En kompakt och robust heltäckande medelinfraröd （MIR）laser på 6,45 um med hög genomsnittlig uteffekt och nära Gaussisk strålkvalitet demonstreras. En maximal uteffekt på 1,53 W med en pulsbredd på cirka 42 ns vid 10 kHz uppnås med hjälp av en ZnGeP2 (ZGP) optisk parametrisk oscillator (OPO). Detta är den högsta medeleffekten på 6,45 um för en helsolid-state-laser så vitt vi vet.Den genomsnittliga strålkvalitetsfaktorn mäts till M2=1,19.
Dessutom bekräftas hög uteffektstabilitet, med en effektfluktuation på mindre än 1,35 % rms under 2 timmar, och lasern kan köras effektivt i mer än 500 timmar totalt. Genom att använda denna 6,45 um puls som strålningskälla, ablation av djur hjärnvävnad testas.Dessutom analyseras kollateralskadaeffekten teoretiskt för första gången, så vitt vi vet, och resultaten indikerar att denna MIR-laser har utmärkt ablationsförmåga, vilket gör den till en potentiell ersättning för frielektronlasrar.©2022 Optica Publishing Group

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

Mellaninfraröd (MIR) 6,45 um laserstrålning har potentiella tillämpningar inom högprecisionsmedicinska områden på grund av dess fördelar med en betydande ablationshastighet och minimal kollateral skada 【1】. Frielektronlasrar （FELs）， strontiumgaslasrar, Raman-lasrar och solid-state-lasrar baserade på en optisk parametrisk oscillator (OPO) eller differensfrekvensgenerering (DFG) är vanligtvis använda 6,45 um laserkällor. Den höga kostnaden, stora storleken och komplexa strukturen hos FEL begränsar dock deras Strontiumånglasrar och gas-ramanlasrar kan erhålla målbanden, men båda har dålig stabilitet, korta ser-
Vice liv, och kräver komplext underhåll. Studier visade att 6,45 um solid-state lasrar producerar ett mindre termisk skadeområde i biologiska vävnader och att deras ablationsdjup är djupare än för en FEL under samma förhållanden, vilket verifierade att de kan användas som ett effektivt alternativ till FEL för biologisk vävnadsablation 【2】. Dessutom har halvledarlasrar fördelarna med en kompakt struktur, god stabilitet och

bordsdrift, vilket gör dem till lovande verktyg för att få en ljuskälla på 6,45 μn.Som är välkänt spelar icke-linjära infraröda kristaller en viktig roll i frekvensomvandlingsprocessen som används för att uppnå högpresterande MIR-lasrar. Jämfört med oxiderade infraröda kristaller med en 4 um cut-off kant, är icke-oxidkristaller bra lämpade för att generera MIR-lasrar. Dessa kristaller inkluderar de flesta kalkogenider, såsom AgGaS2 （AGS）【3,41，LiInS2 （LIS）【5,61， LilnSe2 （LISe）（B】〼B】 】，och BaGaSe（BGSe）【10-12】，såväl som fosforföreningarna CdSiP2(CSP）【13-16】och ZnGeP2 (ZGP）【17】) har båda re-online för de två sistnämnda. MIR-strålning kan till exempel erhållas med hjälp av CSP-OPOs. De flesta CSP-OPO:er fungerar dock på en ultrakort (pico- och femtosekund) tidsskala och pumpas synkront av cirka 1 um lägeslåsta lasrar. Tyvärr är dessa synkront pumpade OPO（ SPOPO）system har en komplex installation och är dyra. Deras medeleffekter är också lägre än 100 mW vid cirka 6,45 um【13-16】. Jämfört med CSP-kristall har ZGP en högre laserskadashold（60 MW/cm2），en högre värmeledningsförmåga（0,36 W/cm K），och en jämförbar olinjär koefficient（75pm/V）。Därför är ZGP en utmärkt ickelinjär MIR optisk eller högeffektskristall för högeffekt energitillämpningar 【18-221. Till exempel demonstrerades en platt, platt hålighet ZGP-OPO med ett inställningsområde på 3,8-12,4 um pumpad av en 2,93 um laser. 1,2 mJ 【201. För den specifika våglängden på 6,45 um uppnåddes en maximal enkelpulsenergi på 5,67 mJ vid en repetitionsfrekvens på 100 Hz med en icke-plan ring OPO-hålighet baserad på en ZGP-kristall. Med en upprepning frekvens på 200Hz, en genomsnittlig uteffekt på 0,95 W uppnåddes 【221. Så vitt vi känner till är detta den högsta uteffekten som uppnåtts vid 6,45 um.Befintliga studier tyder på att en högre medeleffekt är nödvändig för effektiv vävnadsablation 【23】. Därför skulle utvecklingen av en praktisk högeffekts 6,45 um laserkälla vara av stor betydelse för främjandet av biologisk medicin.I detta brev rapporterar vi en enkel, kompakt helsolid-state MIR 6,45 um-laser som har en hög genomsnittlig uteffekt och är baserad på en ZGP-OPO pumpad med en nanosekund（ns）-puls 2,09 um

