Yüksək orta çıxış gücü və yaxın Qauss şüası keyfiyyəti ilə 6,45 um-lik yığcam və möhkəm bütün bərk vəziyyətli orta infraqırmızı (MIR) lazer nümayiş etdirilir. Maksimum çıxış gücü 1,53 Vt, 10-da təxminən 42 ns impuls eni kHz ZnGeP2（ZGP）optik parametrik osilator （OPO） istifadə edilməklə əldə edilir。Bu, bildiyimiz qədər hər hansı bərk vəziyyətdə olan lazerin 6,45 um-də ən yüksək orta gücdür.Orta şüa keyfiyyət əmsalı M2=1,19 olaraq ölçülür.
Üstəlik, 2 saat ərzində 1,35% rms-dən az güc dəyişməsi ilə yüksək çıxış gücü sabitliyi təsdiqlənir və lazer ümumilikdə 500 saatdan çox səmərəli işləyə bilər. Bu 6,45 um nəbzdən radiasiya mənbəyi kimi istifadə etməklə, heyvanın ablasiyası beyin toxuması sınaqdan keçirilir. Bundan əlavə, bildiyimiz qədər, girov zədələnməsinin təsiri ilk dəfə nəzəri cəhətdən təhlil edilir və nəticələr göstərir ki, bu MIR lazer mükəmməl ablasiya qabiliyyətinə malikdir və onu sərbəst elektron lazerlər üçün potensial əvəz edir.©2022 Optica Nəşriyyat Qrupu

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

Orta infraqırmızı (MIR) 6,45 um lazer şüalanması əhəmiyyətli ablasiya sürəti və minimal girov zədələnməsi üstünlüklərinə görə yüksək dəqiqlikli tibb sahələrində potensial tətbiqlərə malikdir 【1】.Sərbəst elektron lazerlər (FELs), lazerlər, stronsium qazları Raman lazerləri və optik parametrli osilator (OPO) və ya fərq tezlik yaratma (DFG) əsasında bərk cisim lazerləri adətən 6,45 um lazer mənbələrindən istifadə olunur. Bununla belə, FEL-lərin yüksək qiyməti, böyük ölçüsü və mürəkkəb strukturu onların imkanlarını məhdudlaşdırır. tətbiqi. Stronsium buxar lazerləri və qaz Raman lazerləri hədəf zolaqları əldə edə bilər, lakin hər ikisinin sabitliyi zəifdir, qısa müddətli
Tədqiqatlar göstərdi ki, 6,45 um bərk vəziyyətdə olan lazerlər bioloji toxumalarda daha kiçik termal zədələnmə diapazonu yaradır və onların ablasyon dərinliyi eyni şəraitdə FEL-dən daha dərindir, bu da onların cəsarətlə işləyə biləcəyini təsdiqləyir. bioloji toxumaların ablasiyası üçün FEL-lərə effektiv alternativ kimi istifadə oluna bilər 【2】.Bundan əlavə, bərk vəziyyətdə olan lazerlər yığcam quruluş, yaxşı sabitlik və üstünlüklərə malikdir.

