Прадэманстраваны кампактны і надзейны цвёрдацельны сярэднеінфрачырвоны (MIR) лазер на 6,45 мкм з высокай сярэдняй выходнай магутнасцю і якасцю прамяня, блізкім да Гаўса. Максімальная выходная магутнасць 1,53 Вт з шырынёй імпульсу прыкладна 42 нс пры 10 кГц дасягаецца з дапамогай аптычнага параметрічнага генератара ZnGeP2 (ZGP) (OPO). Наколькі нам вядома, гэта самая высокая сярэдняя магутнасць пры 6,45 мкм любога цвёрдацельнага лазера.Сярэдні каэфіцыент якасці пучка вымяраецца як М2=1,19.
Акрамя таго, пацверджана высокая стабільнасць выхадной магутнасці з ваганнем магутнасці менш за 1,35% RMS на працягу 2 гадзін, і лазер можа эфектыўна працаваць больш за 500 гадзін у агульнай складанасці. Выкарыстоўваючы гэты імпульс 6,45 мкм у якасці крыніцы выпраменьвання, можна правесці абляцыю жывёл. тканіна галаўнога мозгу правяраецца. Акрамя таго, упершыню тэарэтычна прааналізаваны эфект пабочнага пашкоджання, наколькі нам вядома, і вынікі паказваюць, што гэты лазер MIR валодае выдатнай здольнасцю да абляцыі, што робіць яго патэнцыйнай заменай лазерам на свабодных электронах.©2022 Выдавецкая група Optica

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

Сярэдняе інфрачырвонае (MIR) лазернае выпраменьванне 6,45 мкм мае патэнцыйнае прымяненне ў галіне высокадакладнай медыцыны з-за яго пераваг у значнай хуткасці абляцыі і мінімальнага пабочнага пашкоджання 【1】. Раманаўскія лазеры і цвёрдацельныя лазеры на аснове аптычнага параметрічнага асцылятара (OPO) або генерацыі розніцы частот (DFG) звычайна выкарыстоўваюцца лазернымі крыніцамі 6,45 мкм. Аднак высокі кошт, вялікі памер і складаная структура ЛСЭ абмяжоўваюць іх прымяненне. Лазеры на парах стронцыю і газавыя раманаўскія лазеры могуць атрымаць мэтавыя дыяпазоны, але абодва маюць дрэнную стабільнасць, кароткія серыі
даследаванні паказалі, што цвёрдацельныя лазеры з дыяпазонам 6,45 мкм ствараюць меншы дыяпазон тэрмічных пашкоджанняў у біялагічных тканінах і што іх глыбіня абляцыі большая, чым у ЛСЭ пры тых жа ўмовах, што пацвердзіла, што яны могуць выкарыстоўвацца ў якасці эфектыўнай альтэрнатывы ЛСЭ для абляцыі біялагічнай тканіны 【2】. Акрамя таго, цвёрдацельныя лазеры маюць перавагі кампактнай структуры, добрай стабільнасці і

настольная аперацыя, што робіць іх перспектыўнымі інструментамі для атрымання крыніцы святла 6,45 мкн.Як вядома, нелінейныя інфрачырвоныя крышталі гуляюць важную ролю ў працэсе пераўтварэння частоты, які выкарыстоўваецца для дасягнення высокапрадукцыйных лазераў MIR. У параўнанні з аксіднымі інфрачырвонымі крышталямі з межам 4 мкм, неаксідныя крышталі добра працуюць. падыходзіць для генерацыі MIR-лазераў. Гэтыя крышталі ўключаюць большасць халькагенідаў, такіх як AgGaS2 (AGS)【3,41, LiInS2 (LIS)【5,61, LilnSe2 (LISe2)（LISe（S【7㼌】，і BaGaSe（BGSe）【10-12】，, а таксама злучэнні фосфару CdSiP2 (CSP)【13-16】 і ZnGeP2 (ZGP) (ZGP) маюць невялікую сумесную лінію. напрыклад, выпраменьванне MIR можа быць атрымана з