Een compacte en robuuste volledig solid-state mid-infrarood （MIR）laser van 6,45 um met een hoog gemiddeld uitgangsvermogen en bijna-Gaussiaanse straalkwaliteit wordt gedemonstreerd. Een maximaal uitgangsvermogen van 1,53 W met een pulsbreedte van ongeveer 42 ns bij 10 kHz wordt bereikt met behulp van een ZnGeP2（ZGP）optische parametrische oscillator （OPO）。 Dit is het hoogste gemiddelde vermogen van 6,45 um van alle solid-state lasers voor zover wij weten.De gemiddelde bundelkwaliteitsfactor wordt gemeten als M2=1,19.
Bovendien wordt een hoge stabiliteit van het uitgangsvermogen bevestigd, met een vermogensfluctuatie van minder dan 1,35% rms gedurende 2 uur, en de laser kan in totaal meer dan 500 uur efficiënt werken. hersenweefsel wordt getest. Bovendien wordt het nevenschade-effect voor het eerst theoretisch geanalyseerd, voor zover wij weten, en de resultaten geven aan dat deze MIR-laser een uitstekend ablatievermogen heeft, waardoor het een potentiële vervanging is voor vrije-elektronenlasers.©2022 Optica Publishing Group

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

Midden-infrarood（MIR）6,45 um laserstraling heeft potentiële toepassingen in zeer nauwkeurige geneeskundegebieden vanwege de voordelen van een substantiële ablatiesnelheid en minimale nevenschade 【1】. Vrije elektronenlasers （FELs）， strontiumdamplasers, gas Raman-lasers en solid-state lasers op basis van een optische parametrische oscillator (OPO) of verschilfrequentiegeneratie (DFG) zijn veelgebruikte laserbronnen van 6,45 um. De hoge kosten, de grote omvang en de complexe structuur van FEL's beperken echter hun toepassing. Strontiumdamplasers en gas Raman-lasers kunnen de doelbanden verkrijgen, maar beide hebben een slechte stabiliteit, korte ser-
ondeugdlevens, en complex onderhoud vereisen. Onderzoeken hebben aangetoond dat vastestoflasers van 6,45 um een ​​kleiner thermisch schadebereik in biologische weefsels produceren en dat hun ablatiediepte dieper is dan die van een FEL onder dezelfde omstandigheden, waaruit bleek dat ze kunnen worden gebruikt als een effectief alternatief voor FEL's voor biologische weefselablatie 【2】. Bovendien hebben solid-state lasers de voordelen van een compacte structuur, goede stabiliteit en

tafelbladwerking, waardoor ze veelbelovende hulpmiddelen zijn voor het verkrijgen van een 6,45μn-lichtbron.Zoals bekend spelen niet-lineaire infraroodkristallen een belangrijke rol in het frequentieconversieproces dat wordt gebruikt om hoogwaardige MIR-lasers te bereiken. geschikt voor het genereren van MIR-lasers. Deze kristallen bevatten de meeste chalcogeniden, zoals AgGaS2 （AGS）【3,41，LiInS2 （LIS）【5,61， LilnSe2 （LISe）【7】，BaGaS（BGS）【8,9 】，en BaGaSe（BGSe）【10-12】， evenals de fosforverbindingen CdSiP2（CSP）【13-16】 en ZnGeP2 （ZGP）【17】； de laatste twee hebben beide relatief grote niet-lineaire coëfficiënten. MIR-straling kan bijvoorbeeld worden verkregen met behulp van CSP-OPO's. De meeste CSP-OPO's werken echter op een ultrakorte (pico- en femtoseconde) tijdschaal en worden synchroon gepompt door ongeveer 1 um-mode-locked lasers. Helaas zijn deze synchroon gepompte OPO's SPOPO-systemen hebben een complexe opstelling en zijn kostbaar. Hun gemiddelde vermogens zijn ook lager dan 100 mW bij ongeveer 6,45 um【13-16】. Vergeleken met CSP-kristal heeft ZGP een hogere laserschade danshold（60 MW/cm2）， een hogere thermische geleidbaarheid （0.36 W/cm K）， en een vergelijkbare niet-lineaire coëfficiënt （75pm/V）。Daarom is ZGP een uitstekend MIR niet-lineair optisch kristal voor high-power of high- energietoepassingen 【18-221. Bijvoorbeeld, een ZGP-OPO met platte holte met een afstembereik van 3,8-12,4 um, gepompt door een laser van 2,93 um, werd gedemonstreerd. 1,2 mJ 【201. Voor de specifieke golflengte van 6,45 um werd een maximale energie van een enkele puls van 5,67 mJ bij een herhalingsfrequentie van 100 Hz bereikt met behulp van een niet-planaire ring OPO-holte op basis van een ZGP-kristal. Met een herhaling frequentie van 200 Hz, een gemiddeld uitgangsvermogen van 0,95 W werd bereikt 【221. Voor zover wij weten, is dit het hoogste uitgangsvermogen dat is bereikt op 6,45 um.Bestaande studies suggereren dat een hoger gemiddeld vermogen nodig is voor effectieve weefselablatie 【23】. Daarom zou de ontwikkeling van een praktische krachtige laserbron van 6,45 um van groot belang zijn bij de promotie van biologische geneeskunde.In deze brief rapporteren we een eenvoudige, compacte all-solid-state MIR 6,45 um laser die een hoog gemiddeld uitgangsvermogen heeft en is gebaseerd op een ZGP-OPO gepompt door een nanoseconden-puls 2,09 um