stolüstü əməliyyat, onları a6.45μn işıq mənbəyi əldə etmək üçün perspektivli alətlər halına gətirir.Məlum olduğu kimi, qeyri-xətti infraqırmızı kristallar yüksək performanslı MIR lazerlərə nail olmaq üçün istifadə olunan tezliklərin çevrilməsi prosesində mühüm rol oynayır. 4 um kəsmə kənarı olan oksid infraqırmızı kristallarla müqayisədə, qeyri-oksid kristallar yaxşı işləyir. MIR lazerləri yaratmaq üçün uyğundur. Bu kristallara AgGaS2 （AGS）【3,41，LiInS2（LIS）【5,61， LilnSe2 （LISe＀a＀SBa０G, 7Ba, S2 kimi xalkogenidlərin əksəriyyəti daxildir. 】，və BaGaSe（BGSe）【10-12】, eləcə də fosfor birləşmələri CdSiP2（CSP）【13-16】və ZnGeP2 （ZGP）【hər ikisi üçün böyük səmərəli 17】xətti var. məsələn, MIR şüalanması CSP-OPO-lardan istifadə etməklə əldə edilə bilər. Bununla belə, əksər CSP-OPO-lar ultraqısa (piko və femtosaniyə) zaman şkalasında işləyir və sinxron şəkildə təxminən 1 um rejim kilidli lazerlər tərəfindən vurulur. Təəssüf ki, bunlar sinxron şəkildə vurulan OPO SPOPO）sistemləri mürəkkəb quruluşa malikdir və baha başa gəlir. Onların orta gücləri də təxminən 6,45 um【13-16】-da 100 mVt-dan aşağıdır. CSP kristalı ilə müqayisədə ZGP daha yüksək lazer zədələnməsinə malikdir.shold (60 MW/sm2), daha yüksək istilik keçiriciliyi (0,36 W/sm K) və müqayisə edilə bilən qeyri-xətti əmsalı (75pm/V)。Buna görə də ZGP yüksək güclü və ya yüksək enerji üçün mükəmməl MIR qeyri-xətti optik kristaldır. enerji tətbiqləri 【18-221.Məsələn, 2,93 um lazerlə vurulan 3,8-12,4 um tənzimləmə diapazonuna malik düz düz boşluq ZGP-OPO nümayiş etdirildi. Boş işığın maksimum tək impuls enerjisi 6,6 um idi. 1,2 mJ 【201. 6,45 um xüsusi dalğa uzunluğu üçün, ZGP kristalına əsaslanan qeyri-planar halqa OPO boşluğundan istifadə etməklə 100 Hz təkrar tezliyində 5,67 mJ maksimum tək nəbz enerjisi əldə edildi. Təkrarlama ilə 200Hz tezliyi, orta çıxış gücü 0,95 W əldə edildi 【221. Bildiyimiz qədər bu, 6,45 um-da əldə edilən ən yüksək çıxış gücüdür.Mövcud tədqiqatlar göstərir ki, effektiv toxuma ablasiyası üçün daha yüksək orta güc lazımdır 【23】. Buna görə də, praktiki yüksək güclü 6,45 um lazer mənbəyinin inkişafı bioloji təbabətin təşviqində böyük əhəmiyyət kəsb edəcək.Bu Məktubda biz yüksək orta çıxış gücünə malik olan və nanosaniyə (ns) impuls 2,09 um ilə vurulan ZGP-OPO-ya əsaslanan sadə, yığcam tam bərk vəziyyətli MIR 6,45 um lazer haqqında məlumat veririk.

lazer. 6,45 um lazerin maksimum orta çıxış gücü 10 kHz təkrar tezliyində təqribən 42 ns impuls eni ilə 1,53 Vt-a qədərdir və əla şüa keyfiyyətinə malikdir. 6,45 um lazerin heyvan toxumasına kəsici təsiri araşdırılır. Bu iş göstərir ki, lazer faktiki toxuma ablasiyası üçün effektiv yanaşmadır, çünki o, lazer skalpel kimi çıxış edir.Eksperimental quraşdırma Şəkil 1-də təsvir edilmişdir. ZGP-OPO, təxminən 102 ns nəbz müddəti ilə 10 kHz-də 28 Vt orta güc verən, evdə hazırlanmış LD-pompalı 2,09 um Ho:YAG lazeri ilə vurulur（ FWHM）və təqribən 1,7.MI və M2 olan orta şüa keyfiyyət əmsalı M2, 2,09 um-də yüksək əks etdirən örtüklü iki 45 güzgüdür. Bu