Është demonstruar një lazer kompakt dhe i fortë me infra të kuqe të mesme (MIR) në gjendje të ngurtë në 6,45 um me fuqi mesatare të lartë dalëse dhe cilësi afërsisht të rrezes Gaussian. Një fuqi dalëse maksimale prej 1,53 W me një gjerësi impulsi prej përafërsisht 42 ns në 10 kHz arrihet duke përdorur një oshilator parametrik optik ZnGeP2 (ZGP) (OPO). Kjo është fuqia mesatare më e lartë në 6,45 um e çdo lazeri në gjendje të ngurtë sipas njohurive tona.Faktori mesatar i cilësisë së traut matet të jetë M2=1.19.
Për më tepër, konfirmohet stabiliteti i lartë i fuqisë dalëse, me një luhatje të fuqisë më pak se 1.35%rms gjatë 2 orëve, dhe lazeri mund të funksionojë në mënyrë efikase për më shumë se 500 orë në total. Duke përdorur këtë puls 6.45 um si një burim rrezatimi, ablacioni i kafshëve indet e trurit janë testuar. Për më tepër, efekti i dëmtimit kolateral është analizuar teorikisht për herë të parë, sipas njohurive tona më të mira, dhe rezultatet tregojnë se ky lazer MIR ka aftësi të shkëlqyeshme ablation, duke e bërë atë një zëvendësim të mundshëm për lazerët me elektron të lirë.©2022 Optica Publishing Group

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

Rrezatimi lazer me infra të kuqe të mesme (MIR) 6,45 um ka aplikime të mundshme në fushat e mjekësisë me precizion të lartë për shkak të avantazheve të tij të një shkalle të konsiderueshme ablation dhe dëmtimit minimal kolateral 【1】. Lazerët elektron falas (FELs), lazerët, avujt e stronciumit Lazerët Raman, dhe lazerët e gjendjes së ngurtë të bazuar në një oshilator optik parametrik (OPO) ose gjenerim të frekuencës së diferencës (DFG) përdoren zakonisht burime lazeri 6,45 um. Megjithatë, kostoja e lartë, madhësia e madhe dhe struktura komplekse e FEL-ve i kufizojnë ato. aplikimi. Lazerët e avullit të stronciumit dhe lazerët Raman me gaz mund të marrin brezat e synuar, por të dyja kanë stabilitet të dobët, servis të shkurtër
vesi jeton dhe kërkon mirëmbajtje komplekse. Studimet treguan se lazerët e gjendjes së ngurtë 6,45 um prodhojnë një gamë më të vogël dëmtimi termik në indet biologjike dhe se thellësia e tyre e ablacionit është më e thellë se ajo e një FEL në të njëjtat kushte, gjë që vërtetoi se ata mund të të përdoret si një alternativë efektive ndaj FEL-ve për ablacionin biologjik të indeve 【2】. Përveç kësaj, lazerët në gjendje të ngurtë kanë avantazhet e një strukture kompakte, stabilitet të mirë dhe

funksionimin në tavolinë, duke i bërë ato mjete premtuese për marrjen e një burimi drite a6.45μn.Siç dihet, kristalet infra të kuqe jolineare luajnë një rol të rëndësishëm në procesin e konvertimit të frekuencës që përdoret për arritjen e lazerëve MIR me performancë të lartë. Krahasuar me kristalet okside infra të kuqe me një skaj të prerë 4 um, kristalet jookside janë të mira. të përshtatshme për gjenerimin e lazerëve MIR. Këto kristale përfshijnë shumicën e kalkogjenideve, të tilla si AgGaS2 (AGS）【3,41，LiInS2 （LIS）【5,61， LilnSe2 （LISe，BaGa9,9 】，dhe BaGaSe（BGSe）【10-12】), si dhe komponimet e fosforit CdSiP2 (CSP) 【13-16】 dhe ZnGeP2 (ZGP) që të dyja kanë jo-efektive shumë