Demostrase un láser de infravermello medio (MIR) de estado sólido compacto e robusto a 6,45 um con alta potencia de saída media e calidade de feixe case gaussiana. Unha potencia de saída máxima de 1,53 W cun ancho de pulso de aproximadamente 42 ns a 10 ns. kHz conséguese mediante un oscilador óptico paramétrico ZnGeP2 (ZGP) （OPO）。Esta é a potencia media máis alta a 6,45 um de calquera láser de estado sólido segundo o que sabemos.O factor de calidade medio do feixe mídese como M2=1,19.
Ademais, confírmase a alta estabilidade da potencia de saída, cunha flutuación de potencia inferior ao 1,35% rms durante 2 h, e o láser pode funcionar de forma eficiente durante máis de 500 h en total. Usando este pulso de 6,45 um como fonte de radiación, ablación de animais Probáse o tecido cerebral. Ademais, teoricamente analízase por primeira vez o efecto do dano colateral, segundo o que sabemos, e os resultados indican que este láser MIR ten unha excelente capacidade de ablación, polo que é un substituto potencial dos láseres de electróns libres.©2022 Optica Publishing Group

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

A radiación láser de infravermellos medios (MIR) de 6,45 um ten aplicacións potenciais en campos da medicina de alta precisión debido ás súas vantaxes dunha taxa de ablación substancial e danos colaterais mínimos 【1】. Láseres de electróns libres (FELs), láseres de vapor de estroncio, gas Os láseres Raman e os láseres de estado sólido baseados nun oscilador óptico paramétrico (OPO) ou xeración de diferenza de frecuencia (DFG) son fontes de láser de 6,45 um de uso habitual. Non obstante, o alto custo, o gran tamaño e a estrutura complexa dos FEL restrinxen o seu uso. aplicación.Os láseres de vapor de estroncio e os láseres Raman de gas poden obter as bandas de destino, pero ambos teñen unha estabilidade deficiente e un curto período de tempo.
Os estudos demostraron que os láseres de estado sólido de 6,45 um producen un menor intervalo de danos térmicos nos tecidos biolóxicos e que a súa profundidade de ablación é máis profunda que as dun FEL nas mesmas condicións, o que comprobou que poden utilizarse como unha alternativa eficaz aos FEL para a ablación biolóxica de tecidos 【2】. Ademais, os láseres de estado sólido teñen as vantaxes dunha estrutura compacta, boa estabilidade e

operación de mesa, converténdoas en ferramentas prometedoras para obter unha fonte de luz de 6,45 μn.Como é ben sabido, os cristais infravermellos non lineais xogan un papel importante no proceso de conversión de frecuencia usado para conseguir láseres MIR de alto rendemento. En comparación cos cristais infravermellos de óxido cun bordo de corte de 4 um, os cristais non óxido son ben. Adecuado para xerar láseres MIR. Estes cristais inclúen a maioría dos calcoxenuros, como AgGaS2 （AGS）【3,41，LiInS2 （LIS）【5,61， LilnSe2 （LISe）【7】GS）【7】S０（9 】，e BaGaSe（BGSe）【10-12】，así como os compostos de fósforo CdSiP2（CSP）【13-16】e ZnGeP2 （ZGP）【17】 teñen dous coeficientes relativamente grandes. Por exemplo, a radiación MIR pódese obter usando CSP-OPO. Non obstante, a maioría dos CSP-OPO operan nunha escala de tempo ultracorta (pico e femtosegundo) e son bombeados de forma sincrónica por aproximadamente 1 um láseres bloqueados en modo. Desafortunadamente, estes OPO bombeados de forma sincronizada Os sistemas SPOPO) teñen unha configuración complexa e son custosos. As súas potencias medias tamén son inferiores a 100 mW a uns 6,45 um【13-16】. En comparación co cristal CSP, ZGP ten un maior dano láser.shold (60 MW/cm2), unha condutividade térmica maior (0,36 W/cm K) e un coeficiente non lineal comparable (75 pm/V). Polo tanto, ZGP é un excelente cristal óptico non lineal MIR para alta potencia ou alta potencia. aplicacións enerxéticas 【18-221. Por exemplo, demostrouse unha cavidade plana e plana ZGP-OPO cun rango de sintonía de 3,8-12,4 um bombeado por un láser de 2,93 um. A enerxía máxima dun só pulso da luz inactiva a 6,6 um foi 1,2 mJ 【201. Para a lonxitude de onda específica de 6,45 um, conseguiuse unha enerxía máxima dun só pulso de 5,67 mJ cunha frecuencia de repetición de 100 Hz utilizando unha cavidade OPO de anel non plana baseada nun cristal ZGP. Cunha repetición frecuencia de 200 Hz, alcanzouse unha potencia de saída media de 0,95 W 【221. Polo que sabemos, esta é a potencia de saída máis alta alcanzada con 6,45 um.Os estudos existentes suxiren que é necesaria unha potencia media máis alta para a ablación efectiva dos tecidos 【23】. Polo tanto, o desenvolvemento dunha fonte láser práctica de alta potencia de 6,45 um sería de gran importancia na promoción da medicina biolóxica.Nesta carta, informamos dun láser MIR de 6,45 um de estado sólido simple e compacto que ten unha potencia de saída media alta e está baseado nun ZGP-OPO bombeado por un pulso de nanosegundos (ns) de 2,09 um.

