i średni współczynnik jakości wiązki M2 wynoszący około 1,7.MI i M2 to dwa 45 luster z powłoką o wysokim współczynniku odbicia 2,09 um. Zwierciadła te umożliwiają sterowanie kierunkiem wiązki pompującej. Dwie soczewki skupiające （f1 =100mm ,f2=100 mm）są stosowane do kolimacji wiązki o średnicy wiązki około 3,5 mm w krysztale ZGP.Izolator optyczny （ISO） służy do zapobiegania powrotowi wiązki pompy do źródła pompy 2,09 um.Płytka półfalowa （HWP） 2,09 um służy do kontrolowania polaryzacji światła pompy. M3 i M4 to lustra wnękowe OPO, z płaskim CaF2 używanym jako materiał podłoża. Lusterko przednie M3 jest pokryte powłoką antyrefleksyjną (98%) dla pompy wiązka i powłoka o wysokim współczynniku odbicia （98%） dla fal pośrednich 6,45 um i fal sygnałowych 3,09 um. Zwierciadło wyjściowe M4 ma wysoki współczynnik odbicia (98%) przy 2,09um i 3,09 um i umożliwia częściową transmisję koła napinającego 6,45 um.Kryształ ZGP jest cięty pod kątem 6-77,6° i p=45° dla dopasowania fazy typu JⅡ 【2090,0 （o）6450,0 （o）+3091,9 （e）】，, co jest bardziej odpowiednie dla określonej długości fali i daje światło parametryczne o węższym szerokość linii w porównaniu z dopasowaniem fazowym typu I. Wymiary kryształu ZGP to 5 mm x 6 mm x 25 mm i jest polerowany i pokryty powłoką antyrefleksyjną na obu końcowych ściankach dla powyższych trzech fal. Jest owinięty folią indową i zamocowany w miedzianym radiatorze z chłodzeniem wodnym（T=16）。Długość wnęki wynosi 27 mm.Czas podróży w obie strony OPO wynosi 0,537 ns dla lasera pompującego.Przetestowaliśmy próg uszkodzenia kryształu ZGP metodą R -metoda na I 【17】. Próg uszkodzenia kryształu ZGP został zmierzony na 0,11 J/cm2 przy 10 kHz.W eksperymencie, co odpowiada szczytowej gęstości mocy 1,4 MW/cm2，, która jest niska ze względu na stosunkowo słaba jakość powłoki.Moc wyjściowa generowanego światła biegu jałowego jest mierzona przez licznik energii （D,OPHIR， 1 uW do 3 W）， a długość fali światła sygnalizacyjnego jest monitorowana przez spektrometr （APE， 1,5-6,3 m）。 W celu uzyskujemy wysoką moc wyjściową 6,45 um, optymalizujemy projektowanie parametrów OPO. Przeprowadzamy symulację numeryczną w oparciu o teorię mieszania trójfalowego i równania propagacji przyosiowej 【24,25】；w symulacji zastosować parametry odpowiadające warunkom eksperymentalnym i przyjąć impuls wejściowy o profilu gaussowskim w przestrzeni i czasie. Związek między lustrem wyjściowym OPO

przepuszczalność, intensywność mocy pompy i wydajność wyjściowa są zoptymalizowane poprzez manipulowanie gęstością wiązki pompy we wnęce, aby osiągnąć wyższą moc wyjściową, jednocześnie unikając uszkodzenia kryształu ZGP i elementów optycznych. W ten sposób najwyższa moc pompy jest ograniczona do około 20 W dla działania ZGP-OPO. Wyniki symulacji pokazują, że przy wykorzystaniu optymalnego sprzęgacza wyjściowego o przepuszczalności 50%, maksymalna szczytowa gęstość mocy wynosi tylko 2,6 x 10 W/cm2 w krysztale ZGP, a średnia moc wyjściowa więcej niż 1,5 W. Rysunek 2 pokazuje zależność między zmierzoną mocą wyjściową krążnika przy 6,45 um a padającą mocą pompy. Z rys. 2 widać, że moc wyjściowa krążnika wzrasta monotonnie wraz z padającej mocy pompy. Próg pompy odpowiada średniej