E kompakten a robusten All-Solidstat Mid-Infrarout (MIR) Laser bei 6,45 um mat héijer duerchschnëttlecher Ausgangskraaft a bal Gaussescher Strahlqualitéit gëtt demonstréiert. kHz gëtt mat engem ZnGeP2 (ZGP) opteschen parametresche Oszillator (OPO) erreecht. Dëst ass déi héchst duerchschnëttlech Kraaft bei 6.45 um vun all Solid-State Laser no der bescht vun eisem Wëssen.Den duerchschnëttleche Strahlqualitéitsfaktor gëtt als M2 = 1,19 gemooss.
Ausserdeem gëtt d'Héichausgangsstabilitéit bestätegt, mat enger Kraaftfluktuatioun vu manner wéi 1,35% rms iwwer 2 h, an de Laser kann effizient fir méi wéi 500 h am Ganzen lafen. Gehirgewebe gëtt getest.Desweideren gëtt de collateral damage-Effekt fir d'éischte Kéier theoretesch analyséiert, no eisem beschte Wëssen, an d'Resultater weisen datt dësen MIR-Laser eng exzellent Ablatiounsfäegkeet huet, wat et e potenziellen Ersatz fir fräi Elektronenlaser mécht.©2022 Optica Publishing Group

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

Mëtt-Infrarout (MIR) 6,45 um Laser Stralung huet potentiell Uwendungen an héich-Präzisioun Medezin Felder wéinst senge Virdeeler vun engem substantiell Ablation Taux a minimale Niewefuerderungen Schued 【1】. Gratis Elektronen Laser (FELs), Strontium Damp Laser, Raman Laser, a Solid-State Laser baséiert op engem opteschen parametric Oszillator (OPO) oder Differenz Frequenz Generatioun (DFG) sinn allgemeng benotzt 6,45 um Laser Quellen. Strontium Damp Laser a Gas Raman Laser kënnen d'Zilbands kréien, awer béid hunn eng schlecht Stabilitéit, kuerz Ser-
Vize Liewen, a komplex Ënnerhalt erfuerderen.Studien hunn gewisen datt 6,45 um Solid-State Laser e méi klengen thermesche Schued-Alter-Beräich a biologesche Stoffer produzéieren an datt hir Ablatiounsdéift méi déif ass wéi déi vun enger FEL ënner deene selwechte Konditiounen, wat verifizéiert datt se kënnen benotzt ginn als eng effektiv Alternativ zu FELs fir biologesch Tissue-Ablatioun 【2】. Ausserdeem hunn Solid-State Laser d'Virdeeler vun enger kompakter Struktur, gudder Stabilitéit, an

Tabletop Operatioun, sou datt se verspriechend Tools fir eng 6.45μn Liichtquell ze kréien.Wéi bekannt, spillen net-linear Infrarout-Kristalle eng wichteg Roll am Frequenzkonversiounsprozess, dee benotzt gëtt fir héich performant MIR Laser z'erreechen. Dës Kristalle enthalen déi meescht Chalcogeniden, wéi AgGaS2 （AGS）【3,41，LiInS2 （LIS）【5,61， LilnSe2 （LISe）（B】〼B】. 】，an BaGaSe（BGSe）【10-12】, souwéi d'Phosphorverbindungen CdSiP2(CSP）【13-16】 an ZnGeP2 (ZGP）【17】) hunn déi lescht zwee re-online. Wéi och ëmmer, déi meescht CSP-OPOs funktionnéieren op enger ultrakuerter (pico-a femtosecond) Zäitskala a gi synchron duerch ongeféier 1 um Modus gespaart Laser gepompelt. Leider sinn dës synchron gepompelt OPO ( SPOPO) Systemer hunn e komplexe Setup a sinn deier. Hir duerchschnëttlech Kraaft sinn och manner wéi 100 mW bei ongeféier 6,45 um【13-16】. Am Verglach mam CSP Kristall huet ZGP e méi héije Laser Schued.shold (60 MW/cm2), eng méi héich thermesch Konduktivitéit (0,36 W/cm K), an e vergläichbaren net-lineare Koeffizient (75pm/V) . Energieapplikatiounen 【18-221. Zum Beispill gouf e flaach-flaache Kavitéit ZGP-OPO mat engem Tuningberäich vun 3,8-12,4 um gepompelt vun engem 2,93 um Laser demonstréiert. 1,2 mJ 【201.Fir déi spezifesch Wellelängt vu 6.45 um, eng maximal Single-Pulsenergie vu 5.67 mJ bei enger Widderhuelungsfrequenz vun 100 Hz gouf mat engem net-planar Ring OPO Huelraum op Basis vun engem ZGP Kristall erreecht. Mat enger Widderhuelung Frequenz vun 200Hz, eng duerchschnëttlech Ausgangsleistung vun 0,95 W gouf erreecht 【221. Sou wäit wéi mir wëssen, ass dëst déi héchst Ausgangskraaft erreecht bei 6,45 um.Bestehend Studien suggeréieren datt eng méi héich duerchschnëttlech Kraaft néideg ass fir effektiv Tissue-Ablatioun 【23】. Dofir wier d'Entwécklung vun enger praktescher Héichkraaft 6,45 um Laserquell vu grousser Bedeitung bei der Promotioun vun der biologescher Medizin.An dësem Bréif mellen mir en einfachen, kompakten all-solid-state MIR 6.45 um Laser deen eng héich duerchschnëttlech Ausgangskraaft huet a baséiert op engem ZGP-OPO gepompelt vun enger Nanosekonnen (ns)-Puls 2.09 um

