Laser inframerah tengah （MIR）pada semua keadaan pepejal dan teguh pada 6.45 um dengan kuasa keluaran purata tinggi dan kualiti pancaran hampir Gaussian ditunjukkan. Kuasa keluaran maksimum 1.53 W dengan lebar nadi lebih kurang 42 ns pada 10 kHz dicapai menggunakan ZnGeP2（ZGP）optical parametric oscillator （OPO）。Ini adalah purata kuasa tertinggi pada 6.45 um daripada mana-mana laser keadaan pepejal mengikut pengetahuan kami yang terbaik.Purata faktor kualiti rasuk diukur sebagai M2=1.19.
Selain itu, kestabilan kuasa keluaran yang tinggi disahkan, dengan turun naik kuasa kurang daripada 1.35%rms selama 2 jam, dan laser boleh berjalan dengan cekap selama lebih daripada 500 jam secara keseluruhan. Menggunakan nadi 6.45 um ini sebagai sumber sinaran, ablasi haiwan tisu otak diuji. Tambahan pula, kesan kerosakan cagaran dianalisis secara teori buat kali pertama, mengikut pengetahuan kami yang terbaik, dan keputusan menunjukkan bahawa laser MIR ini mempunyai keupayaan ablasi yang sangat baik, menjadikannya pengganti berpotensi untuk laser elektron bebas.©2022 Kumpulan Penerbitan Optica
https://doi.org/10.1364/OL.446336
Sinaran laser inframerah pertengahan（MIR）6.45 um mempunyai potensi aplikasi dalam bidang perubatan berketepatan tinggi kerana kelebihannya daripada kadar ablasi yang besar dan kerosakan cagaran yang minimum 【1】. Laser elektron bebas （FELs），laser wap strontium,gas Laser Raman, dan laser keadaan pepejal berdasarkan pengayun paramet-rik optik（OPO）atau penjanaan frekuensi perbezaan （DFG）biasanya digunakan sumber laser 6.45 um. Walau bagaimanapun, kos tinggi, saiz besar dan struktur kompleks FEL menyekat mereka aplikasi.Laser wap Strontium dan laser Raman gas boleh mendapatkan jalur sasaran, tetapi kedua-duanya mempunyai kestabilan yang lemah, perkhidmatan yang pendek.
hidup maksiat, dan memerlukan penyelenggaraan yang kompleks. Kajian menunjukkan bahawa laser keadaan pepejal 6.45 um menghasilkan julat umur kerosakan haba yang lebih kecil dalam tisu biologi dan kedalaman ablasinya lebih dalam daripada FEL di bawah keadaan yang sama, yang mengesahkan bahawa ia boleh digunakan sebagai alternatif yang berkesan kepada FEL untuk ablasi tisu biologi 【2】. Selain itu, laser keadaan pepejal mempunyai kelebihan struktur padat, kestabilan yang baik, dan
operasi atas meja, menjadikannya alat yang menjanjikan untuk mendapatkan sumber cahaya a6.45μn.Seperti yang diketahui, kristal inframerah tak linear memainkan peranan penting dalam proses penukaran frekuensi yang digunakan untuk mencapai laser MIR berprestasi tinggi. Berbanding kristal inframerah oksida dengan tepi potong 4 um, kristal bukan oksida adalah baik. sesuai untuk menjana laser MIR. Kristal ini termasuk kebanyakan chalcogenides, seperti AgGaS2 （AGS）【3,41，LiInS2 （LIS）【5,61， LilnSe2 （LISe）【7】，BaGaS）(BGS8) 】，dan BaGaSe（BGSe）【10-12】，serta sebatian fosforus CdSiP2（CSP）【13-16】dan ZnGeP2 （ZGP）【17】；Untuk kedua-duanya tidak bergaris-garis besar, kedua-duanya mempunyai rela-ar yang besar. Contohnya, sinaran MIR boleh diperoleh menggunakan CSP-OPO. Walau bagaimanapun, kebanyakan CSP-OPO beroperasi pada skala masa ultrashort （pico-dan femtosecond） dan dipam secara serentak oleh kira-kira 1 um laser terkunci mod. Malangnya, OPO yang dipam serentak ini（ Sistem SPOPO）mempunyai persediaan yang kompleks dan mahal. Kuasa purata mereka juga lebih rendah daripada 100 mW pada sekitar 6.45 um【13-16】. Berbanding dengan kristal CSP, ZGP mempunyai tiga kerosakan laser yang lebih tinggishold（60 MW/cm2），kekonduksian terma yang lebih tinggi （0.36 W/cm K），dan pekali tak linear setanding （75pm/V）。