Je předveden kompaktní a robustní polovodičový polovodičový infračervený (MIR) laser s 6,45 um s vysokým průměrným výstupním výkonem a kvalitou téměř Gaussovského paprsku. Maximální výstupní výkon 1,53 W s šířkou pulzu přibližně 42 ns při 10 kHz je dosaženo pomocí ZnGeP2（ZGP）optického parametrického oscilátoru （OPO）。Toto je podle našich nejlepších znalostí nejvyšší průměrný výkon při 6,45 um ze všech polovodičových laserů.Průměrný faktor kvality paprsku je naměřen M2=1,19.
Kromě toho je potvrzena vysoká stabilita výstupního výkonu s kolísáním výkonu menším než 1,35 % rms za 2 hodiny a laser může pracovat efektivně po dobu více než 500 hodin celkem. Použití tohoto 6,45 um pulzu jako zdroje záření, ablace zvířat je testována mozková tkáň. Dále je podle našich nejlepších znalostí poprvé teoreticky analyzován účinek vedlejšího poškození a výsledky naznačují, že tento MIR laser má vynikající ablační schopnost, což z něj činí potenciální náhradu laserů s volnými elektrony.©2022 Optica Publishing Group

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

Střední infračervené (MIR) 6,45 um laserové záření má potenciální aplikace ve vysoce přesné medicíně díky svým výhodám značné rychlosti ablace a minimálnímu kolaterálnímu poškození 【1】. Volné elektronové lasery （FEL）, lasery stroncia, plyn Ramanovy lasery a pevnolátkové lasery založené na optickém parametrickém oscilátoru (OPO) nebo generování rozdílové frekvence (DFG) jsou běžně používané 6,45 um laserové zdroje. Nicméně vysoká cena, velká velikost a složitá struktura FEL omezuje jejich Stronciové parní lasery a plynové Ramanovy lasery mohou získat cílové pásy, ale oba mají špatnou stabilitu, krátké ser-
neřest žije a vyžaduje komplexní údržbu. Studie ukázaly, že 6,45 um pevnolátkové lasery produkují menší rozsah tepelného poškození v biologických tkáních a že jejich hloubka ablace je hlubší než u FEL za stejných podmínek, což potvrdilo, že mohou lze použít jako účinnou alternativu k FEL pro biologickou ablaci tkáně 【2】. Kromě toho mají pevnolátkové lasery výhody kompaktní struktury, dobré stability a

stolní provoz, což z nich dělá slibné nástroje pro získání 6,45μn světelného zdroje.Jak je dobře známo, nelineární infračervené krystaly hrají důležitou roli v procesu frekvenční konverze používaného k dosažení vysoce výkonných MIR laserů. Ve srovnání s oxidovými infračervenými krystaly s odříznutou hranou 4 um jsou neoxidové krystaly velmi dobré. vhodné pro generování MIR laserů. Tyto krystaly obsahují většinu chalkogenidů, jako je AgGaS2 （AGS）【3,41,LiInS2 （LIS）【5,61,LilnSe2 （LISe））BaGa8【【7【 】，a BaGaSe（BGSe）【10-12】, stejně jako sloučeniny fosforu CdSiP2(CSP）【13-16】 a ZnGeP2 (ZGP）)【17】 mají oba dva relativně velké koeficienty. například MIR záření lze získat pomocí CSP-OPO.Nicméně, většina CSP-OPO pracuje na ultrakrátkém (piko- a femtosekundovém) časovém měřítku a jsou synchronně pumpovány přibližně 1 um lasery s uzamčeným módem. Bohužel tyto synchronně pumpované OPO（ Systémy SPOPO） mají složité nastavení a jsou nákladné. Jejich průměrný výkon je také nižší než 100 mW, přibližně 6,45 um【13-16】. Ve srovnání s krystalem CSP má ZGP vyšší poškození laseremshold） (60 MW/cm2）), vyšší tepelná vodivost (0,36 W/cm K）) a srovnatelný nelineární koeficient (75pm/V）). energetické aplikace 【18-221. Například byla demonstrována plochá plochá dutina ZGP-OPO s rozsahem ladění 3,8-12,4 um čerpaná laserem 2,93 um. Maximální energie jednoho pulsu světla volnoběžky při 6,6 um byla 1,2 mJ 【201. Pro specifickou vlnovou délku 6,45 um bylo dosaženo maximální energie jednoho pulsu 5,67 mJ při opakovací frekvenci 100 Hz pomocí neplanární kruhové OPO dutiny založené na krystalu ZGP. S opakováním frekvence 200 Hz, bylo dosaženo průměrného výstupního výkonu 0,95 W 【221. Pokud je nám známo, jedná se o nejvyšší výstupní výkon dosažený při 6,45 um.Stávající studie naznačují, že pro účinnou tkáňovou ablaci je nezbytný vyšší průměrný výkon 【23】. Proto by vývoj praktického vysoce výkonného 6,45 um laserového zdroje měl velký význam pro propagaci biologické medicíny.V tomto dopise uvádíme jednoduchý, kompaktní plně polovodičový laser MIR 6,45 um, který má vysoký průměrný výstupní výkon a je založen na ZGP-OPO čerpaném nanosekundou (ns) pulzem 2,09 um.

