Jintwera laser ta' nofs l-infra-aħmar （MIR） ta' stat solidu kollu kompatt u robust f'6.45 um b'qawwa medja għolja tal-ħruġ u kwalità tar-raġġ qrib Gauss. Qawwa massima tal-ħruġ ta' 1.53 W b'wisa' tal-polz ta' madwar 42 ns f'10 kHz jinkiseb bl-użu ta 'oxxillatur parametriku ottiku ZnGeP2 (ZGP) （OPO）。Din hija l-ogħla qawwa medja f'6.45 um ta' kwalunkwe laser ta 'stat solidu kollu sa l-aħjar għarfien tagħna.Il-fattur medju tal-kwalità tar-raġġ huwa mkejjel bħala M2=1.19.
Barra minn hekk, l-istabbiltà tal-qawwa tal-ħruġ għolja hija kkonfermata, b'varjazzjoni tal-qawwa ta 'inqas minn 1.35% rms fuq 2 sigħat, u l-lejżer jista' jaħdem b'mod effiċjenti għal aktar minn 500 siegħa b'kollox. Bl-użu ta 'dan il-polz ta' 6.45 um bħala sors ta 'radjazzjoni, ablazzjoni tal-annimali It-tessut tal-moħħ huwa ttestjat. Barra minn hekk, l-effett tal-ħsara kollaterali huwa teoretikament analizzat għall-ewwel darba, sa fejn nafu tagħna, u r-riżultati jindikaw li dan il-laser MIR għandu kapaċità ta 'ablazzjoni eċċellenti, li jagħmilha sostitut potenzjali għal lasers elettroni b'xejn.©2022 Optica Publishing Group
https://doi.org/10.1364/OL.446336
Mid-infrared (MIR) ir-radjazzjoni tal-lejżer 6.45 um għandha applikazzjonijiet potenzjali fl-oqsma tal-mediċina ta 'preċiżjoni għolja minħabba l-vantaġġi tagħha ta' rata ta 'ablazzjoni sostanzjali u ħsara kollaterali minima 【1】. Lejżers elettroniċi ħielsa （FELs）, lejżers tal-fwar tal-istronzju, gass Lejżers Raman, u lejżers fi stat solidu bbażati fuq oxxillatur ottiku parametriku (OPO) jew ġenerazzjoni ta' frekwenza ta' differenza (DFG) huma komunement użati sorsi tal-lejżer 6.45 um. Madankollu, l-ispiża għolja, id-daqs kbir, u l-istruttura kumplessa tal-FELs jirrestrinġu tagħhom applikazzjoni.Lejżers tal-fwar tal-istrontium u lejżers tal-gass Raman jistgħu jiksbu l-meded fil-mira, iżda t-tnejn għandhom stabbiltà fqira, ser-qosra.
viċi jgħix, u jeħtieġu manutenzjoni kumplessa. L-istudji wrew li lejżers fi stat solidu ta’ 6.45 um jipproduċu firxa iżgħar ta’ ħsara termali fit-tessuti bijoloġiċi u li l-fond tal-ablazzjoni tagħhom huwa aktar profond minn dawk ta’ FEL taħt l-istess kundizzjonijiet, li vverifikaw li jistgħu jintuża bħala alternattiva effettiva għall-FELs għall-ablazzjoni tat-tessut bijoloġiku 【2】. Barra minn hekk, lejżers fi stat solidu għandhom il-vantaġġi ta 'struttura kompatta, stabbiltà tajba, u
operazzjoni fuq il-mejda, li tagħmilhom għodda promettenti għall-kisba ta 'sors tad-dawl a6.45μn.Kif inhu magħruf sew, kristalli infra-aħmar mhux lineari għandhom rwol importanti fil-proċess ta 'konverżjoni tal-frekwenza użat biex jinkisbu lejżers MIR ta' prestazzjoni għolja. Meta mqabbla ma 'kristalli infra-aħmar ossidu b'tarf cut-off ta' 4 um, kristalli mhux ossidu huma tajjeb adattati biex jiġġeneraw lejżers MIR. Dawn il-kristalli jinkludu ħafna mill-kalkoġeni, bħal AgGaS2 （AGS）【3,41，LiInS2 （LIS）【5,61， LilnSe2 （LISe）【7】GS）【7】S０） 】，u BaGaSe（BGSe）【10-12】，kif ukoll il-komposti tal-fosfru CdSiP2（CSP）【13-16】u ZnGeP2 （ZGP）【17】t-tnejn li huma