Yüksek ortalama çıkış gücüne ve Gauss'a yakın ışın kalitesine sahip, kompakt ve sağlam, tamamı katı hal orta kızılötesi （MIR） lazer gösterilmektedir. 10'da yaklaşık 42 ns darbe genişliği ile 1,53 W maksimum çıkış gücü kHz, bir ZnGeP2（ZGP）optik parametrik osilatör kullanılarak elde edilir （OPO）。Bu, bildiğimiz kadarıyla, herhangi bir katı hal lazerinin 6.45 um'deki en yüksek ortalama gücüdür.Ortalama ışın kalitesi faktörü M2=1.19 olarak ölçülmüştür.
Ayrıca, 2 saat boyunca %1.35 rms'den daha az bir güç dalgalanması ile yüksek çıkış gücü kararlılığı onaylanmıştır ve lazer toplamda 500 saatten fazla verimli bir şekilde çalışabilir. Bu 6.45 um darbeyi radyasyon kaynağı olarak kullanarak, hayvanın ablasyonu beyin dokusu test edilir. Ayrıca, ikincil hasar etkisi, bilgimiz dahilinde ilk kez teorik olarak analiz edilir ve sonuçlar, bu MIR lazerin mükemmel ablasyon kabiliyetine sahip olduğunu ve bu da onu serbest elektron lazerleri için potansiyel bir yedek haline getirdiğini gösterir.©2022 Optica Yayın Grubu

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

Orta-kızılötesi（MIR）6.45 um lazer radyasyonu, önemli ablasyon hızı ve minimum yan hasar 【1】 avantajları nedeniyle yüksek hassasiyetli tıp alanlarında potansiyel uygulamalara sahiptir. Serbest elektron lazerleri (FEL'ler), stronsiyum buhar lazerleri, gaz Raman lazerleri ve optik parametrik osilatöre (OPO) veya fark frekans üretimine (DFG) dayalı katı hal lazerleri, yaygın olarak 6.45 um lazer kaynakları olarak kullanılır. uygulama.Stronsiyum buhar lazerleri ve gaz Raman lazerleri hedef bantları elde edebilir, ancak her ikisinin de stabilitesi zayıf, kısa süreli
yardımcı olur ve karmaşık bakım gerektirir. Çalışmalar, 6.45 um katı hal lazerlerinin biyolojik dokularda daha küçük bir termal hasar aralığı ürettiğini ve ablasyon derinliklerinin aynı koşullar altında bir FEL'den daha derin olduğunu gösterdi, bu da onların yapabildiklerini doğruladı. biyolojik doku ablasyonu için FEL'lere etkili bir alternatif olarak kullanılabilir[2]. Ayrıca, katı hal lazerleri kompakt yapı, iyi stabilite ve

masa üstü operasyon, onları a6.45μn ışık kaynağı elde etmek için umut verici araçlar haline getiriyor.İyi bilindiği gibi, doğrusal olmayan kızılötesi kristaller, yüksek performanslı MIR lazerleri elde etmek için kullanılan frekans dönüştürme işleminde önemli bir rol oynar. 4 um'lik bir kesme kenarına sahip oksit kızılötesi kristallerle karşılaştırıldığında, oksit olmayan kristaller iyi MIR lazerleri üretmek için uygundur. Bu kristaller AgGaS2 （AGS）【3,41，LiInS2 （LIS）【5,61， LilnSe2 （LISe）【7】，BaGaS（BGS）【8,9 gibi kalkojenitlerin çoğunu içerir. 】，ve BaGaSe（BGSe）【10-12】，ve ayrıca fosfor bileşikleri CdSiP2（CSP）【13-16】ve ZnGeP2 （ZGP）【17】；son ikisinin de nispeten büyük doğrusal olmayan katsayıları vardır. örneğin, MIR radyasyonu CSP-OPO'lar kullanılarak elde edilebilir. Ancak, çoğu CSP-OPO ultra kısa （piko ve femtosaniye） zaman ölçeğinde çalışır ve yaklaşık 1 um mod kilitli lazerler tarafından eşzamanlı olarak pompalanır. Ne yazık ki, bu eşzamanlı olarak pompalanan OPO（ SPOPO）sistemleri karmaşık bir kuruluma sahiptir ve maliyetlidir. Ortalama güçleri de yaklaşık 6.45 um【13-16】'da 100 mW'nin altındadır.CSP kristali ile karşılaştırıldığında, ZGP'nin daha yüksek lazer hasarı vardır.shold（60 MW/cm2）, daha yüksek termal iletkenlik （0,36 W/cm K）， ve karşılaştırılabilir doğrusal olmayan katsayı （75pm/V）。 Bu nedenle, ZGP, yüksek güç veya yüksek-güç için mükemmel bir MIR doğrusal olmayan optik kristaldir. enerji uygulamaları 【18-221.Örneğin, 2,93 um lazer tarafından pompalanan 3,8-12,4 um ayar aralığına sahip düz düz boşluklu bir ZGP-OPO gösterildi. 6,6 um'de avara ışığının maksimum tek darbe enerjisi 1.2 mJ 【201.6,45 um'lik spesifik dalga boyu için, 100 Hz'lik bir tekrarlama frekansında 5,67 mJ'lik bir maksimum tek darbe enerjisi, bir ZGP kristaline dayalı düzlemsel olmayan bir halka OPO boşluğu kullanılarak elde edildi.Tekrarlama ile 200Hz frekansında, 0,95 W ortalama çıkış gücüne ulaşıldı 【221. Bildiğimiz kadarıyla bu, 6.45 um'de elde edilen en yüksek çıkış gücüdür.Mevcut çalışmalar, etkili doku ablasyonu için daha yüksek bir ortalama gücün gerekli olduğunu öne sürüyor 【23】. Bu nedenle, pratik yüksek güçlü 6.45 um lazer kaynağının geliştirilmesi biyolojik tıbbın tanıtımında büyük önem taşıyacaktır.Bu Mektupta, yüksek bir ortalama çıkış gücüne sahip olan ve bir nanosaniye（ns）-darbe 2,09 um ile pompalanan bir ZGP-OPO'ya dayanan basit, kompakt, tamamı katı hal bir MIR 6.45 um lazeri rapor ediyoruz.

