Демонстриран је компактан и робустан средње-инфрацрвени (МИР) ласер у потпуно чврстом стању на 6,45 ум са високом просечном излазном снагом и скоро Гаусовим квалитетом зрака. Максимална излазна снага од 1,53 В са ширином импулса од приближно 42 нс на 10 кХз се постиже коришћењем ЗнГеП2 (ЗГП) оптичког параметарског осцилатора (ОПО). Ово је највећа просечна снага на 6,45 ум било ког ласера са потпуно чврстим стањем, колико нам је познато.Просечни фактор квалитета зрака је М2=1,19.
Штавише, потврђена је висока излазна снага, са флуктуацијом снаге мањом од 1,35% рмс током 2 х, а ласер може ефикасно радити више од 500 х укупно. Користећи овај импулс од 6,45 ум као извор зрачења, аблација животиња Тестирано је мождано ткиво. Поред тога, први пут је теоретски анализиран ефекат колатералног оштећења, колико је нама познато, а резултати показују да овај МИР ласер има одличну способност аблације, што га чини потенцијалном заменом за ласере са слободним електронима.©2022 Издавачка група Оптица
хттпс://дои.орг/10.1364/ОЛ.446336
Средње инфрацрвено (МИР) ласерско зрачење од 6,45 ум има потенцијалну примену у областима високопрецизне медицине због својих предности значајне стопе аблације и минималног колатералног оштећења 【1】. Ласери са слободним електронима (ФЕЛс), ласери на паре стронцијума Рамански ласери и полупроводнички ласери засновани на оптичком параметричком осцилатору (ОПО) или генерисању разлике фреквенције (ДФГ) се обично користе као ласерски извори од 6,45 ум. Међутим, висока цена, велика величина и сложена структура ФЕЛ ограничавају њихову Ласери на пару стронцијума и гасни Раман ласери могу да добију циљне траке, али оба имају лошу стабилност, кратки сер-
пороци живе и захтевају сложено одржавање. Студије су показале да ласери у чврстом стању од 6,45 ум производе мањи опсег термичког оштећења у биолошким ткивима и да је њихова дубина аблације дубља од оне код ФЕЛ под истим условима, што је потврдило да могу да се користи као ефикасна алтернатива ФЕЛ-овима за аблацију биолошког ткива 【2】. Поред тога, ласери у чврстом стању имају предности компактне структуре, добре стабилности и
рад на столу, што их чини обећавајућим алатима за добијање извора светлости од 6,45 μн.Као што је познато, нелинеарни инфрацрвени кристали играју важну улогу у процесу конверзије фреквенције који се користи за постизање МИР ласера високих перформанси. У поређењу са оксидним инфрацрвеним кристалима са граничном ивицом од 4 ум, неоксидни кристали су добри. погодан за генерисање МИР ласера. Ови кристали укључују већину халкогенида, као што је АгГаС2 (АГС)【3,41，ЛиИнС2 (ЛИС)【5,61， ЛилнСе2 (ЛИСе2)（ЛИСе）【7㼌】，и БаГаСе（БГСе）【10-12】，као и фосфорна једињења ЦдСиП2 (ЦСП)【13-16】 и ЗнГеП2 (ЗГП) имају реконструкцију за две друге велике. на пример, МИР зрачење се може добити коришћењем ЦСП-ОПО-а. Међутим, већина ЦСП-ОПО-а ради на ултракратком (пико-и фемтосекунди) временској скали и синхроно их пумпају ласери са закључавањем мода од приближно 1 ум. Нажалост, ови ОПО синхроно пумпају СПОПО）системи имају сложену поставку и скупи су. Њихове просечне снаге су такође ниже од 100 мВ на око 6,45 ум【13-16】. У поређењу са ЦСП кристалом, ЗГП има већу троструку ласерску штетутреба (60 МВ/цм2), већу топлотну проводљивост (0,36 В/цм К), и упоредиви нелинеарни коефицијент (75 пм/В). Према томе, ЗГП је одличан МИР нелинеарни оптички кристал за велике снаге или високе- енергетске примене 【18-221. На пример, демонстрирана је равна равна шупљина ЗГП-ОПО са опсегом подешавања од 3,8-12,4 ум пумпана ласером од 2,93 ум. Максимална енергија једног импулса празног светла на 6,6 ум је била 1,2 мЈ 【201. За специфичну таласну дужину од 6,45 ум, максимална енергија једног импулса од 5,67 мЈ при фреквенцији понављања од 100 Хз је постигнута коришћењем непланарне прстенасте ОПО шупљине засноване на ЗГП кристалу. Са понављањем. фреквенција од 200Хз, постигнута је просечна излазна снага од 0,95 В 【221. Колико нам је познато, ово је највећа излазна снага постигнута на 6,45 ум.