Déi maximal duerchschnëttlech Ausgangskraaft vum 6,45 um Laser ass bis zu 1,53 W mat enger Pulsbreet vun ongeféier 42ns bei enger Widderhuelungsfrequenz vun 10 kHz, an et huet eng exzellent Strahlqualitéit. gëtt ënnersicht.Dës Aarbecht weist datt de Laser eng effektiv Approche fir d'aktuell Tissuc-Ablatioun ass, well et als Laser-Skalpell wierkt.D'experimentell Opstellung ass an Fig.1 skizzéiert.Den ZGP-OPO gëtt vun engem hausgemaachte LD-gepompelten 2.09 um Ho:YAG Laser gepompelt, deen 28 W duerchschnëttlech Kraaft bei 10 kHz liwwert.mat enger Pulsdauer vun ongeféier 102 ns（ FWHM) an en duerchschnëttleche Strahlqualitéitsfaktor M2 vun ongeféier 1.7.MI a M2 sinn zwee 45 Spigelen mat enger Beschichtung déi héichreflektiv bei 2.09 um ass. Dës Spigelen erméiglechen d'Richtungskontroll vum Pompelstrahl. ,f2=100 mm) gi fir Strahlkollimatioun mat engem Strahlenduerchmiesser vu ronn 3,5 mm am ZGP-Kristall applizéiert.En opteschen Isolator (ISO) gëtt benotzt fir ze verhënneren datt de Pompelstrahl zréck an d'2,09 um Pompelquell zréckkënnt. (HWP) bei 2,09 um gëtt benotzt fir d'Polariséierung vum Pompellicht ze kontrolléieren.M3 a M4 sinn OPO Kavitéitspigel, mat flaach CaF2 benotzt als Substratmaterial. beam an héich-Reflexioun Beschichtete (98%) fir de 6,45 um idler an 3,09 um Signal Wellen.um an 3,09 um an erlaabt deelweis Transmissioun vun der 6,45 um idler.Den ZGP Kristall gëtt op 6-77.6 ° a p = 45 ° fir Typ-JⅡ Phase Matching geschnidden 【2090.0 (o) 6450.0 （o) + 3091.9 （e）】, wat méi gëeegent ass fir eng spezifesch liicht Wellelängt a Pfeil D'Dimensioune vum ZGP-Kristall sinn 5mm x 6 mm x 25 mm, an et ass poléiert an anti-reflektéiert Beschichtete op béide Endfacetten fir déi uewe genannte dräi Wellen. an engem Kupferheizkierper mat Waasserkühlung fixéiert (T=16). D'Kavitéitslängt ass 27 mm. D'Ronnzäit vum OPO ass 0,537 ns fir de Pompellaser. -on-I Method 【17】. De Schuedschwell vum ZGP Kristall gouf gemooss op 0,11 J/cm2 bei 10 kHz am Experiment, entsprécht enger Spëtzekraaftdicht vun 1,4 MW/cm2, wat niddereg ass wéinst der relativ schlecht Beschichtungsqualitéit.D'Ausgangskraaft vum generéierten Idle Liicht gëtt vun engem Energiemeter (D,OPHIR,1 uW bis 3 W) gemooss, an d'Wellelängt vum Signallicht gëtt vun engem Spektrometer (APE, 1,5-6,3 m) iwwerwaacht. eng héich Ausgangskraaft vu 6,45 um kréien, mir optimiséieren den Design vun de Parameteren vum OPO. Eng numeresch Simulatioun gëtt duerchgefouert baséiert op Dräi-Welle Vermëschungstheorie a paraxialen Ausbreedungsquatioune 【24,25】；an der Simulatioun, mir d'Parameteren entspriechend den experimentellen Bedéngungen benotzen an en Inputimpuls mat engem Gaussesche Profil am Raum an Zäit iwwerhuelen.D'Relatioun tëscht OPO Ausgangsspigel