laser. Het maximale gemiddelde uitgangsvermogen van de 6,45 um-laser is maximaal 1,53 W met een pulsbreedte van ongeveer 42ns bij een herhalingsfrequentie van 10 kHz, en het heeft een uitstekende straalkwaliteit. Het ablatie-effect van de 6,45 um-laser op dierlijk weefsel wordt onderzocht. Dit werk toont aan dat de laser een effectieve benadering is voor daadwerkelijke weefselablatie, aangezien het werkt als een laserscalpel.De experimentele opstelling is geschetst in Fig.1. De ZGP-OPO wordt gepompt door een zelfgemaakte LD-gepompte 2.09 um Ho:YAG-laser die 28 W gemiddeld vermogen levert bij 10 kHz. met een pulsduur van ongeveer 102 ns（ FWHM en een gemiddelde bundelkwaliteitsfactor M2 van ongeveer 1,7.MI en M2 zijn twee 45-spiegels met een coating die sterk reflecterend is bij 2,09 um. Deze spiegels maken controle over de richting van de pompbundel mogelijk. Twee focuslenzen （f1 = 100 mm ,f2=100 mm） worden toegepast voor bundelcollimatie met een bundeldiameter van ongeveer 3,5 mm in het ZGP-kristal. Een optische isolator (ISO) wordt gebruikt om te voorkomen dat de pompbundel terugkeert naar de pompbron van 2,09 um. Een halfgolfplaat （HWP） bij 2,09 um wordt gebruikt om de polarisatie van het pomplicht te regelen. M3 en M4 zijn OPO-holtespiegels, met vlakke CaF2 als substraatmateriaal. De voorspiegel M3 is antireflectiecoating (98%) voor de pomp straal en hoogreflecterende coating （98%） voor de 6,45 um leegloper en 3,09 um signaalgolven. De uitgangsspiegel M4 is zeer reflecterend (98%) bij 2,09um en 3.09 um en maakt gedeeltelijke transmissie van de 6.45 um spanrol mogelijk.Het ZGP-kristal is gesneden op 6-77,6 ° en p = 45 ° voor fase-aanpassing van het type JⅡ 【2090,0 （o）6450.0 o）+3091,9 （e）】，, wat meer geschikt is voor een specifieke golflengte en parametrisch licht oplevert met een smallere lijnbreedte vergeleken met type-I fase-aanpassing. De afmetingen van het ZGP-kristal zijn 5 mm x 6 mm x 25 mm, en het is gepolijst en anti-reflectie gecoat aan beide eindfacetten voor de bovenstaande drie golven. Het is verpakt in indiumfolie en gefixeerd in een koperen koellichaam met waterkoeling (T=16) De holtelengte is 27 mm. De retourtijd van de OPO is 0,537 ns voor de pomplaser. We hebben de schadedrempel van het ZGP-kristal getest door de R -on-I-methode 【17】. De schadedrempel van het ZGP-kristal werd gemeten als 0,11 J/cm2 bij 10 kHz. In het experiment kwam dit overeen met een piekvermogensdichtheid van 1,4 MW/cm2, wat laag is vanwege de relatief slechte coatingkwaliteit.Het uitgangsvermogen van het gegenereerde leeglooplicht wordt gemeten door een energiemeter （D,OPHIR，1 uW tot 3 W），en de golflengte van het signaallicht wordt gecontroleerd door een spectrometer（APE，1.5-6.3 m）。 om een hoog uitgangsvermogen van 6,45 um verkrijgen, optimaliseren we het ontwerp van de parameters van de OPO. Een numerieke simulatie wordt uitgevoerd op basis van drie-golfmengtheorie en paraxiale voortplantingsvergelijkingen 【24,25】； in de simulatie, we gebruik de parameters die overeenkomen met de experimentele omstandigheden en ga uit van een ingangspuls met een Gauss-profiel in ruimte en tijd. De relatie tussen OPO-uitgangsspiegel

