En kompakt og robust all-solid-state mid-infrarød (MIR) laser på 6,45 um med høy gjennomsnittlig utgangseffekt og nesten Gaussisk strålekvalitet er demonstrert. En maksimal utgangseffekt på 1,53 W med en pulsbredde på omtrent 42 ns ved 10 kHz oppnås ved å bruke en ZnGeP2 (ZGP) optisk parametrisk oscillator (OPO). Dette er den høyeste gjennomsnittlige effekten på 6,45 um for en hvilken som helst solid-state laser så vidt vi vet.Gjennomsnittlig strålekvalitetsfaktor er målt til å være M2=1,19.
Dessuten bekreftes høy utgangseffektstabilitet, med en effektsvingning på mindre enn 1,35 %rms over 2 timer, og laseren kan kjøre effektivt i mer enn 500 timer totalt. hjernevev testes. Videre analyseres den sideordnede skadeeffekten teoretisk for første gang, så vidt vi vet, og resultatene indikerer at denne MIR-laseren har utmerket ablasjonsevne, noe som gjør den til en potensiell erstatning for frie elektronlasere.©2022 Optica Publishing Group
https://doi.org/10.1364/OL.446336
Midt-infrarød (MIR) 6,45 um laserstråling har potensielle anvendelser i høypresisjonsmedisinske felt på grunn av fordelene med en betydelig ablasjonshastighet og minimal sideskade 【1】. Frielektronlasere (FELs), strontiumgasslasere, Raman-lasere og solid-state lasere basert på en optisk parametrisk oscillator (OPO) eller forskjellsfrekvensgenerering (DFG) er ofte brukte 6,45 um laserkilder. Imidlertid begrenser de høye kostnadene, den store størrelsen og den komplekse strukturen til FEL deres applikasjon. Strontiumdamplasere og gass-ramanlasere kan oppnå målbåndene, men begge har dårlig stabilitet,korte ser-
vice-liv, og krever komplekst vedlikehold. Studier viste at 6,45 um solid-state lasere produserer et mindre termisk skadeområde i biologisk vev og at deres ablasjonsdybde er dypere enn for en FEL under de samme forholdene, noe som bekreftet at de kan brukes som et effektivt alternativ til FELs for biologisk vevsablasjon 【2】. I tillegg har faststofflasere fordelene med en kompakt struktur, god stabilitet og
bordplatedrift, noe som gjør dem til lovende verktøy for å skaffe en 6,45μn lyskilde.Som kjent spiller ikke-lineære infrarøde krystaller en viktig rolle i frekvenskonverteringsprosessen som brukes for å oppnå høyytelses MIR-lasere. Sammenlignet med oksid-infrarøde krystaller med en avskjæringskant på 4 um, er ikke-oksiderte krystaller godt egnet til å generere MIR-lasere. Disse krystallene inkluderer de fleste kalkogenidene, slik som AgGaS2 （AGS）【3,41，LiInS2 （LIS）【5,61， LilnSe2 （LISe）（B】）（B】 】，og BaGaSe（BGSe）【10-12】，så vel som fosforforbindelsene CdSiP2(CSP）【13-16】og ZnGeP2 (ZGP）【17】) har begge re-online for de to sistnevnte. for eksempel kan MIR-stråling oppnås ved å bruke CSP-OPOer. De fleste CSP-OPOer opererer imidlertid på en ultrakort (pico- og femtosekund) tidsskala og pumpes synkront av ca. 1 um moduslåste lasere. Dessverre er disse synkront pumpede OPOene（ SPOPO）-systemer har et komplekst oppsett og er kostbare. Gjennomsnittseffekten deres er også lavere enn 100 mW ved rundt 6,45 um【13-16】. Sammenlignet med CSP-krystall har ZGP en høyere laserskadegrenseshold（60 MW/cm2），en høyere termisk ledningsevne（0,36 W/cm K），og en sammenlignbar ikke-lineær koeffisient（75pm/V）。