Viene dimostrato un laser a medio infrarosso （MIR） compatto e robusto a stato solido a 6,45 um con un'elevata potenza di uscita media e una qualità del raggio quasi gaussiana. Una potenza di uscita massima di 1,53 W con una larghezza di impulso di circa 42 ns a 10 kHz si ottiene utilizzando un oscillatore parametrico ottico ZnGeP2（ZGP）（OPO）。Questa è la potenza media più alta a 6,45 um di qualsiasi laser a stato solido al meglio delle nostre conoscenze.Il fattore di qualità medio del raggio misurato è M2=1,19.
Inoltre, è confermata l'elevata stabilità della potenza di uscita, con una fluttuazione di potenza inferiore all'1,35% rms su 2 ore, e il laser può funzionare in modo efficiente per più di 500 ore in totale. Utilizzando questo impulso di 6,45 um come sorgente di radiazione, l'ablazione dell'animale il tessuto cerebrale viene testato. Inoltre, l'effetto del danno collaterale viene teoricamente analizzato per la prima volta, al meglio delle nostre conoscenze, ei risultati indicano che questo laser MIR ha un'eccellente capacità di ablazione, rendendolo un potenziale sostituto dei laser a elettroni liberi.©2022 Gruppo Editoriale Ottica

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

La radiazione laser a medio infrarosso（MIR）6,45 um ha potenziali applicazioni nei campi della medicina di alta precisione grazie ai suoi vantaggi di un tasso di ablazione sostanziale e danni collaterali minimi 【1】.Laser a elettroni liberi （FEL）， laser a vapore di stronzio, gas I laser Raman e i laser a stato solido basati su un oscillatore parametrico ottico (OPO) o sulla generazione di frequenza differenziale (DFG) sono sorgenti laser comunemente utilizzate da 6,45 um. Tuttavia, il costo elevato, le grandi dimensioni e la struttura complessa dei FEL ne limitano applicazione. I laser a vapore di stronzio e i laser Raman a gas possono ottenere le bande target, ma entrambi hanno una scarsa stabilità, un breve ser-
vizio, e richiedono una manutenzione complessa. Gli studi hanno dimostrato che i laser a stato solido da 6,45 um producono un intervallo di danno termico più piccolo nei tessuti biologici e che la loro profondità di ablazione è più profonda di quella di un FEL nelle stesse condizioni, che hanno verificato che possono essere utilizzato come alternativa efficace ai FEL per l'ablazione di tessuti biologici 【2】. Inoltre, i laser a stato solido presentano i vantaggi di una struttura compatta, una buona stabilità e

funzionamento da tavolo, rendendoli strumenti promettenti per ottenere una sorgente di luce da 6,45 μn.Come è noto, i cristalli a infrarossi non lineari svolgono un ruolo importante nel processo di conversione della frequenza utilizzato per ottenere laser MIR ad alte prestazioni. Rispetto ai cristalli a infrarossi di ossido con un bordo di taglio di 4 um, i cristalli non di ossido sono buoni adatti alla generazione di laser MIR. Questi cristalli includono la maggior parte dei calcogenuri, come AgGaS2 （AGS）【3,41，LiInS2（LIS）【5,61， LilnSe2 （LISe）【7】，BaGaS（BGS）【8,9 】，e BaGaSe（BGSe）【10-12】，così come i composti del fosforo CdSiP2（CSP）【13-16】 e ZnGeP2 （ZGP）【17】；gli ultimi due hanno entrambi coefficienti non lineari relativamente grandi. Per ad esempio, la radiazione MIR può essere ottenuta utilizzando CSP-OPO. Tuttavia, la maggior parte dei CSP-OPO opera su una scala temporale ultracorta (pico-e femtosecondi) e viene pompata in modo sincrono da circa 1 um laser con modalità bloccata. Sfortunatamente, questi OPO pompati in modo sincrono （ I sistemi SPOPO） hanno una configurazione complessa e sono costosi. Le loro potenze medie sono anche inferiori a 100 mW a circa 6,45 um 【13-16】. Rispetto al cristallo CSP, ZGP ha un danno laser superioreshold（60 MW/cm2），una maggiore conduttività termica（0,36 W/cmK），e un coefficiente non lineare comparabile（75pm/V）。Pertanto, ZGP è un eccellente cristallo ottico non lineare MIR per alta potenza o applicazioni energetiche 【18-221. Ad esempio, è stata dimostrata una cavità piatta-piatta ZGP-OPO con un intervallo di sintonia di 3,8-12,4 um pompata da un laser da 2,93 um. L'energia massima a impulso singolo della luce idler a 6,6 um era 1,2 mJ 【201.Per la lunghezza d'onda specifica di 6,45 um, è stata ottenuta un'energia di impulso singolo massima di 5,67 mJ a una frequenza di ripetizione di 100 Hz utilizzando una cavità OPO ad anello non planare basata su un cristallo ZGP. Con una ripetizione frequenza di 200 Hz, è stata raggiunta una potenza di uscita media di 0,95 W 【221. Per quanto ne sappiamo, questa è la potenza di uscita più alta raggiunta a 6,45 um.Gli studi esistenti suggeriscono che è necessaria una potenza media più elevata per un'efficace ablazione dei tessuti 【23】. Pertanto, lo sviluppo di una pratica sorgente laser ad alta potenza da 6,45 um sarebbe di grande importanza nella promozione della medicina biologica.In questa lettera, riportiamo un laser MIR 6,45 um a stato solido semplice e compatto che ha un'elevata potenza di uscita media e si basa su un ZGP-OPO pompato da un nanosecondo (ns) -impulso 2,09 um