дапамогай CSP-OPO. Аднак большасць CSP-OPO працуюць у ультракароткіх (піка-і фемтасекундных) часовых маштабах і сінхронна напампоўваюцца лазерамі з блакіроўкай рэжыму прыкладна 1 мкм. На жаль, гэтыя OPO з сінхроннай напампоўкай Сістэмы SPOPO） маюць складаную ўстаноўку і каштуюць дорага. Іх сярэдняя магутнасць таксама ніжэйшая за 100 мВт пры дыяпазоне каля 6,45 мкм【13-16】. У параўнанні з крышталем CSP, ZGP мае больш высокі ўзровень пашкоджання лазерам.shold (60 МВт/см2), больш высокую цеплаправоднасць (0,36 Вт/см K) і супастаўны нелінейны каэфіцыент (75 pm/V). энергетычныя прыкладання 【18-221.Напрыклад, быў прадэманстраваны плоскі рэзонатор ZGP-OPO з дыяпазонам перабудовы 3,8-12,4 мкм, напампаваны лазерам 2,93 мкм. 1,2 мДж 【201.Для ўдзельнай даўжыні хвалі 6,45 мкм максімальная энергія аднаго імпульсу 5,67 мДж пры частаце паўтарэння 100 Гц была дасягнута з выкарыстаннем неплоскай кальцавой паражніны OPO на аснове крышталя ZGP. З паўторам. частата 200 Гц, была дасягнута сярэдняя выходная магутнасць 0,95 Вт 【221. Наколькі нам вядома, гэта самая высокая выхадная магутнасць, дасягнутая пры 6,45 мкм.Існуючыя даследаванні паказваюць, што больш высокая сярэдняя магутнасць неабходная для эфектыўнай абляцыі тканін 【23】. Такім чынам, распрацоўка практычнага лазернага крыніцы высокай магутнасці 6,45 мкм будзе мець вялікае значэнне ў прасоўванні біялагічнай медыцыны.У гэтым лісце мы паведамляем пра просты, кампактны цвёрдацельны лазер MIR 6,45 мкм, які мае высокую сярэднюю выхадную магутнасць і заснаваны на ZGP-OPO, напампаваным нанасекундным (нс) імпульсам 2,09 мкм

лазер. Максімальная сярэдняя выходная магутнасць лазера 6,45 мкм складае да 1,53 Вт з шырынёй імпульсу прыкладна 42 нс пры частаце паўтарэння 10 кГц, і ён мае выдатнае якасць прамяня. Абляцыйны эфект лазера 6,45 мкм на тканіны жывёл даследуецца. Гэтая праца паказвае, што лазер з'яўляецца эфектыўным падыходам для фактычнай абляцыі тканін, паколькі дзейнічае як лазерны скальпель.Эксперыментальная ўстаноўка намалявана на малюнку 1. ZGP-OPO напампоўваецца самаробным лазерам Ho:YAG з накачкай LD 2,09 мкм, які забяспечвае сярэднюю магутнасць 28 Вт на частаце 10 кГц. з працягласцю імпульсу прыкладна 102 нс（ FWHM) і сярэдні каэфіцыент якасці пучка M2 прыкладна 1,7.MI і M2 - гэта два 45 люстэрка з пакрыццём, якое мае высокую адбіўную здольнасць на 2,09 мкм. Гэтыя люстэркі дазваляюць кіраваць напрамкам пучка помпы. Дзве факусуюцца лінзы (f1 =100 мм ,f2=100 мм) прымяняюцца для калімацыі пучка з дыяметрам пучка каля 3,5 мм у крышталі ZGP. Аптычны ізалятар (ISO) выкарыстоўваецца для прадухілення вяртання пучка помпы да крыніцы помпы 2,09 мкм. Паўхвалевая пласціна (HWP) пры 2,09 мкм выкарыстоўваецца для кіравання палярызацыяй святла помпы. M3 і M4 з'яўляюцца люстэркамі з паражніной OPO, з плоскім CaF2, які выкарыстоўваецца ў якасці матэрыялу падкладкі. Пярэдняе люстэрка M3 з антыблікавым пакрыццём (98%) для помпы прамень і з высокім адбіўным пакрыццём (98%) для сігнальных хваль 6,45 мкм і 3,09 мкм. Выхаднае люстэрка M4 мае высокую адбіўную здольнасць (98%) пры 2,09мкм і 3,09 мкм і дазваляе частковай перадачы халастога 6,45 мкм.