mocy pompy 3,55 W Maksymalna moc wyjściowa biegu jałowego 1,53 W jest osiągana przy mocy pompy około 18,7 W, co odpowiada sprawności konwersji optyczno-optycznej of około 8,20% i współczynnik konwersji kwantowej 25,31%. W celu zapewnienia długoterminowego bezpieczeństwa laser działa przy prawie 70% maksymalnej mocy wyjściowej. Stabilność mocy mierzy się przy mocy wyjściowej IW, zgodnie z pokazano na wstawce （a） na rys. 2. Stwierdzono, że zmierzona fluktuacja mocy jest mniejsza niż 1,35% rms w ciągu 2 godzin, a laser może pracować wydajnie łącznie przez ponad 500 godzin. Długość fali sygnału jest mierzony zamiast luzu ze względu na ograniczony zakres długości fal spektrometru APE，1,5-6,3 um） użytego w naszym eksperymencie. Zmierzona długość fali sygnału jest wyśrodkowana na 3,09 um, a szerokość linii wynosi około 0,3 nm, jak pokazano we wstawce (b) na ryc. 2. Środkowa długość fali koła pasowego jest następnie wyliczana jako 6,45 µm. Szerokość impulsu koła pasowego jest wykrywana przez fotodetektor (Thorlabs, PDAVJ10) i rejestrowana przez oscyloskop cyfrowy (Tcktronix) 2 GHz ）。Typowy przebieg oscyloskopu pokazano na rys. 3 i wyświetla szerokość impulsu około 42 ns. Szerokość impulsujest o 41,18% węższy dla koła pasowego 6,45 um w porównaniu do impulsu pompy 2,09 um ze względu na efekt zawężenia wzmocnienia czasowego w procesie nieliniowej konwersji częstotliwości. Koło pasowe 6,45 um jest mierzone wiązką laserową

analizator （Spiricon,M2-200-PIII）przy mocy wyjściowej 1W, jak pokazano na rys.4. Zmierzone wartości M2 i M，2 wynoszą 1,32 i 1,06 odpowiednio wzdłuż osi x i y, co odpowiada średni współczynnik jakości wiązki M2 = 1,19. Na rys. 4 przedstawiono dwuwymiarowy profil natężenia wiązki 2D, który ma charakter przestrzenny zbliżony do Gaussa. Aby zweryfikować, czy impuls 6,45 μm zapewnia skuteczną ablację, przeprowadza się eksperyment sprawdzający zgodność z zasadą polegający na ablacji laserowej mózgu świni. Soczewka f=50 jest wykorzystywana do ogniskowania wiązki impulsowej 6,45 µm na promieniu talii około 0,75 mm. Pozycja do ablacji na tkance mózgowej świni jest umieszczana w ognisku wiązki laserowej. Temperatura powierzchni （T） tkanki biologicznej w funkcji promieniowego położenia r jest mierzona przez termokamerę FLIR A615 synchronicznie podczas procesu ablacji. Czas trwania napromieniania wynosi 1 ,2,4,6,10，i 20 s przy mocy lasera I W. Dla każdego czasu napromieniania wybitych jest sześć pozycji próbki: r=0,0,62,0,703,1,91,3,05， i 4,14 mm wzdłuż kierunku promieniowego w odniesieniu do punktu środkowego pozycji napromieniowania, jak pokazano na ryc. 5. Kwadraty to zmierzone dane temperatury. Na ryc. w pozycji ablacji na tkance wzrasta wraz ze wzrostem czasu trwania napromieniania. Najwyższe temperatury T w punkcie centralnym r=0 wynoszą 132,39,160,32,196,34，

205,57,206,95， i 226,05C dla czasu trwania napromieniania odpowiednio 1,2，4,6,10， i 20 s. Aby przeanalizować uszkodzenie oboczne, symulowany jest rozkład temperatury na powierzchni tkanki poddanej ablacji. teoria przewodnictwa cieplnego w tkance biologicznej126】oraz teoria propagacji lasera w tkance biologicznej【27】w połączeniu z parametrami optycznymi mózgu świni 1281.