laser. Den maximala genomsnittliga uteffekten för 6,45 um-lasern är upp till 1,53 W med en pulsbredd på cirka 42ns vid en repetitionsfrekvens på 10 kHz, och den har utmärkt strålkvalitet. Den ablerande effekten av 6,45 um-lasern på djurvävnad Detta arbete visar att lasern är ett effektivt tillvägagångssätt för faktisk vävnadsablation, eftersom den fungerar som en laserskalpell.Den experimentella uppställningen är skisserad i Fig. 1. ZGP-OPO pumpas av en hemmagjord LD-pumpad 2,09 um Ho:YAG-laser som levererar 28 W medeleffekt vid 10 kHz. med en pulslängd på cirka 102 ns（ FWHM) och en genomsnittlig strålkvalitetsfaktor M2 på cirka 1,7.MI och M2 är två 45-speglar med en beläggning som är mycket reflekterande vid 2,09 um. Dessa speglar möjliggör riktningskontroll av pumpstrålen. Två fokuseringslinser （f1 =100 mm ,f2=100 mm) appliceras för strålkollimation med en stråldiameter på cirka 3,5 mm i ZGP-kristallen. En optisk isolator (ISO) används för att förhindra att pumpstrålen återgår till pumpkällan på 2,09 um. En halvvågsplatta （HWP）vid 2,09 um används för att kontrollera polariseringen av pumpljuset. M3 och M4 är OPO-kavitetsspeglar, med platt CaF2 som substratmaterial. Den främre spegeln M3 är antireflexbelagd (98 %) för pumpen stråle och högreflekterande belagd (98 %) för 6,45 um tomgångsvågor och 3,09 um signalvågor. Utgångsspegeln M4 är mycket reflekterande (98 %) vid 2,09um och 3,09 um och tillåter partiell överföring av 6,45 um tomgångshjulet.ZGP-kristallen skärs vid 6-77,6° och p=45° för typ-JⅡ fasmatchning 【2090.0 （o）6450.0 （o）+3091.9 （e）】, vilket är mer lämpligt för en specifik ljusvåglängd och en n-våglängd. linjebredd jämfört med typ-I fasmatchning. Måtten på ZGP-kristallen är 5 mm x 6 mm x 25 mm, och den är polerad och antireflexbelagd på båda ändfasetterna för ovanstående tre vågor. Den är inlindad i indiumfolie och fixerad i en koppar kylfläns med vattenkylning (T=16)。 Kavitetens längd är 27 mm. Rundturstiden för OPO är 0,537 ns för pumplasern. Vi testade skadetröskeln för ZGP-kristallen med R -on-I-metoden 【17】. Skadtröskeln för ZGP-kristallen uppmättes till 0,11 J/cm2 vid 10 kHz.i experimentet, vilket motsvarar en toppeffekttäthet på 1,4 MW/cm2, vilket är lågt på grund av relativt dålig beläggningskvalitet.Uteffekten från det genererade tomgångsljuset mäts av en energimätare （D,OPHIR，1 uW till 3 W），och signalljusets våglängd övervakas av en spektrometer （APE，1,5-6,3 m）. erhåller en hög uteffekt på 6,45 um, vi optimerar designen av parametrarna för OPO. En numerisk simulering utförs baserad på trevågsblandningsteori och paraxiella utbredningskvalifikationer 【24,25】；i simuleringen, vi använda parametrarna som motsvarar de experimentella förhållandena och anta en ingångspuls med en gaussisk profil i rum och tid. Förhållandet mellan OPO-utgångsspegel

