Kompakti ja kestävä puolijohde-infrapuna (MIR)-laser 6,45 um korkealla keskimääräisellä lähtöteholla ja lähes Gaussin säteen laadulla on esitelty. Suurin lähtöteho on 1,53 W ja pulssin leveys noin 42 ns 10:ssä kHz saavutetaan käyttämällä ZnGeP2 (ZGP) optista parametrista oskillaattoria (OPO). Tämä on parhaan tietämyksemme mukaan kaikkien solid-state lasereiden suurin keskimääräinen teho 6,45 um.Keskimääräiseksi säteen laatutekijäksi mitataan M2=1,19.
Lisäksi vahvistetaan korkea lähtötehon stabiilisuus, tehon vaihtelu on alle 1,35 % rms 2 tunnin aikana, ja laser voi toimia tehokkaasti yli 500 tuntia yhteensä. Käyttämällä tätä 6,45 um pulssia säteilylähteenä, eläimen ablaatio aivokudosta testataan. Lisäksi sivuvauriovaikutus analysoidaan teoreettisesti ensimmäistä kertaa parhaan tietomme mukaan, ja tulokset osoittavat, että tällä MIR-laserilla on erinomainen ablaatiokyky, mikä tekee siitä mahdollisen korvaajan vapaiden elektronien lasereille.©2022 Optica Publishing Group

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

Keski-infrapuna (MIR) 6,45 um lasersäteilyllä on potentiaalisia käyttökohteita korkean tarkkuuden lääketieteen aloilla, koska sen etuina ovat huomattava ablaationopeus ja minimaaliset sivuvauriot 【1】.Vapaaelektronilaserit (FEL:t), strontiumhöyrylaserit, kaasu Raman-laserit ja optiseen parametrioskillaattoriin (OPO) tai erotaajuuksien generointiin (DFG) perustuvat solid-state laserit ovat yleisesti käytettyjä 6,45 um laserlähteitä. FEL:ien korkeat kustannukset, suuri koko ja monimutkainen rakenne kuitenkin rajoittavat niiden käyttöä. Strontiumhöyrylaserit ja kaasu-Raman-laserit voivat saavuttaa kohdekaistat, mutta molemmilla on huono vakaus, lyhyt käyttö
paheelämää ja vaativat monimutkaista huoltoa. Tutkimukset osoittivat, että 6,45 um:n solid-state-laserit tuottavat pienemmän lämpövaurio-ikäalueen biologisiin kudoksiin ja että niiden ablaatiosyvyys on syvempi kuin FEL samoissa olosuhteissa, mikä varmisti, että ne voivat voidaan käyttää tehokkaana vaihtoehtona FEL:ille biologisessa kudosablaatiossa 【2】. Lisäksi solid-state-lasereilla on etuja kompaktista rakenteesta, hyvästä stabiilisuudesta ja

pöytäkäyttöön, mikä tekee niistä lupaavia työkaluja 6,45 μn:n valonlähteen saamiseksi.Kuten hyvin tiedetään, epälineaarisilla infrapunakiteillä on tärkeä rooli taajuuden muuntoprosessissa, jota käytetään korkean suorituskyvyn MIR-laserien aikaansaamiseen. Verrattuna oksidiinfrapunakiteisiin, joissa on 4 um:n leikkausreuna, ei-oksidikiteet ovat hyviä. sopii MIR-laserien tuottamiseen. Nämä kiteet sisältävät suurimman osan kalkogenideistä, kuten AgGaS2 (AGS)【3,41，LiInS2 (LIS）【5,61， LilnSe2 （LISe）〈7〼S（LISe）【7〼S（LISe）【7〼GGS 】，ja BaGaSe（BGSe）【10-12】，, samoin kuin fosforiyhdisteillä