Symulacja jest przeprowadzana przy założeniu wejściowej wiązki Gaussa. Ponieważ tkanka biologiczna użyta w eksperymencie jest izolowaną tkanką mózgową świni, wpływ krwi i metabolizmu na temperaturę jest ignorowany, a tkanka mózgowa świni jest uproszczona do postaci kształt walca do symulacji. Parametry wykorzystane w symulacji podsumowano w tabeli 1. Pełne krzywe pokazane na ryc. 5 są symulowanymi promieniowymi rozkładami temperatury w odniesieniu do środka ablacji na powierzchni tkanki dla sześciu różnych napromieniań czasy trwania. Wykazują gaussowski profil temperatury od środka do obrzeża. Z ryc. 5 widać, że dane doświadczalne zgadzają się z wynikami symulacji. Z ryc. 5 widać również, że symulowana temperatura w środku pozycja ablacji wzrasta wraz ze wzrostem czasu trwania napromieniania dla każdego napromieniania. Wcześniejsze badania wykazały, że komórki w tkance są całkowicie bezpieczne w temperaturach poniżej55C, co oznacza, że ​​komórki pozostają aktywne w zielonych strefach （T<55C）krzywych na Rys.5. Żółta strefa każdej krzywej（55C60C）。 Na rys. 5 można zaobserwować, że symulowane promienie ablacji przy T=60° Caree0.774,0.873,0.993,1.071,1.198 i 1.364 mm, odpowiednio, dla czasu trwania napromieniania 1,2,4，6, 10， i 20s, podczas gdy symulowane promienie ablacji przy T=55C wynoszą odpowiednio 0,805, 0,908, 1,037,1,134, 1,271， i 1,456 mm. Po ilościowej analizie efektu ablacji stwierdzono, że łuk z martwymi komórkami wynosi 1,882, 2,394,3,098,3,604,4,509， i 5,845 mm2 odpowiednio dla 1,2,4,6,10， i 20s napromieniowania. Stwierdzono, że obszar z pobocznymi uszkodzeniami wynosi 0,003,0,00400,006,0,013,0,017， i 0,027 mm2. Widać, że strefy ablacji laserowej i strefy uszkodzeń pobocznych zwiększają się wraz z czasem naświetlania. Współczynnik uszkodzeń pobocznych definiujemy jako stosunek powierzchni uszkodzeń pobocznych przy 55C s T60C. Ustalono współczynnik uszkodzeń pobocznych wyniesie 8,17%，8,18%，9,06%，12,11%，12,56%， i 13,94% dla różnych czasów napromieniania, co oznacza, że ​​uboczne uszkodzenia tkanek poddanych ablacji są niewielkie.Dane i wyniki symulacji pokazują, że ten kompaktowy, wysokiej mocy, całkowicie stały laser ZGP-OPO 6,45 um zapewnia skuteczną ablację tkanek biologicznych. Podsumowując, wykazaliśmy kompaktowy, wysokiej mocy, całkowicie stały Impulsowe źródło lasera MIR 6,45 um oparte na podejściu ns ZGP-OPO. Maksymalną średnią moc 1,53 W uzyskano przy mocy szczytowej 3,65 kW i średnim współczynniku jakości wiązki M2 = 1,19. Przy użyciu tego promieniowania MIR 6,45 um, Przeprowadzono eksperyment dowodowy dotyczący ablacji laserowej tkanki. Rozkład temperatury na powierzchni poddanej ablacji tkanki został zmierzony doświadczalnie i symulowany teoretycznie. Zmierzone dane dobrze zgadzały się z wynikami symulacji. Ponadto przeanalizowano teoretycznie uszkodzenia oboczne po raz pierwszy. Wyniki te potwierdzają, że nasz stołowy laser pulsacyjny MIR o mocy 6,45 um zapewnia skuteczną ablację tkanek biologicznych i ma ogromny potencjał, aby stać się praktycznym narzędziem w naukach medycznych i biologicznych, ponieważ mógłby zastąpić nieporęczny FEL jakoskalpel laserowy.