In kompakte en robúste all-solid-state mid-infrared (MIR) laser op 6,45 um mei hege gemiddelde útfierkrêft en near-Gaussian beam kwaliteit wurdt demonstrearre. kHz wurdt berikt mei in ZnGeP2 (ZGP) optyske parametryske oscillator （OPO）. Dit is de heechste gemiddelde krêft op 6.45 um fan elke all-solid-state laser nei it bêste fan ús kennis.De gemiddelde beamkwaliteitsfaktor wurdt mjitten as M2=1.19.
Boppedat wurdt de stabiliteit fan hege útfierkrêft befêstige, mei in krêftfluktuaasje fan minder dan 1,35% rms oer 2 h, en de laser kin yn totaal mear as 500 h effisjint rinne. harsensweefsel wurdt hifke. Fierder wurdt it effekt fan collateral damage foar it earst teoretysk analysearre, nei it bêste fan ús kennis, en de resultaten jouwe oan dat dizze MIR-laser in poerbêste ablaasjefermogen hat, wêrtroch it in potinsjele ferfanging is foar frije elektroanenlasers.©2022 Optica Publishing Group
https://doi.org/10.1364/OL.446336
Mid-infraread (MIR) 6.45 um laserstrieling hat potinsjele tapassingen yn medisinen mei hege presyzje fanwegen syn foardielen fan in substansjele ablaasjerate en minimale kollaterale skea 【1】. Raman lasers, en solid-state lasers basearre op in optyske parametryske oscillator (OPO) of ferskil frekwinsje generaasje (DFG) wurde faak brûkt 6,45 um laser boarnen. Strontiumdamplasers en gas Raman-lasers kinne de doelbands krije, mar beide hawwe minne stabiliteit, koarte ser-
Stúdzjes lieten sjen dat 6,45 um solid-state lasers in lytser berik fan termyske skea produsearje yn biologyske weefsels en dat har ablaasjedjipte djipper is as dy fan in FEL ûnder deselde omstannichheden, wat ferifiearre dat se kinne wurde brûkt as in effektyf alternatyf foar FEL's foar biologyske weefselablaasje 【2】. Derneist hawwe solid-state lasers de foardielen fan in kompakte struktuer, goede stabiliteit, en
tabletop operaasje, wêrtroch't se tasizzende ark foar it krijen fan in 6.45μn ljochtboarne.Lykas bekend, spylje net-lineêre ynfrareadkristallen in wichtige rol yn it frekwinsjekonverzjeproses dat brûkt wurdt foar it berikken fan hege prestaasjes MIR-lasers. geskikt foar it generearjen fan MIR-lasers. 】, en BaGaSe (BGSe) 【10-12】, lykas de fosforferbiningen CdSiP2 (CSP) 【13-16】 en ZnGeP2 (ZGP). Bygelyks, MIR-strieling kin wurde krigen mei CSP-OPO's. De measte CSP-OPO's operearje lykwols op in ultrakoarte (pico- en femtosekonde) tiidskaal en wurde syngroan pompt troch sawat 1 um modus-beskoattele lasers. Spitigernôch binne dizze syngroan pompte OPO ( SPOPO) systemen hawwe in komplekse opset en binne kostber. Harren gemiddelde krêften binne ek leger as 100 mW op sawat 6.45 um【13-16】. Yn ferliking mei CSP-kristal hat ZGP in hegere laserskeashold (60 MW/cm2), in hegere termyske konduktiviteit (0,36 W/cm K), en in fergelykbere net-lineêre koeffizient (75pm/V). enerzjyapplikaasjes 【18-221. Bygelyks, in platte platte holte ZGP-OPO mei in ôfstimming berik fan 3,8-12,4 um pompt troch in 2,93 um laser waard demonstrearre. 1,2 mJ 【201. Foar de spesifike golflingte fan 6.45 um, in maksimale single-puls enerzjy fan 5.67 mJ by in werhellingsfrekwinsje fan 100 Hz waard berikt mei in net-planêre ring OPO holte basearre op in ZGP kristal. Mei in werhelling frekwinsje fan 200Hz, in gemiddelde útfierkrêft fan 0.95 W waard berikt 【221.Sa fier as wy binne bewust, dit is de heechste útfier krêft berikt op 6.45 um.Besteande stúdzjes suggerearje dat in hegere gemiddelde krêft nedich is foar effektive weefselablaasje 【23】. Dêrom soe de ûntwikkeling fan in praktyske hege krêft 6,45 um laserboarne fan grutte betsjutting wêze yn 'e promoasje fan biologyske medisinen.Yn dizze brief rapportearje wy in ienfâldige, kompakte MIR 6.45 um laser mei in heule fêste steat dy't in hege gemiddelde útfierkrêft hat en is basearre op in ZGP-OPO pompt troch in nanosekonde (ns) -puls 2.09 um
