Demonstruojamas kompaktiškas ir tvirtas viso kietojo kūno vidutinio infraraudonųjų spindulių (MIR) lazeris su didele vidutine išėjimo galia ir beveik Gauso pluošto kokybe. Didžiausia išėjimo galia 1,53 W, o impulso plotis maždaug 42 ns esant 10 kHz pasiekiamas naudojant ZnGeP2 (ZGP) optinį parametrinį osciliatorių (OPO). Tai didžiausia bet kurio kietojo kūno lazerio vidutinė galia esant 6,45 um, kiek mums žinoma.Vidutinis pluošto kokybės koeficientas išmatuotas M2=1,19.
Be to, patvirtintas didelis išėjimo galios stabilumas, kai galios svyravimas yra mažesnis nei 1,35 % rms per 2 valandas, o lazeris gali efektyviai veikti daugiau nei 500 valandų iš viso. Naudojant šį 6,45 um impulsą kaip spinduliuotės šaltinį, gyvūno abliacija Ištirtas smegenų audinys. Be to, mūsų žiniomis, pirmą kartą teoriškai išanalizuotas šalutinio pažeidimo poveikis, o rezultatai rodo, kad šis MIR lazeris pasižymi puikiomis abliacijos savybėmis, todėl gali pakeisti laisvųjų elektronų lazerius.©2022 Optica Publishing Group

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

Vidutinės infraraudonosios spinduliuotės (MIR) 6,45 um lazerio spinduliuotę galima pritaikyti didelio tikslumo medicinos srityse dėl didelio abliacijos greičio ir minimalios papildomos žalos 【1】. Laisvųjų elektronų lazeriai (FEL), stroncio garų lazeriai, dujų Ramano lazeriai ir kietojo kūno lazeriai, pagrįsti optiniu parametriniu osciliatoriumi (OPO) arba skirtumo dažnių generavimu (DFG), yra dažniausiai naudojami 6,45 um lazeriniai šaltiniai. Tačiau didelė kaina, didelis dydis ir sudėtinga FEL struktūra riboja jų naudojimą. Stroncio garų lazeriai ir dujiniai Ramano lazeriai gali gauti tikslines juostas, tačiau abu yra prastai stabilūs, trumpas tarnavimo laikas.
Tyrimai parodė, kad 6,45 um kietojo kūno lazeriai sukelia mažesnį terminio pažeidimo diapazoną biologiniuose audiniuose ir kad jų abliacijos gylis yra gilesnis nei FEL tomis pačiomis sąlygomis, o tai patvirtino, kad jie gali gali būti naudojama kaip veiksminga FEL alternatyva biologiniam audinių abliacijai 【2】. Be to, kietojo kūno lazeriai turi kompaktiškos struktūros, gero stabilumo ir pranašumų.