transmissie, pompvermogensintensiteit en uitgangsefficiëntie worden geoptimaliseerd door de pompbundeldichtheid in de holte te manipuleren om een ​​hoger uitgangsvermogen te bereiken en tegelijkertijd schade aan het ZGP-kristal en de optische elementen te voorkomen. Het hoogste pompvermogen is dus beperkt tot ongeveer 20 W voor ZGP-OPO-werking. Gesimuleerde resultaten laten zien dat hoewel een optimale uitgangskoppeling met een transmissie van 50% wordt gebruikt, de maximale piekvermogensdichtheid slechts 2,6 x 10 W/cm2 is in het ZGP-kristal, en een gemiddeld uitgangsvermogen van meer dan 1,5 W kan worden verkregen. Figuur 2 toont de relatie tussen het gemeten uitgangsvermogen van de spanrol bij 6,45 um en het invallende pompvermogen. Uit figuur 2 blijkt dat het uitgangsvermogen van de spanrol monotoon toeneemt met de invallend pompvermogen. De pompdrempel komt overeen met een gemiddeld pompvermogen van 3,55 WA maximaal leegloopvermogen van 1,53 W wordt bereikt bij een pompvermogen van ongeveer 18,7 W, wat overeenkomt met een optisch-naar-optisch conversierendement of ongeveer 8,20%% en een kwantumconversiecfliciëntie van 25,31%. Voor de veiligheid op lange termijn wordt de laser gebruikt op bijna 70% van zijn maximale uitgangsvermogen. De vermogensstabiliteit wordt gemeten bij een uitgangsvermogen van IW, zoals getoond in inzet （a）in Fig.2. Het blijkt dat de gemeten vermogensfluctuatie minder is dan 1,35% rms in 2 uur, en dat de laser in totaal meer dan 500 uur efficiënt kan werken. De golflengte van de signaalgolf wordt gemeten in plaats van die van de idler vanwege het beperkte golflengtebereik van de spectrometer （APE，1.5-6.3 um）gebruikt in ons experiment. De gemeten signaalgolflengte is gecentreerd op 3.09 um en de lijnbreedte is ongeveer 0.3 nm, zoals weergegeven in inzet （b） van Fig.2.De centrale golflengte van de spanrol wordt dan afgeleid tot 6,45um. De pulsbreedte van de spanrol wordt gedetecteerd door een fotodetector (Thorlabs, PDAVJ10) en geregistreerd door een digitale oscilloscoop (Tcktronix) 2GHz ）。Een typische golfvorm van een oscilloscoop wordt getoond in Fig. 3 en geeft een pulsbreedte van ongeveer 42 ns weer. De pulsbreedteis 41,18% smaller voor de 6,45 um idler vergeleken met de 2,09 um pomppuls vanwege het tijdelijke versterkingsversmallende effect van het niet-lineaire frequentieconversieproces. Als resultaat is het corresponderende piekvermogen van de idler-puls 3,56 kW. De bundelkwaliteitsfactor van de 6.45 um idler wordt gemeten met een laserstraal

analysator (Spiricon,M2-200-PIII) bij 1 W uitgangsvermogen, zoals weergegeven in Fig.4.De gemeten waarden van M2 en M，2 zijn respectievelijk 1,32 en 1,06 langs de x-as en de y-as, overeenkomend met een gemiddelde bundelkwaliteitsfactor van M2=1,19. De insct van figuur 4 toont het tweedimensionale（2D）beam-intensiteitsprofiel, dat een bijna Gaussiaanse ruimtelijke modus heeft. een proof-of-principle-experiment met laserablatie van varkenshersenen wordt uitgevoerd. Er wordt een f = 50-lens gebruikt om de pulsbundel van 6,45 um te focusseren tot een taillestraal van ongeveer 0,75 mm. De te verwijderen positie op het varkenshersenweefsel wordt in het brandpunt van de laserstraal geplaatst. De oppervlaktetemperatuur （T） van het biologische weefsel als functie van de radiale locatie r wordt tijdens het ablatieproces synchroon gemeten door een thermocamera（FLIR A615）. De bestralingsduur is 1 2,4,6,10， en 20 s bij een laservermogen van I W. Voor elke bestralingsduur worden zes monsterposities gestraald: r=0,0.62,0.703,1.91,3.05， en 4.14 mm langs de radiale richting ten opzichte van het middelpunt van de bestralingspositie, zoals weergegeven in Fig.5.De vierkanten zijn de gemeten temperatuurgegevens. In Fig.5 is te vinden dat de oppervlaktetemperatuur op de ablatiepositie op het weefsel neemt toe met toenemende bestralingsduur. De hoogste temperaturen T in het middelpunt r=0 zijn 132,39,160,32,196,34，