Постојеће студије сугеришу да је већа просечна снага неопходна за ефикасну аблацију ткива 【23】. Стога би развој практичног ласерског извора велике снаге од 6,45 ум био од великог значаја у промоцији биолошке медицине.У овом писму извештавамо о једноставном, компактном, потпуно чврстом МИР ласеру од 6,45 ум који има високу просечну излазну снагу и заснован је на ЗГП-ОПО пумпаном наносекундним (нс) импулсом од 2,09 ум
ласер.Максимална просечна излазна снага ласера од 6,45 ум је до 1,53 В са ширином импулса од приближно 42нс при фреквенцији понављања од 10 кХз, и има одличан квалитет зрака. Ефекат аблације ласера од 6,45 ум на животињско ткиво истражује се. Овај рад показује да је ласер ефикасан приступ за стварну аблацију ткива, јер делује као ласерски скалпел.Експериментална поставка је скицирана на слици 1. ЗГП-ОПО се пумпа домаћим Хо:ИАГ ласером са ЛД пумпом од 2,09 ум који испоручује 28 В просечне снаге на 10 кХз. са трајањем импулса од приближно 102 нс（ ФВХМ）и просечан фактор квалитета зрака М2 од приближно 1,7.МИ и М2 су два 45 огледала са премазом који има високу рефлексију на 2,09 ум.Ова огледала омогућавају контролу правца зрака пумпе.Два сочива за фокусирање (ф1 =100мм ,ф2=100 мм) се примењују за колимацију зрака са пречником снопа од око 3,5 мм у ЗГП кристалу. Оптички изолатор (ИСО) се користи да спречи да се сноп пумпе врати на извор пумпе од 2,09 ум. Полуталасна плоча (ХВП) на 2,09 ум се користи за контролу поларизације светлости пумпе. М3 и М4 су ОПО огледала са шупљином, са равним ЦаФ2 који се користи као материјал подлоге. Предње огледало М3 је обложено антирефлексом (98%) за пумпу сноп и обложен са високим одсјајем (98%) за сигналне таласе од 6,45 ум и 3,09 ум. Излазно огледало М4 има високу рефлексију (98%) на 2,09ум и 3,09 ум и омогућава делимичан пренос празног хода од 6,45 ум.ЗГП кристал се сече на 6-77,6°ип=45° за тип-ЈⅡ фазно подударање 【2090,0 (о) 6450,0 (о)+3091,9 (е)】, што је погодније за одређену параметарску дужину таласа светлости ширина линије у поређењу са фазним подударањем типа И. Димензије ЗГП кристала су 5 мм к 6 мм к 25 мм, полиран је и антирефлексно премазан на обе крајње стране за горња три таласа. Умотан је у индијум фолију и фиксиран у бакарном хладњаку са воденим хлађењем (Т=16)。Дужина шупљине је 27 мм. Време повратног пута ОПО је 0,537 нс за ласер пумпе. Тестирали смо праг оштећења ЗГП кристала помоћу Р -он-И метода 【17】. Праг оштећења ЗГП кристала је измерен на 0,11 Ј/цм2 на 10 кХз.у експерименту, што одговара вршној густини снаге од 1,4 МВ/цм2, што је мало због релативно лош квалитет премаза.Излазна снага генерисаног празног светла се мери помоћу мерача енергије (Д,ОПХИР, 1 уВ до 3 В), а таласна дужина сигналне светлости се прати спектрометром (АПЕ, 1,5-6,3 м). добијамо високу излазну снагу од 6,45 ум, оптимизујемо дизајн параметара ОПО-а. Нумеричка симулација се спроводи на основу теорије мешања са три таласа и параксијалног простирања 【24,25】；у симулацији, ми користе параметре који одговарају експерименталним условима и претпостављају улазни импулс са Гаусовим профилом у простору и времену. Однос између ОПО излазног огледала
