Ein kompakter und robuster Festkörper-Mittelinfrarotlaser (MIR) bei 6,45 um mit hoher durchschnittlicher Ausgangsleistung und nahezu gaußscher Strahlqualität wird demonstriert. Eine maximale Ausgangsleistung von 1,53 W mit einer Impulsbreite von ungefähr 42 ns bei 10 kHz wird unter Verwendung eines ZnGeP2 (ZGP) optischen parametrischen Oszillators (OPO) erreicht. Dies ist nach unserem besten Wissen die höchste durchschnittliche Leistung bei 6,45 um aller Festkörperlaser.Der durchschnittliche Strahlqualitätsfaktor wird mit M2 = 1,19 gemessen.
Darüber hinaus wird eine hohe Ausgangsleistungsstabilität bestätigt, mit einer Leistungsschwankung von weniger als 1,35 % rms über 2 h, und der Laser kann insgesamt mehr als 500 h effizient betrieben werden. Mit diesem 6,45-um-Puls als Strahlungsquelle kann ein Tier abgetragen werden Gehirngewebe wird getestet. Darüber hinaus wird der Kollateralschadenseffekt zum ersten Mal nach unserem besten Wissen theoretisch analysiert, und die Ergebnisse zeigen, dass dieser MIR-Laser eine hervorragende Ablationsfähigkeit hat, was ihn zu einem potenziellen Ersatz für Freie-Elektronen-Laser macht.©2022 Optica Verlagsgruppe

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

Mittleres Infrarot (MIR) 6,45 um Laserstrahlung hat aufgrund ihrer Vorteile einer erheblichen Ablationsrate und minimalen Kollateralschäden potenzielle Anwendungen in der Hochpräzisionsmedizin 【1】. Freie-Elektronen-Laser (FELs), Strontiumdampflaser, Gas Raman-Laser und Festkörperlaser, die auf einem optischen parametrischen Oszillator (OPO) oder einer Differenzfrequenzerzeugung (DFG) basieren, sind häufig verwendete 6,45-um-Laserquellen. Die hohen Kosten, die Größe und die komplexe Struktur von FELs schränken sie jedoch ein Anwendung. Strontiumdampflaser und Gas-Raman-Laser können die Zielbänder erhalten, aber beide haben eine schlechte Stabilität, kurze Lebensdauer
Laster lebt und erfordert eine komplexe Wartung. Studien zeigten, dass 6,45-um-Festkörperlaser einen geringeren thermischen Schadensbereich in biologischen Geweben erzeugen und dass ihre Ablationstiefe unter den gleichen Bedingungen tiefer ist als die eines FEL, was bestätigte, dass sie dies können als effektive Alternative zu FELs für die biologische Gewebeablation verwendet werden 【2】. Darüber hinaus haben Festkörperlaser die Vorteile einer kompakten Struktur, einer guten Stabilität und

Tischbetrieb, was sie zu vielversprechenden Werkzeugen für den Erhalt einer 6,45-μn-Lichtquelle macht.Nichtlineare Infrarot-Kristalle spielen bekanntlich eine wichtige Rolle im Frequenzumwandlungsprozess, der verwendet wird, um Hochleistungs-MIR-Laser zu erzielen geeignet zur Erzeugung von MIR-Lasern. Diese Kristalle enthalten die meisten Chalkogenide, wie AgGaS2 （AGS）【3,41，LiInS2 （LIS）【5,61， LilnSe2 （LISe）【7】，BaGaS（BGS）【8,9 】，und BaGaSe（BGSe）【10-12】，sowie die Phosphorverbindungen CdSiP2（CSP）【13-16】und ZnGeP2 （ZGP）【17】；die letzteren beiden haben beide relativ große nichtlineare Koeffizienten Beispielsweise kann MIR-Strahlung unter Verwendung von CSP-OPOs erhalten werden. Die meisten CSP-OPOs arbeiten jedoch auf