205.57.206.95， en 226.05C voor bestralingsduren van respectievelijk 1,2，4,6,10， en 20 s. Om de nevenschade te analyseren, wordt de temperatuurverdeling op het geablateerde weefseloppervlak gesimuleerd. Dit wordt uitgevoerd volgens de thermische geleidingstheorie voor biologisch weefsel126】en de theorie van laserpropagatie in biologisch weefsel【27】gecombineerd met de optische parameters van varkenshersenen 1281.
De simulatie wordt uitgevoerd met de aanname van een Gauss-invoerstraal. Aangezien het biologische weefsel dat in het experiment wordt gebruikt, geïsoleerd varkenshersenweefsel is, wordt de invloed van bloed en metabolisme op de temperatuur genegeerd en wordt het hersenweefsel van varkens vereenvoudigd tot de vorm van een cilinder voor simulatie. De parameters die in de simulatie worden gebruikt, zijn samengevat in Tabel 1. De solide curven getoond in Fig. 5 zijn de gesimuleerde radiale temperatuurverdelingen met betrekking tot het ablatiecentrum op het weefseloppervlak voor de zes verschillende bestralingen Ze vertonen een Gaussiaans temperatuurprofiel van het centrum naar de periferie. Het is duidelijk uit figuur 5 dat de experimentele gegevens goed overeenkomen met de gesimuleerde resultaten. Het is ook duidelijk uit figuur 5 dat de gesimuleerde temperatuur in het midden van de ablatiepositie neemt toe naarmate de bestralingsduur toeneemt voor elke bestraling. Eerder onderzoek heeft aangetoond dat de cellen in het weefsel volkomen veilig zijn bij temperaturen hieronder55C, wat betekent dat cellen actief blijven in de groene zones （T<55C） van de curven in Fig.5. De gele zone van elke curve（55C60C: in Fig.5 kan worden waargenomen dat de gesimuleerde ablatiestralen bij T=60°Care respectievelijk 0,774,0,873,0,993,1,071,1,198 en 1,364 mm voor bestralingsduren van 1,2,4，6, 10， en 20s, terwijl de gesimuleerde ablatiestralen bij T=55C respectievelijk 0,805,0,908,1,037,1,134,1,271， en 1,456 mm zijn. Bij kwantitatieve analyse van het ablatie-effect blijkt de arca met dode cellen 1,882 te zijn, 2.394,3.098,3.604,4.509， en 5.845 mm2 voor respectievelijk 1,2,4,6,10， en 20s bestraling. Het gebied met nevenschadegebied blijkt 0,003,0,0040,006,0,013,017， te zijn en 0,027 mm2. Het is te zien dat de laserablatiezones en de nevenschadezones toenemen met de bestralingsduur. We definiëren de nevenschaderatio als de verhouding van het nevenschadegebied bij 55C s T60C. De nevenschaderatio wordt gevonden 8,17%, 8,18%, 9,06%, 12,11%, 12,56%, en 13,94% voor verschillende bestralingstijden, wat betekent dat de collaterale schade van de geablateerde weefsels klein is. Daarom uitgebreide experimentenUit gegevens en simulatieresultaten blijkt dat deze compacte, krachtige, volledig solid-state 6,45 um ZGP-OPO-laser een effectieve ablatie van biologische weefsels biedt. Concluderend hebben we een compacte, krachtige, volledig solid-state MIR gepulste 6,45 um laserbron gebaseerd op een ns ZGP-OPO benadering. Een maximaal gemiddeld vermogen van 1,53 W werd verkregen met een piekvermogen van 3,65 kW en een gemiddelde bundelkwaliteitsfactor van M2=1,19. proof-of-principle-experiment op de laserablatie van weefsel werd uitgevoerd. De temperatuurverdeling op het geablateerde weefseloppervlak werd experimenteel gemeten en theoretisch gesimuleerd. De gemeten gegevens kwamen goed overeen met de gesimuleerde resultaten. Bovendien werd de nevenschade theoretisch geanalyseerd voor de eerste keer. Deze resultaten bevestigen dat onze tafelblad MIR-pulslaser bij 6.45 um effectieve ablatie van biologische weefsels biedt en een groot potentieel heeft om een ​​praktisch hulpmiddel te zijn in de medische en biologische wetenschap, omdat het een omvangrijke FEL zou kunnen vervangen alseen laserscalpel.