lazer. 6.45 um lazerin maksimum ortalama çıkış gücü, 10 kHz tekrarlama frekansında yaklaşık 42 ns darbe genişliği ile 1.53 W'a kadardır ve mükemmel ışın kalitesine sahiptir. 6.45 um lazerin hayvan dokusu üzerindeki ablasyon etkisi Bu çalışma, lazerin bir lazer neşteri gibi davrandığı için gerçek doku ablasyonu için etkili bir yaklaşım olduğunu göstermektedir.Deney düzeneği Şekil 1'de gösterilmiştir. ZGP-OPO, 10 kHz'de 28 W ortalama güç sağlayan, yaklaşık 102 ns'lik bir darbe süresi ile ev yapımı bir LD pompalı 2.09 um Ho:YAG lazer tarafından pompalanır. FWHM）ve yaklaşık 1,7.MI ve M2 ortalama ışın kalite faktörü M2, 2,09 um'de oldukça yansıtıcı olan bir kaplamaya sahip iki 45 aynadır. Bu aynalar, pompa ışınının yön kontrolünü sağlar. İki odaklama merceği （f1 =100mm ,f2=100 mm）ZGP kristalinde yaklaşık 3.5 mm ışın çapına sahip ışın kolimasyonu için uygulanır.Pompa ışınının 2.09 um pompa kaynağına geri dönmesini önlemek için bir optik izolatör （ISO） kullanılır.Yarım dalga plakası （HWP）2,09 um'de pompa ışığının polarizasyonunu kontrol etmek için kullanılır.M3 ve M4, alt tabaka malzemesi olarak kullanılan düz CaF2 ile OPO boşluk aynalarıdır.Ön ayna M3, pompa için yansıma önleyici kaplıdır（%98） 6.45 um rölanti ve 3.09 um sinyal dalgaları için ışın ve yüksek yansıma kaplamalı （%98）. Çıkış aynası M4, 2.09'da oldukça yansıtıcıdır（%98）um ve 3.09 um ve 6.45 um avaranın kısmi iletimine izin verir.ZGP kristali, JⅡ tipi faz eşleşmesi için 6-77.6°andp=45°'de kesilir. hat genişliği tip-I faz eşleşmesine kıyasla. ZGP kristalinin boyutları 5 mm x 6 mm x 25 mm'dir ve yukarıdaki üç dalga için her iki uç yüzü parlatılmış ve yansıma önleyici kaplanmıştır. İndiyum folyoya sarılır ve su soğutmalı bir bakır soğutucuya sabitlendi（T=16）。Boşluk uzunluğu 27 mm'dir.OPO'nun gidiş-dönüş süresi, pompa lazeri için 0,537 ns'dir.ZGP kristalinin hasar eşiğini R ile test ettik. -on-I yöntemi 【17】.ZGP kristalinin hasar eşiği, deneyde 10 kHz'de 0.11 J/cm2 olarak ölçüldü. nispeten düşük kaplama kalitesi.Üretilen avara ışığının çıkış gücü, bir enerji ölçer (D, OPHIR, 1 uW ila 3 W) ile ölçülür ve sinyal ışığının dalga boyu bir spektrometre (APE, 1.5-6.3 m) tarafından izlenir. 6.45 um'lik yüksek bir çıkış gücü elde ederiz, OPO parametrelerinin tasarımını optimize ederiz. Üç dalgalı karıştırma teorisine ve paraksiyel yayılma denklemlerine dayalı bir sayısal simülasyon gerçekleştirilir 【24,25】；Simülasyonda, biz deneysel koşullara karşılık gelen parametreleri kullanın ve uzayda ve zamanda Gauss profiline sahip bir giriş darbesi varsayalım. OPO çıkış aynası arasındaki ilişki

