Продемонстрирован компактный и надежный полностью твердотельный лазер среднего инфракрасного диапазона (MIR) с длиной волны 6,45 мкм с высокой средней выходной мощностью и качеством луча, близким к гауссовскому. Максимальная выходная мощность 1,53 Вт с шириной импульса примерно 42 нс при 10 кГц достигается с помощью оптического параметрического генератора ZnGeP2 (ZGP) (OPO). Насколько нам известно, это самая высокая средняя мощность при 6,45 мкм среди всех твердотельных лазеров.Измеренный средний коэффициент качества луча составляет M2=1,19.
Кроме того, подтверждена высокая стабильность выходной мощности с колебаниями мощности менее 1,35% среднеквадратичного значения в течение 2 часов, и лазер может эффективно работать более 500 часов в общей сложности. Используя этот импульс 6,45 мкм в качестве источника излучения, абляция животных ткань мозга тестируется. Кроме того, эффект побочного повреждения теоретически проанализирован впервые, насколько нам известно, и результаты показывают, что этот MIR-лазер обладает отличной способностью к абляции, что делает его потенциальной заменой лазерам на свободных электронах.©2022 Издательская группа «Оптика»
https://doi.org/10.1364/OL.446336
Лазерное излучение среднего инфракрасного диапазона (МИР) 6,45 мкм имеет потенциальные применения в областях высокоточной медицины из-за его преимуществ, заключающихся в значительной скорости абляции и минимальном побочном повреждении 【1】. Лазеры на свободных электронах (ЛСЭ), лазеры на парах стронция, газовые Рамановские лазеры и твердотельные лазеры на основе оптического параметрического генератора (OPO) или генерации разностной частоты (DFG) обычно используются в лазерных источниках с длиной волны 6,45 мкм. Однако высокая стоимость, большие размеры и сложная структура ЛСЭ ограничивают их использование. применение. Лазеры на парах стронция и газовые рамановские лазеры могут получить целевые полосы, но оба имеют плохую стабильность, короткий срок службы.
жизни и требуют сложного обслуживания. Исследования показали, что твердотельные лазеры с длиной волны 6,45 мкм производят меньший диапазон теплового повреждения в биологических тканях и что их глубина абляции больше, чем у ЛСЭ при тех же условиях, которые подтвердили, что они могут использоваться в качестве эффективной альтернативы ЛСЭ для абляции биологических тканей 【2】. Кроме того, твердотельные лазеры имеют преимущества компактной конструкции, хорошей стабильности и
настольная работа, что делает их многообещающими инструментами для получения источника света 6,45 мкм.Как хорошо известно, нелинейные инфракрасные кристаллы играют важную роль в процессе преобразования частоты, используемом для создания высокоэффективных MIR-лазеров. подходит для генерации MIR-лазеров. Эти кристаллы включают большинство халькогенидов, таких как AgGaS2 (AGS)【3,41, LiInS2 (LIS)【5,61, LilnSe2 (LISe)【7】, BaGaS (BGS)【8,9 】，и BaGaSe（BGSe）【10-12】，а также соединения фосфора CdSiP2（CSP）【13-16】и ZnGeP2（ZGP）【17】； последние два имеют относительно большие нелинейные коэффициенты. Например, излучение MIR может быть получено с использованием CSP-OPO. Однако большинство CSP-OPO работают в ультракоротком (пико- и фемтосекундном) масштабе времени и синхронно накачиваются лазерами с синхронизацией мод примерно 1 мкм. К сожалению, эти OPO с синхронной накачкой Системы SPOPO） имеют сложную настройку и являются дорогостоящими. Их средняя мощность также ниже 100 мВт при 6,45 мкм【13-16】. По сравнению с кристаллом CSP, ZGP имеет более высокий уровень лазерного повреждения.60 МВт/см2, более высокая теплопроводность (0,36 Вт/см·К) и сопоставимый коэффициент нелинейности (75 пм/В). применения энергии 【18-221. Например, был продемонстрирован плоско-плоский резонатор ZGP-OPO с диапазоном перестройки 3,8-12,4 мкм, накачиваемый лазером 2,93 мкм. Максимальная энергия одиночного импульса холостого света на 6,6 мкм была 1,2 мДж 【201. Для удельной длины волны 6,45 мкм максимальная энергия одиночного импульса 5,67 мДж при частоте повторения 100 Гц была достигнута при использовании неплоского кольцевого резонатора ПГС на основе кристалла ZGP. при частоте 200 Гц была достигнута средняя выходная мощность 0,95 Вт 【221. Насколько нам известно, это самая высокая выходная мощность, достигнутая при 6,45 мкм.Существующие исследования показывают, что для эффективной абляции тканей необходима более высокая средняя мощность [23]. Таким образом, разработка практического мощного лазерного источника с длиной волны 6,45 мкм будет иметь большое значение для продвижения биологической медицины.В этом письме мы сообщаем о простом компактном полностью твердотельном лазере МИР с длиной волны 6,45 мкм, который имеет высокую среднюю выходную мощность и основан на ZGP-OPO с накачкой наносекундным (нс) импульсом 2,09 мкм.