relattivament kbar mhux effiċjenti. Pereżempju, ir-radjazzjoni MIR tista' tinkiseb bl-użu ta' CSP-OPOs. Madankollu, il-biċċa l-kbira tas-CSP-OPOs joperaw fuq skala ta' ħin ultrashort (pico-u femtosecond) u huma ppumpjati b'mod sinkroniku b'lejżers imsakkar bil-mod ta' madwar 1 um. Sfortunatament, dawn l-OPO ppumpjati b'mod sinkroniku (ippumpjat) Is-sistemi SPOPO) għandhom setup kumpless u jiswew ħafna flus. Is-setgħat medji tagħhom huma wkoll inqas minn 100 mW f'madwar 6.45 um【13-16】. Meta mqabbel mal-kristall CSP, ZGP għandu ħsara ogħla fil-lejżer threshold（60 MW/ċm2），konduttività termali ogħla (0.36 W/ċm K）), u koeffiċjent mhux lineari komparabbli (75pm/V). Għalhekk, ZGP huwa kristall ottiku MIR mhux lineari eċċellenti għal qawwa għolja jew għolja applikazzjonijiet tal-enerġija 【18-221.Per eżempju, intwera kavità ċatta-ċatta ZGP-OPO b'firxa ta 'rfinar ta' 3.8-12.4 um ippumpjat b'lejżer 2.93 um. L-enerġija massima b'impuls wieħed tad-dawl idler f'6.6 um kienet 1.2 mJ 【201.Għall-wavelength speċifiku ta '6.45 um, enerġija ta' polz wieħed massimu ta '5.67 mJ bi frekwenza ta' ripetizzjoni ta '100 Hz inkisbet bl-użu ta' kavità OPO ta 'ċirku mhux pjanari bbażata fuq kristall ZGP. B'repetizzjoni frekwenza ta '200Hz, intlaħqet qawwa medja tal-ħruġ ta' 0.95 W 【221.Safejn nafu, din hija l-ogħla qawwa tal-ħruġ miksuba f'6.45 um.Studji eżistenti jissuġġerixxu li qawwa medja ogħla hija meħtieġa għal ablazzjoni effettiva tat-tessut 【23】.Għalhekk, l-iżvilupp ta 'sors prattiku tal-lejżer ta' qawwa għolja ta '6.45 um ikun ta' sinifikat kbir fil-promozzjoni tal-mediċina bijoloġika.F'din l-Ittra, nirrappurtaw laser MIR 6.45 um ta' stat solidu kollu sempliċi u kompatt li għandu qawwa medja għolja ta' ħruġ u huwa bbażat fuq ZGP-OPO ippumpjat b'polz nanosecond (ns) 2.09 um
laser.Il-qawwa medja massima tal-ħruġ tal-laser 6.45 um hija sa 1.53 W b'wisa 'tal-polz ta' madwar 42ns bi frekwenza ta 'ripetizzjoni ta' 10 kHz, u għandha kwalità ta 'raġġ eċċellenti. L-effett ta' ablazzjoni tal-laser 6.45 um fuq tessut tal-annimali huwa investigat.Dan ix-xogħol juri li l-lejżer huwa approċċ effettiv għall-ablazzjoni tat-tessut attwali, peress li jaġixxi bħala skalpell tal-lejżer.Is-setup sperimentali huwa mfassal f'Fig.1.The ZGP-OPO huwa ppumpjat minn laser 2.09 um Ho:YAG ippumpjat mill-LD magħmul mid-dar li jagħti 28 W ta 'qawwa medja f'10 kHz. b'tul tal-polz ta' madwar 102 ns（ FWHM）u fattur medju ta' kwalità tar-raġġ M2 ta' madwar 1.7.MI u M2 huma żewġ 45 mera b'kisja li tirrifletti ħafna f'2.09 um. Dawn il-mirja jippermettu kontroll tad-direzzjoni tar-raġġ tal-pompa. Żewġ lentijiet ta' fokus (f1 = 100mm) ,f2=100 mm) huma applikati għal kollimazzjoni tar-raġġ b'dijametru tar-raġġ ta 'madwar 3.5 mm fil-kristall ZGP. Jintuża iżolatur ottiku (ISO) biex jipprevjeni li r-raġġ tal-pompa jirritorna lejn is-sors tal-pompa ta' 2.09 um. Pjanċa ta 'nofs mewġ （HWP）f'2.09 um jintuża biex jikkontrolla l-polarizzazzjoni tad-dawl tal-pompa. M3 u M4 huma mirja tal-kavità OPO, b'CaF2 ċatt użat bħala l-materjal