transmittans, pumpeffektintensitet och uteffektseffektivitet optimeras genom att manipulera pumpens stråltäthet i kaviteten för att uppnå högre uteffekt samtidigt som man undviker skador på ZGP-kristallen och de optiska elementen. Den högsta pumpeffekten är således begränsad till cirka 20 W för ZGP-OPO-drift. Simulerade resultat visar att medan en optimal utgångskopplare med en transmittans på 50 % används, är den maximala toppeffekttätheten endast 2,6 x 10 W/cm2 i ZGP-kristallen och en genomsnittlig uteffekt på mer än 1,5 W kan erhållas. Figur 2 visar förhållandet mellan den uppmätta uteffekten från tomgångshjulet vid 6,45 um och den infallande pumpeffekten. Det framgår av figur 2 att uteffekten från tomgångshjulet ökar monotont med infallande pumpeffekt. Pumptröskeln motsvarar en genomsnittlig pumpeffekt på 3,55 WA maximal tomgångseffekt på 1,53 W uppnås vid en pumpeffekt på cirka 18,7 W, vilket motsvarar en optisk-till-optisk omvandlingseffektivitet of ungefär 8,20 %% och en kvantomvandlingsförmåga på 25,31%. För långsiktig säkerhet drivs lasern med nära 70 % av sin maximala uteffekt. Effektstabiliteten mäts vid en uteffekt på IW, som visas i infällt （a） i Fig. 2. Det har visat sig att den uppmätta effektfluktuationen är mindre än 1,35 % rms på 2 timmar och att lasern kan arbeta effektivt i mer än 500 timmar totalt. Signalvågens våglängd mäts istället för den för tomgången på grund av det begränsade våglängdsintervallet för spektrometern (APE，1,5-6,3 um) som används i vårt experiment. Den uppmätta signalvåglängden är centrerad vid 3,09 um och linjebredden är ungefär 0,3 nm, som visas i infälld （b） i fig. 2. Den centrala våglängden för tomgångshjulet härleds sedan till 6,45 um. Pulsbredden för tomgångsenheten detekteras av en fotodetektor (Thorlabs, PDAVJ10) och registreras av ett digitalt oscilloskop (Tcktronix，Tcktronix， ）。En typisk oscilloskopvågform visas i Fig. 3 och visar en pulsbredd på cirka 42 ns. Pulsbreddenär 41,18 % smalare för 6,45 um tomgångspulsen jämfört med 2,09 um pumppulsen på grund av den tidsmässiga förstärkningsavsmalnande effekten av den icke-linjära frekvensomvandlingsprocessen. Som ett resultat är den motsvarande tomgångspulsens toppeffekt 3,56 kW. Strålkvalitetsfaktorn för 6,45 um tomgång mäts med en laserstråle

analysator （Spiricon,M2-200-PIII） vid 1 W uteffekt, som visas i Fig. 4. De uppmätta värdena för M2 och M，2 är 1,32 och 1,06 längs x-axeln respektive y-axeln, motsvarande en genomsnittlig strålkvalitetsfaktor på M2=1,19. Inscten i Fig. 4 visar den tvådimensionella (2D) strålintensitetsprofilen, som har ett nästan Gaussiskt rumsligt läge. För att verifiera att 6,45 um-pulsen ger effektiv ablation, ett proof-of-principe-experiment som involverar laserablation av svinhjärna utförs. En f=50-lins används för att fokusera 6,45 um pulsstrålen till en midjeradie på cirka 0,75 mm. Positionen som ska ableras på grisens hjärnvävnad placeras i laserstrålens fokus. Yttemperaturen （T） hos den biologiska vävnaden som en funktion av den radiella platsen r mäts synkront med en termokamera（FLIR A615） under ablationsprocessen. Bestrålningens varaktighet är 1 ,2,4,6,10，och 20 s vid en lasereffekt på I W. För varje bestrålningsvaraktighet släcks sex provpositioner:r=0,0,62,0,703,1.91,3.05，och 4,14 mm längs den radiella riktningen med avseende på mittpunkten för bestrålningspositionen, som visas i Fig. 5. Fyrkanterna är de uppmätta temperaturdata. Det finns i Fig. 5 att yttemperaturen vid ablationspositionen på vävnaden ökar med ökande bestrålningsvaraktighet. De högsta temperaturerna T i mittpunkten r=0 är 132.39,160.32,196.34，