laser.La potenza di uscita media massima del laser da 6,45 um è fino a 1,53 W con una larghezza dell'impulso di circa 42 ns a una frequenza di ripetizione di 10 kHz e ha un'eccellente qualità del raggio. L'effetto di ablazione del laser da 6,45 um sul tessuto animale è oggetto di studio.Questo lavoro mostra che il laser è un approccio efficace per l'ablazione tissutale reale, poiché agisce come un bisturi laser.La configurazione sperimentale è illustrata in Fig.1. Lo ZGP-OPO è pompato da un laser Ho:YAG da 2,09 um pompato LD fatto in casa che fornisce 28 W di potenza media a 10 kHz. con una durata dell'impulso di circa 102 ns（ FWHM） e un fattore di qualità del raggio medio M2 di circa 1,7.MI e M2 sono due 45 specchi con un rivestimento altamente riflettente a 2,09 um. Questi specchi consentono il controllo della direzione del raggio della pompa. Due obiettivi di messa a fuoco （f1 = 100 mm ,f2=100 mm）vengono applicati per la collimazione del raggio con un diametro del raggio di circa 3,5 mm nel cristallo ZGP. Viene utilizzato un isolatore ottico （ISO）per evitare che il raggio della pompa ritorni alla sorgente della pompa da 2,09 um.Una piastra a semionda （HWP）a 2,09 um viene utilizzato per controllare la polarizzazione della luce della pompa.M3 e M4 sono specchi con cavità OPO, con CaF2 piatto utilizzato come materiale del substrato.Lo specchio anteriore M3 è rivestito antiriflesso（98%）per la pompa fascio e rivestimento ad alta riflessione （98%）per il minimo da 6,45 um e le onde di segnale da 3,09 um. Lo specchio di uscita M4 è altamente riflettente (98%) a 2,09um e 3,09 um e consente la trasmissione parziale dell'idler da 6,45 um.Il cristallo ZGP è tagliato a 6-77,6° ep=45° per la corrispondenza di fase di tipo JⅡ 【2090.0 （o）6450.0 （o）+3091.9 （e）】，che è più adatto per una lunghezza d'onda specifica e produce luce parametrica con una più stretta larghezza di linea rispetto alla corrispondenza di fase di tipo I. Le dimensioni del cristallo ZGP sono 5 mm x 6 mm x 25 mm, ed è lucidato e rivestito antiriflesso su entrambe le sfaccettature terminali per le tre onde precedenti. È avvolto in un foglio di indio e fissato in un dissipatore di calore in rame con raffreddamento ad acqua （T=16）。La lunghezza della cavità è di 27 mm. Il tempo di andata e ritorno dell'OPO è di 0,537 ns per il laser della pompa. Abbiamo testato la soglia di danno del cristallo ZGP dalla R Metodo -on-I 【17】. La soglia di danno del cristallo ZGP è stata misurata in 0,11 J/cm2 a 10 kHz.nell'esperimento, corrispondente a una densità di potenza di picco di 1,4 MW/cm2, che è bassa a causa del qualità del rivestimento relativamente scarsa.La potenza di uscita della luce idler generata viene misurata da un misuratore di energia （D,OPHIR，da 1 uW a 3 W），e la lunghezza d'onda della luce del segnale viene monitorata da uno spettrometro （APE，1,5-6,3 m）。Al fine di otteniamo un'elevata potenza di uscita di 6,45 um, ottimizziamo la progettazione dei parametri dell'OPO. Viene eseguita una simulazione numerica basata sulla teoria della miscelazione a tre onde e sulle cquazioni di propagazione parassiale 【24,25】; nella simulazione, abbiamo impiegare i parametri corrispondenti alle condizioni sperimentali e assumere un impulso di ingresso con un profilo gaussiano nello spazio e nel tempo. La relazione tra lo specchio di uscita OPO