geçirgenlik, pompa güç yoğunluğu ve çıkış verimliliği, daha yüksek çıkış gücü elde etmek için boşluktaki pompa ışın yoğunluğunu manipüle ederek optimize edilirken, aynı anda ZGP kristaline ve optik elemanlara zarar gelmesini önler. Bu nedenle, en yüksek pompa gücü yaklaşık 20 ile sınırlıdır. ZGP-OPO işlemi için W. Simüle edilmiş sonuçlar, %50 geçirgenliğe sahip optimal bir çıkış kuplörü kullanılırken, maksimum tepe güç yoğunluğunun ZGP kristalinde sadece 2,6 x 10 W/cm2 ve ortalama çıkış gücünün olduğunu göstermektedir. 1.5 W'tan daha fazla güç elde edilebilir. Şekil 2, 6.45 um'de avaranın ölçülen çıkış gücü ile gelen pompa gücü arasındaki ilişkiyi gösterir. gelen pompa gücü.Pompa eşiği, 3,55 WA'lık bir ortalama pompa gücüne karşılık gelir, 1,53 W'lık maksimum rölanti çıkış gücü, yaklaşık 18,7 W'lık bir pompa gücünde elde edilir, bu da optik-optik dönüştürme verimliliğine karşılık gelir.f yaklaşık %8,20 ve %25,31'lik bir kuantum dönüşüm verimliliği. Uzun vadeli güvenlik için lazer, maksimum çıkış gücünün yaklaşık %70'inde çalıştırılır. Güç kararlılığı, IW'lik bir çıkış gücünde ölçülür. Şekil 2'de ek （a） içinde gösterilmiştir. Ölçülen güç dalgalanmasının 2 saatte %1,35 rms'den az olduğu ve lazerin toplamda 500 saatten fazla verimli bir şekilde çalışabileceği bulundu.Sinyal dalgasının dalga boyu deneyimizde kullanılan spektrometrenin (APE, 1.5-6.3 um) sınırlı dalga boyu aralığı nedeniyle avara yerine ölçülür. Ölçülen sinyal dalga boyu, gösterildiği gibi 3.09 um'de ortalanır ve çizgi genişliği yaklaşık olarak 0.3 nm'dir. Şekil 2'deki （b） ekinde. Daha sonra avaranın merkezi dalga boyu 6.45um olarak çıkarılır. Avaranın darbe genişliği bir fotodetektör (Thorlabs, PDAVJ10) tarafından tespit edilir ve bir dijital osiloskop (Tcktronix ， 2GHz) ile kaydedilir. ）。Tipik bir osiloskop dalga biçimi Şekil 3'te gösterilmiştir ve yaklaşık 42 ns'lik bir darbe genişliğini gösterir. Darbe genişliğidoğrusal olmayan frekans dönüştürme işleminin zamansal kazanç daraltma etkisinden dolayı 2.09 um pompa darbesine kıyasla 6.45 um avara için %41.18 daha dardır. Sonuç olarak, karşılık gelen avara darbe tepe gücü 3.56kW'dır. Işın kalite faktörü 6.45 um avara bir lazer ışını ile ölçülür

analizör （Spiricon,M2-200-PIII） Şekil 4'te gösterildiği gibi 1 W çıkış gücünde. Ölçülen M2 ve M，2 değerleri sırasıyla x ekseni ve y ekseni boyunca 1.32 ve 1.06'dır, buna karşılık gelir M2=1.19'luk bir ortalama ışın kalite faktörü. Şekil 4'teki insct, Gauss'a yakın bir uzaysal moda sahip iki boyutlu（2D） ışın yoğunluk profilini göstermektedir. 6.45 um darbenin etkili ablasyon sağladığını doğrulamak için, domuz beyninin lazerle ablasyonunu içeren bir prensip kanıtı deneyi gerçekleştirilir. 6.45 um darbe ışınını yaklaşık 0.75 mm'lik bir bel yarıçapına odaklamak için bir f=50 lens kullanılır. Domuz beyin dokusu üzerinde kesilecek pozisyon lazer ışınının odağına yerleştirilir. Radyal konumun r bir fonksiyonu olarak biyolojik dokunun yüzey sıcaklığı （T）, ablasyon işlemi sırasında bir termokamera（FLIR A615） ile eşzamanlı olarak ölçülür.Işınlama süreleri 1'dir. IW lazer gücünde ,2,4,6,10，ve 20 s. Her ışınlama süresi için altı numune konumu bıçaklanır:r=0,0.62,0.7Şekil 5'te gösterildiği gibi, ışınlama konumunun merkez noktasına göre radyal yön boyunca 03,1.91,3.05 ve 4.14 mm. Kareler ölçülen sıcaklık verileridir. Şekil 5'te yüzey sıcaklığının doku üzerindeki ablasyon pozisyonunda artan ışınlama süresi ile artar. r=0 merkez noktasındaki en yüksek sıcaklıklar T 132.39.160.32.196.34,