Крышталь ZGP разразаецца пры 6-77,6 ° і p = 45 ° для адпаведнасці фазы тыпу JⅡ 【2090,0 (o) 6450,0 (o) +3091,9 (e)】, што больш падыходзіць для пэўнай даўжыні хвалі і стралкі святла. шырыня лініі ў параўнанні з фазавым супадзеннем тыпу I. Памеры крышталя ZGP складаюць 5 мм х 6 мм х 25 мм, ён паліраваны і пакрыты антыблікавым пакрыццём на абодвух тарцах для трох вышэйпералічаных хваль. Ён загорнуты ў індыйскую фальгу і замацаваны ў медным радыятары з вадзяным астуджэннем (T=16)。Даўжыня паражніны складае 27 мм. Час абароту OPO складае 0,537 нс для лазера напампоўкі. Мы пратэставалі парог пашкоджання крышталя ZGP з дапамогай R Метад -on-I 【17】. Парог пашкоджання крышталя ZGP быў вымераны як 0,11 Дж/см2 на частаце 10 кГц.У эксперыменце, што адпавядае пікавай шчыльнасці магутнасці 1,4 МВт/см2, што з'яўляецца нізкім з-за адносна нізкая якасць пакрыцця.Выхадная магутнасць генераванага святла халастыя вымяраецца вымяральнікам энергіі (D,OPHIR, 1 мкВт - 3 Вт), а даўжыня хвалі сігнальнага святла кантралюецца спектрометрам (APE, 1,5-6,3 м), каб атрымліваючы высокую выхадную магутнасць 6,45 мкм, мы аптымізуем распрацоўку параметраў OPO. Лікавае мадэляванне праводзіцца на аснове троххвалевай тэорыі змешвання і параксіальных квацый распаўсюджвання 【24,25】；у мадэляванні мы выкарыстоўваць параметры, адпаведныя эксперыментальным умовам, і выказаць здагадку, што уваходны імпульс з профілем Гаўса ў прасторы і часе. Сувязь паміж выхадным люстэркам OPO

каэфіцыент прапускання, інтэнсіўнасць магутнасці помпы і эфектыўнасць выхаду аптымізуюцца шляхам маніпулявання шчыльнасцю прамяня помпы ў паражніны для дасягнення больш высокай выходнай магутнасці, адначасова пазбягаючы пашкоджанняў крышталя ZGP і аптычных элементаў. Такім чынам, самая высокая магутнасць помпы абмежаваная прыкладна 20 Вт для працы ZGP-OPO. Вынікі мадэлявання паказваюць, што пры выкарыстанні аптымальнай выходнай развязкі з каэфіцыентам прапускання 50%, максімальная шчыльнасць пікавай магутнасці складае ўсяго 2,6 x 10 Вт/см2 у крышталі ZGP, а сярэдняя выхадная магутнасць можа быць атрымана больш за 1,5 Вт. На рысунку 2 паказана ўзаемасувязь паміж вымеранай выходнай магутнасцю халастога пры 6,45 мкм і магутнасцю падаючага помпы. З рыс.2 відаць, што выхадная магутнасць халастога манатонна ўзрастае з павелічэннем Парогавая магутнасць помпы адпавядае сярэдняй магутнасці помпы 3,55 Вт. Максімальная выхадная магутнасць халастога 1,53 Вт дасягаецца пры магутнасці помпы прыкладна 18,7 Вт, што адпавядае эфектыўнасці аптычна-аптычнага пераўтварэння of прыкладна 8,20%% і каэфіцыент квантавага пераўтварэння 25,31%.