güzgülər nasos şüasının istiqamətini idarə etməyə imkan verir. İki fokuslama linzaları (f1 =100 mm) ,f2=100 mm）ZGP kristalında təxminən 3,5 mm şüa diametri ilə şüa kolimasiyası üçün tətbiq edilir. Pompa şüasının 2,09 um nasos mənbəyinə qayıtmasının qarşısını almaq üçün optik izolyator (ISO) istifadə olunur. Yarım dalğalı lövhə （HWP）2,09 um-da nasos işığının polarizasiyasına nəzarət etmək üçün istifadə olunur. M3 və M4 alt təbəqə materialı kimi istifadə olunan düz CaF2 ilə OPO boşluq güzgüləridir. M3 ön güzgü nasos üçün əks əks olunmaya qarşı örtüklə örtülmüşdür (98%) 6,45 um boş və 3,09 um siqnal dalğaları üçün şüa və yüksək əks etdirən örtük (98%).um və 3,09 um və 6,45 um boşqabın qismən ötürülməsinə imkan verir.ZGP kristalı JⅡ tipli faza uyğunluğu üçün 6-77.6° və p=45°-də kəsilir, 【2090.0 （o）6450.0 （o）+3091.9 （e）】， bu, müəyyən bir parametrik dalğa uzunluğuna və işıq dalğa uzunluğuna daha uyğundur I tip faza uyğunluğu ilə müqayisədə xəttin eni. ZGP kristalının ölçüləri 5 mm x 6 mm x 25 mm-dir və yuxarıdakı üç dalğa üçün hər iki tərəfdə cilalanmış və əks olunmaya qarşı örtülmüşdür. İndium folqa ilə bükülmüş və su ilə soyudulmuş mis soyuducuda sabitlənmiş（T=16）。Boşluğun uzunluğu 27 mm-dir. OPO-nun dönmə vaxtı nasos lazeri üçün 0,537 ns-dir. Biz ZGP kristalının zədələnmə həddini R ilə sınaqdan keçirdik. -on-I metodu 【17】.ZGP kristalının zədələnmə həddi 10 kHz-də 0,11 J/sm2 olaraq ölçüldü. Təcrübədə 1,4 MVt/sm2-lik pik güc sıxlığına uyğun gəlir, bu da aşağı olduğuna görə aşağıdır. nisbətən zəif örtük keyfiyyəti.Yaranan boş işığın çıxış gücü enerji sayğacı ilə (D,OPHIR，1 uW-dan 3 Vt-a qədər) ölçülür və siqnal işığının dalğa uzunluğuna spektrometr (APE，1,5-6,3 m）) nəzarət edilir. 6,45 um yüksək çıxış gücü əldə etdikdə biz OPO-nun parametrlərinin dizaynını optimallaşdırırıq. Rəqəmsal simulyasiya üç dalğalı qarışdırma nəzəriyyəsi və paraksial yayılma düsturları əsasında həyata keçirilir 【24,25】；imitasiyada biz eksperimental şərtlərə uyğun parametrlərdən istifadə edin və məkan və zamanda Qauss profili ilə giriş impulsunu qəbul edin. OPO çıxış güzgüsü arasında əlaqə

ötürücülük, nasosun gücünün intensivliyi və çıxış səmərəliliyi daha yüksək çıxış gücünə nail olmaq üçün boşluqda nasos şüasının sıxlığı ilə manipulyasiya edilərək optimallaşdırılır və eyni zamanda ZGP kristalına və optik elementlərə ziyan vurulmaz. Beləliklə, ən yüksək nasos gücü təxminən 20 ilə məhdudlaşır. ZGP-OPO əməliyyatı üçün W. Simulyasiya edilmiş nəticələr göstərir ki, 50% keçiriciliyə malik optimal çıxış birləşdiricisi istifadə edildiyi halda, maksimum pik güc sıxlığı ZGP kristalında cəmi 2,6 x 10 Vt/sm2 və orta çıxış gücüdür. 