Un laser à infrarossi medii (MIR) compactu è robustu à stati solidi à 6,45 um cù una putenza di output media alta è una qualità di fasciu quasi gaussiana hè dimustrata. Una putenza di output massima di 1,53 W cù una larghezza di impulsu di circa 42 ns à 10. kHz hè ottenutu utilizendu un oscillatore parametricu otticu ZnGeP2 (ZGP) （OPO）。Questa hè a più alta putenza media à 6.45 um di qualsiasi laser à stati solidi à u megliu di a nostra cunniscenza.U fattore di qualità di u fasciu mediu hè misuratu per esse M2 = 1.19.
Inoltre, l'alta stabilità di putenza di output hè cunfirmata, cù una fluttuazione di putenza di menu di 1,35% rms nantu à 2 h, è u laser pò funziunà in modu efficiente per più di 500 h in totale. Utilizendu stu impulsu di 6,45 um cum'è fonte di radiazione, ablazione di animali. U tessulu cerebrale hè testatu. Inoltre, l'effettu di dannu collaterale hè in teoria analizatu per a prima volta, à u megliu di a nostra cunniscenza, è i risultati indicanu chì stu laser MIR hà una capacità di ablazione eccellente, facendu un sustitutu potenziale per i laser elettroni gratuiti.©2022 Optica Publishing Group

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

A radiazione laser à infrarossi medii (MIR) 6.45 um hà applicazioni potenziali in campi di medicina d'alta precisione per via di i so vantaghji di una rata di ablazione sustanziale è danni collaterali minimi 【1】. Laser elettroni gratuiti (FELs), laser à vapore di stronzio, gas. I laser Raman, è i laser à stati solidi basati nantu à un oscillatore parametricu otticu (OPO) o generazione di freccia di differenza (DFG) sò comunmente usati fonti laser 6.45 um. Tuttavia, l'altu costu, a grandezza grande è a struttura cumplessa di FEL limitanu a so fonte. Applicazione. I laser à vapore di stronzio è i laser Raman à gas ponu uttene e bande di destinazione, ma i dui anu una stabilità scarsa, servuti brevi.
I studii anu dimustratu chì i laser à stati solidi 6,45 um producianu un intervallu d'età di danni termale più chjuca in i tessuti biologichi è chì a so prufundità di ablazione hè più prufonda di quelli di un FEL in e stesse cundizioni, chì hà verificatu chì ponu. esse usatu cum'è una alternativa efficace à i FEL per l'ablazione di tissuti biologichi 【2】.In più, i laser à u statu solidu anu i vantaghji di una struttura compatta, una bona stabilità, è

operazione di tavulinu, facendu li strumenti promettenti per ottene una fonte di luce a6.45μn.Comu hè ben cunnisciutu, i cristalli infrarossi non lineari ghjucanu un rolu impurtante in u prucessu di cunversione di frequenza utilizatu per ottene laser MIR d'altu rendiment. In cunfrontu à i cristalli infrarossi d'ossidu cù un tagliu di 4 um, i cristalli senza ossidu sò bè. adattu à generà laser MIR. Questi cristalli includenu a maiò parte di i calcogenuri, cum'è AgGaS2 （AGS）【3,41，LiInS2 （LIS）【5,61， LilnSe2 （LISe）【7】GS）【7】S）【7】S） 】，e BaGaSe（BGSe）【10-12】, è ancu i composti di fosforu CdSiP2（CSP）【13-16】e ZnGeP2 （ZGP）【17】 sò relativamente coefficienti dui non-efficaci. Per esempiu, a radiazione MIR pò esse ottenuta usendu CSP-OPOs. Tuttavia, a maiò parte di CSP-OPO operanu in una scala di tempu ultracorta (picco-è femtosecondu) è sò pompati in modu sincronu da circa 1 um laser bloccati in modalità. Sfortunatamente, questi OPO pompati sincronamente I sistemi SPOPO) anu una configurazione cumplessa è sò costosi. I so putenzi medii sò ancu più bassi di 100 mW à circa 6,45 um【13-16】. Paragunatu cù u cristallu CSP, ZGP hà un dannu laser più altu.shold（60 MW/cm2），una conduttività termica più alta (0,36 W/cm K）），è un coefficiente non lineare paragunabile (75pm/V）). Per quessa, ZGP hè un eccellente cristallu otticu non lineare MIR per alta putenza o alta putenza. Applicazioni energetiche 【18-221. Per esempiu, una cavità piatta ZGP-OPO cù una gamma di sintonizazione di 3,8-12,4 um pompata da un laser 2,93 um hè stata dimustrata. L'energia massima di impulsu unicu di a luce idler à 6,6 um hè stata dimustrata. 1,2 mJ 【201.Per a lunghezza d'onda specifica di 6,45 um, una energia massima di impulsu unicu di 5,67 mJ à una frequenza di ripetizione di 100 Hz hè stata ottenuta utilizendu una cavità OPO d'anellu non-planar basata nantu à un cristallo ZGP. frequenza di 200Hz, una putenza di output media di 0.95 W hè stata righjunta 【221.In quantu sapemu, questu hè a più alta putenza di output ottenuta à 6.45 um.Studi esistenti suggerenu chì una putenza mediu supiriuri hè necessariu per l'ablation tissue efficace 【23】.Therefore, u sviluppu di una surgente laser 6.45 um di alta putenza pratica seria di grande significatu in a prumuzione di a medicina biologica.In questa Lettera, rappurtamu un laser MIR 6.45 um à stati solidi simplici è compactu chì hà una putenza di output media elevata è hè basatu annantu à un ZGP-OPO pompatu da un nanosecondu (ns) -impulsu 2.09 um.