Sırasıyla 1,2,4,6,10 ve 20 s ışınlama süreleri için 205,57,206,95 ve 226,05C. Teminat hasarını analiz etmek için ablasyon yapılmış doku yüzeyindeki sıcaklık dağılımı simüle edilir. biyolojik doku için termal iletim teorisi126】ve biyolojik dokuda lazer yayılımı teorisi【27】domuz beyninin optik parametreleriyle birleştirilmiş 1281.
Simülasyon, Gauss ışını girişi varsayımıyla gerçekleştirilir. Deneyde kullanılan biyolojik doku izole domuz beyin dokusu olduğundan, kanın ve metabolizmanın sıcaklık üzerindeki etkisi göz ardı edilir ve domuz beyin dokusu basitleştirilir. simülasyon için bir silindirin şekli. Simülasyonda kullanılan parametreler Tablo 1'de özetlenmiştir. Şekil 5'te gösterilen katı eğriler, altı farklı ışınlama için doku yüzeyindeki ablasyon merkezine göre simüle edilmiş radyal sıcaklık dağılımlarıdır. Merkezden çevreye bir Gauss sıcaklık profili sergilerler. Şekil 5'ten, deneysel verilerin simüle edilen sonuçlarla iyi bir şekilde uyuştuğu açıktır. ablasyon pozisyonu, her ışınlama için ışınlama süresi arttıkça artar. Önceki araştırmalar, dokudaki hücrelerin aşağıdaki sıcaklıklarda tamamen güvenli olduğunu göstermiştir.55C, bu, hücrelerin Şekil 5'teki eğrilerin yeşil bölgelerinde （T<55C） aktif kaldığı anlamına gelir. Her eğrinin sarı bölgesi（55C60C）。 Şekil 5'te, 1,2,4,6 ışınlama süreleri için sırasıyla T=60°Care0.774,0.873,0.993,1.071,1.198 ve 1.364 mm'de simüle edilmiş ablasyon yarıçaplarının, 10 ， ve 20s, T=55C'de simüle edilmiş ablasyon yarıçapları sırasıyla 0.805,0.908,1.037,1.134,1.271，ve1.456 mm'dir. 1,2,4,6,10 ve 20s ışınlama için sırasıyla 2.394,3.098,3.604,4.509，ve 5.845 mm2.Teminat hasar alanı olan alan 0,003,0,0040,006,0,013,0,017 olarak bulunmuştur. ve 0.027 mm2. Işınlama süresi ile lazer ablasyon bölgelerinin ve teminat hasar bölgelerinin arttığı görülmektedir.Teminat hasar oranını 55C s T60C'de teminat hasar alanının oranı olarak tanımlıyoruz.Teminat hasar oranı bulunur. farklı ışınlama süreleri için %8,17, %8,18, %9,06, %12,11, %12,56 ve %13,94 olmak üzere, bu da ablate dokuların yan hasarının küçük olduğu anlamına gelir. Bu nedenle, kapsamlı deneylerl veri ve simülasyon sonuçları, bu kompakt, yüksek güçlü, tamamen katı hal 6.45 um ZGP-OPO lazerin biyolojik dokuların etkili bir şekilde ablasyonunu sağladığını göstermektedir. Sonuç olarak, kompakt, yüksek güçlü, tamamen katı hal gösterdik. Bir ns ZGP-OPO yaklaşımına dayalı MIR darbeli 6.45 um lazer kaynağı. 3.65kW tepe gücü ve M2=1.19 ortalama ışın kalite faktörü ile 1.53 W maksimum ortalama güç elde edildi. Bu 6.45 um MIR radyasyonu kullanılarak, Dokunun lazerle ablasyonu üzerinde prensip kanıtı deneyi yapıldı. Kesilmiş doku yüzeyindeki sıcaklık dağılımı deneysel olarak ölçüldü ve teorik olarak simüle edildi. Ölçülen veriler, simüle edilen sonuçlarla iyi bir uyum sağladı. Ayrıca, yan hasar teorik olarak analiz edildi. Bu sonuçlar, 6.45 um'de masa üstü MIR puls lazerimizin biyolojik dokuların etkili bir şekilde ablasyonunu sağladığını ve tıbbi ve biyolojik bilimlerde pratik bir araç olma potansiyeline sahip olduğunu doğrulamaktadır.bir lazer neşter.