Một laser （MIR） trung hồng ngoại toàn trạng thái rắn nhỏ gọn và mạnh mẽ ở 6,45 um với công suất đầu ra trung bình cao và chất lượng chùm tia Gaussian gần được chứng minh. Công suất đầu ra tối đa 1,53 W với độ rộng xung xấp xỉ 42 ns ở 10 kHz đạt được khi sử dụng bộ dao động tham số quang học ZnGeP2 （ZGP （OPO） 。Đây là công suất trung bình cao nhất ở 6,45 um của bất kỳ loại laser toàn thể rắn nào theo hiểu biết của chúng tôi.Hệ số chất lượng chùm tia trung bình được đo là M2 = 1,19.
Hơn nữa, độ ổn định công suất đầu ra cao được xác nhận, với dao động công suất dưới 1,35% rms trong hơn 2 giờ và tia laser có thể chạy hiệu quả trong hơn 500 giờ tổng cộng. Sử dụng xung 6,45 um này làm nguồn bức xạ, cắt bỏ động vật Hơn nữa, hiệu ứng tổn thương thế chấp được phân tích về mặt lý thuyết lần đầu tiên theo hiểu biết tốt nhất của chúng tôi và kết quả chỉ ra rằng tia laser MIR này có khả năng cắt bỏ tuyệt vời, làm cho nó trở thành một sự thay thế tiềm năng cho các tia laser điện tử tự do.© 2022 Optica Publishing Group

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

Bức xạ laser trung hồng ngoại （MIR） 6.45 um có tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực y học chính xác cao do ưu điểm của nó là tốc độ cắt bỏ đáng kể và thiệt hại tối thiểu 【1】. Laser điện tử miễn phí, laser hơi FELs） ， stronti, khí Laser Raman và laser trạng thái rắn dựa trên bộ dao động tham số quang học （OPO） hoặc tạo tần số chênh lệch （DFG） thường được sử dụng các nguồn laser 6,45 um. Tuy nhiên, chi phí cao, kích thước lớn và cấu trúc phức tạp của FELs hạn chế chúng Ứng dụng. laze hơi Stronti và laze Raman khí có thể thu được các dải mục tiêu, nhưng cả hai đều có độ ổn định kém, ser-
Các nghiên cứu cho thấy rằng các tia laser thể rắn 6,45 um tạo ra phạm vi tuổi đập nhiệt nhỏ hơn trong các mô sinh học và độ sâu cắt đốt của chúng sâu hơn so với FEL trong cùng điều kiện, điều này đã xác minh rằng chúng có thể được sử dụng như một giải pháp thay thế hiệu quả cho FELs để cắt bỏ mô sinh học 【2】. Ngoài ra, laser thể rắn có ưu điểm là cấu trúc nhỏ gọn, độ ổn định tốt và

hoạt động trên mặt bàn, khiến chúng trở thành công cụ đầy hứa hẹn để thu được nguồn sáng a6.45μn.Như đã biết, tinh thể hồng ngoại phi tuyến đóng một vai trò quan trọng trong quá trình chuyển đổi tần số được sử dụng để đạt được laser MIR hiệu suất cao. Thích hợp để tạo ra các tia laser MIR. Các tinh thể này bao gồm hầu hết các chalcogenide, chẳng hạn như AgGaS2 （AGS） 【3,41 ， LiInS2 （LIS） 【5,61 ， LilnSe2 （LISe） 【7】 ， BaGaS （BGS） 【8,9 】 ， Và BaGaSe （BGSe） 【10-12】 ， cũng như các hợp chất phốt pho CdSiP2 （CSP） 【13-16】 và ZnGeP2 （ZGP） 【17】 ； cả hai đều có hệ số phi tuyến tương đối lớn. Ví dụ, bức xạ MIR có thể thu được bằng cách sử dụng CSP-OPO. Tuy nhiên, hầu hết các CSP-OPO hoạt động trên thang đo thời gian siêu ngắn （pico và femtosec giây và được bơm đồng bộ bởi các tia laser khóa chế độ khoảng 1 um. Hệ thống SPOPO） có thiết lập phức tạp và tốn kém, công suất trung bình của chúng cũng thấp hơn 100 mW vào khoảng 6,45 um 【13-16】. So sánh với tinh thể CSP, ZGP có mức sát thương laser cao hơnshold （60 MW / cm2） ， độ dẫn nhiệt cao hơn （0,36 W / cm K） ， và hệ số phi tuyến tương đương （75 pm/V）。 Do đó, ZGP là một tinh thể quang phi tuyến MIR tuyệt vời cho công suất cao hoặc cao ứng dụng năng lượng 【18-221. Ví dụ, một hốc phẳng ZGP-OPO với dải điều chỉnh 3,8-12,4 um được bơm bằng tia laser 2,93 um đã được chứng minh. Năng lượng xung đơn tối đa của đèn chạy không tải ở 6,6 um là 1,2 mJ 【201. Đối với bước sóng cụ thể là 6,45 um, năng lượng xung đơn cực đại là 5,67 mJ ở tần số lặp lại 100 Hz đã đạt được bằng cách sử dụng khoang OPO vòng không phẳng dựa trên tinh thể ZGP. tần số 200Hz, công suất đầu ra trung bình 0,95 W đã đạt đến 【221. Theo như chúng tôi được biết, đây là công suất đầu ra cao nhất đạt được ở mức 6,45 um.Các nghiên cứu hiện tại cho thấy rằng công suất trung bình cao hơn là cần thiết để cắt bỏ mô hiệu quả.Trong Thư này, chúng tôi báo cáo một loại laser MIR 6,45 um trạng thái rắn đơn giản, nhỏ gọn có công suất đầu ra trung bình cao và dựa trên ZGP-OPO được bơm bởi một nano giây （ns） -pulse 2,09 um