stalviršio valdymas, todėl jie yra perspektyvūs įrankiai 6,45 μn šviesos šaltiniui gauti.Kaip gerai žinoma, netiesiniai infraraudonųjų spindulių kristalai atlieka svarbų vaidmenį dažnio keitimo procese, naudojamiems norint pasiekti didelio našumo MIR lazerius. Palyginti su oksidiniais infraraudonųjų spindulių kristalais su 4 um ribine briauna, ne oksidiniai kristalai yra geri. Tinka MIR lazeriams generuoti. Šiuose kristaluose yra dauguma chalkogenidų, tokių kaip AgGaS2 (AGS)【3,41, LiInS2 (LIS）【5,61, LilnSe2 （LISe）【7〼S（LISe）【7〼GGS8) 】，ir BaGaSe（BGSe）【10-12】，, taip pat fosforo junginiai CdSiP2（CSP）【13-16】 ir ZnGeP2 (pastarieji ZGP）【17】 abu turi netiesioginį efektyvumą). Pavyzdžiui, MIR spinduliuotę galima gauti naudojant CSP-OPO. Tačiau dauguma CSP-OPO veikia itin trumpu (piko ir femtosekundės) laiko skale ir yra sinchroniškai siurbiami maždaug 1 um režimu blokuotų lazerių. Deja, šie sinchroniškai pumpuojami OPO. SPOPO）sistemos yra sudėtingos ir brangios. Jų vidutinė galia taip pat yra mažesnė nei 100 mW, esant maždaug 6,45 um【13-16】】. Palyginti su CSP kristalais, ZGP turi didesnį lazerio pažeidimo ribą.turėtų (60 MW/cm2), didesnis šilumos laidumas (0,36 W/cm K) ir panašus netiesinis koeficientas (75 pm/V). Todėl ZGP yra puikus MIR netiesinis optinis kristalas, skirtas didelės galios arba didelės galios energijos pritaikymas 【18-221. Pavyzdžiui, buvo parodyta plokščia plokščia ertmė ZGP-OPO, kurios derinimo diapazonas yra 3,8-12,4 um, pumpuojamas 2,93 um lazeriu. Didžiausia vieno impulso tuščiosios eigos šviesos energija, esant 6,6 um 1,2 mJ 【201. Esant specifiniam 6,45 um bangos ilgiui, maksimali 5,67 mJ vieno impulso energija, esant 100 Hz pasikartojimo dažniui, buvo pasiekta naudojant neplokštuminę žiedo OPO ertmę, pagrįstą ZGP kristalu. Su pasikartojimu 200 Hz dažnis, vidutinė išėjimo galia buvo 0,95 W 【221. Kiek mums žinoma, tai yra didžiausia išėjimo galia, pasiekta esant 6,45 um.Esami tyrimai rodo, kad veiksmingai audinių abliacijai reikalinga didesnė vidutinė galia 【23】. Todėl praktinio didelės galios 6,45 um lazerio šaltinio sukūrimas būtų labai svarbus propaguojant biologinę mediciną.Šiame laiške pranešame apie paprastą, kompaktišką kietojo kūno MIR 6,45 um lazerį, kurio vidutinė išėjimo galia yra didelė ir pagrįstas ZGP-OPO, pumpuojamu nanosekundės (ns) impulsu 2,09 um.

lazeris.Didžiausia vidutinė 6,45 um lazerio išėjimo galia yra iki 1,53 W, o impulso plotis yra maždaug 42 ns, kai pasikartojimo dažnis yra 10 kHz, ir jis pasižymi puikia spindulio kokybe.6,45 um lazerio abliacinis poveikis gyvūnų audiniams Šis darbas rodo, kad lazeris yra veiksmingas būdas realiai pašalinti audinius, nes jis veikia kaip lazerinis skalpelis.Eksperimentinė sąranka pavaizduota 1 pav. ZGP-OPO pumpuojamas namuose pagamintu LD pumpuojamu 2,09 um Ho:YAG lazeriu, kuris tiekia 28 W vidutinę galią esant 10 kHz. Su maždaug 102 ns impulso trukme. FWHM) ir vidutinis spindulio kokybės koeficientas M2 yra maždaug 1,7.MI ir M2 yra du 45 veidrodžiai su danga, kuri labai atspindi 2,09 um. Šie