CdSiP2（CSP）【13-16】ja ZnGeP2:lla (ZGP）【17】) on molemmilla suuritehoisia. Esimerkiksi MIR-säteilyä voidaan saada käyttämällä CSP-OPO:ita. Useimmat CSP-OPO:t kuitenkin toimivat ultralyhyellä (piko- ja femtosekunnin) aika-asteikolla ja niitä pumppaavat synkronisesti noin 1 um:n tilalukitut laserit. Valitettavasti nämä synkronisesti pumpattavat OPO:t（ SPOPO）järjestelmillä on monimutkainen kokoonpano ja ne ovat kalliita. Niiden keskimääräiset tehot ovat myös alle 100 mW noin 6,45 um【13-16】. Verrattuna CSP-kristalle, ZGP:llä on korkeampi laservaurion arvotulee (60 MW/cm2), korkeampi lämmönjohtavuus (0,36 W/cm K) ja vastaava epälineaarinen kerroin (75 pm/V). Siksi ZGP on erinomainen epälineaarinen MIR-optinen kide suuritehoisiin tai suuriin energiasovellukset 【18-221.Esimerkiksi 2,93 um:n laserilla pumpattu tasainen ja litteä ontelo ZGP-OPO, jonka viritysalue on 3,8-12,4 um. 1,2 mJ 【201.Omaiselle aallonpituudelle 6,45 um, yhden pulssin maksimienergia 5,67 mJ toistotaajuudella 100 Hz saavutettiin käyttämällä ei-tasomaista renkaan OPO-onteloa, joka perustuu ZGP-kiteeseen. Toistolla 200 Hz:n taajuudella saavutettiin 0,95 W:n keskimääräinen lähtöteho 【221. Tietojemme mukaan tämä on suurin saavutettu lähtöteho 6,45 um:lla.Nykyiset tutkimukset viittaavat siihen, että tehokkaaseen kudosten ablaatioon tarvitaan suurempi keskimääräinen teho 【23】. Siksi käytännöllisen tehokkaan 6,45 um laserlähteen kehittäminen olisi erittäin tärkeää biologisen lääketieteen edistämisessä.Tässä kirjeessä kerromme yksinkertaisen, kompaktin täyskiinteän olomuodon MIR 6,45 um laserista, jolla on korkea keskimääräinen lähtöteho ja joka perustuu ZGP-OPO:hon, jota pumpataan nanosekunnin (ns) pulssilla 2,09 um

laser.6,45 um laserin suurin keskimääräinen lähtöteho on jopa 1,53 W pulssin leveydellä noin 42 ns toistotaajuudella 10 kHz, ja sillä on erinomainen säteen laatu. 6,45 um laserin ablaatiovaikutus eläinkudoksiin Tämä työ osoittaa, että laser on tehokas tapa varsinaiseen kudosablaatioon, koska se toimii laserveitsenä.Kokeellinen kokoonpano on hahmoteltu kuvassa 1. ZGP-OPO pumpataan kotitekoisella LD-pumppatulla 2,09 um Ho:YAG-laserilla, joka tuottaa 28 W keskimääräistä tehoa 10 kHz:llä. pulssin kesto on noin 102 ns. FWHM) ja keskimääräinen säteen laatutekijä M2, joka on noin 1,7.MI ja M2, ovat kaksi 45 peiliä, joiden pinnoite on erittäin heijastava 2,09 um:ssa. Nämä peilit mahdollistavat pumpun säteen suunnan ohjauksen.Kaksi tarkennuslinssiä (f1 = 100 mm ,f2=100 mm) käytetään säteen kollimaatioon, jonka säteen halkaisija on noin 3,5 mm ZGP-kiteessä.Optista isolaattoria (ISO) käytetään estämään pumpun säteen palautuminen 2,09 um:n pumppulähteeseen. Puoliaaltolevy (HWP) 2,09 um:ssa käytetään pumpun valon polarisaatiota