Predvádza sa kompaktný a robustný polovodičový polovodičový infračervený （MIR）laser pri 6,45 um s vysokým priemerným výstupným výkonom a kvalitou takmer Gaussovho lúča. Maximálny výstupný výkon 1,53 W so šírkou impulzu približne 42 ns pri 10 kHz sa dosahuje pomocou optického parametrického oscilátora ZnGeP2（ZGP）(OPO）). Toto je podľa našich najlepších vedomostí najvyšší priemerný výkon pri 6,45 um akéhokoľvek polovodičového lasera.Priemerný faktor kvality lúča sa meria ako M2=1,19.
Okrem toho je potvrdená vysoká stabilita výstupného výkonu s kolísaním výkonu menej ako 1,35 % rms za 2 hodiny a laser môže bežať efektívne celkovo viac ako 500 hodín. Použitím tohto 6,45 um pulzu ako zdroja žiarenia je možné abláciu zvierat testuje sa mozgové tkanivo. Okrem toho je podľa našich najlepších vedomostí prvýkrát teoreticky analyzovaný účinok vedľajšieho poškodenia a výsledky naznačujú, že tento MIR laser má vynikajúce ablačné schopnosti, čo z neho robí potenciálnu náhradu laserov s voľnými elektrónmi.©2022 Optica Publishing Group

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

Stredné infračervené (MIR) 6,45 um laserové žiarenie má potenciálne aplikácie v oblastiach vysoko presnej medicíny vďaka svojim výhodám značnej rýchlosti ablácie a minimálneho vedľajšieho poškodenia 【1】. Lasery s voľnými elektrónmi （FEL）, lasery stronciových pár, plyn Ramanove lasery a polovodičové lasery založené na optickom parametrickom oscilátore (OPO) alebo generovaní rozdielovej frekvencie (DFG) sú bežne používané 6,45 um laserové zdroje. Avšak vysoká cena, veľká veľkosť a zložitá štruktúra FEL obmedzujú ich Stronciové parné lasery a plynové Ramanove lasery môžu získať cieľové pásy, ale oba majú zlú stabilitu, krátke sér-
neresti a vyžadujú si komplexnú údržbu. Štúdie ukázali, že 6,45 μm pevnolátkové lasery produkujú menší rozsah tepelného poškodenia v biologických tkanivách a že ich hĺbka ablácie je hlbšia ako pri FEL za rovnakých podmienok, čo potvrdilo, že môžu použiť ako efektívnu alternatívu k FEL na biologickú abláciu tkaniva 【2】. Okrem toho majú lasery v tuhej fáze výhody kompaktnej štruktúry, dobrej stability a

stolná prevádzka, čo z nich robí sľubné nástroje na získanie svetelného zdroja 6,45 μn.Ako je dobre známe, nelineárne infračervené kryštály hrajú dôležitú úlohu v procese frekvenčnej konverzie používanom na dosiahnutie vysokovýkonných MIR laserov. vhodné na generovanie MIR laserov. Tieto kryštály zahŕňajú väčšinu chalkogenidov, ako je AgGaS2 (AGS)【3,41, LiInS2 （LIS）【5,61, LilnSe2 （LISe）,9BaGa8【【7【) 】，a BaGaSe（BGSe）【10-12】, ako aj zlúčeniny fosforu CdSiP2 (CSP)【13-16】 a ZnGeP2 （ZGP）【17】 majú oba relatívne veľké koeficienty. Napríklad MIR žiarenie je možné získať pomocou CSP-OPO. Väčšina CSP-OPO však pracuje v ultra krátkom (piko- a femtosekundovom) časovom rozsahu a sú synchrónne čerpané približne 1 um lasermi s uzamknutým režimom. Bohužiaľ, tieto synchrónne čerpané OPO（ Systémy SPOPO） majú zložité nastavenie a sú nákladné. Ich priemerný výkon je tiež nižší ako 100 mW pri približne 6,45 um【13-16】. V porovnaní s kryštálom CSP má ZGP vyššie poškodenie laserom 3shold） (60 MW/cm2）), vyššia tepelná vodivosť (0,36 W/cm K）) a porovnateľný nelineárny koeficient (75pm/V）). energetické aplikácie 【18-221. Napríklad bola demonštrovaná plochá plochá dutina ZGP-OPO s rozsahom ladenia 3,8-12,4 um čerpaná 2,93 um laserom. Maximálna jednopulzová energia voľného svetla pri 6,6 um bola 1,2 mJ 【201. Pre špecifickú vlnovú dĺžku 6,45 um bola dosiahnutá maximálna energia jednotlivého impulzu 5,67 mJ pri frekvencii opakovania 100 Hz pomocou nerovinnej prstencovej dutiny OPO na báze kryštálu ZGP. S opakovaním frekvencia 200 Hz, bol dosiahnutý priemerný výstupný výkon 0,95 W 【221. Pokiaľ vieme, ide o najvyšší výstupný výkon dosiahnutý pri 6,45 um.Existujúce štúdie naznačujú, že na efektívnu abláciu tkaniva je potrebný vyšší priemerný výkon 【23】. Preto by vývoj praktického vysokovýkonného 6,45 um laserového zdroja mal veľký význam pri podpore biologickej medicíny.V tomto liste uvádzame jednoduchý, kompaktný polovodičový laser MIR 6,45 um, ktorý má vysoký priemerný výstupný výkon a je založený na ZGP-OPO čerpanom nanosekundovým (ns) pulzom 2,09 um.