Iwwerdroung, Pompelkraaftintensitéit, an Ausgangseffizienz gëtt optimiséiert andeems d'Pompestrahldensitéit an der Kavitéit manipuléiert gëtt fir méi héich Ausgangskraaft z'erreechen a gläichzäiteg Schied un den ZGP-Kristall an den opteschen Elementer ze vermeiden. W fir ZGP-OPO Operatioun.Simuléiert Resultater weisen datt wärend en optimalen Ausgangskoppler mat enger Iwwerdroung vu 50% benotzt gëtt, ass déi maximal Héichkraaftdicht nëmmen 2,6 x 10 W/cm2 am ZGP Kristall, an eng duerchschnëttlech Ausgangsleistung vu méi wéi 1,5 W kritt kënne.Dorënner 2 weist d'Relatioun tëscht der gemoossene Ausgangsleeschtung vun der Leedler op 6,45 um an der Zwëschenpompelkraaft.Et kann aus der Fig. D'Pumpe-Schwell entsprécht enger duerchschnëttlecher Pompelkraaft vun 3,55WA maximal Leerausgangsleistung vun 1,53 W gëtt bei enger Pompelkraaft vun ongeféier 18,7 W erreecht, wat entsprécht enger optesch-op-optesch Konversiounseffizienz of ongeféier 8,20%% an eng Quantekonversiounsqualitéit vun 25,31%.Fir laangfristeg Sécherheet gëtt de Laser bei bal 70% vu senger maximaler Ausgangskraaft bedriwwen. gewisen an Inset (a) an Fig. gëtt gemooss amplaz vun deem vum Leedler wéinst dem limitéierten Wellelängteberäich vum Spektrometer (APE, 1,5-6,3 um) deen an eisem Experiment benotzt gëtt. am Inset (b) vun der Fig. ）。 Eng typesch Oszilloskopwelleform gëtt an der Fig.3 gewisen a weist eng Pulsbreet vun ongeféier 42 ns.ass 41,18% méi schmuel fir de 6,45 um Leedler am Verglach zum 2,09 um Pompelimpuls wéinst dem temporäre Gewënnverengungseffekt vum netlineare Frequenzkonversiounsprozess. 6,45 um Leedler gëtt mat engem Laserstrahl gemooss

Analyser （Spiricon, M2-200-PIII） bei 1 W Ausgangsleistung, wéi an der Fig.4 gewisen. en Duerchschnëttsstrahlqualitéitsfaktor vu M2=1.19.Den Inskt vun der Fig. e proof-of-principe Experiment involving Laser Ablation of Porcine Gehir gëtt duerchgefouert.An f=50 Lens gëtt benotzt fir de 6,45 um Pulsstrahl op en Taille Radius vun ongeféier 0,75 mm ze fokusséieren. am Fokus vum Laserstrahl steet.D'Uewerflächentemperatur (T) vum biologesche Tissu als Funktioun vun der radialer Plaz r gëtt vun enger Thermokamera (FLIR A615) synchron während dem Ablatiounsprozess gemooss.D'Bestralungsdauer sinn 1 ,2,4,6,10，an 20 s bei enger Laserkraaft vun I W.Fir all Bestrahlungsdauer si sechs Probepositioune geblatt: r = 0,0.62,0.703,1.91,3.05, a 4.14 mm laanscht d'radial Richtung mat Respekt zum Mëttelpunkt vun der Bestrahlungspositioun, wéi an der Fig. 5. D'Plaze sinn déi gemoossene Temperaturdaten. bei der Ablatiounspositioun op den Tissue vergréissert mat der Erhéijung vun der Bestrahlungsdauer.Déi héchste Temperaturen T am Mëttelpunkt r=0 sinn 132.39,160.32,196.34，