laser. Maximální průměrný výstupní výkon 6,45 um laseru je až 1,53 W se šířkou pulzu přibližně 42 ns při opakovací frekvenci 10 kHz a má vynikající kvalitu paprsku. Ablační účinek 6,45 um laseru na zvířecí tkáň Tato práce ukazuje, že laser je efektivním přístupem pro aktuální tkáňovou ablaci, protože funguje jako laserový skalpel.Experimentální uspořádání je načrtnuto na obr. 1. ZGP-OPO je čerpáno podomácku vyrobeným LD-pumpovaným 2,09 um Ho:YAG laserem, který dodává 28 W průměrného výkonu při 10 kHz. s dobou trvání pulsu přibližně 102 ns（ FWHM）a průměrný faktor kvality paprsku M2 přibližně 1,7.MI a M2 jsou dvě zrcadla 45 s povlakem, který je vysoce odrazivý při 2,09 um. Tato zrcadla umožňují řízení směru paprsku čerpadla. Dvě zaostřovací čočky （f1 =100 mm ,f2=100 mm）se používají pro kolimaci paprsku s průměrem paprsku asi 3,5 mm v krystalu ZGP. Optický izolátor （ISO）se používá k zabránění návratu paprsku pumpy ke zdroji pumpy 2,09 um. Půlvlnná deska （HWP）při 2,09 um se používá k ovládání polarizace světla čerpadla. M3 a M4 jsou dutinová zrcadla OPO, s plochým CaF2 použitým jako materiál substrátu. Přední zrcátko M3 je potaženo antireflexní vrstvou（98 %）pro čerpadlo paprsek a vysoce reflexní vrstva （98%）pro 6,45 um volnoběžné a 3,09 um signálové vlny. Výstupní zrcadlo M4 je vysoce odrazivé（98 %）při 2,09um a 3,09 um a umožňuje částečný přenos napínacího kola 6,45 um.Krystal ZGP je řezán při 6-77,6° ap=45° pro fázové přizpůsobení typu JⅡ 【2090,0 （o）6450,0 （o）+3091,9 （e）】）, což je vhodnější pro specifickou vlnovou délku a úzké parametrické světlo šířky čáry ve srovnání s fázovým přizpůsobením typu I. Rozměry krystalu ZGP jsou 5 mm x 6 mm x 25 mm a je leštěn a na obou koncových plochách je opatřen antireflexní vrstvou pro výše uvedené tři vlny. Je zabalen do indiové fólie a upevněno v měděném chladiči s vodním chlazením（T=16）。Délka dutiny je 27 mm. Doba oběhu OPO je 0,537 ns pro laser pumpy. Testovali jsme práh poškození krystalu ZGP pomocí R Metoda -on-I【17】.Práh poškození krystalu ZGP byl naměřen jako 0,11 J/cm2 při 10 kHz. V experimentu, což odpovídá maximální hustotě výkonu 1,4 MW/cm2, což je nízké kvůli relativně špatná kvalita nátěru.Výstupní výkon generovaného volnoběžného světla se měří měřičem energie (D, OPHIR, 1 uW až 3 W) a vlnová délka signálního světla je monitorována spektrometrem (APE, 1,5-6,3 m). získat vysoký výstupní výkon 6,45 um, optimalizujeme návrh parametrů OPO. Numerická simulace se provádí na základě teorie třívlnného míchání a rovnic paraxiálního šíření 【24,25】；v simulaci jsme použít parametry odpovídající experimentálním podmínkám a předpokládat vstupní impuls s Gaussovým profilem v prostoru a čase. Vztah mezi výstupním zrcadlem OPO