Oleh itu, ZGP ialah kristal optik tak linear MIR yang sangat baik untuk kuasa tinggi atau tinggi- aplikasi tenaga 【18-221. Contohnya, rongga rata rata ZGP-OPO dengan julat penalaan 3.8-12.4 um yang dipam oleh laser 2.93 um telah ditunjukkan. Tenaga denyutan tunggal maksimum lampu pemalas pada 6.6 um ialah 1.2 mJ 【201. Untuk panjang gelombang tertentu 6.45 um, tenaga nadi tunggal maksimum maksimum 5.67 mJ pada frekuensi ulangan 100 Hz dicapai menggunakan rongga OPO cincin bukan satah berdasarkan kristal ZGP. Dengan pengulangan frekuensi 200Hz, kuasa output purata 0.95 W telah dicapai 【221. Setakat yang kami sedia maklum, ini adalah kuasa keluaran tertinggi yang dicapai pada 6.45 um.Kajian sedia ada mencadangkan bahawa kuasa purata yang lebih tinggi diperlukan untuk ablasi tisu yang berkesan 【23】. Oleh itu, pembangunan sumber laser berkuasa tinggi 6.45 um praktikal akan menjadi sangat penting dalam promosi perubatan biologi.Dalam Surat ini, kami melaporkan laser MIR 6.45 um keadaan pepejal yang ringkas dan padat yang mempunyai purata kuasa keluaran yang tinggi dan berdasarkan ZGP-OPO yang dipam oleh nanosaat（ns）-nadi 2.09 um
laser. Purata kuasa keluaran maksimum laser 6.45 um adalah sehingga 1.53 W dengan lebar nadi kira-kira 42ns pada kekerapan ulangan 10 kHz, dan ia mempunyai kualiti pancaran yang sangat baik. Kesan ablasi laser 6.45 um pada tisu haiwan disiasat. Kerja ini menunjukkan bahawa laser adalah pendekatan yang berkesan untuk ablasi tisu sebenar, kerana ia bertindak sebagai pisau bedah laser.Persediaan eksperimen dilakarkan dalam Rajah.1.ZGP-OPO dipam oleh laser 2.09 um Ho:YAG yang dipam LD buatan sendiri yang menyalurkan kuasa purata 28 W pada 10 kHz. dengan tempoh nadi lebih kurang 102 ns（ FWHM）dan faktor kualiti rasuk purata M2 kira-kira 1.7.MI dan M2 ialah dua 45 cermin dengan salutan yang sangat memantulkan pada 2.09 um. Cermin ini membolehkan kawalan arah rasuk pam. Dua kanta fokus （f1 =100mm ,f2=100 mm）digunakan untuk penyelarasan rasuk dengan diameter rasuk kira-kira 3.5 mm dalam kristal ZGP. Pengasing optik （ISO）digunakan untuk menghalang rasuk pam kembali ke sumber pam 2.09 um. Plat separuh gelombang （HWP）pada 2.09 um digunakan untuk mengawal polarisasi cahaya pam. M3 dan M4 ialah cermin rongga OPO, dengan CaF2 rata digunakan sebagai bahan substrat. Cermin hadapan M3 bersalut anti-pantulan（98%）untuk pam rasuk dan bersalut pantulan tinggi （98%）untuk gelombang isyarat 6.45 um dan 3.09 um. Cermin keluaran M4 sangat mencerminkan（98%）pada 2.09um dan 3.09 um dan membenarkan penghantaran separa pemalas 6.45 um.Kristal ZGP dipotong pada6-77.6°danp=45°untuk padanan fasa jenis-JⅡ 【2090.0 （o）6450.0 （o）+3091.9 （e）】，yang lebih sesuai untuk cahaya selari sempit dan menghasilkan cahaya yang sempit lebar garis berbanding padanan fasa jenis-I. Dimensi kristal ZGP ialah 5mm x 6 mm x 25 mm, dan ia digilap dan disalut anti-pantulan pada kedua-dua aspek hujung untuk tiga gelombang di atas. Ia dibalut dengan kerajang indium dan tetap dalam sink haba kuprum dengan penyejukan air（T=16）。Panjang rongga ialah 27 mm.Masa pergi balik OPO ialah 0.537 ns untuk laser pam.Kami menguji ambang kerosakan kristal ZGP oleh R kaedah -on-I 【17】. Ambang kerosakan kristal ZGP diukur sebagai 0.11 J/cm2 pada 10 kHz. dalam eksperimen, sepadan dengan ketumpatan kuasa puncak 1.4 MW/cm2，yang rendah disebabkan oleh kualiti salutan yang agak lemah.Kuasa keluaran cahaya pemalas yang dijana diukur dengan meter tenaga （D,OPHIR，1 uW hingga 3 W），dan panjang gelombang cahaya isyarat dipantau oleh spektrometer （APE，1.5-6.3 m）。Untuk memperoleh kuasa keluaran yang tinggi sebanyak 6.45 um, kami mengoptimumkan reka bentuk parameter OPO. Simulasi berangka dijalankan berdasarkan teori pencampuran tiga gelombang dan persamaan perambatan paraxial 【24,25】；dalam simulasi, kami menggunakan parameter yang sepadan dengan keadaan eksperimen dan menganggap nadi input dengan profil Gaussian dalam ruang dan masa. Hubungan antara cermin keluaran OPO