laser. A putenza massima di output media di u laser 6.45 um hè finu à 1.53 W cù una larghezza di impulsu di circa 42ns à una frequenza di ripetizione di 10 kHz, è hà una qualità di fasciu eccellente. L'effettu ablating di u laser 6.45 um nantu à i tessuti animali hè investigated.This travagliu mostra chì u laser hè un accostu efficaci per l'ablation tissuc attuale, cum'è agisce cum'è un scalpel laser.A configurazione sperimentale hè sketched in Fig.1. U ZGP-OPO hè pompatu da un laser LD-pumped 2.09 um Ho:YAG fattu in casa chì furnisce 28 W di putenza media à 10 kHz. cù una durata di impulsu di circa 102 ns（ FWHM）è un fattore di qualità di fasciu mediu M2 di circa 1.7.MI è M2 sò dui specchi 45 cù un revestimentu chì hè altamente riflettente à 2.09 um. Questi specchi permettenu u cuntrollu di direzzione di u fasciu di pompa. ,f2 = 100 mm) sò applicati per a collimazione di fasciu cù un diametru di fasciu di circa 3,5 mm in u cristallu ZGP. Un isolatore otticu (ISO) hè utilizatu per impedisce chì u fasciu di pompa torna à a fonte di pompa 2,09 um. （HWP）à 2.09 um hè utilizatu per cuntrullà a polarizazione di a luce di a pompa. M3 è M4 sò specchi di cavità OPO, cù CaF2 flat utilizatu cum'è materiale di sustrato. U specchiu frontale M3 hè rivestitu antiriflessu (98%) per a pompa. fasciu è rivestimentu di alta riflessione (98%) per l'onda di 6,45 um idler è 3,09 um di signal.um è 3.09 um è permette a trasmissione parziale di u 6.45 um idler.U cristallu ZGP hè tagliatu à 6-77.6 ° andp = 45 ° per a corrispondenza di fasi di tipu JⅡ 【2090.0 （o）6450.0 （o）+3091.9 （e）】， chì hè più adattatu per una freccia parametrica d'ondulazione specifica è più adatta per una freccia d'onda precisa. L'ampiezza di a linea cumparata cù a corrispondenza di fasi di tipu I. E dimensioni di u cristallu ZGP sò 5 mm x 6 mm x 25 mm, è hè lucidatu è rivestiti antiriflessu nantu à e duie facce finali per e trè onde sopra. fissatu in un dissipatore di calore di rame cù rinfrescante d'acqua (T = 16) 。A durata di a cavità hè 27 mm. U tempu di andata e ritorno di l'OPO hè 0,537 ns per u laser di pompa. Avemu pruvatu u limitu di danni di u cristallu ZGP da u R. U metudu -on-I 【17】.U sogliu di dannu di u cristallu ZGP hè statu misuratu per esse 0,11 J/cm2 à 10 kHz.In l'esperimentu, currispundenu à una densità di potenza massima di 1,4 MW/cm2, chì hè bassa per via di u una qualità di rivestimentu relativamente scarsa.A putenza di uscita di a luce idler generata hè misurata da un metru d'energia （D, OPHIR，1 uW à 3 W），e a lunghezza d'onda di a luce di signale hè monitorata da un spettrometru (APE（APE，1,5-6,3 m）). ottene una alta putenza di output di 6,45 um, ottimizemu u disignu di i paràmetri di l'OPO. Una simulazione numerica hè realizata basatu nantu à a teoria di a mistura di trè onde è e cquazioni di propagazione parassiale 【24,25】；in a simulazione, avemu impiegà i paràmetri chì currispondenu à e cundizioni sperimentali è assume un impulsu di input cù un prufilu gaussianu in u spaziu è u tempu. A relazione trà u specchiu di output OPO