më shumë 【17. Për shembull, rrezatimi MIR mund të merret duke përdorur CSP-OPO. Megjithatë, shumica e CSP-OPO-ve funksionojnë në një shkallë kohore ultra të shkurtër (pico-dhe femtosecond) dhe pompohen në mënyrë sinkronike nga lazerët e kyçur në modalitet afërsisht 1 um. Fatkeqësisht, këto OPO të pompuara në mënyrë sinkrone（ Sistemet SPOPO kanë një konfigurim kompleks dhe janë të kushtueshëm. Fuqitë e tyre mesatare janë gjithashtu më të ulëta se 100 mW në rreth 6,45 um【13-16】. Krahasuar me kristalin CSP, ZGP ka një dëmtim më të lartë lazer.të ketë (60 MW/cm2), një përçueshmëri më të lartë termike (0,36 W/cm K) dhe një koeficient jolinear të krahasueshëm (75pm/V). Prandaj, ZGP është një kristal optik jolinear i shkëlqyer MIR për fuqi të lartë ose të lartë. aplikimet energjetike 【18-221. Për shembull, u demonstrua një zgavër e sheshtë ZGP-OPO me një gamë akordimi prej 3,8-12,4 um, e pompuar nga një lazer 2,93 um. Energjia maksimale me një impuls të vetëm të dritës përtaci në 6,6 um ishte 1,2 mJ 【201. Për gjatësinë e valës specifike prej 6,45 um, një energji maksimale me një impuls të vetëm prej 5,67 mJ me një frekuencë përsëritjeje prej 100 Hz u arrit duke përdorur një zgavër OPO unaze jo planare të bazuar në një kristal ZGP. Me një përsëritje frekuenca prej 200 Hz, u arrit një fuqi mesatare dalëse prej 0,95 W 【221. Me sa jemi në dijeni, kjo është fuqia më e lartë e daljes e arritur në 6,45 um.Studimet ekzistuese sugjerojnë se një fuqi mesatare më e lartë është e nevojshme për heqjen efektive të indeve 【23】. Prandaj, zhvillimi i një burimi praktik lazer me fuqi të lartë 6,45 um do të kishte një rëndësi të madhe në promovimin e mjekësisë biologjike.Në këtë Letër, ne raportojmë një lazer MIR 6,45 um të thjeshtë dhe kompakt në gjendje të ngurtë, i cili ka një fuqi mesatare dalëse të lartë dhe bazohet në një ZGP-OPO të pompuar nga një puls nanosekonda (ns) 2,09 um.

lazeri. Fuqia mesatare maksimale e daljes së lazerit 6,45 um është deri në 1,53 W me një gjerësi impulsi prej përafërsisht 42 ns në një frekuencë përsëritjeje prej 10 kHz, dhe ka cilësi të shkëlqyer të rrezes. Efekti ablues i lazerit 6,45 um në indet e kafshëve është hetuar. Kjo punë tregon se lazeri është një qasje efektive për ablacionin aktual të indit, pasi vepron si një bisturi lazer.Konfigurimi eksperimental është skicuar në Fig.1. ZGP-OPO pompohet nga një lazer i prodhuar në shtëpi me pompë LD 2,09 um Ho:YAG që jep 28 W fuqi mesatare në 10 kHz. me një kohëzgjatje impulsi prej afërsisht 102 ns ( FWHM) dhe një faktor mesatar i cilësisë së rrezes M2 prej përafërsisht 1.7.MI dhe M2 janë dy pasqyra 45 me një shtresë që është shumë reflektuese në 2.09 um. Këto pasqyra mundësojnë kontrollin e drejtimit të rrezes së pompës. Dy lente fokusimi (f1 =100 mm ,f2=100 mm) aplikohen për kolimacionin e rrezes me një diametër rreze prej rreth 3,5 mm në kristalin ZGP. Një izolues optik (ISO) përdoret për të parandaluar kthimin e rrezes së pompës në burimin e pompës 2,09 um. Një pllakë gjysmë valë (HWP) në 2,09 um përdoret për të kontrolluar polarizimin e dritës së pompës. M3 dhe M4 janë pasqyra