یک لیزر مادون قرمز میانی (MIR) تمام حالت جامد فشرده و قوی در 6.45 um با توان متوسط ​​خروجی بالا و کیفیت پرتو نزدیک به گاوس نشان داده شده است. حداکثر توان خروجی 1.53 W با عرض پالس تقریباً 42 ns در 10 کیلوهرتز با استفاده از یک نوسان ساز پارامتری نوری ZnGeP2 (ZGP) (OPO) به دست می آید. این بالاترین توان متوسط ​​در 6.45 um از هر لیزر تمام حالت جامد تا جایی که ما می دانیم است.میانگین ضریب کیفیت تیر M2=1.19 اندازه گیری می شود.
علاوه بر این، پایداری توان خروجی بالا با نوسانات توان کمتر از 1.35٪ در طول 2 ساعت تأیید شده است، و لیزر می تواند در مجموع بیش از 500 ساعت به طور موثر کار کند. با استفاده از این پالس 6.45 um به عنوان منبع تابش، فرسایش حیوانات بافت مغز مورد آزمایش قرار می گیرد. علاوه بر این، اثر آسیب جانبی برای اولین بار به صورت تئوری با بهترین دانش ما مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرد و نتایج نشان می دهد که این لیزر MIR دارای توانایی فرسایشی عالی است و آن را به یک جایگزین بالقوه برای لیزرهای الکترون آزاد تبدیل می کند.©2022 گروه انتشارات اپتیکا

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

تابش لیزر مادون قرمز (MIR) 6.45 میکرومتر به دلیل مزایایی که در سرعت فرسایش قابل توجه و حداقل آسیب جانبی دارد (1) کاربردهای بالقوه ای در زمینه های پزشکی با دقت بالا دارد. لیزرهای رامان و لیزرهای حالت جامد مبتنی بر یک نوسانگر نوری پارامتریک (OPO) یا تولید فرکانس اختلاف (DFG) معمولاً از منابع لیزری 6.45 um استفاده می‌شوند. با این حال، هزینه بالا، اندازه بزرگ و ساختار پیچیده FELها آنها را محدود می‌کند. کاربرد. لیزرهای بخار استرانسیوم و لیزرهای گازی رامان می توانند باندهای هدف را به دست آورند، اما هر دو پایداری ضعیفی دارند، سرم کوتاه
معیوب زندگی می کند و نیاز به تعمیر و نگهداری پیچیده دارد.مطالعات نشان داد که لیزرهای حالت جامد 6.45 میکرومتر محدوده آسیب حرارتی کمتری را در بافت های بیولوژیکی ایجاد می کنند و عمق فرسایش آنها در شرایط مشابه عمیق تر از یک FEL است که تأیید می کند که می توانند به عنوان یک جایگزین موثر برای FELها برای فرسایش بافت بیولوژیکی 【2】 استفاده شود. علاوه بر این، لیزرهای حالت جامد دارای مزایای ساختار فشرده، پایداری خوب و

عملکرد روی میز، آنها را به ابزارهای امیدوارکننده ای برای به دست آوردن منبع نور a6.45μn تبدیل می کند.همانطور که شناخته شده است، کریستال های مادون قرمز غیرخطی نقش مهمی در فرآیند تبدیل فرکانس مورد استفاده برای دستیابی به لیزرهای MIR با کارایی بالا ایفا می کنند. کریستال های غیر اکسیدی در مقایسه با کریستال های مادون قرمز اکسیدی با لبه برش 4 میکرومتری، عملکرد خوبی دارند. برای تولید لیزرهای MIR مناسب است. این کریستال ها شامل اکثر کالکوژنیدها مانند AgGaS2 (AGS) , 3,41 , LiInS2 , LIS , 5,61 , LilnSe2 , LIS , 7 , 7 BaGa 】，و BaGaSe（BGSe）【10-12】) و همچنین ترکیبات فسفر CdSiP2 (CSP) 【13-16】و ZnGeP2 (ZGP) هر دو دارای دو خط غیر موثر دارای 17 هستند. به عنوان مثال، تشعشع MIR را می توان با استفاده از CSP-OPO به دست آورد. با این حال، اکثر CSP-OPO ها در مقیاس زمانی فوق کوتاه (پیکو و فمتوثانیه) عمل می کنند و به طور همزمان توسط لیزرهای قفل شده با حالت تقریباً 1 um پمپ می شوند. متاسفانه، این OPO به طور همزمان پمپ می شوند. سیستم‌های SPOPO دارای یک راه‌اندازی پیچیده و پرهزینه هستند. توان متوسط ​​آنها نیز کمتر از 100 مگاوات در حدود 6.45 um است. در مقایسه با کریستال CSP، ZGP آسیب لیزری بالاتری دارد.دارای (60 مگاوات/سانتی‌متر مربع)، رسانایی حرارتی بالاتر (0.36 وات بر سانتی‌متر K) و ضریب غیرخطی قابل مقایسه (75pm/V) است. بنابراین، ZGP یک کریستال نوری غیرخطی MIR عالی برای پرقدرت یا قدرت بالا است. کاربردهای انرژی 【18-221. برای مثال، یک حفره مسطح ZGP-OPO با محدوده تنظیم 3.8-12.4 um که توسط لیزر 2.93 um پمپ می شود نشان داده شد. حداکثر انرژی تک پالس نور بیکار در 6.6 um بود. 1.2 mJ 【201. برای طول موج خاص 6.45 میکرومتر، حداکثر انرژی تک پالس 5.67 میلی ژول با فرکانس تکرار 100 هرتز با استفاده از یک حفره OPO حلقه غیرمسطح بر اساس کریستال ZGP به دست آمد. با تکرار فرکانس 200 هرتز، متوسط ​​توان خروجی 0.95 W به دست آمد.مطالعات موجود حاکی از آن است که یک توان متوسط ​​بالاتر برای فرسایش بافت موثر 【23】 لازم است. بنابراین، توسعه یک منبع لیزری پرقدرت عملی 6.45 um در ارتقای پزشکی بیولوژیکی اهمیت زیادی دارد.در این نامه، ما یک لیزر ساده و جمع و جور تمام جامد MIR 6.45 um را گزارش می کنیم که دارای توان متوسط ​​خروجی بالایی است و بر اساس یک ZGP-OPO است که توسط یک پالس نانوثانیه (ns) 2.09 um پمپ می شود.

لیزر. حداکثر توان متوسط ​​خروجی لیزر 6.45 um تا 1.53 وات با عرض پالس تقریباً 42 ثانیه در فرکانس تکرار 10 کیلوهرتز است و دارای کیفیت پرتو عالی است. این کار نشان می‌دهد که لیزر یک روش مؤثر برای برداشتن بافتی واقعی است، زیرا به عنوان یک اسکالپل لیزری عمل می‌کند.راه‌اندازی آزمایشی در شکل 1 نشان داده شده است. ZGP-OPO توسط یک لیزر 2.09 um Ho:YAG LD پمپ‌شده خانگی پمپ می‌شود که 28 وات توان متوسط ​​را در 10 کیلوهرتز با مدت زمان پالس تقریباً 102 ns (102 ns) ارائه می‌کند. FWHM) و ضریب کیفیت پرتو متوسط ​​M2 تقریباً 1.7.MI و M2 دو آینه 45 با پوششی هستند که در 2.09 um بسیار بازتابنده است. این آینه ها کنترل جهت پرتو پمپ را امکان پذیر می کنند. دو لنز فوکوس (f1 = 100mm) ,f2=100mm) برای تلاقی پرتو با قطر پرتو حدود 3.5 میلی متر در کریستال ZGP استفاده می شود. یک جداکننده نوری (ISO) برای جلوگیری از بازگشت پرتو پمپ به منبع پمپ 2.09 um استفاده می