einer ultrakurzen Zeitskala (Pico- und Femtosekunden) und werden synchron von etwa 1 um modengekoppelten Lasern gepumpt. Leider werden diese synchron gepumpten OPO（ SPOPO）Systeme haben einen komplexen Aufbau und sind kostspielig. Ihre durchschnittlichen Leistungen sind auch niedriger als 100 mW bei etwa 6,45 um【13-16】. Im Vergleich zu CSP-Kristallen hat ZGP einen höheren Laserschadenshold (60 MW/cm2), eine höhere Wärmeleitfähigkeit (0,36 W/cm K) und einen vergleichbaren nichtlinearen Koeffizienten (75 pm/V). Energieanwendungen 【18-221. Beispielsweise wurde ein Flat-Flat-Cavity-ZGP-OPO mit einem Abstimmbereich von 3,8-12,4 um, der von einem 2,93-um-Laser gepumpt wurde, demonstriert. Die maximale Einzelpulsenergie des Leerlauflichts lag bei 6,6 um 1,2 mJ 【201. Für die spezifische Wellenlänge von 6,45 um wurde eine maximale Einzelpulsenergie von 5,67 mJ bei einer Wiederholungsfrequenz von 100 Hz unter Verwendung eines nicht-planaren Ring-OPO-Resonators basierend auf einem ZGP-Kristall erreicht. Mit einer Wiederholung Bei einer Frequenz von 200 Hz wurde eine durchschnittliche Ausgangsleistung von 0,95 W erreicht 【221. Soweit uns bekannt ist, ist dies die höchste erreichte Ausgangsleistung bei 6,45 um.Bestehende Studien deuten darauf hin, dass für eine effektive Gewebeablation eine höhere Durchschnittsleistung erforderlich ist 【23】. Daher wäre die Entwicklung einer praktischen Hochleistungs-6,45-um-Laserquelle von großer Bedeutung für die Förderung der biologischen Medizin.In diesem Brief berichten wir über einen einfachen, kompakten Festkörper-MIR-6,45-um-Laser, der eine hohe mittlere Ausgangsleistung hat und auf einem ZGP-OPO basiert, der mit einem Nanosekunden-(ns)-Impuls von 2,09 um gepumpt wird

Laser. Die maximale durchschnittliche Ausgangsleistung des 6,45-um-Lasers beträgt bis zu 1,53 W bei einer Impulsbreite von ca. 42 ns bei einer Wiederholfrequenz von 10 kHz, und er hat eine hervorragende Strahlqualität. Die abtragende Wirkung des 6,45-um-Lasers auf tierisches Gewebe wird untersucht. Diese Arbeit zeigt, dass der Laser ein effektiver Ansatz für die eigentliche Gewebeabtragung ist, da er wie ein Laserskalpell wirkt.Der experimentelle Aufbau ist in Abb. 1 skizziert. Der ZGP-OPO wird von einem selbstgebauten LD-gepumpten 2,09-um-Ho:YAG-Laser gepumpt, der 28 W mittlere Leistung bei 10 kHz mit einer Impulsdauer von ungefähr 102 ns liefert（ FWHM) und einem durchschnittlichen Strahlqualitätsfaktor M2 von ca. 1,7. MI und M2 sind zwei 45-Spiegel mit einer Beschichtung, die bei 2,09 um hochreflektierend ist. Diese Spiegel ermöglichen die Richtungssteuerung des Pumpstrahls. Zwei Fokussierlinsen (f1 = 100 mm). ,f2=100 mm）werden zur Strahlkollimation mit einem Strahldurchmesser von etwa 3,5 mm im ZGP-Kristall verwendet. Ein optischer Isolator (ISO) wird verwendet, um zu verhindern, dass der Pumpstrahl zur 2,09-um-Pumpquelle zurückkehrt. Eine Halbwellenplatte （HWP） bei 2,09 um wird verwendet, um die Polarisation des Pumplichts zu steuern. M3 und M4 sind OPO-Hohlraumspiegel, wobei flaches CaF2 als Substratmaterial verwendet wird. Der vordere Spiegel M3 ist für die