1,5 Vt-dan çox əldə etmək olar. Şəkil 2-də 6,45 um-də avara aparatının ölçülmüş çıxış gücü ilə gələn nasosun gücü arasında əlaqə göstərilir. Şəkil 2-dən görünür ki, avadanlığın çıxış gücü monoton şəkildə artır. qəza nasosunun gücü. Pompanın həddi orta hesabla 3,55 WA nasos gücünə uyğundur, 1,53 Vt maksimum boş çıxış gücü təxminən 18,7 Vt nasos gücündə əldə edilir ki, bu da optikdən optikə çevrilmə səmərəliliyinə uyğundur.f təqribən 8,20% və kvant çevirmə qabiliyyəti 25,31%. Uzunmüddətli təhlükəsizlik üçün lazer maksimum çıxış gücünün 70%-ə yaxınında işlədilir. Güc sabitliyi IW çıxış gücündə ölçülür. Şəkil 2-də （a）də göstərilmişdir. Ölçülmüş gücün dəyişməsinin 2 saat ərzində 1,35% rms-dən az olduğu və lazerin ümumilikdə 500 saatdan çox səmərəli işləyə biləcəyi aşkar edilmişdir. Siqnal dalğasının dalğa uzunluğu Təcrübəmizdə istifadə edilmiş spektrometrin (APE，1,5-6,3 um) məhdud dalğa uzunluğu diapazonuna görə boş maşının əvəzinə ölçülür. Ölçülmüş siqnal dalğa uzunluğu göstərildiyi kimi 3,09 um-da mərkəzləşmişdir və xəttin eni təxminən 0,3 nm-dir. Şəkil 2-də (b) daxil edilir. Daha sonra boşqabın mərkəzi dalğa uzunluğu 6,45 um olaraq çıxarılır. Avara maşının nəbz eni fotodetektor (Thorlabs, PDAVJ10) tərəfindən aşkar edilir və rəqəmsal osiloskop (Tcktronix) ilə qeydə alınır. ）。Tipik osiloskop dalğa forması Şəkil 3-də göstərilib və təqribən 42 ns impuls enini göstərir. Nəbz eniQeyri-xətti tezliyə çevrilmə prosesinin müvəqqəti qazanc daralma effektinə görə 2,09 um nasos impulsu ilə müqayisədə 6,45 um avara üçün 41,18% daha dardır. Nəticədə, müvafiq boşluq impulsunun pik gücü 3,56 kVt təşkil edir. Şüa keyfiyyət əmsalı 6,45 um boşluq lazer şüası ilə ölçülür

analizator （Spiricon,M2-200-PIII）1 Vt çıxış gücündə, Şəkil 4-də göstərildiyi kimi. M2 və M，2-nin ölçülmüş dəyərləri x oxu və y oxu boyunca müvafiq olaraq 1.32 və 1.06-dır. orta şüa keyfiyyət əmsalı M2=1,19. Şəkil 4-də Qauss məkanına yaxın rejimə malik ikiölçülü (2D) şüa intensivliyi profili göstərilir. 6,45 um impulsun effektiv ablasiya təmin etdiyini yoxlamaq üçün, donuz beyninin lazer ablasyonunu əhatə edən prinsipi sübut edən təcrübə aparılır. 6,45 um nəbz şüasını təxminən 0,75 mm-lik bir bel radiusuna fokuslamaq üçün f=50 lens istifadə olunur. Donuz beyin toxumasında ablasiya ediləcək mövqe lazer şüasının fokusunda yerləşdirilir.Radial yerdən asılı olaraq bioloji toxumanın səthinin temperaturu (T) ablasiya prosesi zamanı termokamera (FLIR A615) ilə sinxron olaraq ölçülür. Şüalanma müddəti 1-dir. I W lazer gücündə ,2,4,6,10，və 20 s. Hər bir şüalanma müddəti üçün altı nümunə mövqeyi bürünür: r=0,0,62,0,703,1.91,3.05，şəkil 5-də göstərildiyi kimi şüalanma mövqeyinin mərkəzi nöqtəsinə görə radial istiqamət boyunca 4,14 mm. Kvadratlar ölçülmüş temperatur məlumatlarıdır. Şəkil 5-də görünür ki, səthin temperaturu toxuma üzərində ablasyon mövqeyində şüalanma müddəti artdıqca artır. Mərkəz nöqtəsində r=0 ən yüksək temperatur T 132,39,160,32,196,34，

205,57,206,95， və 226,05C, müvafiq olaraq 1,2，4,6,10， və 20 s şüalanma müddətləri üçün. Girov zədələnməsini təhlil etmək üçün ablasiya edilmiş toxuma səthində temperaturun paylanması simulyasiya edilir. Bu, uyğun olaraq həyata keçirilir. bioloji toxuma üçün istilik keçiriciliyi nəzəriyyəsi126】və bioloji toxumada lazerin yayılması nəzəriyyəsi 【27】donuz beyninin optik parametrləri ilə birləşdirilmiş 1281.