пропустљивост, интензитет снаге пумпе и излазна ефикасност су оптимизовани манипулисањем густином зрака пумпе у шупљини како би се постигла већа излазна снага док се истовремено избегава оштећење ЗГП кристала и оптичких елемената. Дакле, највећа снага пумпе је ограничена на око 20 В за ЗГП-ОПО рад. Симулирани резултати показују да док се користи оптимална излазна спојница са пропусношћу од 50%, максимална густина вршне снаге је само 2,6 к 10 В/цм2 у ЗГП кристалу, а просечна излазна снага може се добити више од 1,5 В. На слици 2 приказан је однос измерена излазна снага упорњака на 6,45 ум и снаге упадне пумпе. На слици 2 се може видети да излазна снага празног хода монотоно расте са Инцидентна снага пумпе. Праг пумпе одговара просечној снази пумпе од 3,55 ВА. Максимална излазна снага празног хода од 1,53 В се постиже при снази пумпе од приближно 18,7 В, што одговара ефикасности оптичке конверзије оф приближно 8,20%% и квантне конверзије од 25,31%. Ради дугорочне безбедности, ласер ради на скоро 70% своје максималне излазне снаге. Стабилност снаге се мери при излазној снази од ИВ, као приказано на уметку (а) на слици 2. Утврђено је да је измерена флуктуација снаге мања од 1,35% рмс за 2 х, и да ласер може ефикасно да ради више од 500 х укупно. Таласна дужина сигналног таласа се мери уместо оне на празном ходу због ограниченог опсега таласних дужина спектрометра (АПЕ, 1,5-6,3 ум) који се користи у нашем експерименту. Таласна дужина измереног сигнала је центрирана на 3,09 ум и ширина линије је приближно 0,3 нм, као што је приказано на уметку （б） на слици 2. Централна таласна дужина празног хода је тада закључена као 6,45 ум. Ширина импулса празног хода детектује фотодетектор (Тхорлабс, ПДАВЈ10) и снима дигитални осцилоскоп (Тцктроник，2ГХз， ）。Типичан таласни облик осцилоскопа је приказан на слици 3 и приказује ширину импулса од приближно 42 нс. Ширина импулсаје 41,18% ужи за 6,45 ум у поређењу са импулсом пумпе од 2,09 ум због ефекта сужавања временског добитка процеса нелинеарне конверзије фреквенције. Као резултат, одговарајућа вршна снага празног импулса је 3,56 кВ. Фактор квалитета зрака Ласерским снопом се мери 6,45 ум празног хода
анализатор (Спирицон,М2-200-ПИИИ) на 1 В излазне снаге, као што је приказано на слици 4. Измерене вредности М2 и М，2 су 1,32 и 1,06 дуж к осе и и осе, респективно, што одговара просечан фактор квалитета снопа од М2=1,19. Инсцт на слици 4 показује дводимензионални (2Д) профил интензитета снопа, који има скоро Гаусов просторни мод. Да би се потврдило да импулс од 6,45 ум обезбеђује ефективну аблацију, спроведен је експеримент са доказом принципа који укључује ласерску аблацију свињског мозга. Ф=50 сочиво се користи за фокусирање снопа импулса од 6,45 ум до радијуса струка од око 0,75 мм. Положај који се аблатира на свињском можданом ткиву се поставља у фокус ласерског зрака. Површинска температура (Т) биолошког ткива као функција радијалне локације р се мери термокамером (ФЛИР А615) синхроно током процеса аблације. Трајање зрачења је 1 ,2,4,6,10，и 20 с при снази ласера од И В. За свако трајање зрачења, шест позиција узорка је приказано: р=0,0,62,0,703,1.91,3.05，и 4.14 мм дуж радијалног правца у односу на централну тачку позиције озрачивања, као што је приказано на слици 5. Квадрати су подаци измерене температуре. На слици 5 се налази да је површинска температура у положају аблације на ткиву расте са повећањем трајања озрачивања. Највише температуре Т у централној тачки р=0 су 132,39,160,32,196,34，
205,57,206,95，и 226,05Ц за трајање зрачења од 1,2，4,6,10，, односно 20 с. Да би се анализирало колатерално оштећење, симулира се дистрибуција температуре на површини аблираног ткива. Ово се спроводи према теорија топлотне проводљивости за биолошко ткиво126】и теорија ширења ласера у биолошком ткиву 【27】у комбинацији са оптичким параметрима свињског мозга 1281.