a trasmittanza, l'intensità di a putenza di a pompa, è l'efficienza di output hè ottimizatu manipulendu a densità di fasciu di pompa in a cavità per ottene una putenza di output più altu mentre evitendu simultaneamente danni à u cristallu ZGP è l'elementi ottici. W per l'operazione ZGP-OPO. I risultati simulati mostranu chì mentre hè utilizzatu un accoppiatore di output ottimale cù una trasmittanza di 50%, a densità massima di putenza massima hè solu 2,6 x 10 W / cm2 in u cristallu ZGP, è una putenza di output media. di più di 1,5 W pò esse acquistatu.Figura 2 mostra a relazione trà a putenza di output misurata di l'idler à 6,45 um è a putenza di a pompa incidente.Si pò vede da Fig.2 chì a putenza di output di l'idler aumenta monotonamente cù u A putenza di a pompa incidente. U sogliu di a pompa currisponde à una putenza media di a pompa di 3,55 WA a putenza massima di output idler di 1,53 W hè ottenuta à una putenza di pompa di circa 18,7 W, chì currisponde à una efficienza di cunversione otticu-à-otticu of apprussimatamente 8.20%% è una cunversione quantistica cfficienza di 25.31%. Per a sicurità à longu andà, u laser hè operatu vicinu à u 70% di a so putenza massima di uscita. A stabilità di u putere hè misurata à una putenza di output di IW, cum'è mostratu in inset （a）in Fig.2.Si trova chì a fluttuazione di putenza misurata hè menu di 1.35% rms in 2 h, è chì u laser pò operatu efficacemente per più di 500 h in totale. A lunghezza d'onda di l'onda di signale. hè misurata invece di quella di l'idler per via di a gamma di lunghezza d'onda limitata di u spettrometru (APE, 1.5-6.3 um) utilizatu in u nostru esperimentu. A lunghezza d'onda di u signale misurata hè centrata à 3.09 um è a larghezza di a linea hè di circa 0.3 nm, cum'è mostratu. in inset (b) di Fig.2. A lunghezza d'onda cintrali di u frenu hè allora dedotta per esse 6.45um. A larghezza di l'impulsu di u folle hè rilevata da un fotodetettore (Thorlabs, PDAVJ10) è registratu da un oscilloscopiu digitale (Tcktronix, 2GHz). ）。Una forma d'onda tipica di l'oscilloscopiu hè mostrata in Fig.3 è mostra una larghezza di l'impulsu di circa 42 ns. A larghezza di l'impulsuhè 41.18% più strettu per l'idler 6.45 um paragunatu à l'impulsu di pompa di 2.09 um per via di l'effettu di ristrizzione di u guadagnu tempurale di u prucessu di cunversione di frequenza non lineare. In u risultatu, a putenza di punta di impulsu idler currispondente hè 3.56kW. 6.45 um idler hè misurata cù un fasciu laser

analizzatore （Spiricon, M2-200-PIII） à 1 W di putenza di output, cum'è mostra in Fig.4. I valori misurati di M2 è M，2 sò 1.32 è 1.06 longu l'assi x è l'assi y, rispettivamente, currispundenu à un fattore di qualità di fasciu mediu di M2 = 1.19. L'insc di Fig.4 mostra u prufilu di intensità di fasciu bidimensionale (2D), chì hà un modu spaziale vicinu à Gaussian. Un esperimentu di prova di principiu chì implica l'ablazione laser di u cervellu porcinu hè realizatu. Una lente f = 50 hè impiegata per fucalizza u fasciu di impulsu di 6,45 um à un raghju di cintura di circa 0,75 mm. A temperatura di a superficia （T） di u tessulu biologicu in funzione di u locu radiale r hè misurata da una termocamera（FLIR A615） in modu sincronu durante u prucessu di ablazione. A durata di l'irradiazione hè 1. ,2,4,6,10，e 20 s à una putenza laser di I W. Per ogni durata di irradiazione, sei pusizioni di mostra sò blated: r = 0,0.62,0.703,1.91,3.05，e 4.14 mm longu a direzzione radiale rispettu à u puntu centru di a pusizione di irradiazione, cum'è mostra in Fig.5.I quadrati sò i dati di a temperatura misurata. Si trova in Fig.5 chì a temperatura di a superficia. à a pusizione di ablazione nantu à u tissutu aumenta cù a durazione di l'irradiazione.