penghantaran, keamatan kuasa pam dan kecekapan keluaran dioptimumkan dengan memanipulasi ketumpatan rasuk pam dalam rongga untuk mencapai kuasa keluaran yang lebih tinggi sambil pada masa yang sama mengelakkan kerosakan pada kristal ZGP dan unsur optik. Oleh itu, kuasa pam tertinggi dihadkan kepada kira-kira 20 W untuk operasi ZGP-OPO. Keputusan simulasi menunjukkan bahawa sementara pengganding keluaran optimum dengan pemancaran 50% digunakan, ketumpatan kuasa puncak maksimum hanya 2.6 x 10 W/cm2 dalam tangisan ZGP, dan kuasa keluaran purata lebih daripada 1.5 W boleh diperolehi. Rajah 2 menunjukkan hubungan antara kuasa keluaran terukur pemalas pada 6.45 um dan kuasa pam kejadian. Ia boleh dilihat daripada Rajah 2 bahawa kuasa keluaran pemalas meningkat secara monoton dengan kuasa pam kejadian. Ambang pam sepadan dengan purata kuasa pam 3.55WA kuasa keluaran pemalas maksimum 1.53 W dicapai pada kuasa pam kira-kira 18.7 W, yang sepadan dengan kecekapan penukaran optik-ke-optik of lebih kurang 8.20%%dan cfliciency penukaran kuantum sebanyak 25.31%.Untuk keselamatan jangka panjang, laser dikendalikan pada hampir 70% daripada kuasa keluaran maksimumnya. Kestabilan kuasa diukur pada kuasa output IW, sebagai ditunjukkan dalam inset （a）dalam Rajah.2. Didapati bahawa turun naik kuasa yang diukur adalah kurang daripada 1.35%rms dalam 2 jam, dan bahawa laser boleh beroperasi dengan cekap selama lebih daripada 500 jam secara keseluruhan. Panjang gelombang gelombang isyarat diukur dan bukannya pemalas kerana julat panjang gelombang terhad spektrometer （APE，1.5-6.3 um）digunakan dalam eksperimen kami. Panjang gelombang isyarat yang diukur berpusat pada 3.09 um dan lebar garisan adalah lebih kurang 0.3 nm, seperti yang ditunjukkan dalam inset （b）pada Rajah.2. Panjang gelombang pusat pemalas kemudiannya disimpulkan sebagai 6.45um. Lebar nadi pemalas dikesan oleh pengesan foto（Thorlabs,PDAVJ10）dan direkodkan oleh osiloskop digital（Tcktronix，2GHz ）。Bentuk gelombang osiloskop biasa ditunjukkan dalam Rajah.3 dan memaparkan lebar nadi kira-kira 42 ns. Lebar nadiadalah 41.18% lebih sempit untuk pemalas 6.45 um berbanding dengan nadi pam 2.09 um disebabkan oleh kesan penyempitan keuntungan temporal proses penukaran frekuensi tak linear. Akibatnya, kuasa puncak nadi pemalas yang sepadan ialah 3.56kW. Faktor kualiti pancaran bagi 6.45 um pemalas diukur dengan pancaran laser
penganalisis （Spiricon,M2-200-PIII）pada 1 W kuasa keluaran, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah.4. Nilai yang diukur bagi M2 dan M，2 ialah 1.32 dan 1.06 di sepanjang paksi x dan paksi y, masing-masing, sepadan dengan faktor kualiti rasuk purata M2=1.19. Insct Rajah.4 menunjukkan profil intensiti rasuk dua dimensi（2D）, yang mempunyai mod spatial hampir Gaussian. Untuk mengesahkan bahawa nadi 6.45 um memberikan abla-tion yang berkesan, eksperimen pembuktian prinsip yang melibatkan ablasi laser otak babi dijalankan.Kanta f=50 digunakan untuk memfokuskan rasuk nadi 6.45 um ke jejari pinggang kira-kira 0.75 mm. Kedudukan yang akan diablasi pada tisu otak babi diletakkan pada fokus pancaran laser. Suhu permukaan （T） tisu biologi sebagai fungsi lokasi jejari r diukur oleh termokamera（FLIR A615）secara serentak semasa proses ablasi. Tempoh penyinaran ialah 1 ,2,4,6,10，dan 20 s pada kuasa laser I W. Untuk setiap tempoh penyinaran, enam kedudukan sampel diletupkan: r=0,0.62,0.703,1.91,3.05，dan 4.14 mm sepanjang arah jejari berkenaan dengan titik pusat kedudukan penyinaran, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah.5. Petak dua ialah data suhu yang diukur. Didapati dalam Rajah.5 bahawa suhu permukaan pada kedudukan ablasi pada tisu meningkat dengan peningkatan tempoh penyinaran. Suhu tertinggi T pada titik tengah r=0 ialah 132.39,160.32,196.34，
205.57,206.95，dan 226.05C untuk tempoh penyinaran 1,2，4,6,10，dan 20 s, masing-masing. Untuk menganalisis kerosakan cagaran, taburan suhu pada permukaan tisu ablasi disimulasikan. Ini dijalankan mengikut teori pengaliran haba untuk tisu biologi126】dan teori penyebaran laser dalam tisu biologi 【27】digabungkan dengan parameter optik otak babi 1281.