ohjaamaan.M3 ja M4 ovat OPO-ontelopeilejä, joissa on tasainen CaF2 substraattimateriaalina. Etupeili M3 on heijastuksenestopinnoitettu (98 %) pumppua varten. säde ja heijastava pinnoite (98 %) 6,45 um joutokäynnille ja 3,09 um signaaliaalloille. Ulostulopeili M4 on erittäin heijastava (98 %) 2,09um ja 3,09 um ja mahdollistaa 6,45 um joutopyörän osittaisen siirron.ZGP-kide on leikattu 6-77,6° ja p = 45° tyypin JⅡ vaihesovitusta varten 【2090,0 (o) 6450,0 (o) +3091,9 (e)】, mikä sopii paremmin tietylle parametriselle valolle kapeamman aallonpituuden kanssa. viivanleveys verrattuna tyypin I vaihesovitukseen. ZGP-kiteen mitat ovat 5 mm x 6 mm x 25 mm, ja se on kiillotettu ja heijastuksenestopinnoitettu molemmilta puolilta edellä mainituille kolmelle aallolle. Se on kääritty indiumfolioon ja kiinnitetty kupariseen jäähdytyslevyyn vesijäähdytyksellä (T=16)。Ontelon pituus on 27 mm. OPO:n kiertoaika on 0,537 ns pumppulaserilla. Testasimme ZGP-kiteen vauriokynnystä R:llä -on-I -menetelmä 【17】. ZGP-kiteen vauriokynnykseksi mitattiin kokeessa 0,11 J/cm2 taajuudella 10 kHz, mikä vastaa huipputehotiheyttä 1,4 MW/cm2, mikä on alhainen johtuen suhteellisen huono pinnoitteen laatu.Syntyneen tyhjäkäyntivalon lähtöteho mitataan energiamittarilla (D,OPHIR, 1 uW - 3 W) ja signaalivalon aallonpituutta tarkkaillaan spektrometrillä (APE, 1,5-6,3 m). saamaan korkean 6,45 um:n lähtötehon, optimoimme OPO:n parametrien suunnittelua. Suoritetaan numeerinen simulaatio, joka perustuu kolmen aallon sekoittumisteoriaan ja paraksiaaliseen etenemiskaavakkeeseen 【24,25】；simulaatiossa, me käyttää koeolosuhteita vastaavia parametreja ja olettaa tulopulssin Gaussin profiililla avaruudessa ja ajassa. OPO:n lähtöpeilin välinen suhde

läpäisy, pumpun tehon intensiteetti ja tehokkuus optimoidaan manipuloimalla pumpun säteen tiheyttä ontelossa korkeamman lähtötehon saavuttamiseksi samalla kun vältetään ZGP-kiteen ja optisten elementtien vaurioituminen. Siten suurin pumpun teho on rajoitettu noin 20 W ZGP-OPO-toiminnalle. Simuloidut tulokset osoittavat, että vaikka käytetään optimaalista lähtökytkintä, jonka läpäisykyky on 50 %, suurin huipputehotiheys on vain 2,6 x 10 W/cm2 ZGP-kiteessä ja keskimääräinen lähtöteho voidaan saada yli 1,5 W. Kuvassa 2 näkyy suhde 6,45 um:n mitatun joutopyörän lähtötehon ja tulevan pumpun tehon välillä. Kuvasta 2 voidaan nähdä, että joutopyörän lähtöteho kasvaa monotonisesti Pumpun tuloteho. Pumpun kynnysarvo vastaa keskimääräistä pumpun tehoa 3,55 wattia. Suurin tyhjäkäyntiteho 1,53 W saavutetaan pumpun teholla noin 18,7 W, mikä vastaa optisen optisen muunnostehoa of noin 8,20 % ja kvanttimuunnos cflicienssi 25,31 %. Pitkän aikavälin turvallisuuden vuoksi laseria käytetään lähes 70 %:lla