të zgavrës OPO, me CaF2 të sheshtë që përdoret si material nënshtrese. Pasqyra e përparme M3 është e veshur kundër reflektimit (98%) për pompën rreze dhe e veshur me reflektim të lartë (98%) për valët e sinjalit 6,45 um dhe 3,09 um. Pasqyra dalëse M4 është shumë reflektuese (98%) në 2,09um dhe 3,09 um dhe lejon transmetimin e pjesshëm të boshtit 6,45 um.Kristali ZGP pritet në 6-77,6°dhep=45° për përputhjen e fazës së tipit JⅡ 【2090.0 (o)6450.0 (o)+3091.9 (e)】), që është më i përshtatshëm për një gjatësi vale më të lehtë dhe më të lehtë gjerësia e linjës krahasuar me përputhjen e fazës së tipit I. Dimensionet e kristalit ZGP janë 5mm x 6 mm x 25 mm, dhe është i lëmuar dhe i veshur kundër reflektimit në të dy aspektet fundore për tre valët e mësipërme. Është i mbështjellë me letër indiumi dhe fiksuar në një lavaman bakri me ftohje uji (T=16). Gjatësia e zgavrës është 27 mm. Koha vajtje-ardhje e OPO është 0,537 ns për lazerin e pompës. Ne testuam pragun e dëmtimit të kristalit ZGP nga R Metoda -on-I 【17】. Pragu i dëmtimit të kristalit ZGP u mat në 0,11 J/cm2 në 10 kHz. në eksperiment, që korrespondon me një densitet maksimal të fuqisë prej 1,4 MW/cm2, i cili është i ulët për shkak të cilësi relativisht e dobët e veshjes.Fuqia dalëse e dritës së papunë të gjeneruar matet me një matës energjie (D,OPHIR), 1 uW deri në 3 W) dhe gjatësia e valës së dritës së sinjalit monitorohet nga një spektrometër (APE), 1,5-6,3 m). marrim një fuqi të lartë dalëse prej 6,45 um, ne optimizojmë dizajnin e parametrave të OPO. Një simulim numerik kryhet bazuar në teorinë e përzierjes me tre valë dhe kuacionet e përhapjes paraksiale 【24,25】；në simulim, ne përdorni parametrat që korrespondojnë me kushtet eksperimentale dhe supozoni një impuls hyrës me një profil Gaussian në hapësirë ​​dhe kohë. Marrëdhënia midis pasqyrës së daljes OPO

transmetimi, intensiteti i fuqisë së pompës dhe efikasiteti i daljes janë optimizuar duke manipuluar densitetin e rrezes së pompës në zgavër për të arritur fuqi më të lartë dalëse duke shmangur njëkohësisht dëmtimin e kristalit ZGP dhe elementëve optikë. Kështu, fuqia më e lartë e pompës është e kufizuar të jetë rreth 20 W për funksionimin ZGP-OPO. Rezultatet e simuluara tregojnë se ndërsa përdoret një bashkues i daljes optimale me një transmetim prej 50%, densiteti maksimal i fuqisë është vetëm 2,6 x 10 W/cm2 në kristalin ZGP, dhe një fuqi mesatare dalëse mund të merret më shumë se 1,5 W. Figura 2 tregon marrëdhënien midis fuqisë së matur të daljes së boshtit në 6,45 um dhe fuqisë së pompës së incidentit. Nga Fig. 2 mund të shihet se fuqia dalëse e boshtit rritet në mënyrë monotone me Fuqia e pompës aksidentale. Pragu i pompës korrespondon me një fuqi mesatare të pompës prej 3,55 WA, fuqia maksimale e daljes së papunë prej 1,53 W arrihet me një fuqi pompë prej afërsisht 18,7 W, që korrespondon me një efikasitet të konvertimit optik në optik of afërsisht 8,20%% dhe një mundësi konvertimi kuantik prej 25,31%. Për sigurinë afatgjatë, lazeri operohet në afërsisht 70% të fuqisë së tij maksimale dalëse. Stabiliteti i energjisë matet