laser. Maximálny priemerný výstupný výkon 6,45 um lasera je až 1,53 W so šírkou impulzu približne 42 ns pri opakovacej frekvencii 10 kHz a má vynikajúcu kvalitu lúča. Ablačný účinok 6,45 um lasera na zvieracie tkanivo Táto práca ukazuje, že laser je efektívnym prístupom k aktuálnej ablácii tkaniva, keďže funguje ako laserový skalpel.Experimentálne usporiadanie je načrtnuté na Obr. 1. ZGP-OPO je čerpaný domácim LD-pumpovaným 2,09 um Ho:YAG laserom, ktorý dodáva 28 W priemerného výkonu pri 10 kHz. s trvaním impulzu približne 102 ns（ FWHM）a priemerný faktor kvality lúča M2 približne 1,7.MI a M2 sú dve 45 zrkadlá s vrstvou, ktorá je vysoko reflexná pri 2,09 um. Tieto zrkadlá umožňujú riadenie smeru lúča pumpy. Dve zaostrovacie šošovky （f1 = 100 mm ,f2=100 mm）sa aplikujú na kolimáciu lúča s priemerom lúča asi 3,5 mm v kryštáli ZGP. Optický izolátor (ISO) sa používa na zabránenie návratu lúča pumpy do zdroja pumpy 2,09 um. Polvlnová doska （HWP）pri 2,09 um sa používa na ovládanie polarizácie svetla pumpy.M3 a M4 sú OPO dutinové zrkadlá, s plochým CaF2 použitým ako materiál substrátu.Predné zrkadlo M3 je potiahnuté antireflexnou vrstvou (98%) pre pumpu lúč a vysokoodrazová vrstva （98%）pre 6,45 um napínacie a 3,09 um signálové vlny. Výstupné zrkadlo M4 je vysoko reflexné（98 %）pri 2,09um a 3,09 um a umožňuje čiastočný prenos 6,45 um voľnobežky.Kryštál ZGP je brúsený pri 6-77,6° ap=45° pre fázovú zhodu typu JⅡ 【2090,0 （o）6450,0 （o）+3091,9 （e）】）, čo je vhodnejšie pre špecifickú vlnovú dĺžku s užším parametrickým svetlom šírky čiary v porovnaní s fázovým prispôsobením typu I. Rozmery kryštálu ZGP sú 5 mm x 6 mm x 25 mm a je leštený a má antireflexnú vrstvu na oboch koncových plochách pre vyššie uvedené tri vlny. Je zabalený v indiovej fólii a upevnené v medenom chladiči s vodným chladením（T=16）。Dĺžka dutiny je 27 mm. Doba obehu OPO je 0,537 ns pre laser pumpy. Testovali sme prah poškodenia kryštálu ZGP pomocou R Metóda -on-I 【17】. Prah poškodenia kryštálu ZGP bol nameraný ako 0,11 J/cm2 pri 10 kHz. V experimente, čo zodpovedá maximálnej hustote výkonu 1,4 MW/cm2, čo je nízke v dôsledku relatívne zlá kvalita náteru.Výstupný výkon generovaného voľného svetla sa meria meračom energie (D, OPHIR, 1 uW až 3 W) a vlnová dĺžka signálneho svetla je monitorovaná spektrometrom (APE, 1,5-6,3 m). získať vysoký výstupný výkon 6,45 um, optimalizujeme návrh parametrov OPO. Numerická simulácia sa vykonáva na základe teórie trojvlnového miešania a rovnice paraxiálneho šírenia 【24,25】；v simulácii sme použiť parametre zodpovedajúce experimentálnym podmienkam a predpokladať vstupný impulz s Gaussovým profilom v priestore a čase. Vzťah medzi výstupným zrkadlom OPO