sen suurimmasta lähtötehosta. Tehon stabiilisuus mitataan IW:n lähtöteholla. näkyy lisäyksessä (a) kuvassa 2. On havaittu, että mitattu tehon vaihtelu on alle 1,35 % rms kahdessa tunnissa ja että laser voi toimia tehokkaasti yhteensä yli 500 tuntia. Signaaliaallon aallonpituus mitataan joutopyörän sijaan johtuen kokeessamme käytetyn spektrometrin (APE，1,5-6,3 um) rajoitetusta aallonpituusalueesta. Mitatun signaalin aallonpituuden keskipiste on 3,09 um ja viivan leveys on noin 0,3 nm, kuten kuvassa. kuvan 2 insetissä (b). Joutopyörän keskiaallonpituuden päätellään olevan 6,45 um. Joutopyörän pulssin leveys havaitaan valotunnistimella (Thorlabs, PDAVJ10) ja tallennetaan digitaalisella oskilloskoopilla (Tcktronix). ）。Tyypillinen oskilloskoopin aaltomuoto on esitetty kuvassa 3 ja sen pulssin leveys on noin 42 ns. Pulssin leveyson 41,18 % kapeampi 6,45 um:n joutopyörällä verrattuna 2,09 um:n pumpun pulssiin epälineaarisen taajuusmuunnosprosessin temporaalisen vahvistuksen kaventamisen vuoksi. Tämän seurauksena vastaava joutopyörän pulssin huipputeho on 3,56 kW. 6,45 um tyhjäkäynti mitataan lasersäteellä

analysaattori (Spiricon,M2-200-PIII) 1 W:n lähtöteholla, kuten kuvassa 4. M2:n ja M，2:n mitatut arvot ovat 1,32 ja 1,06 x-akselilla ja y-akselilla, vastaavasti, vastaavasti keskimääräinen säteen laatutekijä M2 = 1,19. Kuvan 4 insct näyttää kaksiulotteisen (2D) säteen intensiteettiprofiilin, jolla on lähes Gaussin tilamoodi. Varmistaakseen, että 6,45 um:n pulssi tarjoaa tehokkaan ablaation, suoritetaan periaatteen koe, johon liittyy sian aivojen laserablaatio. F=50-linssiä käytetään fokusoimaan 6,45 um:n pulssisäde noin 0,75 mm:n vyötärön säteelle. Poistettava paikka sian aivokudoksessa sijoitetaan lasersäteen keskipisteeseen. Biologisen kudoksen pintalämpötila (T) säteittäisen sijainnin r funktiona mitataan lämpökameralla (FLIR A615) synkronisesti ablaatioprosessin aikana. Säteilytyskestot ovat 1 ,2, 4, 6, 10 ja 20 s laserteholla 1 W. Kutakin säteilytyskestoa kohden lasketaan kuusi näytepaikkaa: r=0,0,62,0,703, 1,91, 3,05 ja 4,14 mm säteen suunnassa suhteessa säteilytyskohdan keskipisteeseen, kuten kuvassa 5 on esitetty. Neliöt ovat mitattuja lämpötilatietoja. Kuvasta 5 havaitaan, että pinnan lämpötila ablaatioasemassa kudoksessa kasvaa säteilytyksen keston kasvaessa. Korkeimmat lämpötilat T keskipisteessä r=0 ovat 132,39,160,32,196,34，

205.57, 206.95，ja 226.05C säteilytyksen kestoille 1,2, 4,6,10 ja 20 s, vastaavasti. Sivuvaurion analysoimiseksi simuloidaan lämpötilan jakautumista poistetun kudoksen pinnalla. Tämä suoritetaan biologisen kudoksen lämmönjohtavuusteoria126】 ja laserin etenemisen teoria biologisessa kudoksessa 【27】 yhdistettynä sian aivojen 1281 optisiin parametreihin.