tas-sottostrat. Il-mera ta 'quddiem M3 hija miksija kontra r-rifless（98%） għall-pompa raġġ u miksija b'riflessjoni għolja （98%） għall-mewġ ta' sinjal idler ta' 6.45 um u 3.09 um. Il-mera tal-ħruġ M4 tirrifletti ħafna (98%) f'2.09um u 3.09 um u tippermetti trasmissjoni parzjali tal-idler 6.45 um.Il-kristall ZGP huwa maqtugħ f'6-77.6 ° u p = 45 ° għat-tqabbil tal-fażi tat-tip JⅡ 【2090.0 （o）6450.0 （o）+3091.9 （e）】，li hija aktar adattata għal parametraġġ ta 'mewġ yielermetric speċifiku wisa 'tal-linja meta mqabbla mat-tqabbil tal-fażi tat-tip I. Id-dimensjonijiet tal-kristall ZGP huma 5mm x 6 mm x 25 mm, u huwa illustrat u miksi kontra r-rifless fuq iż-żewġ aspetti tat-tarf għat-tliet mewġ ta' hawn fuq. Huwa mgeżwer f'fojl tal-indju u iffissat f'sink tas-sħana tar-ram bit-tkessiħ ta 'l-ilma（T=16）。It-tul tal-kavità huwa 27 mm. Il-ħin tar-ritorn tal-OPO huwa 0.537 ns għall-laser tal-pompa. Ittestjajna l-limitu tal-ħsara tal-kristall ZGP mill-R -on-I metodu 【17】.Il-limitu tal-ħsara tal-kristall ZGP tkejjel bħala 0.11 J/cm2 f'10 kHz.fl-esperiment, li jikkorrispondi għal densità massima ta 'enerġija ta' 1.4 MW/cm2, li hija baxxa minħabba l- kwalità tal-kisi relattivament fqira.Il-qawwa tal-ħruġ tad-dawl idler iġġenerat hija mkejla b'miter tal-enerġija (D, OPHIR, 1 uW sa 3 W), u l-wavelength tad-dawl tas-sinjal huwa mmonitorjat minn spettrometru (APE, 1.5-6.3 m) 。Sabiex tikseb qawwa għolja tal-ħruġ ta '6.45 um, aħna ottimizzaw id-disinn tal-parametri tal-OPO. Issir simulazzjoni numerika bbażata fuq it-teorija tat-taħlit ta' tliet mewġ u kkwazzjonijiet ta' propagazzjoni paraxjali 【24,25】；fis-simulazzjoni, aħna uża l-parametri li jikkorrispondu għall-kundizzjonijiet sperimentali u jassumi polz ta 'input bi profil Gaussian fl-ispazju u l-ħin. Ir-relazzjoni bejn il-mera tal-output OPO
it-trasmittanza, l-intensità tal-qawwa tal-pompa, u l-effiċjenza tal-ħruġ hija ottimizzata billi timmanipula d-densità tar-raġġ tal-pompa fil-kavità biex tinkiseb qawwa tal-ħruġ ogħla filwaqt li fl-istess ħin tiġi evitata ħsara lill-kristall ZGP u lill-elementi ottiċi. Għalhekk, l-ogħla qawwa tal-pompa hija limitata għal madwar 20. W għall-operazzjoni ZGP-OPO. Ir-riżultati simulati juru li filwaqt li jiġi utilizzat coupler tal-output ottimali b'trasmittanza ta' 50%, id-densità massima tal-qawwa massima hija biss 2.6 x 10 W/cm2 fil-kristall ZGP, u qawwa medja tal-ħruġ. ta 'aktar minn 1.5 W jista' jinkiseb.Il-Figura 2 turi r-relazzjoni bejn il-qawwa tal-ħruġ mkejla tal-idler f'6.45 um u l-qawwa tal-pompa inċidentali. Jista 'jidher minn Fig.2 li l-qawwa tal-ħruġ tal-idler tiżdied b'mod monotonu mal- qawwa tal-pompa inċidentali. Il-limitu tal-pompa jikkorrispondi għal qawwa medja tal-pompa ta '3.55WA qawwa massima tal-ħruġ idler ta' 1.53 W tinkiseb b'qawwa tal-pompa ta 'madwar 18.7 W, li tikkorrispondi għal effiċjenza ta' konverżjoni ottika għal ottika of bejn wieħed u ieħor 8.20%% u cfficience ta 'konverżjoni quantum ta' 25.31%. Għal sigurtà fit-tul, il-laser jitħaddem bi kważi 70% tal-qawwa