شود. صفحه نیمه موج. (HWP) در 2.09 um برای کنترل پلاریزاسیون نور پمپ استفاده می شود. M3 و M4 آینه های حفره ای OPO هستند، با CaF2 مسطح به عنوان ماده زیرلایه استفاده می شود. آینه جلویی M3 دارای پوشش ضد انعکاس (98٪) برای پمپ است. پوشش پرتو و بازتاب بالا (98٪) برای امواج سیگنال 6.45 و 3.09 um. آینه خروجی M4 بسیار بازتابنده است (98٪) در 2.09um و 3.09 um و امکان انتقال جزئی 6.45 um بیکار را فراهم می کند.کریستال ZGP در 6-77.6 درجه و p=45 درجه برای تطبیق فاز نوع JⅡ برش داده می شود. عرض خط در مقایسه با تطبیق فاز نوع I. ابعاد کریستال ZGP 5 میلی متر × 6 میلی متر در 25 میلی متر است، و در هر دو وجه انتهایی برای سه موج فوق، صیقلی و ضد انعکاس پوشیده شده است. در فویل ایندیوم پیچیده شده است. در یک هیت سینک مسی با خنک کننده آب (T=16) ثابت شده است. طول حفره 27 میلی متر است. زمان رفت و برگشت OPO برای لیزر پمپ 0.537 ns است. ما آستانه آسیب کریستال ZGP را با R آزمایش کردیم. روش -on-I 【17】. آستانه آسیب کریستال ZGP 0.11 J/cm2 در 10 کیلوهرتز اندازه گیری شد. در آزمایش مربوط به اوج چگالی توان 1.4 MW/cm2 است که به دلیل پایین بودن کیفیت پوشش نسبتا ضعیفتوان خروجی نور بیکار تولید شده توسط یک انرژی سنج (D, OPHIR, 1 uW تا 3 W) اندازه گیری می شود و طول موج نور سیگنال توسط یک طیف سنج (APE, 1.5-6.3 m) نظارت می شود. توان خروجی بالای 6.45 میکرومتر را بدست آوریم، ما طراحی پارامترهای OPO را بهینه می کنیم. شبیه سازی عددی بر اساس نظریه اختلاط سه موجی و معادلات انتشار پاراکسیال 【24,25】 در شبیه سازی انجام شده است. پارامترهای مربوط به شرایط آزمایشی را به کار گرفته و یک پالس ورودی با مشخصات گاوسی در فضا و زمان در نظر بگیرید. رابطه بین آینه خروجی OPO

انتقال، شدت توان پمپ و راندمان خروجی با دستکاری چگالی پرتو پمپ در حفره برای دستیابی به توان خروجی بالاتر و در عین حال جلوگیری از آسیب رساندن به کریستال ZGP و عناصر نوری بهینه شده است. بنابراین، بالاترین توان پمپ به حدود 20 محدود می شود. W برای عملکرد ZGP-OPO. نتایج شبیه سازی شده نشان می دهد که در حالی که از یک جفت کننده خروجی بهینه با ضریب انتقال 50% استفاده می شود، حداکثر چگالی توان حداکثر 2.6 x 10 W/cm2 در کریستال ZGP و توان خروجی متوسط ​​است. بیش از 1.5 W را می توان به دست آورد. شکل 2 رابطه بین توان خروجی اندازه گیری شده idler در 6.45 um و توان پمپ فرودی را نشان می دهد. از شکل 2 می توان دریافت که توان خروجی idler به طور یکنواخت با افزایش می یابد. قدرت پمپ برخوردی. آستانه پمپ مربوط به توان متوسط ​​پمپ 3.55 WA است که حداکثر توان خروجی بیکار 1.53 وات در توان پمپ تقریباً 18.7 W به دست می آید که با راندمان تبدیل نوری به نوری مطابقت دارد.f تقریباً 8.20% و سرعت تبدیل کوانتومی 25.31%. برای ایمنی طولانی مدت، لیزر با