Simulaatio suoritetaan oletuksella Gaussin säteen tulona. Koska kokeessa käytetty biologinen kudos on eristettyä sian aivokudosta, veren ja aineenvaihdunnan vaikutus lämpötilaan jätetään huomiotta, ja sian aivokudos yksinkertaistetaan aivokudokseksi. sylinterin muoto simulointia varten. Simulaatiossa käytetyt parametrit on koottu taulukkoon 1. Kuvassa 5 esitetyt kiinteät käyrät ovat simuloituja säteittäisiä lämpötilajakaumia suhteessa ablaatiokeskukseen kudoksen pinnalla kuudella eri säteilytyksellä Niillä on Gaussin lämpötilaprofiili keskustasta reuna-alueelle. Kuvasta 5 käy ilmi, että kokeelliset tiedot sopivat hyvin simuloituihin tuloksiin. Kuvasta 5 käy myös ilmi, että simuloitu lämpötila on keskellä. ablaatioasento kasvaa säteilytyksen keston pidentyessä jokaisella säteilytyksellä. Aiemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että kudoksen solut ovat täysin turvallisia alla olevissa lämpötiloissa55C, mikä tarkoittaa, että solut pysyvät aktiivisina kuvion 5 käyrien vihreillä alueilla (T<55C). Kunkin käyrän keltainen vyöhyke (55C)60C）。Kuviosta 5 voidaan havaita, että simuloidut ablaatiosäteet arvoilla T=60° Hoito 0,774, 0,873, 0,993, 1,071, 1,198 ja 1,364 mm, vastaavasti säteilytyskestoilla 1,2,4, 6, 10，ja 20s, kun simuloidut ablaatiosäteet T = 55C:ssa ovat 0,805, 0,908, 1,037, 1,134, 1,271， ja 1,456 mm. 2.394,3.098,3.604,4.509，ja 5.845 mm2 1,2,4,6,10，ja 20s säteilytykselle, vastaavasti. Alueen sivuvaurioalueen on todettu olevan 0.003,0.0040.006,0017,006,001. ja 0,027 mm2.Voidaan nähdä, että laserablaatiovyöhykkeet ja sivuvauriovyöhykkeet kasvavat säteilytyksen keston myötä.Määritämme sivuvauriosuhteen sivuvaurioalueen suhteeksi lämpötilassa 55C s T60C. Sivuvauriosuhde löytyy on 8,17 %, 8,18 %, 9,06 %, 12,11 %, 12,56 %, ja 13,94 % eri säteilytysajoilla, mikä tarkoittaa, että abloituneiden kudosten sivuvaurio on pieni. Siksi kattava koel tiedot ja simulaatiotulokset osoittavat, että tämä kompakti, suuritehoinen 6,45 um:n ZGP-OPO-laser mahdollistaa tehokkaan biologisten kudosten poistamisen. Yhteenvetona voidaan todeta, että olemme osoittaneet kompaktin, suuritehoisen, täysin solid-state-laserin MIR-pulssimainen 6,45 um laserlähde perustuu ns ZGP-OPO -lähestymistapaan. Keskimääräinen maksimiteho 1,53 W saatiin 3,65 kW:n huipputeholla ja keskimääräisellä säteen laatukertoimella M2 = 1,19. Tätä 6,45 um MIR-säteilyä käyttämällä a Kudosten laserablaatiolla suoritettiin periaatetesti. Abloidun kudoksen pinnan lämpötilajakauma mitattiin kokeellisesti ja simuloitiin teoreettisesti. Mitatut tiedot sopivat hyvin yhteen simuloitujen tulosten kanssa. Lisäksi sivuvauriot analysoitiin teoreettisesti. ensimmäistä kertaa.Nämä tulokset vahvistavat, että pöytäkoneellamme 6,45 um:n MIR-pulssilaserimme tarjoaa tehokkaan biologisten kudosten poistamisen ja että sillä on suuri potentiaali olla käytännöllinen työkalu lääketieteen ja biologian tieteessä, koska se voisi korvata tilaa vievän FEL:n.laserveikalla.