De maksimale gemiddelde útfierkrêft fan 'e 6,45 um laser is oant 1,53 W mei in pulsbreedte fan likernôch 42ns by in werhellingsfrekwinsje fan 10 kHz, en it hat in poerbêste beamkwaliteit. Dit wurk lit sjen dat de laser in effektive oanpak is foar werklike weefselablaasje, om't it fungearret as in laserskalpel.De eksperimintele opset is sketst yn Fig. FWHM) en in gemiddelde beam kwaliteit faktor M2 fan likernôch 1.7.MI en M2 binne twa 45 spegels mei in coating dy't tige reflektyf is op 2.09 um. Dizze spegels meitsje rjochting kontrôle fan de pomp beam.Twa fokus-ing linzen (f1 =100mm ,f2=100 mm) wurde tapast foar beamkollimaasje mei in beamdiameter fan sa'n 3,5 mm yn it ZGP-kristal. （HWP）at 2.09 um wurdt brûkt om de polarisaasje fan de pomp light.M3 en M4 binne OPO holte spegels, mei platte CaF2 brûkt as it substraat materiaal.The front spegel M3 is anty-refleksje coated (98%) foar de pomp beam en hege refleksje coated (98%) foar de 6,45 um idler en 3,09 um sinjaal weagen.um en 3,09 um en lit in part oerdracht fan de 6,45 um idler.It ZGP-kristal wurdt snije by 6-77.6 ° en p = 45 ° foar type-JⅡ-faze-oanpassing 【2090.0 (o) 6450.0 （o) + 3091.9 （e）】, wat mear geskikt is foar in spesifike ljochtgolflingte en in pylk linewidth fergelike mei type-I faze matching.The ôfmjittings fan de ZGP kristal binne 5mm x 6 mm x 25 mm, en it is gepolijst en anty-refleksje coated op beide ein fasetten foar de boppesteande trije weagen.It is ferpakt yn indium folie en fêst yn in koperen heatsink mei wetterkoeling (T = 16). De lingte fan 'e holte is 27 mm. De rûnreistiid fan' e OPO is 0.537 ns foar de pomplaser. -on-I metoade 【17】. De skea drompel fan it ZGP kristal waard mjitten te wêzen 0,11 J/cm2 by 10 kHz.yn it eksperimint, oerienkommende mei in pyk macht tichtens fan 1,4 MW/cm2, dat is leech troch de relatyf min coating kwaliteit.De útfierkrêft fan it oanmakke idler ljocht wurdt metten troch in enerzjymeter (D,OPHIR,1 uW oant 3 W), en de golflingte fan it sinjaalljocht wurdt kontrolearre troch in spektrometer (APE, 1,5-6,3 m). krije in hege útfier krêft fan 6,45 um, wy optimalisearje it ûntwerp fan 'e parameters fan' e OPO. brûke de parameters dy't oerienkomme mei de eksperimintele betingsten en oannimme in ynfier puls mei in Gaussian profyl yn romte en tiid.De relaasje tusken OPO útfier spegel
transmittance, pomp macht yntinsiteit, en útfier effisjinsje wurdt optimalisearre troch it manipulearjen fan de pomp beam tichtens yn 'e holte te berikken hegere útfier macht, wylst tagelyk mije skea oan it ZGP kristal en de optyske eleminten. W foar ZGP-OPO-operaasje. Simulearre resultaten litte sjen dat wylst in optimale útfierkopper mei in transmittânsje fan 50% wurdt brûkt, de maksimale pykkrêftstichtens mar 2,6 x 10 W/cm2 is yn 'e ZGP-kristal, en in gemiddelde útfierkrêft fan mear as 1,5 W kin krigen wurde.Figure 2 lit de relaasje sjen tusken it mjitten útgongskrêft fan de reedrider op 6,45 um en de ynfallende pompkrêft. Ut Fig. De pompdrompel komt oerien mei in trochsneed pompkrêft fan 3,55 WA maksimum idler-útfierkrêft fan 1,53 W wurdt berikt by in pompkrêft fan likernôch 18,7 W, wat oerienkomt mei in optysk-nei-optyske konverzje-effisjinsje of ûngefear 8,20%% en in kwantumkonverzje fan 25,31%. Foar feiligens op lange termyn wurdt de laser operearre op tichtby 70% fan syn maksimale útfierkrêft. toand yn ynset (a) yn Fig. wurdt metten ynstee fan dat fan 'e idler fanwege it beheinde golflingteberik fan' e spektrometer (APE, 1,5-6,3 um) brûkt yn ús eksperimint. yn ynset (b) fan Fig. ）。In typyske oscilloskoopgolffoarm wurdt werjûn yn Fig.3 en toant in pulsbreedte fan sawat 42 ns. De pulsbreedteis 41,18% smeller foar de 6,45 um idler yn ferliking mei de 2,09 um pomp puls fanwege de tydlike winst fersmelling effekt fan de net-lineêre frekwinsje konverzje proses. 6,45 um idler wurdt metten mei in laser beam