Pumpe antireflexbeschichtet (98 %). Strahl und hochreflektierend beschichtet (98 %) für die 6,45-um-Idler- und 3,09-um-Signalwellen. Der Ausgangsspiegel M4 ist hochreflektierend (98 %) bei 2,09um und 3,09 um und ermöglicht eine teilweise Übertragung des 6,45 um Idlers.Der ZGP-Kristall ist bei 6–77,6 ° und p = 45 ° für Typ-JⅡ-Phasenanpassung 【2090,0 （o） 6450,0 （o） + 3091,9 （e）】 geschnitten, was für eine bestimmte Wellenlänge besser geeignet ist und parametrisches Licht mit einem schmaleren ergibt Linienbreite verglichen mit Typ-I-Phasenanpassung. Die Abmessungen des ZGP-Kristalls betragen 5 mm x 6 mm x 25 mm, und er ist poliert und an beiden Endfacetten antireflexbeschichtet für die oben genannten drei Wellen. Er ist in Indiumfolie eingewickelt und befestigt in einem Kupferkühlkörper mit Wasserkühlung (T = 16)。 Die Hohlraumlänge beträgt 27 mm. Die Umlaufzeit des OPO beträgt 0,537 ns für den Pumplaser. Wir haben die Schadensschwelle des ZGP-Kristalls durch den R getestet -on-I-Methode 【17】. Die Schadensschwelle des ZGP-Kristalls wurde im Experiment mit 0,11 J/cm2 bei 10 kHz gemessen, was einer Spitzenleistungsdichte von 1,4 MW/cm2 entspricht, was aufgrund der relativ schlechte Beschichtungsqualität.Die Ausgangsleistung des erzeugten Leerlauflichts wird mit einem Energiemessgerät (D, OPHIR, 1 uW bis 3 W) gemessen, und die Wellenlänge des Signallichts wird mit einem Spektrometer (APE, 1,5–6,3 m) überwacht Um eine hohe Ausgangsleistung von 6,45 um zu erhalten, optimieren wir das Design der Parameter des OPO. Eine numerische Simulation wird basierend auf der Drei-Wellen-Mischungstheorie und paraxialen Ausbreitungsrechnungen 【24,25】；in der Simulation durchgeführt, wir Verwenden Sie die Parameter, die den experimentellen Bedingungen entsprechen, und nehmen Sie einen Eingangsimpuls mit einem Gaußschen Profil in Raum und Zeit an. Die Beziehung zwischen OPO-Ausgangsspiegel

Transmission, Pumpleistungsintensität und Ausgangseffizienz werden optimiert, indem die Pumpstrahldichte in der Kavität manipuliert wird, um eine höhere Ausgangsleistung zu erreichen, während gleichzeitig eine Beschädigung des ZGP-Kristalls und der optischen Elemente vermieden wird. Daher ist die höchste Pumpleistung auf etwa 20 begrenzt W für den ZGP-OPO-Betrieb. Simulierte Ergebnisse zeigen, dass bei Verwendung eines optimalen Ausgangskopplers mit einem Transmissionsgrad von 50 % die maximale Spitzenleistungsdichte im ZGP-Kristall nur 2,6 x 10 W/cm2 und eine durchschnittliche Ausgangsleistung beträgt von mehr als 1,5 W erreicht werden. Bild 2 zeigt den Zusammenhang zwischen der gemessenen Ausgangsleistung des Idlers bei 6,45 µm und der einfallenden Pumpleistung. Aus Bild 2 ist ersichtlich, dass die Ausgangsleistung des Idlers monoton mit der ansteigt einfallende Pumpleistung. Die Pumpschwelle entspricht einer durchschnittlichen Pumpleistung von 3,55 W. Bei einer Pumpleistung von ca. 18,7 W wird eine maximale Idler-Ausgangsleistung von 1,53 W erreicht, was einem Optisch-zu-Optisch-Umwandlungswirkungsgrad o entsprichtf ca. 8,20 % % und eine Quantenkonversions-Kliabilität von 25,31 %. Zur Langzeitsicherheit