نزدیک به 70% حداکثر توان خروجی خود کار می کند. پایداری توان در توان خروجی IW اندازه گیری می شود. در قسمت داخلی (a) در شکل 2 نشان داده شده است. مشخص شده است که نوسان توان اندازه گیری شده کمتر از 1.35%rms در 2 ساعت است، و لیزر می تواند در مجموع بیش از 500 ساعت به طور موثر کار کند. طول موج موج سیگنال به دلیل محدوده طول موج محدود طیف سنج (APE)، 1.5-6.3 um) که در آزمایش ما استفاده شده است، به جای idler اندازه گیری می شود. طول موج سیگنال اندازه گیری شده در مرکز 3.09 میکرومتر و عرض خط تقریباً 0.3 نانومتر است، همانطور که نشان داده شده است. در قسمت داخلی (b) شکل 2. سپس طول موج مرکزی idler برابر با 6.45 mm استنتاج می شود. یک شکل موج اسیلوسکوپ معمولی در شکل 3 نشان داده شده است و عرض پالس تقریباً 42 ns را نشان می دهد. عرض پالس41.18% برای بیکار 6.45 um در مقایسه با پالس پمپ 2.09 um به دلیل اثر باریک شدن بهره زمانی فرآیند تبدیل فرکانس غیرخطی، باریکتر است. در نتیجه، حداکثر توان پالس بیکار مربوطه 3.56 کیلو وات است. ضریب کیفیت پرتو 6.45 um idler با پرتو لیزر اندازه گیری می شود

آنالایزر (Spiricon,M2-200-PIII) با توان خروجی 1W، همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است. مقادیر اندازه گیری شده M2 و M，2 به ترتیب 1.32 و 1.06 در امتداد محور x و محور y هستند که مربوط به ضریب کیفیت پرتو متوسط ​​M2=1.19. حشره شکل 4 نمایه شدت پرتو دو بعدی (2D) را نشان می‌دهد که حالت فضایی نزدیک به گاوس دارد. یک آزمایش اثبات اصل شامل فرسایش لیزری مغز خوک انجام شده است. یک لنز f=50 برای متمرکز کردن پرتو پالس 6.45 um به شعاع کمر حدود 0.75 میلی متر استفاده می شود. موقعیتی که باید بر روی بافت مغز خوک برداشته شود. در کانون پرتو لیزر قرار می گیرد. دمای سطح (T) بافت بیولوژیکی به عنوان تابعی از مکان شعاعی r توسط یک دوربین حرارتی (FLIR A615) به طور همزمان در طول فرآیند فرسایش اندازه گیری می شود. مدت تابش 1 است. ، 2،4،6،10، و 20 ثانیه با توان لیزر I W. برای هر مدت تابش، شش موقعیت نمونه بریده می شود: r=0،0.62،0.703،1.91،3.05 و 4.14 میلی متر در امتداد جهت شعاعی با توجه به نقطه مرکزی موقعیت تابش، همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است. مربع ها داده های دمای اندازه گیری شده هستند. در شکل 5 مشاهده می شود که دمای سطح در موقعیت فرسایش روی بافت با افزایش مدت تابش افزایش می یابد. بالاترین دمای T در نقطه مرکزی r=0 132.39،160.32،196.34 است.

205.57،206.95، و 226.05 درجه سانتیگراد برای مدت زمان تابش 1،2، 4،6،10، و 20 ثانیه به ترتیب. برای تجزیه و تحلیل آسیب جانبی، توزیع دما بر روی سطح بافت فرسوده شبیه سازی شده است. تئوری هدایت حرارتی برای بافت بیولوژیکی 126 و تئوری انتشار لیزر در بافت بیولوژیکی 27 همراه با پارامترهای نوری مغز خوک 1281.