205.57,206.95，och 226.05C för bestrålningsvaraktigheter på 1,2，4,6,10， respektive 20 s. För att analysera kollateralskadan simuleras temperaturfördelningen på den ablerade vävnadsytan. Detta utförs enl. termisk ledningsteorin för biologisk vävnad126】och teorin om laserutbredning i biologisk vävnad 【27】 i kombination med de optiska parametrarna för grishjärnan 1281.
Simuleringen utförs med antagandet av en ingående gaussisk stråle. Eftersom den biologiska vävnaden som används i experimentet är isolerad grishjärnvävnad ignoreras påverkan av blod och metabolism på temperaturen, och svinhjärnvävnaden förenklas till formen på en cylinder för simulering. Parametrarna som används i simuleringen är sammanfattade i tabell 1. De heldragna kurvorna som visas i fig. 5 är de simulerade radiella temperaturfördelningarna med avseende på ablationscentret på vävnadsytan för de sex olika bestrålningarna De uppvisar en Gaussisk temperaturprofil från centrum till periferin. Det framgår av fig. 5 att experimentdata stämmer väl överens med de simulerade resultaten. Det framgår också av fig. 5 att den simulerade temperaturen i mitten av ablationspositionen ökar när bestrålningens varaktighet ökar för varje bestrålning. Tidigare forskning har visat att cellerna i vävnaden är helt säkra vid temperaturer under55C, vilket innebär att celler förblir aktiva i de gröna zonerna (T<55C) i kurvorna i Fig. 5. Den gula zonen för varje kurva (55C)60C）。Det kan observeras i Fig. 5 att de simulerade ablationsradierna vid T=60°Care0.774,0.873,0.993,1.071,1.198 respektive 1.364 mm för bestrålningsperioder på 1,6,4， 10, och 20s, medan de simulerade ablationsradierna vid T=55C är 0,805, 0,908, 1,037, 1,134, 1,271 respektive 1,456 mm. 2.394,3.098,3.604,4.509 och 5.845 mm2 för 1,2,4,6,10 respektive 20-tals bestrålning. Området med sidoskadsområde har visat sig vara 0.003,0.0040.013,010,. och 0,027 mm2. Det kan ses att laserablationszonerna och de kollaterala skadezonerna ökar med bestrålningens varaktighet. Vi definierar collateral damage ratio som förhållandet mellan collateral damage area vid 55C s T60C. Collateral damage ratio hittas till 8,17 %，8,18 %，9,06 %，12,11 %，12,56 %， och 13,94 % för olika bestrålningstider, vilket betyder att den kollaterala skadan av de ablerade vävnaderna är liten. Därför måste omfattande experimental data och simuleringsresultat visar att denna kompakta, högeffekts, heltäckande 6,45 um ZGP-OPO-laser ger effektiv ablation av biologiska vävnader. Sammanfattningsvis har vi visat en kompakt, högeffekts, helt i fast tillstånd MIR-pulsad 6,45 um laserkälla baserad på en ns ZGP-OPO-metod. En maximal medeleffekt på 1,53 W erhölls med en toppeffekt på 3,65 kW och en genomsnittlig strålkvalitetsfaktor på M2=1,19. Med denna 6,45 um MIR-strålning, en proof-of-principe-experiment på laserablation av vävnad utfördes. Temperaturfördelningen på den ablerade vävnadens yta mättes experimentellt och simulerades teoretiskt. De uppmätta data stämde väl överens med de simulerade resultaten. Dessutom analyserades den sidoskada teoretiskt. för första gången. Dessa resultat bekräftar att vår bordsbaserade MIR-pulslaser vid 6,45 um erbjuder effektiv ablation av biologisk vävnad och har stor potential att vara ett praktiskt verktyg inom medicinsk och biologisk vetenskap, eftersom den skulle kunna ersätta en skrymmande FEL somen laserskalpell.