Công suất đầu ra trung bình tối đa của laser 6,45 um lên đến 1,53 W với độ rộng xung xấp xỉ 42ns ở tần số lặp lại 10 kHz và nó có chất lượng chùm tia tuyệt vời. Công trình nghiên cứu này cho thấy rằng tia laser là một phương pháp tiếp cận hiệu quả cho việc triệt đốt tissuc thực tế, vì nó hoạt động như một con dao mổ bằng tia laser.Thiết lập thử nghiệm được phác thảo trong Hình 1. ZGP-OPO được bơm bởi tia laser Ho: YAG 2.09 um được bơm LD sản xuất tại nhà, mang lại công suất trung bình 28 W ở tần số 10 kHz. Với thời lượng xung xấp xỉ 102 ns （ FWHM） và hệ số chất lượng chùm trung bình M2 xấp xỉ 1,7 .MI và M2 là hai gương 45 có lớp phủ phản xạ cao ở 2,09 um. Những gương này cho phép điều khiển hướng của chùm tia bơm. Hai thấu kính lấy nét （f1 = 100mm , f2 = 100 mm） được áp dụng cho chuẩn trực chùm tia có đường kính chùm tia khoảng 3,5 mm trong tinh thể ZGP. Một bộ cách ly quang （ISO） được sử dụng để ngăn chùm tia bơm quay trở lại nguồn bơm 2,09 um. （HWP） ở 2,09 um được sử dụng để kiểm soát sự phân cực của ánh sáng máy bơm. M3 và M4 là gương khoang OPO, với CaF2 phẳng được sử dụng làm vật liệu nền. Gương trước M3 được phủ chống phản xạ （98%） cho máy bơm chùm tia và phủ phản xạ cao （98%） cho sóng chạy không tải 6,45 um và tín hiệu 3,09 um. Gương lật ngoài trời M4 có độ phản xạ cao （98%） ở 2,09um và 3.09 um và cho phép truyền một phần bộ làm biếng 6,45 um.Tinh thể ZGP được cắt ở 6-77,6 ° vàp = 45 ° để khớp pha kiểu JⅡ 【2090,0 （o） 6450,0 （o） +3091,9 （e）】 ， phù hợp hơn với một bước sóng cụ thể và tạo ra ánh sáng tham số với dải hẹp hơn Độ rộng đường truyền so với đối sánh pha loại I. Kích thước của tinh thể ZGP là 5mm x 6 mm x 25 mm và nó được đánh bóng và phủ lớp chống phản xạ trên cả hai mặt cuối cho ba sóng ở trên. Nó được bọc trong lá indium và được cố định trong một bộ tản nhiệt bằng đồng có làm mát bằng nước （T = 16）。 Chiều dài khoang là 27 mm. Thời gian khứ hồi của OPO là 0,537 ns đối với tia laser bơm. Chúng tôi đã kiểm tra ngưỡng hư hỏng của tinh thể ZGP bằng R -on-I method 【17】. Ngưỡng thiệt hại của tinh thể ZGP được đo là 0,11 J / cm2 ở 10 kHz. trong thí nghiệm, tương ứng với mật độ công suất đỉnh là 1,4 MW / cm2 ，, thấp do chất lượng sơn phủ tương đối kém.Công suất đầu ra của đèn chạy không tải được tạo ra được đo bằng máy đo năng lượng （D, OPHIR ， 1 uW đến 3 W） ， và bước sóng của ánh sáng tín hiệu được theo dõi bởi máy đo phổ （APE ， 1,5-6,3 m）。 Để có được công suất đầu ra cao là 6,45 um, chúng tôi tối ưu hóa thiết kế các tham số của OPO. sử dụng các tham số tương ứng với các điều kiện thử nghiệm và giả sử một xung đầu vào có biên dạng Gaussian trong không gian và thời gian.