Simulyasiya giriş Qauss şüası fərziyyəsi ilə həyata keçirilir. Təcrübədə istifadə edilən bioloji toxuma təcrid olunmuş donuz beyin toxuması olduğundan, qan və maddələr mübadiləsinin temperatura təsiri nəzərə alınmır və donuz beyin toxuması sadələşdirilir. Simulyasiya üçün silindrin forması. Simulyasiyada istifadə olunan parametrlər Cədvəl 1-də ümumiləşdirilmişdir. Şəkil 5-də göstərilən bərk əyrilər altı müxtəlif şüalanma üçün toxuma səthində ablasiya mərkəzi ilə bağlı simulyasiya edilmiş radial temperatur paylamalarıdır. Onlar mərkəzdən periferiyaya qədər Qauss temperatur profilini nümayiş etdirirlər. Şəkil 5-dən görünür ki, eksperimental məlumatlar simulyasiya edilmiş nəticələrlə yaxşı işləyir. Şəkil 5-dən də görünür ki, simulyasiya edilmiş temperatur mərkəzin mərkəzində Hər şüalanma üçün şüalanma müddəti artdıqca ablasyon mövqeyi artır. Əvvəlki tədqiqatlar göstərmişdir ki, toxumadakı hüceyrələr aşağıdakı temperaturlarda mükəmməl təhlükəsizdirlər.55C, bu o deməkdir ki, hüceyrələr Şəkil 5-dəki əyrilərin yaşıl zonalarında (T<55C) aktiv qalırlar. Hər əyrinin sarı zonası (55C)60C）。Şəkil 5-də müşahidə oluna bilər ki, T=60°Care-də simulyasiya edilmiş ablasiya radiusları 1,2,4， şüalanma müddətləri üçün müvafiq olaraq 0,774,0,873,0,993,1,071,1,198 və 1,364 mm 10， və 20s, T=55C-də simulyasiya edilmiş ablasiya radiusu müvafiq olaraq 0,805,0,908,1,037,1,134,1,271， və 1,456 mm olduqda. 1,2,4,6,10 və 20 s şüalanma üçün müvafiq olaraq 2.394,3.098,3.604,4.509, və 5.845 mm2. Girov zədələnmə sahəsi olan sahə 0.003,0.0040.017,10.0.0. və 0,027 mm2. Görünür ki, lazer ablasiya zonaları və girov zədələnmə zonaları şüalanma müddəti ilə artır. Girov zədələnmə nisbətini 55C s T60C-də girov zədələnmə sahəsinin nisbəti olaraq təyin edirik. Girov zədələnmə nisbəti tapılır. müxtəlif şüalanma müddətləri üçün 8.17%, 8.18%, 9.06%, 12.11%, 12.56% və 13.94% olmalıdır, bu da ablasiya edilmiş toxumaların yan zədələnməsinin kiçik olduğunu göstərir. Buna görə də, hərtərəfli təcrübəl Məlumatlar və simulyasiya nəticələri göstərir ki, bu yığcam, yüksək güclü, bütün bərk hallı 6,45 um ZGP-OPO lazer bioloji toxumaların effektiv ablasyonunu təmin edir. Yekun olaraq, biz yığcam, yüksək güclü, tam bərk vəziyyət nümayiş etdirmişik. MIR ns ZGP-OPO yanaşmasına əsaslanan 6,45 um lazer mənbəyi impuls etdi. Maksimum orta güc 1,53 Vt olan maksimum güc 3,65 kVt və orta şüa keyfiyyət əmsalı M2=1,19 ilə əldə edildi. Bu 6,45 um MIR radiasiyasından istifadə edərək, a toxumanın lazer ablasiyası ilə bağlı sübut-of-prinsip eksperiment aparıldı. Ablasiya edilmiş toxuma səthində temperaturun paylanması eksperimental olaraq ölçüldü və nəzəri olaraq simulyasiya edildi. Ölçülmüş məlumatlar simulyasiya edilmiş nəticələrlə yaxşı uyğunlaşdı. Bundan əlavə, girov zədəsi nəzəri cəhətdən təhlil edildi. ilk dəfədir. Bu nəticələr təsdiqləyir ki, bizim masa üstü MIR pulse lazerimiz 6,45 um-də bioloji toxumaların effektiv ablasiyasını təklif edir və tibbi və biologiya elmində praktiki alət olmaq üçün böyük potensiala malikdir, çünki o, böyük FEL-i əvəz edə bilər.lazer skalpel.