propustnost, intenzita výkonu čerpadla a výstupní účinnost jsou optimalizovány manipulací s hustotou paprsku čerpadla v dutině, aby se dosáhlo vyššího výstupního výkonu a současně se zabránilo poškození krystalu ZGP a optických prvků. Nejvyšší výkon čerpadla je tedy omezen na přibližně 20 W pro provoz ZGP-OPO. Simulované výsledky ukazují, že při použití optimální výstupní spojky s propustností 50 % je maximální hustota špičkového výkonu pouze 2,6 x 10 W/cm2 v krystalu ZGP a průměrný výstupní výkon lze získat více než 1,5 W. Obrázek 2 ukazuje vztah mezi naměřeným výstupním výkonem volnoběžky při 6,45 um a dopadajícím výkonem čerpadla. Z obr. 2 je vidět, že výstupní výkon napínacího kola monotónně roste s dopadající výkon čerpadla. Prahová hodnota čerpadla odpovídá průměrnému výkonu čerpadla 3,55 WA maximální výstupní výkon naprázdno 1,53 W je dosažen při výkonu čerpadla přibližně 18,7 W, což odpovídá účinnosti přeměny optiky na optiku of přibližně 8,20 %% a kvantová konverze 25,31 %. Pro dlouhodobou bezpečnost je laser provozován na téměř 70 % svého maximálního výstupního výkonu. Stabilita výkonu se měří při výstupním výkonu IW, as zobrazeno ve vložce (a) na obr. 2. Bylo zjištěno, že kolísání měřeného výkonu je menší než 1,35 % rms za 2 hodiny a že laser může pracovat efektivně po dobu více než 500 hodin celkem. Vlnová délka vlny signálu je měřena namísto vlnové délky naprázdno kvůli omezenému rozsahu vlnových délek spektrometru (APE, 1,5-6,3 um) použitého v našem experimentu. Naměřená vlnová délka signálu je vycentrována na 3,09 um a šířka čáry je přibližně 0,3 nm, jak je znázorněno ve vložce （b）obr. 2. Centrální vlnová délka volnoběžky je pak odvozena na 6,45 um. Šířka pulsu napínacího kola je detekována fotodetektorem (Thorlabs, PDAVJ10) a zaznamenávána digitálním osciloskopem (Tcktronix, 2 GHz ）。Typický průběh osciloskopu je znázorněn na obr. 3 a zobrazuje šířku impulzu přibližně 42 ns.je o 41,18 % užší pro 6,45 um volnoběžné kolo ve srovnání s 2,09 um pulzním čerpadlem v důsledku efektu dočasného zúžení zesílení procesu nelineární frekvenční konverze. Výsledkem je, že odpovídající špičkový výkon volnoběžného pulzu je 3,56 kW. Faktor kvality paprsku 6,45 um volnoběžka se měří laserovým paprskem

analyzátor （Spiricon,M2-200-PIII）při 1 W výstupního výkonu, jak je znázorněno na obr. 4. Naměřené hodnoty M2 a M，2 jsou 1,32 a 1,06 podél osy x a y, v tomto pořadí, odpovídající průměrný faktor kvality paprsku M2=1,19. Insct na obr. 4 ukazuje dvourozměrný (2D) profil intenzity paprsku, který má téměř Gaussův prostorový režim. Pro ověření, že puls 6,45 um poskytuje účinnou ablaci, je proveden experiment s důkazem principu zahrnující laserovou ablaci prasečího mozku. K zaostření 6,45 um pulsního paprsku na poloměr pasu asi 0,75 mm se používá čočka f=50. Poloha, která má být ablaována na prasečí mozkové tkáni se umístí do ohniska laserového paprsku. Povrchová teplota (T) biologické tkáně jako funkce radiálního umístění r je měřena termokamerou (FLIR A615) synchronně během procesu ablace. Doba ozařování je 1 ,2,4,6,10，a 20 s při výkonu laseru I W. Pro každou dobu trvání ozařování se opálí šest pozic vzorku: r=0,0,62,0,703,1.91,3.05，a 4,14 mm v radiálním směru vzhledem ke středu polohy ozařování, jak je znázorněno na obr. 5. Čtverce jsou naměřené teplotní údaje. Na obr. 5 je zjištěno, že povrchová teplota v ablační poloze na tkáni se zvyšuje se zvyšující se dobou trvání ozáření. Nejvyšší teploty T ve středu r=0 jsou 132,39, 160,32, 196,34,