truyền, cường độ công suất máy bơm và hiệu suất đầu ra được tối ưu hóa bằng cách điều khiển mật độ chùm tia bơm trong khoang để đạt được công suất đầu ra cao hơn đồng thời tránh làm hỏng tinh thể ZGP và các phần tử quang học. W cho hoạt động ZGP-OPO. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng trong khi sử dụng bộ ghép đầu ra tối ưu với độ truyền 50%, thì mật độ công suất đỉnh tối đa chỉ là 2,6 x 10 W / cm2 trong ZGP crys-tal và công suất đầu ra trung bình có thể thu được hơn 1,5 W. Công suất máy bơm sự cố Ngưỡng máy bơm tương ứng với công suất máy bơm trung bình là 3,55W Một công suất đầu ra không tải tối đa 1,53 W đạt được ở công suất máy bơm xấp xỉ 18,7 W, tương ứng với hiệu suất chuyển đổi quang học of khoảng 8,20% được hiển thị trong phần （a） trong Hình 2. Người ta thấy rằng dao động công suất đo được nhỏ hơn 1,35% rms trong 2 giờ và tia laser có thể hoạt động hiệu quả trong hơn 500 giờ tổng cộng. được đo thay vì đo ở chế độ chạy không tải do dải bước sóng giới hạn của máy đo phổ （APE ， 1,5-6,3 um） được sử dụng trong thí nghiệm của chúng tôi. Bước sóng tín hiệu đo được có tâm là 3,09 um và độ rộng vạch xấp xỉ 0,3 nm, như hình minh họa Trong phần trong （b） của Hình 2. Bước sóng trung tâm của bộ chạy không tải sau đó được suy ra là 6,45um. Độ rộng xung của bộ làm không được phát hiện bởi bộ tách sóng quang （Thorlabs, PDAVJ10） và được ghi lại bằng máy hiện sóng kỹ thuật số （Tcktronix ， 2GHz ）。 Một dạng sóng của máy hiện sóng điển hình được hiển thị trong Hình 3 và hiển thị độ rộng xung khoảng 42 ns.hẹp hơn 41,18% đối với bộ chạy không tải 6,45 um so với xung máy bơm 2,09 um do hiệu ứng thu hẹp độ lợi tạm thời của quá trình chuyển đổi tần số phi tuyến. Kết quả là, công suất đỉnh xung của bộ chạy không tải tương ứng là 3,56kW. Máy chạy không tải 6,45 um được đo bằng chùm tia laze

máy phân tích （Spiricon, M2-200-PIII） ở công suất đầu ra 1 W, như được hiển thị trong Hình 4. Các giá trị đo được của M2 và M ， 2 lần lượt là 1,32 và 1,06 dọc theo trục x và trục y, tương ứng với hệ số chất lượng chùm trung bình là M2 = 1,19. Hình 4 cho thấy cấu hình cường độ chùm tia （2D） hai chiều, có chế độ không gian gần Gauss. Để xác minh rằng xung 6,45 um cung cấp hiệu quả abla-tion, Một thí nghiệm chứng minh nguyên tắc liên quan đến việc cắt bỏ não lợn bằng laser được thực hiện. một thấu kính f = 50 được sử dụng để hội tụ chùm xung 6,45 um đến bán kính eo khoảng 0,75 mm. được đặt ở trọng tâm của chùm tia laze. Nhiệt độ bề mặt （T） của mô sinh học như một hàm của vị trí xuyên tâm r được đo bằng máy đo nhiệt độ （FLIR A615） đồng bộ trong quá trình cắt bỏ. Thời gian chiếu xạ là 1 , 2,4,6,10 ， và 20 s ở công suất laze I W. Đối với mỗi khoảng thời gian chiếu xạ, sáu vị trí mẫu được thổi: r = 0,0.62,0,703,1.91,3,05 ， và 4,14 mm dọc theo hướng xuyên tâm đối với điểm trung tâm của vị trí chiếu xạ, như được thể hiện trong Hình 5. tại vị trí cắt bỏ trên mô tăng lên khi tăng thời gian chiếu xạ. Nhiệt độ T cao nhất tại điểm trung tâm r = 0 là 132,39,160,32,196,34 ，