la trasmittanza, l'intensità della potenza della pompa e l'efficienza di uscita sono ottimizzati manipolando la densità del fascio della pompa nella cavità per ottenere una maggiore potenza di uscita evitando contemporaneamente danni al cristallo ZGP e agli elementi ottici. Pertanto, la potenza della pompa più alta è limitata a circa 20 W per il funzionamento ZGP-OPO. I risultati simulati mostrano che mentre viene utilizzato un accoppiatore di uscita ottimale con una trasmittanza del 50%, la densità di potenza di picco massima è di soli 2,6 x 10 W/cm2 nel cristallo ZGP e una potenza di uscita media è possibile ottenere più di 1,5 W. La figura 2 mostra la relazione tra la potenza di uscita misurata dell'idler a 6,45 um e la potenza della pompa incidente. Si può vedere dalla Fig.2 che la potenza di uscita dell'idler aumenta in modo monotono con il potenza della pompa incidente. La soglia della pompa corrisponde a una potenza media della pompa di 3,55 WA la massima potenza di uscita del minimo di 1,53 W si ottiene con una potenza della pompa di circa 18,7 W, che corrisponde a un'efficienza di conversione ottica-ottica of circa 8,20%% e una cflicienza di conversione quantistica del 25,31%. Per la sicurezza a lungo termine, il laser funziona a quasi il 70% della sua potenza di uscita massima. La stabilità della potenza è misurata a una potenza di uscita di IW, come mostrato nel riquadro （a） in Fig.2. Si è riscontrato che la fluttuazione della potenza misurata è inferiore a 1,35% rms in 2 ore e che il laser può funzionare in modo efficiente per più di 500 ore in totale. La lunghezza d'onda dell'onda del segnale viene misurata invece di quella dell'idler a causa della gamma limitata di lunghezze d'onda dello spettrometro （APE，1,5-6,3 um） utilizzato nel nostro esperimento. La lunghezza d'onda del segnale misurato è centrata a 3,09 um e la larghezza della linea è di circa 0,3 nm, come mostrato nel riquadro （b） della Fig.2. La lunghezza d'onda centrale dell'idler viene quindi dedotta in 6,45 um. La larghezza dell'impulso dell'idler viene rilevata da un fotorilevatore （Thorlabs, PDAVJ10） e registrata da un oscilloscopio digitale（Tcktronix，2GHz ）。Una tipica forma d'onda dell'oscilloscopio è mostrata in Fig.3 e mostra una larghezza di impulso di circa 42 ns. La larghezza di impulsoè del 41,18% più stretto per l'idler da 6,45 um rispetto all'impulso della pompa da 2,09 um a causa dell'effetto di restringimento del guadagno temporale del processo di conversione della frequenza non lineare. Di conseguenza, la potenza di picco dell'impulso idler corrispondente è 3,56 kW. Il minimo di 6,45 um viene misurato con un raggio laser

analizzatore （Spiricon,M2-200-PIII）a 1 W di potenza in uscita, come mostrato in Fig.4. I valori misurati di M2 e M，2 sono 1,32 e 1,06 lungo l'asse x e l'asse y, rispettivamente, corrispondenti a un fattore di qualità del raggio medio di M2 = 1,19. L'insct di Fig.4 mostra il profilo di intensità del raggio bidimensionale (2D), che ha una modalità spaziale quasi gaussiana. Per verificare che l'impulso di 6,45 um fornisca un'ablazione efficace, viene eseguito un esperimento di prova di principio che coinvolge l'ablazione laser del cervello suino. Viene utilizzata una lente f=50 per focalizzare il raggio di impulso di 6,45 um su un raggio della vita di circa 0,75 mm. La posizione da ablare sul tessuto cerebrale suino è posto al fuoco del raggio laser. La temperatura superficiale (T) del tessuto biologico in funzione della posizione radiale r viene misurata da una termocamera (FLIR A615) in modo sincrono durante il processo di ablazione. La durata dell'irradiazione è 1 ,2,4,6,10，e 20 s con una potenza laser di I W. Per ogni durata di irradiazione, vengono blalate sei posizioni del campione:r=0,0,62,0,703,1.91,3.05，e 4,14 mm lungo la direzione radiale rispetto al punto centrale della posizione di irradiazione, come mostrato in Fig.5.I quadrati sono i dati di temperatura misurati.Si trova in Fig.5 che la temperatura superficiale nella posizione di ablazione sul tessuto aumenta con l'aumentare della durata dell'irradiazione. Le temperature più elevate T nel punto centrale r=0 sono 132,39,160,32,196,34,