лазер. Максимальная средняя выходная мощность лазера 6,45 мкм составляет до 1,53 Вт с шириной импульса около 42 нс при частоте повторения 10 кГц, и он имеет превосходное качество луча. Эффект абляции лазера 6,45 мкм на ткани животных Эта работа показывает, что лазер является эффективным подходом для фактической абляции тканей, поскольку он действует как лазерный скальпель.Схема экспериментальной установки показана на рис. 1. ZGP-OPO накачивается самодельным Ho:YAG-лазером 2,09 мкм с LD-накачкой, который обеспечивает среднюю мощность 28 Вт на частоте 10 кГц с длительностью импульса примерно 102 нс（ FWHM) и средний коэффициент качества луча M2, равный примерно 1,7.MI и M2, представляют собой два зеркала 45 с покрытием, обладающим высокой отражающей способностью при 2,09 мкм. Эти зеркала позволяют управлять направлением луча накачки. Две фокусирующие линзы (f1 = 100 мм) , f2 = 100 мм) применяются для коллимации луча с диаметром луча около 3,5 мм в кристалле ZGP. Оптический изолятор (ISO) используется для предотвращения возврата луча накачки к источнику накачки 2,09 мкм. Полуволновая пластина (HWP) при 2,09 мкм используется для управления поляризацией света накачки. M3 и M4 представляют собой резонаторные зеркала OPO с плоским CaF2, используемым в качестве материала подложки. Переднее зеркало M3 имеет антибликовое покрытие (98%) для накачки. луч и покрытие с высоким коэффициентом отражения (98%) для холостого хода 6,45 мкм и сигнальных волн 3,09 мкм. Выходное зеркало M4 обладает высоким коэффициентом отражения (98%) при 2,09мкм и 3,09 мкм и допускает частичную передачу холостого хода 6,45 мкм.Кристалл ZGP вырезается при 6-77,6° и p=45° для фазового согласования типа JⅡ 【2090,0 (o)6450,0 (o)+3091,9 (e)】, что больше подходит для определенной длины волны и дает параметрический свет с более узким ширина линии по сравнению с фазовым согласованием типа I. Размеры кристалла ZGP составляют 5 мм x 6 мм x 25 мм, он отполирован и имеет просветляющее покрытие на обеих торцевых гранях для трех вышеуказанных волн. Он обернут в индиевую фольгу и закреплен в медном радиаторе с водяным охлаждением (T = 16). Длина резонатора 27 мм. Время прохождения ПГС 0,537 нс для лазера накачки. Мы проверили порог повреждения кристалла ZGP с помощью R Метод -on-I 【17】. В ходе эксперимента было измерено, что порог повреждения кристалла ZGP составляет 0,11 Дж/см2 на частоте 10 кГц, что соответствует пиковой плотности мощности 1,4 МВт/см2, что является низким из-за относительно низкое качество покрытия.Выходная мощность генерируемого холостого света измеряется измерителем энергии (D,OPHIR, от 1 мкВт до 3 Вт), а длина волны сигнального света контролируется спектрометром (APE, 1,5-6,3 м). получить высокую выходную мощность 6,45 мкм, мы оптимизируем конструкцию параметров ПГС. Численное моделирование проводится на основе теории трехволнового смешения и уравнений параксиального распространения 【24,25】；при моделировании мы использовать параметры, соответствующие экспериментальным условиям, и принять входной импульс с гауссовским профилем в пространстве и времени. Соотношение между выходным зеркалом ПГС
Коэффициент пропускания, мощность накачки и выходная эффективность оптимизируются за счет управления плотностью пучка накачки в резонаторе для достижения более высокой выходной мощности при одновременном предотвращении повреждения кристалла ZGP и оптических элементов. Таким образом, максимальная мощность накачки ограничена примерно 20 Вт для работы ZGP-OPO. Результаты моделирования показывают, что при использовании оптимального выходного ответвителя с коэффициентом пропускания 50 % максимальная пиковая плотность мощности составляет всего 2,6 x 10 Вт/см2 в кристалле ZGP, а средняя выходная мощность можно получить