massima tal-ħruġ tiegħu. L-istabbiltà tal-qawwa titkejjel b'qawwa tal-ħruġ ta 'IW, kif muri f'daħla （a）f'Fig.2.Instab li l-varjazzjoni tal-qawwa mkejla hija inqas minn 1.35%rms f'2 sigħat, u li l-laser jista 'jopera b'mod effiċjenti għal aktar minn 500 siegħa b'kollox. Il-wavelength tal-mewġa tas-sinjal huwa mkejjel minflok dak tal-idler minħabba l-medda limitata ta 'wavelength ta' l-ispettrometru （APE，1.5-6.3 um）użat fl-esperiment tagħna. Il-wavelength tas-sinjal imkejjel huwa ċċentrat fuq 3.09 um u l-wisa 'tal-linja hija bejn wieħed u ieħor 0.3 nm, kif muri f'daħla (b) ta' Fig.2.Il-wavelength ċentrali tal-idler imbagħad jiġi dedott li jkun 6.45um. Il-wisa 'tal-polz tal-idler tiġi skoperta minn photodetector (Thorlabs, PDAVJ10) u rreġistrata minn oxxilloskopju diġitali (Tcktronix, 2GHz). ）。Forma ta' mewġa tipika ta' l-oxxilloskopju tidher f'Fig.3 u turi wisa' tal-polz ta' madwar 42 ns. Il-wisa' tal-polzhuwa 41.18% aktar dejjaq għall-idler 6.45 um meta mqabbel mal-polz tal-pompa 2.09 um minħabba l-effett ta 'tidjiq tal-qligħ temporali tal-proċess ta' konverżjoni tal-frekwenza mhux lineari. 6.45 um idler jitkejjel b'raġġ tal-lejżer
analizzatur (Spiricon, M2-200-PIII) b'1 W ta' qawwa tal-ħruġ, kif muri f'Fig.4. Il-valuri mkejla ta' M2 u M，2 huma 1.32 u 1.06 tul l-assi x u l-assi y, rispettivament, li jikkorrispondu għal fattur ta 'kwalità tar-raġġ medju ta' M2 = 1.19. L-insct ta 'Fig.4 juri l-profil ta' intensità tar-raġġ bidimensjonali (2D), li għandu mod spazjali qrib Gauss. Biex tivverifika li l-polz ta '6.45 um jipprovdi abla-zzjoni effettiva, jitwettaq esperiment tal-prova tal-prinċipju li jinvolvi l-ablazzjoni bil-lejżer tal-moħħ tal-ħnieżer. Hija użata lenti f=50 biex tiffoka r-raġġ tal-polz ta '6.45 um għal raġġ tal-qadd ta' madwar 0.75 mm. Il-pożizzjoni li għandha tiġi ablata fuq it-tessut tal-moħħ tal-ħnieżer titqiegħed fil-fokus tar-raġġ tal-lejżer. It-temperatura tal-wiċċ (T) tat-tessut bijoloġiku bħala funzjoni tal-post radjali r titkejjel b'termokamera (FLIR A615) b'mod sinkroniku matul il-proċess tal-ablazzjoni. It-tul tal-irradjazzjoni huwa 1 ,2,4,6,10，u 20 s b'qawwa tal-lejżer ta 'I W. Għal kull tul ta' irradjazzjoni, sitt pożizzjonijiet tal-kampjun huma blated: r=0,0.62,0.703,1.91,3.05，u 4.14 mm tul id-direzzjoni radjali fir-rigward tal-punt ċentrali tal-pożizzjoni tal-irradjazzjoni, kif muri f'Fig.5.Il-kwadri huma d-data tat-temperatura mkejla. Jinstab f'Fig.5 li t-temperatura tal-wiċċ fil-pożizzjoni tal-ablazzjoni fuq it-tessut tiżdied biż-żieda fit-tul tal-irradjazzjoni. L-ogħla temperaturi T fil-punt ċentrali r=0 huma 132.39,160.32,196.34，
205.57,206.95，u 226.05C għal tul ta' irradjazzjoni ta' 1,2，4,6,10，u 20 s, rispettivament. Biex tanalizza l-ħsara kollaterali, id-distribuzzjoni tat-temperatura fuq il-wiċċ tat-tessut imneħħi hija simulata. Dan jitwettaq skond it-teorija tal-konduzzjoni termali għat-tessut bijoloġiku126】u t-teorija tal-propagazzjoni tal-lejżer fit-tessut bijoloġiku 【27】magħquda mal-parametri ottiċi tal-moħħ tal-ħnieżer 1281.