205.57,206.95，è 226.05C per durazioni di irradiazione di 1,2，4,6,10，e 20 s, rispettivamente. Per analizà i danni collaterali, a distribuzione di temperatura nantu à a superficia di u tissutu ablated hè simulata. Questu hè realizatu secondu a teoria di a cunduzzione termale per u tissue biologicu126】è a teoria di a propagazione laser in u tissue biologicu 【27】cumbinata cù i paràmetri ottici di u cervellu porcinu 1281.
A simulazione hè realizata cù l'assunzione di un fasciu gaussianu di input. Siccomu u tessulu biologicu utilizatu in l'esperimentu hè u tessulu cerebrale porcinu isolatu, l'influenza di u sangue è u metabolismu nantu à a temperatura hè ignorata, è u tessulu cerebrale porcinu hè simplificatu in u forma di un cilindru per a simulazione. I paràmetri utilizati in a simulazione sò riassunti in a Tabella 1. I curve solidi mostrati in Fig.5 sò i distribuzioni di temperatura radiali simulate in quantu à u centru di ablation nantu à a superficia di tissutu per i sei irradiazioni diffirenti. durations.They exhib un prufilu di temperatura Gaussian da u centru à u periphery.It hè evidenti da Fig.5 chì i dati spirimintali agrce bè cù i risultati simulated.It hè dinù apparenti da Fig.5 chì a temperatura simulata à u centru di u A pusizione di ablation aumenta cum'è a durata di l'irradiazione aumenta per ogni irradiazione. A ricerca precedente hà dimustratu chì e cellule in u tissutu sò perfettamente sicuru à a temperatura sottu.55C, chì significa chì e cellule restanu attive in i zoni verdi （T <55C）di e curve in Fig.5. A zona gialla di ogni curva（55C60C）。Si pò esse osservatu in Fig.5 chì i raghji di ablazione simulati à T = 60 °Care0.774,0.873,0.993,1.071,1.198 è 1.364 mm, rispettivamente, per durazioni di irradiazione di 1,2,4，6, 10，e 20s, mentri i raghji di ablazione simulati atT = 55C sò 0.805,0.908,1.037,1.134,1.271，e 1.456 mm, rispettivamente. Dopu analizà quantitativamente l'effettu di ablazione, l'arca cù cellule morte si trova 1.882. 2.394,3.098,3.604,4.509，è 5.845 mm2 per 1,2,4,6,10，e 20s di irradiazione, rispettivamente. L'area cù l'area di danni collaterali si trova à 0.003,0.0040.0040.006,0.0173,0.017,0.0. è 0.027 mm2.Si pò vede chì i zoni di ablazione laser è i zoni di danni collaterali crescenu cù a durazione di l'irradiazione. Definimu u rapportu di danni collaterali per esse u rapportu di l'area di danni collaterali à 55C s T60C. U rapportu di danni collaterali hè truvatu. per esse 8.17%，8.18%，9.06%，12.11%，12.56%， è 13.94% per diversi tempi di irradiazione, chì significa chì u dannu collaterale di i tessuti ablati hè chjucu.I dati è i risultati di simulazione mostranu chì stu laser compactu, d'alta putenza, in tuttu u statu solidu 6.45 um ZGP-OPO furnisce l'ablazione efficace di tissuti biologichi. MIR pulsed 6.45 um sorgente laser basatu annantu à un approcciu ns ZGP-OPO. Una putenza media massima di 1.53 W hè stata ottenuta cù una putenza di punta di 3.65kW è un fattore di qualità di fasciu mediu di M2 = 1.19.Using this 6.45 um MIR radiation,a esperimentu di prova di principiu nantu à l'ablation laser di tissutu hè statu realizatu. A distribuzione di temperatura nantu à a superficia di tissutu ablated hè stata misurata sperimentalmente è teoricamente simu-lated.I dati misurati accunsenu bè cù i risultati simulati. per a prima volta. Questi risultati verificanu chì u nostru laser à impulsi MIR da tavola à 6.45 um offre un'ablazione efficace di tissuti biologichi è hà un grande potenziale per esse un strumentu praticu in a scienza medica è biologica, postu chì puderia rimpiazzà un FEL voluminosu cum'èun scalpel laser.