Симулација је изведена уз претпоставку улазног Гаусовог снопа. Пошто је биолошко ткиво коришћено у експерименту изоловано свињско мождано ткиво, утицај крви и метаболизма на температуру се занемарује, а свињско мождано ткиво се поједностављује у облик цилиндра за симулацију. Параметри коришћени у симулацији су сумирани у табели 1. Пуне криве приказане на слици 5 су симулиране радијалне расподеле температуре у односу на центар аблације на површини ткива за шест различитих зрачења трајања. Они показују Гаусов температурни профил од центра ка периферији. Са слике 5 је евидентно да се експериментални подаци добро поклапају са симулираним резултатима. Такође је очигледно са слике 5 да је симулирана температура у центру позиција аблације се повећава како се трајање зрачења повећава за свако озрачивање. Претходна истраживања су показала да су ћелије у ткиву савршено безбедне на температурама испод55Ц, што значи да ћелије остају активне у зеленим зонама (Т<55Ц) криве на слици 5. Жута зона сваке криве (55Ц)60Ц）。Може се приметити на слици 5 да су симулирани радијуси аблације на Т=60°Царе0,774,0,873,0,993,1,071,1,198 и 1,364 мм, респективно, за трајање зрачења од 1,6,4， 10，и 20с, док су симулирани радијуси аблације при Т=55Ц 0,805, 0,908, 1,037, 1,134, 1,271， и 1,456 мм, респективно. Квантитативном анализом ефекта аблације мртвих ћелија1, утврђено је да је арца82 са мртвим ћелијама. 2.394,3.098,3.604,4.509，и5.845 мм2 за 1,2,4,6,10，и 20с зрачења, респективно. Подручје са површином колатералне штете је 0.003,0.0040.0136,0.0.0. и 0,027 мм2. Може се видети да се зоне ласерске аблације и зоне колатералног оштећења повећавају са трајањем зрачења. Однос колатералне штете дефинишемо као однос површине колатералног оштећења на 55Ц с Т60Ц. Пронађен је однос колатералне штете бити 8,17%, 8,18%, 9,06%, 12,11%, 12,56% и 13,94% за различита времена озрачивања, што значи да је колатерално оштећење аблираних ткива мало. Стога, свеобухватни експериментиПодаци и резултати симулације показују да овај компактни ЗГП-ОПО ласер велике снаге, потпуно чврсти, 6,45 ум обезбеђује ефикасну аблацију биолошких ткива. МИР импулсни ласерски извор од 6,45 ум заснован на нс ЗГП-ОПО приступу. Добијена је максимална просечна снага од 1,53 В са вршном снагом од 3,65кВ и просечним фактором квалитета снопа од М2=1,19. Коришћењем овог МИР зрачења од 6,45 ум,а Извршен је експеримент доказа о принципу ласерске аблације ткива. Експериментално је измерена и теоретски симулирана дистрибуција температуре на површини аблираног ткива. Измерени подаци су се добро слагали са симулираним резултатима. Штавише, колатерална штета је теоретски анализирана по први пут. Ови резултати потврђују да наш стони МИР пулсни ласер на 6,45 ум нуди ефикасну аблацију биолошких ткива и има велики потенцијал да буде практичан алат у медицинској и биолошкој науци, јер би могао да замени гломазни ФЕЛ каоласерски скалпел.