Derfor er ZGP en utmerket MIR ikke-lineær optisk eller krystall for høyeffekt energiapplikasjoner 【18-221. For eksempel ble det demonstrert et flatt, flatt hulrom ZGP-OPO med et innstillingsområde på 3,8-12,4 um pumpet av en 2,93 um laser. Den maksimale enkeltpulsenergien til tomgangslyset ved 6,6 um var 1,2 mJ 【201. For den spesifikke bølgelengden på 6,45 um ble en maksimal enkeltpulsenergi på 5,67 mJ ved en repetisjonsfrekvens på 100 Hz oppnådd ved bruk av et ikke-plant ring OPO-hulrom basert på en ZGP-krystall. Med en repetisjon frekvens på 200Hz, en gjennomsnittlig utgangseffekt på 0,95 W ble nådd 【221. Så vidt vi er kjent med, er dette den høyeste utgangseffekten oppnådd på 6,45 um.Eksisterende studier tyder på at en høyere gjennomsnittlig effekt er nødvendig for effektiv vevsablasjon 【23】. Derfor vil utviklingen av en praktisk høyeffekts 6,45 um laserkilde være av stor betydning for å fremme biologisk medisin.I dette brevet rapporterer vi en enkel, kompakt all-solid-state MIR 6,45 um laser som har en høy gjennomsnittlig utgangseffekt og er basert på en ZGP-OPO pumpet med en nanosekund（ns）-puls 2,09 um
laser. Den maksimale gjennomsnittlige utgangseffekten til 6,45 um laseren er opptil 1,53 W med en pulsbredde på ca. 42ns ved en repetisjonsfrekvens på 10 kHz, og den har utmerket strålekvalitet. Ablatingseffekten til 6,45 um laseren på dyrevev er undersøkt. Dette arbeidet viser at laseren er en effektiv tilnærming for faktisk vevsablasjon, siden den fungerer som en laserskalpell.Det eksperimentelle oppsettet er skissert i fig. 1. ZGP-OPO pumpes av en hjemmelaget LD-pumpet 2,09 um Ho:YAG laser som leverer 28 W gjennomsnittlig effekt ved 10 kHz. med en pulsvarighet på omtrent 102 ns（ FWHM) og en gjennomsnittlig strålekvalitetsfaktor M2 på omtrent 1,7.MI og M2 er to 45 speil med et belegg som er svært reflekterende ved 2,09 um. Disse speilene muliggjør retningskontroll av pumpestrålen. To fokuserende linser （f1 =100 mm ,f2=100 mm) brukes for strålekollimering med en strålediameter på ca. 3,5 mm i ZGP-krystallen. En optisk isolator (ISO) brukes for å forhindre at pumpestrålen returnerer til 2,09 um pumpekilden. En halvbølgeplate （HWP）ved 2,09 um brukes til å kontrollere polarisasjonen av pumpelyset.M3 og M4 er OPO hulromsspeil, med flat CaF2 brukt som underlagsmateriale. Det fremre speilet M3 er antirefleksjonsbelagt (98 %) for pumpen stråle og høyreflekterende belagt (98 %) for 6,45 um tomgangs- og 3,09 um signalbølger. Utgangsspeilet M4 er svært reflekterende (98 %) ved 2,09um og 3,09 um og tillater delvis overføring av tomgangshjulet på 6,45 um.ZGP-krystallen er kuttet ved 6-77,6° og p=45° for type-JⅡ fasetilpasning 【2090.0 （o）6450.0 （o）+3091.9 （e）】, som er mer egnet for en spesifikk lysbølgelengde og en parametrisk bølgelengde linjebredde sammenlignet med type-I fasetilpasning. Dimensjonene til ZGP-krystallen er 5 mm x 6 mm x 25 mm, og den er polert og antirefleksbelagt på begge endefasetter for de tre ovennevnte bølgene. Den er pakket inn i indiumfolie og festet i en kobberkjøleribbe med vannkjøling（T=16）。Kavitetslengden er 27 mm. Rundturstiden til OPO er 0,537 ns for pumpelaseren. Vi testet skadeterskelen til ZGP-krystallen med R -on-I-metoden 【17】. Skadeterskelen til ZGP-krystallen ble målt til å være 0,11 J/cm2 ved 10 kHz.i eksperimentet, tilsvarende en toppeffekttetthet på 1,4 MW/cm2, som er lav på grunn av relativt dårlig beleggskvalitet.Utgangseffekten til det genererte tomgangslyset måles av en energimåler （D,OPHIR，1 uW til 3 W），og bølgelengden til signallyset overvåkes av et spektrometer （APE，1,5-6,3 m）. oppnå en høy utgangseffekt på 6,45 um, vi optimerer utformingen av parameterne til OPO. En numerisk simulering utføres basert på tre-bølge blandingsteori og paraaksiale forplantningskkvasjoner 【24,25】；i simuleringen, vi bruke parametrene som tilsvarer de eksperimentelle betingelsene og anta en inngangspuls med en gaussisk profil i rom og tid. Forholdet mellom OPO utgangsspeil