205.57,206.95，e 226.05C per durate di irradiazione di 1,2，4,6,10， e 20 s, rispettivamente. Per analizzare il danno collaterale, viene simulata la distribuzione della temperatura sulla superficie del tessuto ablato. la teoria della conduzione termica per il tessuto biologico126】e la teoria della propagazione del laser nel tessuto biologico 【27】in combinazione con i parametri ottici del cervello suino 1281.
La simulazione viene eseguita con l'assunzione di un raggio gaussiano di input. Poiché il tessuto biologico utilizzato nell'esperimento è tessuto cerebrale suino isolato, l'influenza del sangue e del metabolismo sulla temperatura viene ignorata e il tessuto cerebrale suino viene semplificato nel forma di un cilindro per la simulazione.I parametri utilizzati nella simulazione sono riassunti nella Tabella 1.Le curve solide mostrate in Fig.5 sono le distribuzioni di temperatura radiale simulate rispetto al centro di ablazione sulla superficie del tessuto per le sei diverse irradiazioni esibiscono un profilo di temperatura gaussiano dal centro alla periferia. È evidente dalla Fig.5 che i dati sperimentali concordano bene con i risultati simulati. È anche evidente dalla Fig.5 che la temperatura simulata al centro della la posizione di ablazione aumenta all'aumentare della durata dell'irradiazione per ciascuna irradiazione. Ricerche precedenti hanno dimostrato che le cellule del tessuto sono perfettamente sicure alle temperature inferiori55C, il che significa che le cellule rimangono attive nelle zone verdi （T<55C）delle curve in Fig.5.La zona gialla di ciascuna curva（55C60C）。Si può osservare in Fig.5 che i raggi di ablazione simulati a T=60°Care0.774,0.873,0.993,1.071,1.198e 1.364 mm,rispettivamente,per durate di irradiazione di 1,2,4，6, 10， e 20s, mentre i raggi di ablazione simulati a T = 55C sono rispettivamente 0,805,0,908,1,037,1,134,1,271 e 1,456 mm. Analizzando quantitativamente l'effetto di ablazione, l'arca con cellule morte risulta essere 1,882, 2.394,3.098,3.604,4.509，e5.845 mm2 per 1,2,4,6,10，e 20 secondi di irraggiamento, rispettivamente. L'area con area di danno collaterale risulta essere 0.003,0.0040.006,0.013,0.017， e 0,027 mm2. Si può vedere che le zone di ablazione laser e le zone di danno collaterale aumentano con la durata dell'irradiazione. Definiamo il rapporto di danno collaterale come il rapporto dell'area di danno collaterale a 55C s T60C. Si trova il rapporto di danno collaterale essere 8,17%, 8,18%, 9,06%, 12,11%, 12,56%, e 13,94% per diversi tempi di irradiazione, il che significa che il danno collaterale dei tessuti ablati è piccolo. Pertanto, esperimenti completil i dati e i risultati della simulazione mostrano che questo laser ZGP-OPO compatto, ad alta potenza, a stato solido da 6,45 um fornisce un'efficace ablazione dei tessuti biologici. In conclusione, abbiamo dimostrato un compatto, ad alta potenza, tutto a stato solido Sorgente laser a impulsi MIR da 6,45 um basata su un approccio ns ZGP-OPO. È stata ottenuta una potenza media massima di 1,53 W con una potenza di picco di 3,65 kW e un fattore di qualità del raggio medio di M2 = 1,19. Utilizzando questa radiazione MIR di 6,45 um, a è stato eseguito un esperimento di prova di principio sull'ablazione laser del tessuto. La distribuzione della temperatura sulla superficie del tessuto ablato è stata misurata sperimentalmente e simulata teoricamente. I dati misurati concordavano bene con i risultati simulati. Inoltre, il danno collaterale è stato teoricamente analizzato per la prima volta. Questi risultati verificano che il nostro laser a impulsi MIR da tavolo a 6,45 um offre un'ablazione efficace dei tessuti biologici e ha un grande potenziale per essere uno strumento pratico nelle scienze mediche e biologiche, poiché potrebbe sostituire un ingombrante FEL comeun bisturi laser.