veidrodžiai leidžia valdyti siurblio pluošto kryptį. Du fokusuojantys lęšiai (f1 = 100 mm ,f2=100 mm) naudojami spindulio kolimacijai, kai spindulio skersmuo ZGP kristale yra apie 3,5 mm. Optinis izoliatorius (ISO) naudojamas, kad siurblio pluoštas negrįžtų į 2,09 um siurblio šaltinį. Pusinės bangos plokštė (HWP), esant 2,09 um, naudojamas siurblio šviesos poliarizacijai valdyti. M3 ir M4 yra OPO ertmių veidrodžiai, o kaip pagrindo medžiaga naudojamas plokščias CaF2. Priekinis veidrodis M3 yra padengtas antirefleksine danga (98 %) siurbliui. 6,45 um tuščiosios eigos ir 3,09 um signalo bangoms padengtas spindulys ir didelio atspindžio danga (98 %). Išėjimo veidrodis M4 labai atspindi (98 %), esant 2,09um ir 3,09 um ir leidžia dalinai perduoti 6,45 um tuščiąja eiga.ZGP kristalas yra supjaustytas 6–77,6 ° ir p = 45 ° JⅡ tipo fazių suderinimui 【2090,0 (o) 6450,0 (o) +3091,9 (e) 】, kuris labiau tinka tam tikram parametrui su siauresniu bangos ilgiu. linijos plotis, palyginti su I tipo fazių suderinimu. ZGP kristalo matmenys yra 5 mm x 6 mm x 25 mm, jis yra poliruotas ir padengtas antirefleksine danga iš abiejų galinių briaunų, atitinkančių aukščiau nurodytas tris bangas. Jis suvyniotas į indžio foliją ir pritvirtintas variniame šilumos kriaukle su vandens aušinimu (T = 16). Ertmės ilgis yra 27 mm. OPO veikimo laikas yra 0,537 ns siurblio lazeriui. Išbandėme ZGP kristalo pažeidimo slenkstį R. -on-I metodas 【17】. Eksperimento metu ZGP kristalo pažeidimo slenkstis buvo 0,11 J/cm2 esant 10 kHz. Tai atitinka didžiausią 1,4 MW/cm2 galios tankį, kuris yra mažas dėl santykinai prasta dangos kokybė.Sukurtos tuščiosios eigos šviesos išėjimo galia matuojama energijos matuokliu (D,OPHIR), nuo 1 uW iki 3 W), o signalinės šviesos bangos ilgis stebimas spektrometru (APE), 1,5–6,3 m). gauname didelę 6,45 um išėjimo galią, optimizuojame OPO parametrų dizainą. Atliekamas skaitinis modeliavimas remiantis trijų bangų maišymo teorija ir paraksialinio sklidimo lygtimis 【24,25】；, modeliuojant, mes naudoti eksperimentines sąlygas atitinkančius parametrus ir priimti įvesties impulsą su Gauso profiliu erdvėje ir laike. Ryšys tarp OPO išvesties veidrodžio

pralaidumas, siurblio galios intensyvumas ir išėjimo efektyvumas optimizuojami manipuliuojant siurblio pluošto tankiu ertmėje, kad būtų pasiekta didesnė išėjimo galia, kartu išvengiant ZGP kristalo ir optinių elementų pažeidimo. Taigi didžiausia siurblio galia ribojama iki maždaug 20 W ZGP-OPO veikimui. Imituoti rezultatai rodo, kad naudojant optimalią išėjimo jungtį, kurios pralaidumas yra 50%, didžiausias ZGP kristalo didžiausios galios tankis yra tik 2,6 x 10 W/cm2, o vidutinė išėjimo galia galima gauti daugiau nei 1,5 W. 2 paveiksle parodytas ryšys tarp išmatuotos tuščiosios eigos išėjimo galios esant 6,45 um ir krintančios siurblio galios. Iš 2 pav. matyti, kad tuščiosios eigos išėjimo galia didėja monotoniškai krintančio siurblio galia. Siurblio slenkstis atitinka vidutinę 3,55 WA siurblio galią. Didžiausia 1,53 W tuščiosios eigos išėjimo