Ditunjukkan laser MIR） mid-infrared solid-state kompak dan kuat pada 6,45 um dengan daya keluaran rata-rata tinggi dan kualitas berkas mendekati Gaussian. Daya keluaran maksimum 1,53 W dengan lebar pulsa sekitar 42 ns pada 10 kHz dicapai dengan menggunakan osilator parametrik optik ZnGeP2（ZGP）OPO）。Ini adalah daya rata-rata tertinggi pada 6,45 um dari semua laser solid-state sejauh pengetahuan kami.Faktor kualitas sinar rata-rata diukur menjadi M2=1,19.
Selain itu, stabilitas daya keluaran tinggi dikonfirmasi, dengan fluktuasi daya kurang dari 1,35% rms selama 2 jam, dan laser dapat berjalan secara efisien selama lebih dari 500 jam secara total. Menggunakan pulsa 6,45 um ini sebagai sumber radiasi, ablasi hewan jaringan otak diuji. Selanjutnya, efek kerusakan kolateral secara teoritis dianalisis untuk pertama kalinya, sejauh yang kami ketahui, dan hasilnya menunjukkan bahwa laser MIR ini memiliki kemampuan ablasi yang sangat baik, menjadikannya sebagai pengganti potensial untuk laser elektron bebas.© 2022 Optica Publishing Group
https://doi.org/10.1364/OL.446336
Radiasi laser inframerah-tengah（MIR）6.45 um memiliki potensi aplikasi di bidang kedokteran presisi tinggi karena keunggulannya dalam tingkat ablasi yang substansial dan kerusakan kolateral minimal 1】. Laser elektron bebas FELs），laser uap strontium,gas Laser Raman, dan laser solid-state berdasarkan osilator parametrik optik OPO atau pembangkit frekuensi perbedaan DFG umumnya digunakan sumber laser 6,45 um. Namun, biaya tinggi, ukuran besar, dan struktur kompleks FEL membatasi mereka aplikasi. Laser uap strontium dan laser Raman gas dapat memperoleh pita target, tetapi keduanya memiliki stabilitas yang buruk,
sebaliknya hidup, dan memerlukan perawatan yang kompleks. Studi menunjukkan bahwa laser solid-state 6,45 um menghasilkan rentang kerusakan termal yang lebih kecil dalam jaringan biologis dan bahwa kedalaman ablasinya lebih dalam daripada FEL dalam kondisi yang sama, yang memverifikasi bahwa mereka dapat digunakan sebagai alternatif yang efektif untuk FEL untuk ablasi jaringan biologis 2】. Selain itu, laser solid-state memiliki keunggulan struktur yang kompak, stabilitas yang baik, dan
operasi meja, menjadikannya alat yang menjanjikan untuk mendapatkan sumber cahaya a6.45μn.Seperti diketahui, kristal inframerah nonlinier memainkan peran penting dalam proses konversi frekuensi yang digunakan untuk mencapai laser MIR berkinerja tinggi. Dibandingkan dengan kristal inframerah oksida dengan tepi potong 4 um, kristal non-oksida baik-baik saja. cocok untuk menghasilkan laser MIR. Kristal ini mencakup sebagian besar kalkogenida, seperti AgGaS2 AGS）【3,41，LiInS2 LIS）【5,61， LilnSe2 LISe）【7】，BaGaS（BGS）【8,9 dan BaGaSe（BGSe）【10-12】，serta senyawa fosfor CdSiP2（CSP）【13-16】dan ZnGeP2 ZGP）【17】；dua yang terakhir memiliki koefisien nonlinier yang relatif besar. Misalnya, radiasi MIR dapat diperoleh dengan menggunakan CSP-OPO. Namun, sebagian besar CSP-OPO beroperasi pada skala waktu pico-dan femtosecond） yang sangat pendek dan dipompa secara serempak oleh laser terkunci mode sekitar 1 um. Sayangnya, OPO（ yang dipompa secara serempak ini Sistem SPOPO）memiliki pengaturan yang rumit dan mahal. Daya rata-ratanya juga lebih rendah dari 100 mW pada sekitar 6,45 um【13-16】.Dibandingkan dengan kristal CSP, ZGP memiliki tiga kerusakan laser yang lebih tinggishold（60 MW/cm2），konduktivitas termal yang lebih tinggi 0,36 W/cm K），dan koefisien nonlinier yang sebanding 75pm/V）。