me një fuqi dalëse prej IW, si tregohet në hyrje (a) në Fig.2. Është gjetur se luhatja e matur e fuqisë është më pak se 1.35%rms në 2 orë, dhe se lazeri mund të funksionojë në mënyrë efikase për më shumë se 500 orë në total. Gjatësia valore e valës së sinjalit matet në vend të atij të boshtit për shkak të diapazonit të kufizuar të gjatësisë valore të spektrometrit (APE, 1,5-6,3 um), i përdorur në eksperimentin tonë. Gjatësia e valës së matur të sinjalit është e përqendruar në 3,09 um dhe gjerësia e linjës është afërsisht 0,3 nm, siç tregohet në futjen (b) të Fig.2. Gjatësia e valës qendrore të boshtit konkludohet më pas të jetë 6.45um. Gjerësia e pulsit të boshtit zbulohet nga një fotodetektor (Thorlabs, PDAVJ10) dhe regjistrohet nga një oshiloskop dixhital (Tcktronixz) ）。Një formë vale tipike oshiloskopi është paraqitur në Fig.3 dhe shfaq një gjerësi pulsi prej përafërsisht 42 ns. Gjerësia e pulsitështë 41,18% më i ngushtë për pulsin boshe 6,45 um krahasuar me pulsin e pompës 2,09 um për shkak të efektit të ngushtimit të përkohshëm të fitimit të procesit të konvertimit jolinear të frekuencës. Si rezultat, fuqia korresponduese maksimale e pulsit boshe është 3,56 kW. Faktori i cilësisë së rrezes së 6,45 um përtaci matet me rreze lazer

analizatori (Spiricon,M2-200-PIII) në 1 W të fuqisë dalëse, siç tregohet në Fig.4. Vlerat e matura të M2 dhe M，2 janë 1.32 dhe 1.06 përgjatë boshtit x dhe boshtit y, përkatësisht, që korrespondojnë me një faktor mesatar i cilësisë së rrezes prej M2=1.19. Inskti i Fig.4 tregon profilin e intensitetit të rrezes dydimensionale (2D), i cili ka një modalitet hapësinor afër Gaussian. Për të verifikuar që pulsi 6.45 um siguron ablacionin efektiv, është kryer një eksperiment i provës së parimit që përfshin heqjen me lazer të trurit të derrit. Një lente f=50 përdoret për të fokusuar rrezen e pulsit 6,45 um në një rreze beli prej rreth 0,75 mm. Pozicioni që do të hiqet në indin e trurit të derrit vendoset në fokusin e rrezes lazer. Temperatura e sipërfaqes (T) e indit biologjik në funksion të vendndodhjes radiale r matet nga një termokamerë (FLIR A615) në mënyrë sinkrone gjatë procesit të ablacionit. Kohëzgjatja e rrezatimit është 1 ,2,4,6,10, dhe 20 s me një fuqi lazeri prej I W. Për çdo kohëzgjatje rrezatimi, gjashtë pozicione të mostrës janë rrahur:r=0,0.62,0.703,1.91,3.05，dhe 4.14 mm përgjatë drejtimit radial në lidhje me pikën qendrore të pozicionit të rrezatimit, siç tregohet në Fig.5. Katroret janë të dhënat e matura të temperaturës. Në Fig.5 është gjetur se temperatura e sipërfaqes në pozicionin e ablacionit në ind rritet me rritjen e kohëzgjatjes së rrezatimit. Temperaturat më të larta T në pikën qendrore r=0 janë 132.39,160.32,196.34.

205.57,206.95 dhe 226.05 C për kohëzgjatje rrezatimi përkatësisht 1,2, 4,6,10 dhe 20 s. Për të analizuar dëmtimin kolateral, simulohet shpërndarja e temperaturës në sipërfaqen e indit të abluar. Kjo kryhet sipas teoria e përcjelljes termike për indet biologjike126】dhe teoria e përhapjes me lazer në indet biologjike【27】kombinuar me parametrat optikë të trurit të derrit 1281.