láser. A potencia de saída media máxima do láser de 6,45 um é de ata 1,53 W cun ancho de pulso de aproximadamente 42 ns cunha frecuencia de repetición de 10 kHz, e ten unha excelente calidade de feixe. O efecto de ablación do láser de 6,45 um no tecido animal. Este traballo demostra que o láser é un enfoque eficaz para a ablación de tecidos real, xa que actúa como un bisturí láser.A configuración experimental está esbozada na Fig.1. O ZGP-OPO é bombeado por un láser Ho:YAG de 2,09 um bombeado por LD feito na casa que ofrece 28 W de potencia media a 10 kHz. cunha duración de pulso de aproximadamente 102 ns（ FWHM）e un factor de calidade do feixe medio M2 de aproximadamente 1,7.MI e M2 son dous espellos 45 cun revestimento que é altamente reflectante a 2,09 um. Estes espellos permiten o control da dirección do feixe da bomba. Dúas lentes de enfoque (f1 = 100 mm). ,f2=100 mm）aplícanse para a colimación do feixe cun diámetro de feixe duns 3,5 mm no cristal ZGP. Emprégase un illante óptico (ISO) para evitar que o feixe da bomba volva á fonte da bomba de 2,09 um. Unha placa de media onda （HWP）a 2,09 um utilízase para controlar a polarización da luz da bomba. M3 e M4 son espellos de cavidade OPO, con CaF2 plano usado como material de substrato. O espello frontal M3 está revestido anti-reflexión (98 %) para a bomba feixe e revestimento de alta reflexión (98 %) para as ondas de sinal de 6,45 um e 3,09 um. O espello de saída M4 é altamente reflectivo (98 %) a 2,09um e 3,09 um e permite a transmisión parcial do ocioso de 6,45 um.O cristal ZGP córtase a 6-77,6 ° e p = 45 ° para a coincidencia de fase tipo JⅡ 【2090,0 （o）6450,0 （o）+3091,9 （e）】, o que é máis axeitado para un parametro de onda de luz nítida específica. ancho de liña en comparación coa coincidencia de fase de tipo I. As dimensións do cristal ZGP son 5 mm x 6 mm x 25 mm, e está pulido e revestido antirreflectante en ambas as facetas dos extremos para as tres ondas anteriores. Está envolto en folla de indio e fixado nun disipador de calor de cobre con refrixeración por auga（T=16）。A lonxitude da cavidade é de 27 mm. O tempo de ida e volta do OPO é de 0,537 ns para o láser da bomba. Probamos o limiar de dano do cristal ZGP polo R Método -on-I 【17】. O limiar de dano do cristal ZGP mediuse en 0,11 J/cm2 a 10 kHz. No experimento, correspondente a unha densidade de potencia máxima de 1,4 MW/cm2, que é baixa debido á calidade do revestimento relativamente pobre.A potencia de saída da luz inactiva xerada mídese cun medidor de enerxía (D, OPHIR, 1 uW a 3 W), e a lonxitude de onda da luz de sinal é monitorizada por un espectrómetro (APE, 1,5-6,3 m). obtemos unha alta potencia de saída de 6,45 um, optimizamos o deseño dos parámetros do OPO. Realízase unha simulación numérica baseada na teoría da mestura de tres ondas e as ecuacións de propagación paraxial 【24,25】；na simulación, empregar os parámetros correspondentes ás condicións experimentais e asumir un pulso de entrada cun perfil gaussiano no espazo e no tempo. A relación entre o espello de saída OPO