Oleh karena itu, ZGP adalah kristal optik nonlinier MIR yang sangat baik untuk daya tinggi atau tinggi aplikasi energi 18-221.Misalnya, rongga datar datar ZGP-OPO dengan rentang penyetelan 3,8-12,4 um yang dipompa oleh laser 2,93 um didemonstrasikan.Energi pulsa tunggal maksimum dari lampu idler pada 6,6 um adalah 1,2 mJ 201.Untuk panjang gelombang spesifik 6,45 um, energi pulsa tunggal maksimum 5,67 mJ pada frekuensi pengulangan 100 Hz dicapai dengan menggunakan rongga OPO cincin non-planar berdasarkan kristal ZGP.Dengan pengulangan frekuensi 200Hz, daya keluaran rata-rata 0,95 W mencapai 221. Sejauh yang kami ketahui, ini adalah daya keluaran tertinggi yang dicapai pada 6,45 um.Studi yang ada menunjukkan bahwa daya rata-rata yang lebih tinggi diperlukan untuk ablasi jaringan yang efektif 23. Oleh karena itu, pengembangan sumber laser 6,45 um berdaya tinggi yang praktis akan menjadi sangat penting dalam promosi kedokteran biologis.Dalam Surat ini, kami melaporkan laser MIR 6,45 um solid-state sederhana dan kompak yang memiliki daya keluaran rata-rata tinggi dan didasarkan pada ZGP-OPO yang dipompa oleh nanodetik（ns）-pulsa 2,09 um
laser.Kekuatan output rata-rata maksimum dari laser 6,45 um hingga 1,53 W dengan lebar pulsa sekitar 42ns pada frekuensi pengulangan 10 kHz, dan memiliki kualitas pancaran yang sangat baik.Efek ablasi laser 6,45 um pada jaringan hewan diselidiki. Karya ini menunjukkan bahwa laser adalah pendekatan yang efektif untuk ablasi jaringan yang sebenarnya, karena bertindak sebagai pisau bedah laser.Pengaturan eksperimental digambarkan pada Gbr.1.ZGP-OPO dipompa oleh laser 2,09 um Ho:YAG yang dipompa LD buatan sendiri yang menghasilkan daya rata-rata 28 W pada 10 kHz.dengan durasi pulsa sekitar 102 ns（ FWHM）dan faktor kualitas sinar rata-rata M2 sekitar 1,7.MI dan M2 adalah dua 45 cermin dengan lapisan yang sangat reflektif pada 2,09 um.Cermin ini memungkinkan kontrol arah sinar pompa.Dua lensa pemfokusan f1 =100mm ,f2=100 mm）diterapkan untuk kolimasi balok dengan diameter balok sekitar 3,5 mm dalam kristal ZGP.Isolator optik ISO）digunakan untuk mencegah balok pompa kembali ke sumber pompa 2,09 um.Pelat setengah gelombang HWP） pada 2.09 um digunakan untuk mengontrol polarisasi lampu pompa. M3 dan M4 adalah cermin rongga OPO, dengan CaF2 datar digunakan sebagai bahan substrat. Kaca depan M3 dilapisi anti-refleksi （98%） untuk pompa balok dan dilapisi refleksi tinggi 98%）untuk gelombang sinyal idler 6,45 um dan 3,09 um. Cermin keluaran M4 sangat reflektif（98%） pada 2,09um dan 3,09 um dan memungkinkan transmisi parsial dari idler 6,45 um.Kristal ZGP dipotong pada 6-77,6°andp=45°untuk pencocokan fase tipe-JⅡ 2090.0 o）6450.0 o）+3091.9 e）】，yang lebih cocok untuk panjang gelombang tertentu dan menghasilkan cahaya parametrik dengan cahaya yang lebih sempit. linewidth dibandingkan dengan pencocokan fase tipe-I. Dimensi kristal ZGP adalah 5mm x 6 mm x 25 mm, dan dipoles dan dilapisi anti-pantulan pada kedua sisi ujung untuk tiga gelombang di atas. Dibungkus dalam foil indium dan dipasang di heat sink tembaga dengan pendingin air（T=16）。Panjang rongga 27 mm.Waktu pulang pergi OPO adalah 0,537 ns untuk laser pompa.Kami menguji ambang kerusakan kristal ZGP dengan R -on-I metode 17】.Ambang kerusakan kristal ZGP diukur menjadi 0,11 J/cm2 pada 10 kHz.dalam percobaan, sesuai dengan kepadatan daya puncak 1,4 MW/cm2，yang rendah karena kualitas lapisan yang relatif buruk.Daya keluaran dari lampu idler yang dihasilkan diukur dengan pengukur energi D,OPHIR，1 uW hingga 3 W），dan panjang gelombang cahaya sinyal dipantau oleh spektrometer APE，1,5-6,3 m）。Untuk mendapatkan daya output tinggi 6,45 um, kami mengoptimalkan desain parameter OPO. Simulasi numerik dilakukan berdasarkan teori pencampuran tiga gelombang dan persamaan propagasi paraksial 24,25】；dalam simulasi, kami menggunakan parameter yang sesuai dengan kondisi eksperimental dan mengasumsikan pulsa input dengan profil Gaussian dalam ruang dan waktu. Hubungan antara cermin keluaran OPO