205,57,206,95，an 226,05C fir Bestrahlungsdauer vun 1,2，4,6,10， respektiv 20 s.Fir de Kollateralschued ze analyséieren gëtt d'Temperaturverdeelung op der ablatéierter Tissuefläch simuléiert. d'Wärmeleitungstheorie fir biologescht Tissu126】 an d'Theorie vun der Laser Verbreedung am biologesche Tissu 【27】 kombinéiert mat den opteschen Parameteren vum Schweinegehir 1281.
D'Simulatioun gëtt mat der Viraussetzung vun engem Gaussian-Input-Beam gemaach.Well de biologesche Tissu, deen am Experiment benotzt gëtt, isoléiert Schweinegehirngewebe ass, gëtt den Afloss vu Blutt a Stoffwechsel op d'Temperatur ignoréiert, an de Schweinegehirngewebe gëtt vereinfacht an de Form vun engem Zylinder fir Simulatioun. D'Parameteren, déi an der Simulatioun benotzt ginn, sinn an der Tabell 1 zesummegefaasst. Déi zolidd Kéiren, déi an der Fig. Durations.They exhibit a gaussian temperature profile from the center to the periphery.Et ass evident aus Fig. Ofbau Positioun Erhéijunge wéi d'Bestrahlung Dauer fir all Bestrahlung Erhéijunge.Fréier Fuerschung huet gewisen, datt d'Zellen am Tissu sinn perfekt sécher bei Temperaturen ënnert.55C, dat heescht datt Zellen aktiv bleiwen an de grénge Zonen (T<55C) vun de Kéiren an der Fig.5. Déi giel Zone vun all Kéier (55C)60C). Et kann an der Fig. 10, an 20s, wärend déi simuléiert Ablatiounsradius beiT = 55C 0.805, 0.908, 1.037, 1.134, 1.271, respektiv 1.456 mm sinn. 2.394,3.098,3.604,4.509，an5.845 mm2 fir 1,2,4,6,10, respektiv 20s Bestrahlung.D'Gebitt mat Nieweschuedfläche gëtt als 0.003,0.0040.013,010,010,003,0.0040.013,. an 0,027 mm2.Et kann gesi ginn, datt d'Laser-Ablatiounszonen an d'Noutschuedzonen mat der Bestrahlungsdauer eropgoen.Mir definéieren d'Verhältnis vum Nieweschued fir d'Verhältnis vum Nieweschuedgebitt bei 55C s T60C.De Nieweschuedverhältnis gëtt fonnt. op 8,17%，8,18%，9,06%，12,11%，12,56%， an 13,94% fir verschidde Bestrahlungszäiten, wat bedeit datt de Collateral Schued vun den ofgebauten Tissue kleng ass.l Daten a Simulatiounsresultater weisen datt dëse kompakten, héich-Kraaft, ganz festen Zoustand 6,45 um ZGP-OPO Laser effektiv Ablatioun vu biologesche Tissue bitt. MIR pulsed 6,45 um Laser Quell baséiert op engem ns ZGP-OPO Approche.A maximal Moyenne Muecht vun 1,53 W gouf mat engem Peak Muecht vun 3,65 kW an engem Moyenne beam Qualitéit Faktor vun M2 = 1,19.Using dëser 6,45 um MIR Stralung,a Beweis-vun-Prinzipien Experiment op der Laser Ablation vun Otemschwieregkeeten war duerchgefouert. D'Temperatur Verdeelung op der ofgerappt Otemschwieregkeeten Uewerfläch war experimentell gemooss an theoretesch simuléiert. D'Mooss Donnéeën averstanen gutt mat de simuléiert Resultater. Desweideren, der collateral Schued war theoretesch analyséiert fir d'éischte Kéier.Dës Resultater verifizéieren datt eisen Tabletop MIR Pulslaser bei 6.45 um efficace Ofdreiwung vu biologesche Tissucs offréiert an e grousst Potenzial huet fir e praktescht Instrument an der medezinescher a biologescher Wëssenschaft ze sinn, well et e voluminöse FEL als Ersatz kéint ersetzen.engem Laser Skalpell.