wird der Laser mit nahezu 70 % seiner maximalen Ausgangsleistung betrieben. Die Leistungsstabilität wird bei einer Ausgangsleistung von IW,as gemessen Einschub （a） in Abb. 2. Es zeigt sich, dass die gemessene Leistungsschwankung weniger als 1,35 % RMS in 2 h beträgt und dass der Laser insgesamt mehr als 500 h effizient betrieben werden kann. Die Wellenlänge der Signalwelle wird aufgrund des begrenzten Wellenlängenbereichs des in unserem Experiment verwendeten Spektrometers (APE, 1,5-6,3 um) anstelle des Idlers gemessen. Die gemessene Signalwellenlänge ist bei 3,09 um zentriert und die Linienbreite beträgt ungefähr 0,3 nm, wie gezeigt in Einschub (b) von Abb. 2. Die zentrale Wellenlänge des Leerlaufrads wird dann auf 6,45 um abgeleitet. Die Impulsbreite des Leerlaufrads wird von einem Fotodetektor (Thorlabs, PDAVJ10) erfasst und von einem digitalen Oszilloskop (Tcktronix, 2 GHz) aufgezeichnet ）。Eine typische Oszilloskop-Wellenform ist in Abb. 3 dargestellt und zeigt eine Impulsbreite von etwa 42 ns an. Die Impulsbreiteist um 41,18 % schmaler für den 6,45-um-Idler im Vergleich zum 2,09-um-Pumpimpuls aufgrund des zeitlichen Verstärkungsverengungseffekts des nichtlinearen Frequenzumwandlungsprozesses. Als Ergebnis beträgt die entsprechende Idler-Impulsspitzenleistung 3,56 kW 6,45 um Spannrolle wird mit einem Laserstrahl gemessen

Analysator (Spiricon, M2-200-PIII) bei 1 W Ausgangsleistung, wie in Abb. 4 gezeigt. Die gemessenen Werte von M2 und M，2 sind 1,32 und 1,06 entlang der x-Achse bzw einen durchschnittlichen Strahlqualitätsfaktor von M2 = 1,19. Das Insct von Abb. 4 zeigt das zweidimensionale (2D) Strahlintensitätsprofil, das einen nahezu gaußschen räumlichen Modus hat. ein Proof-of-Principle-Experiment mit Laserablation von Schweinehirn wird durchgeführt. Eine f=50-Linse wird verwendet, um den 6,45-um-Pulsstrahl auf einen Taillenradius von etwa 0,75 mm zu fokussieren. Die abzutragende Position auf dem Schweinehirngewebe wird im Fokus des Laserstrahls platziert. Die Oberflächentemperatur （T） des biologischen Gewebes als Funktion der radialen Position r wird mit einer Thermokamera (FLIR A615) synchron zum Ablationsprozess gemessen. Die Bestrahlungsdauer beträgt 1 ,2,4,6,10，und 20 s bei einer Laserleistung von I W. Für jede Bestrahlungsdauer sind sechs Probenpositionen angegeben: r=0,0,62,0,703, 1,91, 3,05 und 4,14 mm entlang der radialen Richtung in Bezug auf den Mittelpunkt der Bestrahlungsposition, wie in Abb. 5 gezeigt. Die Quadrate sind die gemessenen Temperaturdaten. Aus Abb. 5 ist ersichtlich, dass die Oberflächentemperatur an der Ablationsposition auf dem Gewebe nimmt mit zunehmender Bestrahlungsdauer zu. Die höchsten Temperaturen T im Mittelpunkt r=0 sind 132,39,160,32,196,34

205,57, 206,95 und 226,05 C für Bestrahlungsdauern von 1, 2, 4, 6, 10 bzw. 20 s. Zur Analyse der Kollateralschäden wird die Temperaturverteilung auf der abgetragenen Gewebeoberfläche simuliert die Wärmeleitungstheorie für biologisches Gewebe126】und die Theorie der Laserausbreitung in biologischem Gewebe【27】kombiniert mit den optischen Parametern des Schweinehirns1281.