priepustnosť, intenzita výkonu čerpadla a výstupná účinnosť sú optimalizované manipuláciou s hustotou lúča čerpadla v dutine, aby sa dosiahol vyšší výstupný výkon a súčasne sa zabránilo poškodeniu kryštálu ZGP a optických prvkov. Najvyšší výkon čerpadla je teda obmedzený na približne 20 W pre prevádzku ZGP-OPO. Simulované výsledky ukazujú, že pri použití optimálneho výstupného spojovacieho člena s priepustnosťou 50 % je maximálna hustota špičkového výkonu iba 2,6 x 10 W/cm2 v kryštále ZGP a priemerný výstupný výkon možno získať viac ako 1,5 W. Obrázok 2 znázorňuje vzťah medzi nameraným výstupným výkonom napínacej kladky pri 6,45 um a dopadajúceho výkonu čerpadla. Z obr. príkon čerpadla. Prahová hodnota čerpadla zodpovedá priemernému výkonu čerpadla 3,55 WA maximálny výstupný výkon voľnobežky 1,53 W sa dosiahne pri výkone čerpadla približne 18,7 W, čo zodpovedá účinnosti premeny optiky na optiku of približne 8,20 % % a kvantová konverzia 25,31 %. Pre dlhodobú bezpečnosť je laser prevádzkovaný na takmer 70 % svojho maximálneho výstupného výkonu. Stabilita výkonu sa meria pri výstupnom výkone IW, ako znázornené vo vložke (a) na obr. 2. Zistilo sa, že namerané kolísanie výkonu je menšie ako 1,35 % rms za 2 hodiny a že laser môže fungovať efektívne celkovo viac ako 500 hodín. Vlnová dĺžka signálovej vlny sa meria namiesto vlnovej dĺžky naprázdno kvôli obmedzenému rozsahu vlnových dĺžok spektrometra （APE，1,5-6,3 um） použitého v našom experimente. Nameraná vlnová dĺžka signálu je vycentrovaná na 3,09 um a šírka čiary je približne 0,3 nm, ako je znázornené vo vložke （b）obr. 2. Stredná vlnová dĺžka napínacej kladky je potom odvodená na 6,45 um. Šírka impulzu napínacej kladky je detekovaná fotodetektorom (Thorlabs, PDAVJ10) a zaznamenaná digitálnym osciloskopom (Tcktronix, 2 GHz ）。Typický priebeh osciloskopu je znázornený na obr. 3 a zobrazuje šírku impulzu približne 42 ns.je o 41,18 % užšia pre 6,45 μm napínacie koleso v porovnaní s 2,09 μm impulzom čerpadla v dôsledku efektu dočasného zosilnenia zužujúceho sa procesu nelineárnej frekvenčnej konverzie. Výsledkom je, že zodpovedajúci špičkový výkon impulzu voľnobehu je 3,56 kW. Faktor kvality lúča 6,45 um voľnobeh sa meria laserovým lúčom

analyzátor （Spiricon, M2-200-PIII） pri výstupnom výkone 1 W, ako je znázornené na obr. 4. Namerané hodnoty M2 a M，2 sú 1,32 a 1,06 pozdĺž osi x, resp. priemerný faktor kvality lúča M2=1,19. Insct na Obr. 4 ukazuje dvojrozmerný (2D) profil intenzity lúča, ktorý má takmer Gaussov priestorový režim. Na overenie, že impulz 6,45 um poskytuje účinnú abláciu, uskutočnil sa experiment s dôkazom princípu zahŕňajúci laserovú abláciu bravčového mozgu. Používa sa šošovka f=50 na zaostrenie 6,45 um pulzného lúča na polomer pásu asi 0,75 mm. Pozícia, ktorá sa má odstrániť na mozgovom tkanive ošípaných sa umiestni do ohniska laserového lúča. Povrchová teplota (T) biologického tkaniva ako funkcia radiálnej polohy r sa meria termokamerou (FLIR A615) synchrónne počas procesu ablácie. Trvanie ožarovania je 1 ,2,4,6,10，a 20 s pri výkone lasera I W. Pre každé trvanie ožarovania sa ožaruje šesť pozícií vzorky: r=0,0,62,0,703,1.91,3.05，a 4,14 mm pozdĺž radiálneho smeru vzhľadom na stredový bod polohy ožarovania, ako je znázornené na obr. 5. Štvorce sú namerané teplotné údaje. Na obr. v ablačnej polohe na tkanive sa zvyšuje so zvyšujúcim sa trvaním ožarovania. Najvyššie teploty T v stredovom bode r=0 sú 132,39, 160,32, 196,34，