شبیه‌سازی با فرض یک پرتو گاوسی ورودی انجام می‌شود. از آنجایی که بافت بیولوژیکی مورد استفاده در آزمایش، بافت مغز خوک جدا شده است، تأثیر خون و متابولیسم بر دما نادیده گرفته می‌شود و بافت مغز خوک به شکل ساده تبدیل می‌شود. شکل یک استوانه برای شبیه سازی. پارامترهای مورد استفاده در شبیه سازی در جدول 1 خلاصه شده است. منحنی های جامد نشان داده شده در شکل 5، توزیع های دمایی شعاعی شبیه سازی شده با توجه به مرکز فرسایش روی سطح بافت برای شش تابش مختلف هستند. مدت زمان. آنها یک نمایه دمای گاوسی را از مرکز به حاشیه نشان می دهند. از شکل 5 مشخص است که داده های تجربی به خوبی با نتایج شبیه سازی شده مطابقت دارند. همچنین از شکل 5 مشخص است که دمای شبیه سازی شده در مرکز با افزایش مدت تابش برای هر تابش، موقعیت فرسایش افزایش می‌یابد. تحقیقات قبلی نشان داده است که سلول‌های بافت در دماهای زیر کاملاً ایمن هستند.55C، به این معنی که سلول‌ها در مناطق سبز (T<55C) منحنی‌های شکل 5 فعال می‌مانند. منطقه زرد هر منحنی (55C)60C）. در شکل 5 می توان مشاهده کرد که شعاع های فرسایش شبیه سازی شده در T=60°Care0.774، 0.873، 0.993، 1.071، 1.198 و 1.364 میلی متر، به ترتیب برای مدت زمان تابش 1،2،4. 10، و 20s، در حالی که شعاع های فرسایش شبیه سازی شده در T=55C به ترتیب 0.805، 0.908، 1.037، 1.134، 1.271، و 1.456 میلی متر است. پس از تجزیه و تحلیل کمی اثر فرسایش، 8 آرکا با 1 سلول مرده یافت می شود. 2.394،3.098،3.604،4.509، و 5.845 میلی متر مربع برای 1،2،4،6،10، و 20 ثانیه تابش، به ترتیب. و 0.027 mm2. مشاهده می شود که مناطق فرسایش لیزر و مناطق آسیب جانبی با طول مدت تابش افزایش می یابد. به 8.17٪، 8.18٪، 9.06٪، 12.11٪، 12.56٪، و 13.94٪ برای زمان های مختلف تابش، که به این معنی است که آسیب جانبی بافت های فرسوده اندک است. بنابراین، آزمایش جامعl داده ها و نتایج شبیه سازی نشان می دهد که این لیزر فشرده، پرقدرت، تمام حالت جامد 6.45 um ZGP-OPO، فرسایش موثر بافت های بیولوژیکی را فراهم می کند. در نتیجه، ما یک حالت فشرده، پرقدرت و تمام حالت جامد را نشان داده ایم. منبع لیزری پالسی MIR 6.45 um بر اساس رویکرد ns ZGP-OPO. حداکثر توان متوسط ​​1.53 W با حداکثر توان 3.65 کیلووات و متوسط ​​ضریب کیفیت پرتو M2 = 1.19 به دست آمد. با استفاده از این تابش MIR 6.45 um، a آزمایش اثبات اصل بر روی فرسایش لیزری بافت انجام شد. توزیع دما بر روی سطح بافت فرسوده به صورت تجربی اندازه‌گیری و از لحاظ نظری شبیه‌سازی شد. داده‌های اندازه‌گیری شده به خوبی با نتایج شبیه‌سازی‌شده مطابقت داشت. برای اولین بار. این نتایج تأیید می کند که لیزر پالس MIR رومیزی ما در 6.45 میکرومتر، فرسایش موثر بافت های بیولوژیکی را ارائه می دهد و پتانسیل زیادی برای تبدیل شدن به یک ابزار کاربردی در علوم پزشکی و بیولوژیکی دارد، زیرا می تواند جایگزین یک FEL حجیم شود.یک اسکالپل لیزری