Для доўгатэрміновай бяспекі лазер працуе пры амаль 70% максімальнай выхадной магутнасці. Стабільнасць магутнасці вымяраецца пры выхадной магутнасці IW, як паказана на ўстаўцы (а) на мал. 2. Выяўлена, што вымеранае ваганне магутнасці менш за 1,35% квадратычна квадрацічнае за 2 гадзіны, і што лазер можа эфектыўна працаваць больш за 500 гадзін у агульнай складанасці. Даўжыня хвалі сігналу вымяраецца замест халадзільніка з-за абмежаванага дыяпазону даўжынь хваль спектрометра (APE, 1,5-6,3 мкм), які выкарыстоўваецца ў нашым эксперыменце. Вымераная даўжыня хвалі сігналу знаходзіцца ў цэнтры 3,09 мкм, а шырыня лініі прыкладна 0,3 нм, як паказана на ўрэзцы (b) на мал. 2. Цэнтральная даўжыня хвалі гульца затым выводзіцца роўнай 6,45 мкм. Шырыня імпульсу гульца вызначаецца фотадэтэктарам (Thorlabs, PDAVJ10) і запісваецца лічбавым асцылографам (Tcktronix) ）。Тыповая форма сігналу асцылографа паказана на мал.3 і адлюстроўвае шырыню імпульсу прыблізна 42 нс. Шырыня імпульсуз'яўляецца на 41,18% вузей для халастога 6,45 мкм у параўнанні з імпульсам помпы 2,09 мкм з-за эфекту звужэння часовага ўзмацнення працэсу нелінейнага пераўтварэння частоты. У выніку адпаведная пікавая магутнасць халастога імпульсу складае 3,56 кВт. Каэфіцыент якасці прамяня Лазерны прамень вымяраецца 6,45 мкм

аналізатар (Spiricon,M2-200-PIII) пры выходнай магутнасці 1 Вт, як паказана на мал.4. Вымераныя значэнні M2 і M，2 складаюць 1,32 і 1,06 па восі x і y адпаведна, што адпавядае сярэдні каэфіцыент якасці пучка M2=1,19. На рысунку 4 паказаны двухмерны (2D) профіль інтэнсіўнасці пучка, які мае прасторавы рэжым, блізкі да Гаўса. Каб пераканацца, што імпульс 6,45 мкм забяспечвае эфектыўную абляцыю, праводзіцца эксперымент, доказы прынцыпу, які ўключае лазерную абляцыю свінога мозгу. Для факусіроўкі імпульснага пучка 6,45 мкм выкарыстоўваецца аб'ектыў f=50 на радыусе таліі каля 0,75 мм. Становішча для абляцыі на тканіны мозгу свіны знаходзіцца ў фокусе лазернага прамяня. Тэмпература паверхні (T) біялагічнай тканіны ў залежнасці ад радыяльнага размяшчэння r вымяраецца тэрмакамерай (FLIR A615) сінхронна падчас працэсу абляцыі. Працягласць апрамянення складае 1 ,2,4,6,10，і 20 с пры магутнасці лазера I Вт. Для кожнай працягласці апрамянення высвечваюцца шэсць пазіцый ўзору: r=0,0,62,0,703,1.91,3.05，і 4,14 мм па радыяльным напрамку адносна цэнтральнай кропкі становішча апрамянення, як паказана на мал.5. Квадраты з'яўляюцца данымі вымеранай тэмпературы. На мал.5 паказана, што тэмпература паверхні у палажэнні абляцыі на тканіны павялічваецца з павелічэннем працягласці апрамянення. Самыя высокія тэмпературы Т у цэнтральнай кропцы r=0 складаюць 132,39,160,32,196,34，

205,57,206,95，і 226,05C для працягласці апрамянення 1,2，4,6,10， і 20 с адпаведна.Для аналізу пабочных пашкоджанняў мадэлюецца размеркаванне тэмпературы на паверхні аблятаванай тканіны. Гэта праводзіцца ў адпаведнасці з тэорыя цеплаправоднасці біялагічнай тканіны126】і тэорыя распаўсюджвання лазера ў біялагічных тканінах【27】у спалучэнні з аптычнымі параметрамі свінога мозгу 1281.