A transmitancia, a intensidade da potencia da bomba e a eficiencia de saída optimízanse manipulando a densidade do feixe da bomba na cavidade para acadar unha maior potencia de saída e evitar, ao mesmo tempo, danos ao cristal ZGP e aos elementos ópticos. Así, a potencia máis alta da bomba está limitada a uns 20. W para o funcionamento ZGP-OPO. Os resultados simulados mostran que, mentres se utiliza un acoplador de saída óptimo cunha transmitancia do 50 %, a densidade máxima de potencia máxima é de só 2,6 x 10 W/cm2 no cristal ZGP e unha potencia de saída media. pódese obter máis de 1,5 W. A figura 2 mostra a relación entre a potencia de saída medida do rodillo a 6,45 um e a potencia da bomba incidente. Na Fig.2 pódese ver que a potencia de saída do rodillo aumenta monótonamente co potencia da bomba incidente. O limiar da bomba corresponde a unha potencia de bombeo media de 3,55 WA. A potencia máxima de saída do ralentí de 1,53 W conséguese a unha potencia de bombeo de aproximadamente 18,7 W, o que corresponde a unha eficiencia de conversión óptica a óptica.f aproximadamente 8,20%% e unha cfciencia de conversión cuántica do 25,31%. Para a seguridade a longo prazo, o láser funciona preto do 70% da súa potencia máxima de saída. A estabilidade de potencia mídese cunha potencia de saída de IW, como móstrase no recuadro （a） na Fig.2. Descúbrese que a flutuación da potencia medida é inferior ao 1,35% rms en 2 h, e que o láser pode funcionar de forma eficiente durante máis de 500 h en total. A lonxitude de onda da onda de sinal mídese en lugar da do ocioso debido ao rango limitado de lonxitudes de onda do espectrómetro （APE，1,5-6,3 um） usado no noso experimento. A lonxitude de onda do sinal medida está centrada en 3,09 um e o ancho da liña é de aproximadamente 0,3 nm, como se mostra. no recuadro （b） da Fig.2. A lonxitude de onda central do ocioso dedúcese que é 6,45 um. O ancho do pulso do ocioso é detectado por un fotodetector (Thorlabs, PDAVJ10) e rexistrado por un osciloscopio dixital (Tcktronix, 2 GHz). ）。Unha forma de onda típica do osciloscopio móstrase na Fig.3 e mostra un ancho de pulso de aproximadamente 42 ns. O ancho de pulsoé un 41,18 % máis estreito para o impulso de 6,45 um en comparación co pulso de bomba de 2,09 um debido ao efecto de estreitamento da ganancia temporal do proceso de conversión de frecuencia non lineal. Como resultado, a potencia máxima correspondente do pulso inactivo é de 3,56 kW. O factor de calidade do feixe do O raio de 6,45 um mídese cun raio láser

analizador （Spiricon,M2-200-PIII）a 1 W de potencia de saída, como se mostra na Fig.4. Os valores medidos de M2 ​​e M，2 son 1,32 e 1,06 ao longo do eixe x e do eixe y, respectivamente, correspondentes a un factor de calidade do feixe medio de M2=1,19. O insct da Fig.4 mostra o perfil de intensidade do feixe bidimensional (2D), que ten un modo espacial case gaussiano. Para verificar que o pulso de 6,45 um proporciona unha ablación efectiva, lévase a cabo un experimento de proba de principio que implica a ablación con láser do cerebro porcino. Emprégase unha lente f=50 para enfocar o feixe de pulso de 6,45 um nun radio de cintura duns 0,75 mm. colócase no foco do feixe láser. A temperatura da superficie （T） do tecido biolóxico en función da localización radial r mídese mediante unha termocámara（FLIR A615）de forma sincronizada durante o proceso de ablación. As duracións da irradiación son 1 ,2,4,6,10，e 20 s a unha potencia de láser de I W. Para cada duración de irradiación, se marcan seis posicións de mostra: r=0,0,62,0,703,1.91,3.05，e 4,14 mm ao longo da dirección radial con respecto ao punto central da posición de irradiación, como se mostra na Fig.5. Os cadrados son os datos de temperatura medidos. Na Fig.5 atópase que a temperatura da superficie na posición de ablación sobre o tecido aumenta co aumento da duración da irradiación. As temperaturas máis altas T no punto central r=0 son 132,39,160,32,196,34，