205,57,206,95，a 226,05C pro trvání ozařování 1,2，4,6,10，a 20 s, v tomto pořadí. Pro analýzu kolaterálního poškození se simuluje rozložení teploty na povrchu ablatované tkáně. To se provádí podle teorie tepelné vodivosti pro biologickou tkáň126】a teorie šíření laseru v biologické tkáni 【27】v kombinaci s optickými parametry prasečího mozku 1281.
Simulace se provádí za předpokladu vstupního Gaussova svazku. Vzhledem k tomu, že biologická tkáň použitá v experimentu je izolovaná prasečí mozková tkáň, vliv krve a metabolismu na teplotu je ignorován a prasečí mozková tkáň je zjednodušena na tvar válce pro simulaci. Parametry použité v simulaci jsou shrnuty v tabulce 1. Plné křivky zobrazené na obr. 5 jsou simulované radiální rozložení teplot vzhledem k ablačnímu centru na povrchu tkáně pro šest různých ozáření Vykazují gaussovský teplotní profil od středu k periferii. Z obr. 5 je zřejmé, že experimentální data dobře odpovídají simulovaným výsledkům. Z obr. 5 je také zřejmé, že simulovaná teplota ve středu ablační poloha se zvyšuje s prodlužujícím se trváním ozařování pro každé ozáření. Předchozí výzkum ukázal, že buňky ve tkáni jsou dokonale bezpečné při teplotách nižších než55C, což znamená, že buňky zůstávají aktivní v zelených zónách （T<55C）křivek na obr. 5. Žlutá zóna každé křivky（55C60C）。Na obr. 5 lze pozorovat, že simulované poloměry ablace při T=60°Care 0,774, 0,873, 0,993, 1,071, 1,198 a 1,364 mm, v tomto pořadí, pro doby ozáření 1,2,4,6, 10 a 20 s, zatímco simulované ablační poloměry při T=55C jsou 0,805, 0,908, 1,037, 1,134, 1,271, resp. 2,394, 3,098, 3,604, 4,509 a 5,845 mm2 pro ozařování 1, 2, 4, 6, 10 a 20 s, v tomto pořadí. a 0,027 mm2. Je vidět, že zóny laserové ablace a zóny kolaterálního poškození se zvětšují s dobou trvání ozáření. Definujeme poměr vedlejšího poškození jako poměr oblasti vedlejšího poškození při 55C s T60C. Poměr vedlejšího poškození je zjištěn být 8,17%, 8,18%, 9,06%, 12,11%, 12,56%, a 13,94% pro různé doby ozařování, což znamená, že kolaterální poškození ablatovaných tkání je malé. Proto komplexní experimentData a výsledky simulací ukazují, že tento kompaktní, vysoce výkonný, plně pevný 6,45um laser ZGP-OPO poskytuje účinnou ablaci biologických tkání. Závěrem lze říci, že jsme předvedli kompaktní, vysoce výkonný, plně pevný MIR pulzní 6,45 um laserový zdroj založený na přístupu ns ZGP-OPO. Maximální průměrný výkon 1,53 W byl získán se špičkovým výkonem 3,65 kW a průměrným faktorem kvality paprsku M2=1,19. Pomocí tohoto 6,45 um MIR záření,a byl proveden principiální experiment na laserové ablaci tkáně. Bylo experimentálně měřeno a teoreticky simulováno rozložení teploty na povrchu ablaované tkáně. Naměřená data dobře souhlasila se simulovanými výsledky. Navíc bylo teoreticky analyzováno kolaterální poškození poprvé. Tyto výsledky potvrzují, že náš stolní MIR pulzní laser o 6,45 um nabízí efektivní ablaci biologických tkání a má velký potenciál být praktickým nástrojem v lékařské a biologické vědě, protože by mohl nahradit objemný FEL jakolaserový skalpel.