более 1,5 Вт. На рис. 2 показана зависимость между измеренной выходной мощностью холостого хода при 6,45 мкм и падающей мощностью накачки. Из рис. 2 видно, что выходная мощность холостого хода монотонно возрастает с ростом падающая мощность накачки. Порог накачки соответствует средней мощности накачки 3,55 Вт. Максимальная выходная мощность холостого хода 1,53 Вт достигается при мощности накачки примерно 18,7 Вт, что соответствует эффективности оптико-оптического преобразования of приблизительно 8,20%% и эффективность квантового преобразования 25,31%. В целях безопасности в долгосрочной перспективе лазер работает почти на 70% от его максимальной выходной мощности. Стабильность мощности измеряется при выходной мощности IW, как показано на вставке (а) на рис. 2. Обнаружено, что измеренное колебание мощности составляет менее 1,35% среднеквадратичного значения за 2 часа, и что лазер может эффективно работать более 500 часов в общей сложности. Длина волны сигнальной волны измеряется вместо холостого из-за ограниченного диапазона длин волн спектрометра (APE, 1,5-6,3 мкм), используемого в нашем эксперименте. Измеренная длина волны сигнала находится в центре на 3,09 мкм, а ширина линии составляет приблизительно 0,3 нм, как показано на вставке (b) к рис. 2. Центральная длина волны холостого хода определяется как 6,45 мкм. Ширина импульса холостого хода определяется фотодетектором (Thorlabs, PDAVJ10) и записывается цифровым осциллографом (Tcktronix, 2 ГГц). ）。Типичная осциллограмма показана на рис.3 и отображает ширину импульса приблизительно 42 нс. Ширина импульсана 41,18% уже для холостого импульса 6,45 мкм по сравнению с импульсом накачки 2,09 мкм из-за эффекта сужения усиления во времени процесса нелинейного преобразования частоты. В результате соответствующая пиковая мощность холостого импульса составляет 3,56 кВт. Коэффициент качества луча Холостой ход 6,45 мкм измерен с помощью лазерного луча
анализатор (Спирикон, М2-200-ПIII) при выходной мощности 1 Вт, как показано на рис.4. Измеренные значения М2 и М2 равны 1,32 и 1,06 по оси абсцисс и оси у соответственно, что соответствует средний коэффициент качества луча M2 = 1,19. На рис. 4 показан двумерный (2D) профиль интенсивности луча, который имеет пространственную моду, близкую к гауссовой. Чтобы убедиться, что импульс 6,45 мкм обеспечивает эффективную абляцию, Проведен экспериментальный эксперимент по лазерной абляции головного мозга свиньи. Объектив f=50 используется для фокусировки импульсного луча 6,45 мкм на радиус талии около 0,75 мм. Положение для абляции на ткани головного мозга свиньи находится в фокусе лазерного луча. Температура поверхности (T) биологической ткани в зависимости от радиального положения r измеряется термокамерой (FLIR A615) синхронно во время процесса абляции. Продолжительность облучения составляет 1 , 2, 4, 6, 10， и 20 с при мощности лазера 1 Вт. Для каждой продолжительности облучения блютируются шесть позиций образца: r=0,0,62,0,703, 1,91, 3,05 и 4,14 мм в радиальном направлении по отношению к центральной точке положения облучения, как показано на рис. 5. Квадраты представляют собой измеренные данные температуры. На рис. 5 обнаружено, что температура поверхности в положении абляции на ткани увеличивается с увеличением продолжительности облучения. Наибольшие температуры T в центральной точке r=0 составляют 132,39,160,32,196,34,
205,57, 206,95，и 226,05°С для продолжительности облучения 1,2，4,6,10，и 20 с соответственно. Для анализа сопутствующих повреждений моделируется распределение температуры на поверхности аблируемой ткани. теория теплопроводности биологической ткани 126】 и теория распространения лазерного излучения в биологической ткани 【27】в сочетании с оптическими параметрами мозга свиньи 1281.