Мадэляванне праводзіцца з дапушчэннем уваходнага Гаўсавага пучка. Паколькі біялагічная тканіна, якая выкарыстоўваецца ў эксперыменце, з'яўляецца ізаляванай тканінай галаўнога мозгу свіней, уплыў крыві і метабалізму на тэмпературу ігнаруецца, а тканіна мозгу свіны спрашчаецца ў форма цыліндру для мадэлявання. Параметры, якія выкарыстоўваюцца ў мадэляванні, зведзены ў табліцы 1. Суцэльныя крывыя, паказаныя на мал. 5, з'яўляюцца мадэляванымі радыяльнымі размеркаваннямі тэмпературы адносна цэнтра абляцыі на паверхні тканіны для шасці розных апраменьванняў працягласці. Яны дэманструюць профіль Гаўса тэмпературы ад цэнтра да перыферыі. З мал. 5 відаць, што эксперыментальныя дадзеныя добра супадаюць з мадэляванымі вынікамі. З мал. 5 таксама відаць, што мадэляваная тэмпература ў цэнтры становішча абляцыі павялічваецца па меры павелічэння працягласці апрамянення для кожнага апрамянення. Папярэднія даследаванні паказалі, што клеткі ў тканіны абсалютна бяспечныя пры тэмпературах ніжэй55C, што азначае, што клеткі застаюцца актыўнымі ў зялёных зонах (T<55C) крывых на мал. 5. Жоўтая зона кожнай крывой (55C)60C）。На мал.5 можна заўважыць, што мадэляваныя радыусы абляцыі пры T=60°Ce0,774,0,873,0,993,1,071,1,198 і 1,364 мм, адпаведна, для працягласці апрамянення 1,6,4， 10，і 20s, у той час як імітаваныя радыусы абляцыі пры T=55C складаюць 0,805, 0,908, 1,037, 1,134, 1,271， і 1,456 мм адпаведна. Пры колькасным аналізе эфекту абляцыі мёртвых клетак1 выяўлена, што arca82 мае 2.394,3.098,3.604,4.509, and5.845 мм2 за 1,2,4,6,10, а 20 гадоў апрамянення, appractively.The вобласці з памяшканнем зоны ўборачнай будзе 0,003,0.0040.006,0.013,0.017, і 0,027 мм2. Відаць, што зоны лазернай абляцыі і зоны пабочных пашкоджанняў павялічваюцца з працягласцю апрамянення. Мы вызначаем каэфіцыент пабочных пашкоджанняў як стаўленне плошчы пабочных пашкоджанняў пры 55C s T60C. Знаходзіцца каэфіцыент пабочных пашкоджанняў складаць 8,17%, 8,18%, 9,06%, 12,11%, 12,56%, і 13,94% для розных часоў апрамянення, што азначае, што пабочнае пашкоджанне аблятаваных тканін невялікае. Такім чынам, комплексныя эксперыментыДадзеныя і вынікі мадэлявання паказваюць, што гэты кампактны, магутны, цалкам цвёрдацельны лазер 6,45 мкм ZGP-OPO забяспечвае эфектыўную абляцыю біялагічных тканін. У заключэнне мы прадэманстравалі кампактны, магутны, цалкам цвёрдацельны лазер. Імпульсная лазерная крыніца MIR 6,45 мкм, заснаваная на падыходзе ns ZGP-OPO. Максімальная сярэдняя магутнасць 1,53 Вт была атрымана з пікавай магутнасцю 3,65 кВт і сярэднім каэфіцыентам якасці пучка M2=1,19. Выкарыстанне гэтага выпраменьвання MIR 6,45 мкм, a Быў праведзены доказы прынцыпу эксперымент па лазернай абляцыі тканіны. Было эксперыментальна вымерана і тэарэтычна змадэлявана размеркаванне тэмпературы на паверхні аблятаванай тканіны. Дадзеныя вымярэння добра супадалі з мадэляванымі вынікамі. Больш за тое, тэарэтычна прааналізаваны пабочны пашкоджанне упершыню. Гэтыя вынікі пацвярджаюць, што наш настольны імпульсны лазер MIR з дыяпазонам 6,45 мкм прапануе эфектыўную абляцыю біялагічных тканін і мае вялікі патэнцыял, каб стаць практычным інструментам у медыцынскай і біялагічнай навуцы, паколькі ён можа замяніць аб'ёмную ЛСЭ, яклазерны скальпель.