transmitansi, intensitas daya pompa, dan efisiensi keluaran dioptimalkan dengan memanipulasi kepadatan sinar pompa di rongga untuk mencapai daya keluaran yang lebih tinggi sekaligus menghindari kerusakan pada kristal ZGP dan elemen optik. Dengan demikian, daya pompa tertinggi dibatasi sekitar 20 W untuk operasi ZGP-OPO.Hasil simulasi menunjukkan bahwa saat menggunakan coupler keluaran optimal dengan transmisi 50%, rapat daya puncak maksimum hanya 2,6 x 10 W/cm2 dalam kristal ZGP, dan daya keluaran rata-rata lebih dari 1,5 W dapat diperoleh. Gambar 2 menunjukkan hubungan antara daya keluaran terukur dari pemalas pada 6,45 um dan daya pompa datang. Dapat dilihat dari Gambar 2 bahwa daya keluaran pemalas meningkat secara monoton dengan daya pompa insiden. Ambang pompa sesuai dengan daya pompa rata-rata 3,55WA daya keluaran pemalas maksimum 1,53 W dicapai pada daya pompa sekitar 18,7 W, yang sesuai dengan efisiensi konversi optik-ke-optik of sekitar 8,20%% dan efisiensi konversi kuantum sebesar 25,31%. Untuk keamanan jangka panjang, laser dioperasikan hampir 70% dari daya keluaran maksimumnya. Stabilitas daya diukur pada daya keluaran IW, sebagai ditunjukkan pada inset a）in Gbr.2. Ditemukan bahwa fluktuasi daya terukur kurang dari 1,35% rms dalam 2 jam, dan laser dapat beroperasi secara efisien selama lebih dari 500 jam secara total. Panjang gelombang dari gelombang sinyal diukur daripada idler karena rentang panjang gelombang terbatas dari spektrometer APE，1,5-6,3 um）yang digunakan dalam percobaan kami. Panjang gelombang sinyal yang diukur berpusat pada 3,09 um dan lebar garis kira-kira 0,3 nm, seperti yang ditunjukkan di inset b）dari Gbr.2.Panjang gelombang pusat pemalas kemudian disimpulkan menjadi 6.45um. Lebar pulsa pemalas dideteksi oleh fotodetektor（Thorlabs,PDAVJ10）dan direkam oleh osiloskop digital（Tcktronix，2GHz Bentuk gelombang osiloskop khas ditunjukkan pada Gambar.3 dan menampilkan lebar pulsa sekitar 42 ns. Lebar pulsaadalah 41,18% lebih sempit untuk idler 6,45 um dibandingkan dengan pulsa pompa 2,09 um karena efek penyempitan gain temporal dari proses konversi frekuensi nonlinier. Akibatnya, daya puncak pulsa idler yang sesuai adalah 3,56kW. Faktor kualitas sinar dari 6,45 um pemalas diukur dengan sinar laser
analyzer Spiricon,M2-200-PIII）pada 1 W daya output, seperti yang ditunjukkan pada Gbr.4.Nilai terukur dari M2 dan M，2 adalah 1,32 dan 1,06 di sepanjang sumbu x dan sumbu y, masing-masing, sesuai dengan faktor kualitas sinar rata-rata M2=1.19. Serangkaian Gambar.4 menunjukkan profil intensitas sinar dua dimensi 2D, yang memiliki mode spasial mendekati Gaussian. Untuk memverifikasi bahwa pulsa 6,45 um memberikan ablasi yang efektif, percobaan pembuktian prinsip yang melibatkan ablasi laser otak babi dilakukan. Lensa f=50 digunakan untuk memfokuskan berkas pulsa 6,45 um ke radius pinggang sekitar 0,75 mm. Posisi yang akan diablasi pada jaringan otak babi ditempatkan pada fokus sinar laser.Suhu permukaan T）jaringan biologis sebagai fungsi dari lokasi radial r diukur oleh termokamera FLIR A615） secara serempak selama proses ablasi. Durasi iradiasi adalah 1 ,2,4,6,10，dan 20 s pada daya laser I W. Untuk setiap durasi penyinaran, enam posisi sampel disemprotkan: r=0,0.62,0.703,1,91,3,05，dan 4,14 mm sepanjang arah radial terhadap titik pusat posisi iradiasi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. pada posisi ablasi pada jaringan meningkat dengan bertambahnya lama penyinaran. Temperatur T tertinggi pada titik pusat r=0 adalah 132.39.160.32.196,34，
205.57,206.95，dan 226.05C untuk durasi penyinaran masing-masing 1,2，4,6,10，dan 20 detik.Untuk menganalisis kerusakan kolateral, disimulasikan distribusi suhu pada permukaan jaringan yang diablasi.Hal ini dilakukan sesuai dengan teori konduksi termal untuk jaringan biologis126】dan teori propagasi laser dalam jaringan biologis 27dikombinasikan dengan parameter optik otak babi 1281.