Die Simulation wird unter der Annahme eines Gaußschen Eingangsstrahls durchgeführt. Da es sich bei dem im Experiment verwendeten biologischen Gewebe um isoliertes Schweinehirngewebe handelt, wird der Einfluss von Blut und Stoffwechsel auf die Temperatur ignoriert und das Schweinehirngewebe zu vereinfacht Form eines Zylinders für die Simulation. Die in der Simulation verwendeten Parameter sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Die in Abb. 5 gezeigten durchgezogenen Kurven sind die simulierten radialen Temperaturverteilungen in Bezug auf das Ablationszentrum auf der Gewebeoberfläche für die sechs verschiedenen Bestrahlungen Dauer. Sie weisen ein Gaußsches Temperaturprofil von der Mitte zur Peripherie auf. Aus Abb. 5 ist ersichtlich, dass die experimentellen Daten gut mit den simulierten Ergebnissen übereinstimmen. Aus Abb. 5 ist auch ersichtlich, dass die simulierte Temperatur in der Mitte der Die Ablationsposition erhöht sich mit zunehmender Bestrahlungsdauer für jede Bestrahlung. Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass die Zellen im Gewebe bei Temperaturen darunter vollkommen sicher sind55 °C, was bedeutet, dass die Zellen in den grünen Zonen (T < 55 °C) der Kurven in Abb. 5 aktiv bleiben. Die gelbe Zone jeder Kurve (55 °C).60C）。Es kann in Abb. 5 beobachtet werden, dass die simulierten Ablationsradien bei T=60°Ce 0,774, 0,873, 0,993, 1,071, 1,198 bzw. 1,364 mm für Bestrahlungsdauern von 1, 2, 4, 6, 10 und 20 s, während die simulierten Ablationsradien bei T = 55 ° C 0,805, 0,908, 1,037, 1,134, 1,271 und 1,456 mm betragen. Bei der quantitativen Analyse des Ablationseffekts wird festgestellt, dass der Arca mit toten Zellen 1,882 beträgt. 2,394, 3,098, 3,604, 4,509 und 5,845 mm2 für 1, 2, 4, 6, 10 und 20 s Bestrahlung. Die Fläche mit Kollateralschäden beträgt 0,003, 0,0040,006, 0,013, 0,017. und 0,027 mm2. Es ist ersichtlich, dass die Laserablationszonen und die Kollateralschadenszonen mit der Bestrahlungsdauer zunehmen. Wir definieren das Kollateralschadensverhältnis als das Verhältnis der Kollateralschadensfläche bei 55 °C zu T60 °C. Das Kollateralschadensverhältnis wird gefunden 8,17 %, 8,18 %, 9,06 %, 12,11 %, 12,56 % und 13,94 % für unterschiedliche Bestrahlungszeiten betragen, was bedeutet, dass der Kollateralschaden des abgetragenen Gewebes gering istl Daten und Simulationsergebnisse zeigen, dass dieser kompakte, hochleistungsfähige, vollständig aus Festkörpern bestehende 6,45-um-ZGP-OPO-Laser eine effektive Ablation von biologischem Gewebe ermöglicht MIR-gepulste 6,45-um-Laserquelle basierend auf einem ns-ZGP-OPO-Ansatz. Eine maximale Durchschnittsleistung von 1,53 W wurde mit einer Spitzenleistung von 3,65 kW und einem durchschnittlichen Strahlqualitätsfaktor von M2 = 1,19 erhalten. Unter Verwendung dieser 6,45-um-MIR-Strahlung a Proof-of-Principle-Experiment zur Laserablation von Gewebe durchgeführt. Die Temperaturverteilung auf der abgetragenen Gewebeoberfläche wurde experimentell gemessen und theoretisch simuliert. Die gemessenen Daten stimmten gut mit den simulierten Ergebnissen überein. Außerdem wurden die Kollateralschäden theoretisch analysiert zum ersten Mal. Diese Ergebnisse bestätigen, dass unser Tisch-MIR-Pulslaser bei 6,45 um eine effektive Ablation von biologischem Gewebe bietet und ein großes Potenzial hat, ein praktisches Werkzeug in der medizinischen und biologischen Wissenschaft zu sein, da er einen sperrigen FEL ersetzen könnteein Laserskalpell.