Is-simulazzjoni titwettaq bis-suppożizzjoni ta 'raġġ Gaussian input. Peress li t-tessut bijoloġiku użat fl-esper-iment huwa tessut tal-moħħ tal-ħnieżer iżolat, l-influwenza tad-demm u l-metaboliżmu fuq it-temperatura hija injorata, u t-tessut tal-moħħ tal-ħnieżer huwa ssimplifikat fil- forma ta' ċilindru għal simulazzjoni.Il-parametri użati fis-simulazzjoni huma miġbura fil-qosor fit-Tabella 1.Il-kurvi solidi murija f'Fig.5 huma d-distribuzzjonijiet tat-temperatura radjali simulati fir-rigward taċ-ċentru tal-ablazzjoni fuq il-wiċċ tat-tessut għas-sitt irradjazzjoni differenti durations.They juru profil tat-temperatura Gaussian miċ-ċentru sal-periferija. Huwa evidenti minn Fig.5 li d-data sperimentali agrce sew mar-riżultati simulati. Huwa wkoll evidenti minn Fig.5 li t-temperatura simulata fiċ-ċentru tal- il-pożizzjoni tal-ablazzjoni tiżdied hekk kif it-tul tal-irradjazzjoni jiżdied għal kull irradjazzjoni. Riċerka preċedenti wriet li ċ-ċelloli fit-tessut huma perfettament siguri f'temperaturi taħt.55C, li jfisser li ċ-ċelloli jibqgħu attivi fiż-żoni ħodor (T<55C) tal-kurvi f'Fig.5. Iż-żona safra ta' kull kurva (55C).60C）。Jista 'jiġi osservat f'Fig.5 li r-raġġi tal-ablazzjoni simulati f'T=60°Care0.774,0.873,0.993,1.071,1.198and 1.364 mm, rispettivament, għal tul ta' irradjazzjoni ta' 1,2,4，6, 10，u 20s, filwaqt li r-raġġi tal-ablazzjoni simulati f'T=55C huma 0.805,0.908,1.037,1.134,1.271，and1.456 mm, rispettivament. Mal-analiżi kwantitattiva tal-effett tal-ablazzjoni, l-arca b'ċelluli mejta jinstab li1.882. 2.394,3.098,3.604,4.509，and5.845 mm2 għal 1,2,4,6,10，u 20s ta' irradjazzjoni, rispettivament. Iż-żona b'erja ta' ħsara kollaterali tinstab li hija 0.003,0.0040.0040.006,0.0173,0.0173,0.0. u 0.027 mm2.Jista 'jara li ż-żoni ta' ablazzjoni bil-lejżer u ż-żoni ta 'ħsara kollaterali jiżdiedu mat-tul ta' l-irradjazzjoni. Aħna niddefinixxu l-proporzjon ta 'ħsara kollaterali bħala l-proporzjon taż-żona ta' ħsara kollaterali f'55C s T60C.Il-proporzjon ta 'ħsara kollaterali jinstab. li jkun 8.17%，8.18%，9.06%，12.11%，12.56%， u 13.94% għal ħinijiet ta 'irradjazzjoni differenti, li jfisser li l-ħsara kollaterali tat-tessuti ablati hija żgħira. Għalhekk, esperiment komprensivId-dejta u r-riżultati tas-simulazzjoni juru li dan il-lejżer ZGP-OPO kompatt, ta' qawwa għolja, ta' stat solidu kollu 6.45 um jipprovdi ablazzjoni effettiva ta' tessuti bijoloġiċi. Bħala konklużjoni, urejna kompatt, ta' qawwa għolja, ta' stat solidu kollu. Sors tal-laser ta' 6.45 um pulsat MIR ibbażat fuq approċċ ns ZGP-OPO. Inkisbet qawwa medja massima ta' 1.53 W b'qawwa massima ta' 3.65kW u fattur medju ta' kwalità tar-raġġ ta' M2=1.19. Bl-użu ta' din ir-radjazzjoni MIR ta' 6.45 um,a Twettaq esperiment tal-prova tal-prinċipju dwar l-ablazzjoni bil-lejżer tat-tessut. Id-distribuzzjoni tat-temperatura fuq il-wiċċ tat-tessut ablat ġiet imkejla b'mod sperimentali u teoretikament simu-lated. Id-dejta mkejla qablet sew mar-riżultati simulati. Barra minn hekk, il-ħsara kollaterali ġiet analizzata teoretikament għall-ewwel darba. Dawn ir-riżultati jivverifikaw li l-laser tal-polz MIR tagħna fuq il-mejda f'6.45 um joffri ablazzjoni effettiva ta 'tessuti bijoloġiċi u għandu potenzjal kbir li jkun għodda prattika fix-xjenza medika u bijoloġika, peress li jista' jissostitwixxi FEL goff kifskalpell tal-laser.