205,57, 206,95，a 226,05C pre trvanie ožiarenia 1,2，4,6,10，a 20 s, v tomto poradí. Na analýzu kolaterálneho poškodenia sa simuluje distribúcia teploty na povrchu ablatovaného tkaniva. Toto sa vykonáva podľa teória tepelnej vodivosti pre biologické tkanivo126】a teória šírenia lasera v biologickom tkanive 【27】v kombinácii s optickými parametrami prasačieho mozgu 1281.
Simulácia sa vykonáva s predpokladom vstupného Gaussovho zväzku. Keďže biologické tkanivo použité v experimente je izolované prasacie mozgové tkanivo, vplyv krvi a metabolizmu na teplotu sa ignoruje a prasacie mozgové tkanivo sa zjednoduší na tvar valca na simuláciu. Parametre použité pri simulácii sú zhrnuté v tabuľke 1. Plné krivky zobrazené na obr. 5 sú simulované radiálne teplotné rozloženia vzhľadom na ablačné centrum na povrchu tkaniva pre šesť rôznych ožiarení Vykazujú gaussovský teplotný profil od stredu k okraju. Z obr. 5 je zrejmé, že experimentálne údaje sa dobre zhodujú so simulovanými výsledkami. Z obr. 5 je tiež zrejmé, že simulovaná teplota v strede ablačná poloha sa zvyšuje so zvyšujúcim sa trvaním ožarovania pri každom ožiarení. Predchádzajúce výskumy ukázali, že bunky v tkanive sú úplne bezpečné pri nižších teplotách55C, čo znamená, že bunky zostávajú aktívne v zelených zónach （T<55C）kriviek na obr.5. Žltá zóna každej krivky（55C60C）。Na obrázku 5 je možné pozorovať, že simulované polomery ablácie pri T=60°Care 0,774, 0,873, 0,993, 1,071, 1,198 a 1,364 mm, v tomto poradí, pre trvanie ožiarenia 1,2,4,6, 10 a 20 s, zatiaľ čo simulované ablačné polomery pri T=55C sú 0,805, 0,908, 1,037, 1,134, 1,271, respektíve 1,456 mm. Po kvantitatívnej analýze ablačného efektu sa zistilo, že arca s 1,8 odumretými bunkami je 2,394, 3,098, 3,604, 4,509, a 5,845 mm2 pre 1, 2, 4, 6, 10, a 20 s ožiarenia, v tomto poradí. a 0,027 mm2. Je možné vidieť, že zóny laserovej ablácie a zóny vedľajšieho poškodenia sa zväčšujú s trvaním ožiarenia. Pomer vedľajšieho poškodenia definujeme ako pomer oblasti vedľajšieho poškodenia pri 55 °C s T60C. byť 8,17%, 8,18%, 9,06%, 12,11%, 12,56%, a 13,94% pre rôzne doby ožarovania, čo znamená, že kolaterálne poškodenie ablatovaných tkanív je malé. Preto komplexný experimentÚdaje a výsledky simulácií ukazujú, že tento kompaktný, vysokovýkonný, plne pevný 6,45 um laser ZGP-OPO poskytuje účinnú abláciu biologických tkanív. Záverom možno povedať, že sme demonštrovali kompaktný, vysokovýkonný, plne pevný MIR pulzný 6,45 um laserový zdroj založený na prístupe ns ZGP-OPO. Maximálny priemerný výkon 1,53 W bol získaný so špičkovým výkonom 3,65 kW a priemerným faktorom kvality lúča M2 = 1,19. Pomocou tohto 6,45 um MIR žiarenia sa Uskutočnil sa principiálny experiment na laserovej ablácii tkaniva. Rozloženie teploty na povrchu ablovaného tkaniva bolo experimentálne merané a teoreticky simulované. Namerané údaje dobre súhlasili so simulovanými výsledkami. Okrem toho bolo teoreticky analyzované aj vedľajšie poškodenie po prvýkrát.Tieto výsledky potvrdzujú, že náš stolný MIR pulzný laser s hĺbkou 6,45 um ponúka efektívnu abláciu biologického tkaniva a má veľký potenciál byť praktickým nástrojom v lekárskej a biologickej vede, pretože by mohol nahradiť objemný FEL akolaserový skalpel.