galia pasiekiama esant maždaug 18,7 W siurblio galiai, o tai atitinka optinio į optinį konversijos efektyvumą.f apytiksliai 8,20 %, o kvantinės konversijos koeficientas 25,31 %. Siekiant ilgalaikio saugumo, lazeris veikia beveik 70 % jo didžiausios išėjimo galios. Galios stabilumas matuojamas esant IW išėjimo galiai. Nustatyta, kad išmatuotas galios svyravimas yra mažesnis nei 1,35 % rms per 2 valandas ir kad lazeris gali efektyviai veikti iš viso daugiau nei 500 h. Signalo bangos bangos ilgis matuojamas vietoj tuščiosios eigos dėl riboto mūsų eksperimente naudojamo spektrometro (APE, 1,5–6,3 um) bangų ilgio diapazono. Išmatuotas signalo bangos ilgis yra 3,09 um centre, o linijos plotis yra maždaug 0,3 nm, kaip parodyta. 2 pav. (b). Tada išvedamas centrinis tuščiosios eigos bangos ilgis yra 6,45 um. Tuščiosios eigos impulso plotis aptinkamas fotodetektoriumi (Thorlabs, PDAVJ10) ir įrašomas skaitmeniniu osciloskopu (Tcktronix). ）。Tipinė osciloskopo bangos forma parodyta 3 pav. ir rodo apytiksliai 42 ns impulso plotį. Impulso plotisyra 41,18 % siauresnis 6,45 um tuščiosios eigos atveju, palyginti su 2,09 um siurblio impulsu dėl netiesinio dažnio konvertavimo proceso laikinojo stiprinimo susiaurėjimo efekto. Dėl to atitinkama tuščiosios eigos impulso didžiausia galia yra 3,56 kW. 6,45 um tuščioji eiga matuojama lazerio spinduliu

analizatorius (Spiricon, M2-200-PIII), esant 1 W išėjimo galiai, kaip parodyta 4 pav. Išmatuotos M2 ir M, 2 vertės yra atitinkamai 1,32 ir 1,06 išilgai x ašies ir y ašių, atitinkančios vidutinis pluošto kokybės koeficientas M2 = 1,19. 4 paveiksle parodytas dvimatis (2D) pluošto intensyvumo profilis, kuris turi beveik Gauso erdvinį režimą. Norėdami patikrinti, ar 6,45 um impulsas užtikrina veiksmingą abliaciją, atliekamas principo įrodymas, apimantis kiaulių smegenų abliaciją lazeriu. Naudojamas lęšis f=50, kad sufokusuotų 6,45 um impulso spindulį iki maždaug 0,75 mm juosmens spindulio. Padėtis, kurią reikia pašalinti ant kiaulių smegenų audinio dedamas lazerio spindulio židinyje. Biologinio audinio paviršiaus temperatūra (T) kaip radialinės padėties r funkcija yra matuojama termokamera (FLIR A615) sinchroniškai abliacijos proceso metu. Švitinimo trukmė yra 1 ,2, 4, 6, 10 ir 20 s, kai lazerio galia yra 1 W. Kiekvienai švitinimo trukmei išpūstos šešios mėginio padėtys: r = 0,0,62, 0,703, 1,91, 3,05 ir 4,14 mm radialine kryptimi švitinimo padėties centro taško atžvilgiu, kaip parodyta 5 pav. Kvadratai yra išmatuotos temperatūros duomenys. 5 pav. abliacijos padėtyje ant audinio didėja didėjant švitinimo trukmei. Aukščiausios temperatūros T centro taške r=0 yra 132,39,160,32,196,34，

205.57, 206.95，ir 226.05C, kai švitinimo trukmė yra atitinkamai 1,2, 4,6,10 ir 20 s. Norint išanalizuoti šalutinį pažeidimą, modeliuojamas temperatūros pasiskirstymas nuvalyto audinio paviršiuje. Tai atliekama pagal Biologinio audinio šilumos laidumo teorija126】 ir lazerio sklidimo biologiniame audinyje teorija 【27】, kartu su kiaulių smegenų 1281 optiniais parametrais.