Simulasi dilakukan dengan asumsi input Gaussian beam. Karena jaringan biologis yang digunakan dalam eksperimen adalah jaringan otak babi yang diisolasi, pengaruh darah dan metabolisme pada suhu diabaikan, dan jaringan otak babi disederhanakan menjadi Bentuk silinder untuk simulasi durasi.Mereka menunjukkan profil suhu Gaussian dari pusat ke pinggiran.Hal ini terbukti dari Gbr.5 bahwa data eksperimen cocok dengan hasil simulasi.Hal ini juga terlihat dari Gbr.5 bahwa suhu simulasi di pusat posisi ablasi meningkat seiring dengan meningkatnya durasi iradiasi untuk setiap iradiasi. Penelitian sebelumnya telah menunjukkan bahwa sel-sel dalam jaringan sangat aman pada suhu di bawah55C, yang berarti bahwa sel tetap aktif di zona hijau T<55C）dari kurva pada Gbr.5.Zona kuning setiap kurva（55C60C）。 Dapat diamati pada Gbr.5 bahwa jari-jari ablasi yang disimulasikan pada T=60°Care0.774,0.873,0.993,1.071,1.198 dan 1.364 mm, masing-masing, untuk durasi penyinaran 1,2,4，6, 10， dan 20-an, sedangkan jari-jari ablasi yang disimulasikan pada T=55C masing-masing adalah 0.805,0.908,1.037,1.134,1.271， dan 1.456 mm. Setelah menganalisis secara kuantitatif efek ablasi, arca dengan sel-sel mati ditemukan 1,882, 2.394,3.098,3.604,4.509，dan5.845 mm2 untuk penyinaran masing-masing 1,4,6,10，dan 20-an. Area dengan luas kerusakan kolateral ditemukan 0,003,0,0.0040.006,0.013,0.017， dan 0,027 mm2. Dapat dilihat bahwa zona ablasi laser dan zona kerusakan kolateral meningkat dengan durasi iradiasi. Kami mendefinisikan rasio kerusakan kolateral menjadi rasio area kerusakan kolateral pada 55C s T60C. Rasio kerusakan kolateral ditemukan menjadi 8,17%，8,18%，9,06%，12,11%，12,56%， dan 13,94% untuk waktu iradiasi yang berbeda, yang berarti bahwa kerusakan kolateral dari jaringan yang diablasi kecil. Oleh karena itu, eksperimen komprehensifl data dan hasil simulasi menunjukkan bahwa laser ZGP-OPO 6,45 um yang kompak, berdaya tinggi, semua solid ini memberikan ablasi jaringan biologis yang efektif. MIR berdenyut sumber laser 6,45 um berdasarkan pendekatan ns ZGP-OPO. Daya rata-rata maksimum 1,53 W diperoleh dengan daya puncak 3,65kW dan faktor kualitas sinar rata-rata M2=1,19.Menggunakan radiasi MIR 6,45 um ini, percobaan pembuktian prinsip pada ablasi laser jaringan dilakukan. Distribusi suhu pada permukaan jaringan yang diablasi diukur secara eksperimental dan disimulasikan secara teoritis. Data yang diukur sesuai dengan hasil simulasi. Selain itu, kerusakan kolateral dianalisis secara teoritis untuk pertama kalinya. Hasil ini memverifikasi bahwa laser pulsa MIR meja kami pada 6,45 um menawarkan ablasi jaringan biologis yang efektif dan memiliki potensi besar untuk menjadi alat praktis dalam ilmu kedokteran dan biologi, karena dapat menggantikan FEL besar sebagaipisau bedah laser.