transmittans, pumpeeffektintensitet og utgangseffektivitet optimaliseres ved å manipulere pumpestråletettheten i hulrommet for å oppnå høyere utgangseffekt samtidig som man unngår skade på ZGP-krystallen og de optiske elementene. Dermed er den høyeste pumpeeffekten begrenset til å være ca. 20 W for ZGP-OPO-drift. Simulerte resultater viser at mens en optimal utgangskobler med en transmittans på 50 % brukes, er den maksimale toppeffekttettheten bare 2,6 x 10 W/cm2 i ZGP-krystallen, og en gjennomsnittlig utgangseffekt på mer enn 1,5 W kan oppnås.Figur 2 viser forholdet mellom den målte utgangseffekten til tomgangshjulet ved 6,45 um og den innfallende pumpeeffekten. Det kan sees av figur 2 at utgangseffekten til tomgangshjulet øker monotont med innfallende pumpeeffekt. Pumpeterskelen tilsvarer en gjennomsnittlig pumpeeffekt på 3,55 WA maksimal tomgangseffekt på 1,53 W oppnås ved en pumpeeffekt på ca. 18,7 W, som tilsvarer en optisk-til-optisk konverteringseffektivitet of ca. 8,20 %% og en kvantekonverteringseffektivitet på 25,31%. For langsiktig sikkerhet drives laseren med nær 70 % av maksimal utgangseffekt. Strømstabiliteten måles ved en utgangseffekt på IW, som vist i innfelt （a） i fig. 2. Det er funnet at den målte effektfluktuasjonen er mindre enn 1,35 %rms på 2 timer, og at laseren kan operere effektivt i mer enn 500 timer totalt. Bølgelengden til signalbølgen måles i stedet for den til tomgangshjulet på grunn av det begrensede bølgelengdeområdet til spektrometeret (APE, 1,5-6,3 um) som ble brukt i vårt eksperiment. Den målte signalbølgelengden er sentrert til 3,09 um og linjebredden er omtrent 0,3 nm, som vist i innfelt （b） i fig. 2. Den sentrale bølgelengden til tomgangshjulet blir deretter utledet til å være 6,45 um. Pulsbredden til tomgangshjulet detekteres av en fotodetektor (Thorlabs, PDAVJ10) og registreres av et digitalt oscilloskop（2GHztronix，2GHztronix， ）。En typisk oscilloskopbølgeform er vist i fig.3 og viser en pulsbredde på omtrent 42 ns. Pulsbreddener 41,18 % smalere for 6,45 um tomganger sammenlignet med 2,09 um pumpepuls på grunn av den tidsmessige forsterkningsinnsnevringseffekten av den ikke-lineære frekvenskonverteringsprosessen. Som et resultat er den tilsvarende tomgangspulsens toppeffekt 3,56 kW. Strålekvalitetsfaktoren til 6,45 um tomgang måles med en laserstråle
analysator (Spiricon,M2-200-PIII) ved 1 W utgangseffekt, som vist i fig. en gjennomsnittlig strålekvalitetsfaktor på M2=1,19. Insctet i fig. 4 viser den todimensjonale (2D) stråleintensitetsprofilen, som har en nesten Gaussisk romlig modus. For å bekrefte at 6,45 um-pulsen gir effektiv ablasjon, et proof-of-princip-eksperiment som involverer laserablasjon av svinehjerne er utført. En f=50 linse brukes for å fokusere 6,45 um pulsstrålen til en midjeradius på omtrent 0,75 mm. Posisjonen som skal ableres på svinehjernevevet er plassert i fokus for laserstrålen. Overflatetemperaturen (T) til det biologiske vevet som funksjon av den radielle plasseringen r måles synkront med et termokamera (FLIR A615) under ablasjonsprosessen. Bestrålingsvarighetene er 1 ,2,4,6,10，og 20 s ved en lasereffekt på I W. For hver bestrålingsvarighet blir seks prøveposisjoner blåst:r=0,0,62,0,703,1.91,3.05，og 4.14 mm langs den radielle retningen i forhold til senterpunktet for bestrålingsposisjonen, som vist i Fig. 5. Firkantene er de målte temperaturdataene. Det er funnet i Fig. 5 at overflatetemperaturen ved ablasjonsposisjonen på vevet øker med økende bestrålingsvarighet. De høyeste temperaturene T ved midtpunktet r=0 er 132.39,160.32,196.34，
205.57.206.95，og 226.05C for bestrålingsvarigheter på henholdsvis 1,2，4,6,10，og 20 s.For å analysere den kollaterale skaden simuleres temperaturfordelingen på den ablerte vevsoverflaten. Dette utføres iht. termisk ledningsteori for biologisk vev126】og teorien om laserutbredelse i biologisk vev 【27】kombinert med de optiske parameterne til svinehjerne 1281.