205.57.206.95，e 226.05C para duracións de irradiación de 1,2，4,6,10，e 20 s, respectivamente. Para analizar o dano colateral, simulase a distribución da temperatura na superficie do tecido extirpado. Isto realízase segundo a teoría da condución térmica para o tecido biolóxico126】e a teoría da propagación do láser no tecido biolóxico 【27】combinada cos parámetros ópticos do cerebro porcino 1281.
A simulación realízase asumindo un feixe gaussiano de entrada. Dado que o tecido biolóxico utilizado no experimento é tecido cerebral porcino illado, ignórase a influencia do sangue e do metabolismo na temperatura, e o tecido cerebral porcino simplifícase no forma dun cilindro para a simulación. Os parámetros utilizados na simulación resúmense na Táboa 1. As curvas sólidas mostradas na Fig. 5 son as distribucións de temperatura radiais simuladas con respecto ao centro de ablación na superficie do tecido para as seis irradiacións diferentes. Exhiben un perfil de temperatura gaussiano desde o centro ata a periferia. A partir da Fig.5 é evidente que os datos experimentais agrce ben cos resultados simulados. Tamén é evidente da Fig.5 que a temperatura simulada no centro da a posición de ablación aumenta a medida que aumenta a duración da irradiación para cada irradiación. Investigacións anteriores demostraron que as células do tecido son perfectamente seguras a temperaturas inferiores.55C, o que significa que as células permanecen activas nas zonas verdes (T<55C) das curvas da Fig.5. A zona amarela de cada curva (55C).60C）。Pódese observar na Fig.5 que os raios de ablación simulados a T=60°Care0,774,0,873,0,993,1,071,1,198 e 1,364 mm, respectivamente, para duracións de irradiación de 1,2,4，6, 10，e 20s, mentres que os raios de ablación simulados en T=55C son 0,805,0,908,1,037,1,134,1,271，e 1,456 mm, respectivamente. Ao analizar cuantitativamente o efecto de ablación, atópase que o arco con células mortas é 1882. 2.394,3.098,3.604,4.509，e 5.845 mm2 para 1,2,4,6,10，e 20s de irradiación, respectivamente. e 0,027 mm2.Pódese ver que as zonas de ablación con láser e as zonas de danos colaterais aumentan coa duración da irradiación.Definimos que a relación de danos colaterais é a proporción da área de danos colaterais a 55C s T60C.Atópase a proporción de danos colaterais. a ser 8,17%，8,18%，9,06%，12,11%，12,56%， e 13,94% para diferentes tempos de irradiación, o que significa que o dano colateral dos tecidos extirpados é pequeno.Os datos e os resultados da simulación mostran que este láser ZGP-OPO compacto, de alta potencia e totalmente en estado sólido de 6,45 um proporciona unha ablación eficaz dos tecidos biolóxicos. Fonte láser de 6,45 um de pulsos MIR baseada nun enfoque ZGP-OPO ns. Obtívose unha potencia media máxima de 1,53 W cunha potencia máxima de 3,65 kW e un factor de calidade do feixe medio de M2=1,19. Usando esta radiación MIR de 6,45 um,a Realizouse un experimento de proba de principio sobre a ablación con láser do tecido. Mediuse experimentalmente e simulouse teoricamente a distribución da temperatura na superficie do tecido extirpado. Os datos medidos coincidiron ben cos resultados simulados. Ademais, analizouse teoricamente o dano colateral. por primeira vez. Estes resultados verifican que o noso láser de pulso MIR de mesa a 6,45 um ofrece unha ablación eficaz dos tecidos biolóxicos e ten un gran potencial para ser unha ferramenta práctica na ciencia médica e biolóxica, xa que podería substituír un FEL voluminoso comoun bisturí láser.