Modeliavimas atliekamas su įvesties Gauso pluošto prielaida. Kadangi eksperimente naudojamas biologinis audinys yra izoliuotas kiaulių smegenų audinys, kraujo ir medžiagų apykaitos įtaka temperatūrai nepaisoma, o kiaulių smegenų audinys yra supaprastintas. modeliavimui skirto cilindro forma. Modeliuojant naudojami parametrai apibendrinti 1 lentelėje. 5 pav. parodytos kietosios kreivės yra modeliuojami radialiniai temperatūros pasiskirstymai audinio paviršiaus abliacijos centro atžvilgiu šešių skirtingų švitinimo metu. Jie rodo Gauso temperatūros profilį nuo centro iki periferijos. Iš 5 pav. matyti, kad eksperimentiniai duomenys gerai atitinka modeliuojamus rezultatus. Taip pat iš 5 pav. matyti, kad modeliuojama temperatūra centre abliacijos padėtis didėja didėjant kiekvieno švitinimo švitinimo trukmei. Ankstesni tyrimai parodė, kad audinyje esančios ląstelės yra visiškai saugios žemesnėje temperatūroje55C, o tai reiškia, kad ląstelės išlieka aktyvios žaliosiose 5 pav. kreivių zonose (T<55C). Kiekvienos kreivės geltona zona (55C)60C）。5 pav. galima pastebėti, kad imituoti abliacijos spinduliai, kai T=60° Priežiūra, atitinkamai 0,774, 0,873, 0,993, 1,071, 1,198 ir 1,364 mm, kai švitinimo trukmė yra 1,2,4，6, 10 ir 20 s, o modeliuojami abliacijos spinduliai esant T = 55C yra atitinkamai 0,805, 0,908, 1,037, 1,134, 1,271 ir 1,456 mm. Kiekybiškai išanalizavus abliacijos efektą, randama 8, 8 negyvų ląstelių. 2,394, 3,098, 3,604, 4,509，ir 5,845 mm2 atitinkamai 1,2,4,6,10 ir 20 s švitinimo. Nustatyta, kad plotas su šalutinio pažeidimo plotu yra 0,003,0,0040,006,0011,006,001. ir 0,027 mm2. Matyti, kad lazerinės abliacijos zonos ir šalutinio pažeidimo zonos didėja didėjant švitinimo trukmei. Šalutinės žalos santykį apibrėžiame kaip šalutinio pažeidimo ploto santykį esant 55C s T60C. Rastas šalutinio pažeidimo koeficientas būti 8,17%, 8,18%, 9,06%, 12,11%, 12,56% ir 13,94%, esant skirtingam švitinimo laikui, o tai reiškia, kad pašalintų audinių šalutinis pažeidimas yra nedidelis. Todėl išsamus eksperimentasl duomenys ir modeliavimo rezultatai rodo, kad šis kompaktiškas, didelės galios, viso kietojo kūno 6,45 um ZGP-OPO lazeris užtikrina veiksmingą biologinių audinių abliaciją. Apibendrinant, mes pademonstravome kompaktišką, didelės galios, visos kietojo kūno. MIR impulsinis 6,45 um lazerio šaltinis, pagrįstas ns ZGP-OPO metodu. Didžiausia vidutinė galia buvo 1,53 W, kai didžiausia galia buvo 3,65 kW, o vidutinis pluošto kokybės koeficientas M2 = 1,19. Naudojant šią 6,45 um MIR spinduliuotę, Atliktas principinis audinių abliacijos lazeriu eksperimentas. Eksperimentiškai išmatuotas ir teoriškai imituotas temperatūrų pasiskirstymas pašalinto audinio paviršiuje. Išmatuoti duomenys gerai sutapo su modeliuotais rezultatais. Be to, teoriškai buvo išanalizuotas šalutinis pažeidimas. Šie rezultatai patvirtina, kad mūsų stalinis MIR impulsinis lazeris, kurio 6,45 um, efektyviai pašalina biologinius audinius ir turi didelį potencialą būti praktine medicinos ir biologijos mokslo priemone, nes jis galėtų pakeisti didelių gabaritų FEL.lazerinis skalpelis.