Simulasi dilakukan dengan andaian rasuk Gaussian input. Memandangkan tisu biologi yang digunakan dalam eksperimen adalah tisu otak babi terpencil, pengaruh darah dan metabolisme pada suhu diabaikan, dan tisu otak babi dipermudahkan ke dalam bentuk silinder untuk simulasi. Parameter yang digunakan dalam simulasi diringkaskan dalam Jadual 1. Lengkung pepejal yang ditunjukkan dalam Rajah.5 ialah taburan suhu jejarian simulasi berkenaan dengan pusat ablasi pada permukaan tisu untuk enam penyinaran berbeza. jangka masa. Mereka mempamerkan profil suhu Gaussian dari pusat ke pinggir. Terbukti daripada Rajah 5 bahawa data eksperimen selaras dengan keputusan simulasi. Ia juga jelas daripada Rajah 5 bahawa suhu simulasi di pusat kedudukan ablasi meningkat apabila tempoh penyinaran meningkat untuk setiap penyinaran. Penyelidikan sebelum ini telah menunjukkan bahawa sel-sel dalam tisu adalah selamat dengan sempurna pada suhu di bawah55C, yang bermaksud sel kekal aktif dalam zon hijau （T<55C）daripada lengkung dalam Rajah.5.Zon kuning setiap lengkung（55C60C）。Dapat diperhatikan dalam Rajah.5 bahawa jejari ablasi simulasi pada T=60°Penjagaan0.774,0.873,0.993,1.071,1.198dan 1.364 mm, masing-masing, untuk tempoh penyinaran 1,2,4,6, 10，dan 20s, manakala jejari ablasi simulasi pada T=55C ialah 0.805,0.908,1.037,1.134,1.271，dan1.456 mm, masing-masing. Setelah menganalisis secara kuantitatif kesan ablasi, arca dengan 1 sel mati didapati 88,82, 2.394,3.098,3.604,4.509，dan5.845 mm2 untuk 1,2,4,6,10，dan 20s penyinaran, masing-masing. Kawasan dengan kawasan kerosakan cagaran didapati 0.003,0.0040.006,0.017,013, dan 0.027 mm2. Dapat dilihat bahawa zon ablasi laser dan zon kerosakan cagaran meningkat dengan tempoh penyinaran. Kami mentakrifkan nisbah kerosakan cagaran sebagai nisbah kawasan kerosakan cagaran pada 55C s T60C. Nisbah kerosakan cagaran didapati kepada 8.17%, 8.18%, 9.06%, 12.11%, 12.56%, dan 13.94% untuk masa penyinaran yang berbeza, yang bermaksud kerosakan cagaran pada tisu ablasi adalah kecil. Oleh itu, eksperimen komprehensifl data dan hasil simulasi menunjukkan bahawa laser ZGP-OPO 6.45 um yang padat, berkuasa tinggi, keadaan pepejal semua ini memberikan ablasi berkesan tisu biologi. Kesimpulannya, kami telah menunjukkan keadaan pepejal yang padat, berkuasa tinggi, semua MIR berdenyut 6.45 um sumber laser berdasarkan pendekatan ns ZGP-OPO. Purata kuasa maksimum 1.53 W diperoleh dengan kuasa puncak 3.65kW dan faktor kualiti rasuk purata M2=1.19. Menggunakan sinaran MIR 6.45 um ini,a eksperimen bukti prinsip pada ablasi laser tisu telah dilakukan. Taburan suhu pada permukaan tisu ablated diukur secara eksperimen dan disimulasikan secara teori. Data yang diukur bersetuju dengan hasil simulasi. Selain itu, kerosakan cagaran dianalisis secara teori buat pertama kali. Keputusan ini mengesahkan bahawa laser nadi MIR atas meja kami pada 6.45 um menawarkan ablasi berkesan tisu biologi dan mempunyai potensi besar untuk menjadi alat praktikal dalam sains perubatan dan biologi, kerana ia boleh menggantikan FEL yang besar sebagaipisau bedah laser.