Simulimi kryhet me supozimin e një rreze Gaussian hyrëse. Meqenëse indi biologjik i përdorur në eksperiment është ind i izoluar i trurit të derrit, ndikimi i gjakut dhe metabolizmit në temperaturë injorohet dhe indi i trurit të derrit thjeshtohet në forma e një cilindri për simulim. Parametrat e përdorur në simulim janë përmbledhur në tabelën 1. Lakoret e ngurta të paraqitura në Fig.5 janë shpërndarjet e temperaturës radiale të simuluara në lidhje me qendrën e ablacionit në sipërfaqen e indeve për gjashtë rrezatime të ndryshme kohëzgjatjet. Ata shfaqin një profil të temperaturës Gaussian nga qendra në periferi. Është e qartë nga Fig. 5 se të dhënat eksperimentale përputhen mirë me rezultatet e simuluara. Është gjithashtu e dukshme nga Fig. 5 se temperatura e simuluar në qendër të pozicioni i ablacionit rritet ndërsa kohëzgjatja e rrezatimit rritet për çdo rrezatim. Hulumtimet e mëparshme kanë treguar se qelizat në inde janë krejtësisht të sigurta në temperaturat më poshtë55C, që do të thotë se qelizat mbeten aktive në zonat e gjelbra (T<55C) të kthesave në Fig.5. Zona e verdhë e secilës kurbë (55C)60C）. Mund të vërehet në Fig.5 se rrezet e simuluara të ablacionit në T=60°Care0.774,0.873,0.993,1.071,1.198 dhe 1.364 mm, përkatësisht, për kohëzgjatjet e rrezatimit prej 1,6,4， 10, dhe 20s, ndërsa rrezet e simuluara të ablacionit në T=55C janë përkatësisht 0.805, 0.908, 1.037, 1.134, 1.271 dhe 1.456 mm. Pas analizimit sasior të efektit të ablacionit, arka është gjetur 8 me 1 qeliza të vdekura. 2,394,3,098,3,604,4,509, dhe 5,845 mm2 për rrezatim 1,2,4,6,10 dhe 20 sekonda respektivisht. Sipërfaqja me sipërfaqe dëmi kolateral është gjetur të jetë 0,003,0,0040.0106,00. dhe 0,027 mm2. Mund të shihet se zonat e ablacionit me lazer dhe zonat e dëmtimit kolateral rriten me kohëzgjatjen e rrezatimit. Ne përcaktojmë raportin e dëmit kolateral të jetë raporti i zonës së dëmit kolateral në 55C s T60C. të jetë 8,17%, 8,18%, 9,06%, 12,11%, 12,56% dhe 13,94% për kohë të ndryshme rrezatimi, që do të thotë se dëmtimi anësor i indeve të abluara është i vogël. Prandaj, eksperimente gjithëpërfshirëseTë dhënat l dhe rezultatet e simulimit tregojnë se ky lazer kompakt, me fuqi të lartë, në gjendje të ngurtë 6,45 um ZGP-OPO ofron ablacionin efektiv të indeve biologjike. Si përfundim, ne kemi demonstruar një gjendje kompakte, me fuqi të lartë, tërësisht të ngurtë. Burimi lazer me pulsim MIR 6,45 um bazuar në një qasje ns ZGP-OPO. Është marrë një fuqi mesatare maksimale prej 1,53 W me një fuqi maksimale prej 3,65 kW dhe një faktor mesatar të cilësisë së rrezes M2=1,19. Duke përdorur këtë rrezatim MIR 6,45 um, a U krye eksperiment i provës së parimit mbi heqjen me lazer të indit. Shpërndarja e temperaturës në sipërfaqen e indit të abluar u mat eksperimentalisht dhe u imitua teorikisht. Të dhënat e matura përputheshin mirë me rezultatet e simuluara. Për më tepër, dëmi kolateral u analizua teorikisht për herë të parë. Këto rezultate verifikojnë që lazeri ynë i pulsit MIR në tavolinë në 6,45 um ofron ablatim efektiv të indeve biologjike dhe ka potencial të madh për të qenë një mjet praktik në shkencën mjekësore dhe biologjike, pasi mund të zëvendësojë një FEL të rëndë sinjë bisturi lazer.