Моделирование выполнено с предположением о входном гауссовом пучке. Поскольку биологическая ткань, используемая в эксперименте, представляет собой изолированную ткань мозга свиньи, влияние крови и метаболизма на температуру игнорируется, а ткань мозга свиньи упрощается до форма цилиндра для моделирования. Параметры, использованные при моделировании, приведены в таблице 1. Сплошные кривые, показанные на рис. 5, представляют собой смоделированные радиальные распределения температуры по отношению к центру абляции на поверхности ткани для шести различных режимов облучения. Они демонстрируют гауссов профиль температуры от центра к периферии. Из рис. 5 видно, что экспериментальные данные хорошо согласуются с результатами моделирования. Из рис. 5 также видно, что моделируемая температура в центре положение абляции увеличивается по мере увеличения продолжительности облучения для каждого облучения. Предыдущие исследования показали, что клетки в ткани совершенно безопасны при температурах ниже55C, что означает, что клетки остаются активными в зеленых зонах (T<55C) кривых на рис. 5. Желтая зона каждой кривой (55C)60C）。На рис.5 видно, что смоделированные радиусы абляции при T=60°C составляют 0,774, 0,873, 0,993, 1,071, 1,198 и 1,364 мм соответственно для продолжительности облучения 1, 2, 4, 6, 10，и 20с, в то время как смоделированные радиусы абляции при T=55°C составляют 0,805, 0,908, 1,037, 1,134, 1,271， и 1,456 мм соответственно. 2,394, 3,098, 3,604, 4,509 и 5,845 мм2 для 1, 2, 4, 6, 10 и 20 с облучения соответственно. и 0,027 мм2. Видно, что зоны лазерной абляции и зоны побочного повреждения увеличиваются с увеличением продолжительности облучения. Мы определяем коэффициент побочного повреждения как отношение площади побочного повреждения при 55C s T60C. Коэффициент побочного повреждения находится быть 8,17 %, 8,18 %, 9,06 %, 12,11 %, 12,56 % и 13,94 % для разного времени облучения, что означает, что сопутствующие повреждения аблированных тканей невелики.Данные и результаты моделирования показывают, что этот компактный, мощный, полностью твердотельный лазер ZGP-OPO с длиной волны 6,45 мкм обеспечивает эффективную абляцию биологических тканей. В заключение, мы продемонстрировали компактный, мощный, полностью твердотельный лазер. Импульсный лазерный источник MIR 6,45 мкм на основе подхода ns ZGP-OPO. Максимальная средняя мощность 1,53 Вт была получена с пиковой мощностью 3,65 кВт и средним коэффициентом качества луча M2 = 1,19. Используя это излучение MIR 6,45 мкм, был проведен экспериментальный эксперимент по лазерной абляции ткани. Распределение температуры на поверхности аблированной ткани было экспериментально измерено и теоретически смоделировано. Данные измерений хорошо согласовывались с результатами моделирования. Кроме того, был проведен теоретический анализ побочного повреждения впервые. Эти результаты подтверждают, что наш настольный импульсный лазер MIR с длиной волны 6,45 мкм обеспечивает эффективную абляцию биологических тканей и обладает большим потенциалом для практического использования в медицинских и биологических науках, поскольку он может заменить громоздкий ЛСЭ в качествелазерный скальпель.