Simuleringen utføres med antagelsen om en inngående gaussisk stråle. Siden det biologiske vevet som ble brukt i eksperimentet er isolert svinehjernevev, ignoreres påvirkningen av blod og metabolisme på temperaturen, og svinehjernevevet forenkles til formen på en sylinder for simulering. Parametrene som brukes i simuleringen er oppsummert i tabell 1. De heltrukne kurvene vist i fig. 5 er de simulerte radielle temperaturfordelingene med hensyn til ablasjonssenteret på vevsoverflaten for de seks forskjellige bestrålingene varighet. De viser en Gaussisk temperaturprofil fra sentrum til periferien. Det er tydelig fra fig. 5 at de eksperimentelle dataene stemmer godt overens med de simulerte resultatene. Det fremgår også av fig. 5 at den simulerte temperaturen i midten av ablasjonsposisjonen øker etter hvert som bestrålingsvarigheten øker for hver bestråling. Tidligere forskning har vist at cellene i vevet er helt trygge ved temperaturer under55C, som betyr at celler forblir aktive i de grønne sonene (T<55C) på kurvene i fig. 5. Den gule sonen for hver kurve (55C)60C）。Det kan observeres i Fig.5 at de simulerte ablasjonsradiene ved T=60°Care0.774,0.873,0.993,1.071,1.198 og 1.364 mm, henholdsvis for bestrålingsvarigheter på 1,6,4， 10, og 20s, mens de simulerte ablasjonsradiene ved T=55C er henholdsvis 0,805, 0,908, 1,037, 1,134, 1,271, og 1,456 mm. 2.394,3.098,3.604,4.509 og 5.845 mm2 for henholdsvis 1,2,4,6,10 og 20 s med bestråling. Området med sideskadeområdet er funnet å være 0.003,0.0040.013,010,0. og 0,027 mm2. Det kan sees at laserablasjonssonene og sideskadesonene øker med bestrålingsvarigheten. Vi definerer collateral damage ratio til å være forholdet mellom collateral damage area ved 55C s T60C. Collateral damage ratio er funnet. å være 8,17 %，8,18 %，9,06 %，12,11 %，12,56 %， og 13,94 % for forskjellige bestrålingstider, noe som betyr at den sideordnede skaden til det ablerte vevet er liten. Derfor er omfattende eksperimenterl data og simuleringsresultater viser at denne kompakte, høykraftige, all-solid-state 6,45 um ZGP-OPO-laseren gir effektiv ablasjon av biologisk vev. Avslutningsvis har vi demonstrert en kompakt, høy-effekt, all-solid-state MIR-pulset 6,45 um laserkilde basert på en ns ZGP-OPO-tilnærming. En maksimal gjennomsnittlig effekt på 1,53 W ble oppnådd med en toppeffekt på 3,65 kW og en gjennomsnittlig strålekvalitetsfaktor på M2=1,19. Ved å bruke denne 6,45 um MIR-stråling, proof-of-princip-eksperiment på laserablasjon av vev ble utført. Temperaturfordelingen på den ablerte vevsoverflaten ble eksperimentelt målt og teoretisk simulert. De målte data stemte godt overens med de simulerte resultatene. Dessuten ble sideskadene teoretisk analysert for første gang. Disse resultatene bekrefter at vår bordplate MIR-pulslaser på 6,45 um tilbyr effektiv ablasjon av biologiske vev og har stort potensial til å være et praktisk verktøy innen medisinsk og biologisk vitenskap, da den kan erstatte en klumpete FEL somen laserskalpell.