205,57,206,95 ， và 226,05C cho thời lượng chiếu xạ lần lượt là 1,2，4,6,10 ， và 20 s. lý thuyết dẫn nhiệt cho mô sinh học126】 và lý thuyết lan truyền laser trong mô sinh học 【27】 kết hợp với các thông số quang học của não lợn 1281.
Mô phỏng được thực hiện với giả định là một chùm Gaussian đầu vào. Vì mô sinh học được sử dụng trong thử nghiệm là mô não lợn cô lập nên ảnh hưởng của máu và sự trao đổi chất đối với nhiệt độ được bỏ qua và mô não lợn được đơn giản hóa thành Các thông số được sử dụng trong mô phỏng được tóm tắt trong Bảng 1. Chúng thể hiện đặc điểm nhiệt độ Gaussian từ trung tâm ra ngoại vi. Có thể thấy rõ từ Hình 5 rằng dữ liệu thực nghiệm phù hợp với các kết quả mô phỏng. Vị trí cắt bỏ tăng lên khi thời gian chiếu xạ tăng lên đối với mỗi lần chiếu xạ.55C, có nghĩa là các tế bào vẫn hoạt động trong các vùng màu xanh lục （T <55C） của các đường cong trong Hình 5. Vùng màu vàng của đường cong （55C60C）。 Có thể quan sát thấy trong Hình 5 rằng bán kính cắt bỏ mô phỏng ở T = 60 ° Care0,774,0.873,0.993,1.071,1.198 và 1,364 mm, tương ứng, đối với khoảng thời gian chiếu xạ 1,2,4，6, 10 ， và 20 giây, trong khi bán kính cắt bỏ mô phỏng ở T = 55C lần lượt là 0,805,0.908,1.037,1.134,1.271 ， và 1,456 mm. 2,394,3.098,3.604,4.509 ， và 5,845 mm2 cho lần chiếu xạ 1,2,4,6,10 ， và 20 giây. và 0,027 mm2 Có thể thấy rằng các vùng cắt laser và các vùng tổn thương thế chấp tăng lên theo thời gian chiếu xạ.Chúng tôi xác định tỷ lệ thiệt hại phụ là tỷ lệ của diện tích phá hủy thế chấp ở 55C s T60C. là 8,17% ， 8,18% ， 9,06% ， 12,11% ， 12,56% ， và 13,94% cho các thời gian chiếu xạ khác nhau, có nghĩa là thiệt hại phụ của các mô bị đốt cháy là nhỏ.l dữ liệu và kết quả mô phỏng cho thấy rằng tia laser ZGP-OPO 6,45 um ở trạng thái rắn, công suất cao, nhỏ gọn này cung cấp hiệu quả cắt bỏ các mô sinh học. Nguồn laser xung MIR 6,45 um dựa trên cách tiếp cận ns ZGP-OPO. Công suất trung bình tối đa 1,53 W thu được với công suất đỉnh 3,65kW và hệ số chất lượng chùm trung bình là M2 = 1,19. Sử dụng bức xạ MIR 6,45 um này, a Thực nghiệm chứng minh nguyên lý về việc cắt bỏ mô bằng laser đã được thực hiện. Sự phân bố nhiệt độ trên bề mặt mô bị cắt đốt được đo bằng thực nghiệm và mô phỏng theo lý thuyết. Lần đầu tiên, những kết quả này xác minh rằng tia laser xung MIR đặt trên bàn của chúng tôi ở 6,45 um cung cấp hiệu quả cắt đốt sinh học và có tiềm năng lớn trở thành một công cụ thực tế trong khoa học y tế và sinh học, vì nó có thể thay thế một FEL cồng kềnh nhưmột con dao mổ laser.