analyzer (Spiricon, M2-200-PIII) by 1 W fan útfierkrêft, lykas werjûn yn Fig.4. in trochsneed beam kwaliteit faktor fan M2 = 1.19. It insct fan Fig. in bewiis-fan-prinsipe eksperimint mei laser ablaasje fan porcine harsens wurdt útfierd. In f = 50 lens wurdt brûkt om de 6,45 um pulse beam te fokusjen op in taille radius fan likernôch 0,75 mm. De oerflaktemperatuer （T） fan it biologyske weefsel as funksje fan de radiale lokaasje r wurdt mjitten troch in thermocamera (FLIR A615) syngroan tidens it ablaasjeproses. De bestralingsduur is 1 ,2,4,6,10， en 20 s by in laserkrêft fan I W. Foar elke bestralingsdoer wurde seis stekproefposysjes blaasd: r = 0,0.62,0.703,1.91,3.05, en 4.14 mm lâns de radiale rjochting mei respekt foar it sintrumpunt fan 'e bestralingsposysje, lykas werjûn yn Fig. 5. De kwadraten binne de mjitten temperatuer gegevens. De heechste temperatueren T op it sintrumpunt r=0 binne 132.39,160.32,196.34，
205,57,206,95, en 226,05C foar bestralingsduren fan respektivelik 1,2,4,6,10, en 20 s. de termyske konduksjeteory foar biologysk weefsel126】 en de teory fan laserpropagaasje yn biologysk weefsel 【27】 kombinearre mei de optyske parameters fan porcine harsens 1281.
De simulaasje wurdt útfierd mei de oanname fan in ynput Gaussian beam.Sûnt de biologyske weefsel brûkt yn it eksperimint is isolearre porcine harsens weefsel, de ynfloed fan bloed en stofwikseling op de temperatuer wurdt negearre, en de porcine harsens weefsel wurdt ferienfâldige yn de foarm fan in silinder foar simulaasje. De parameters dy't brûkt wurde yn 'e simulaasje binne gearfette yn Tabel 1. De fêste krommes werjûn yn Fig. Se litte in Gaussiaansk temperatuerprofyl fan it sintrum oant de perifery sjen. It docht bliken út Fig. 5 dat de eksperimintele gegevens goed oerienkomme mei de simulearre resultaten. ablaasjeposysje nimt ta as de bestralingsdoer foar elke bestraling ferheget. Earder ûndersyk hat oantoand dat de sellen yn it weefsel perfekt feilich binne by temperatueren hjirûnder55C, wat betsjut dat sellen aktyf bliuwe yn 'e griene sônes (T<55C) fan' e bochten yn Fig. 5. De giele sône fan elke kromme (55C)60C）。It kin wurde waarnommen yn Fig. 10, en 20s, wylst de simulearre ablaasje radii at T = 55C binne respektivelik 0.805, 0.908, 1.037, 1.134, 1.271, en 1.456 mm, respektivelik. 2.394,3.098,3.604,4.509 en 5.845 mm2 foar respektivelik 1,2,4,6,10, en 20s fan bestraling. en 0,027 mm2.It kin sjoen wurde dat de laser ablation sônes en de collateral skea sônes tanimme mei de irradiation doer.Wy definiearje de collateral skea ferhâlding te wêzen de ferhâlding fan de collateral skea gebiet op 55C s T60C.The collateral skea ratio wurdt fûn oant 8,17%, 8,18%, 9,06%, 12,11%, 12,56%, en 13,94% foar ferskillende bestralingstiden, wat betsjut dat de collaterale skea fan de ablated weefsels lyts is.l gegevens en simulaasjeresultaten litte sjen dat dizze kompakte, hege macht, alle fêste steat 6,45 um ZGP-OPO laser effektive ablaasje fan biologyske tissues leveret. MIR pulsed 6,45 um laser boarne basearre op in ns ZGP-OPO oanpak. proof-of-prinsipe eksperimint op de laser ablation fan weefsel waard útfierd. De temperatuer ferdieling op it ablated weefsel oerflak waard eksperiminteel metten en teoretysk simulearre. foar de earste kear. Dizze resultaten ferifiearje dat ús tafelblad MIR-pulslaser op 6.45 um effektive ablaasje fan biologyske weefsels biedt en in grut potinsjeel hat om in praktysk ark te wêzen yn medyske en biologyske wittenskip, om't it in bulk FEL kin ferfange asin laser scalpel.