Se demuestra un láser de infrarrojo medio (MIR) de estado sólido compacto y robusto a 6,45 um con una potencia de salida promedio alta y una calidad de haz casi gaussiana. Una potencia de salida máxima de 1,53 W con un ancho de pulso de aproximadamente 42 ns a 10 kHz se logra utilizando un oscilador paramétrico óptico ZnGeP2 (ZGP) (OPO). Esta es la potencia promedio más alta a 6,45 um de cualquier láser de estado sólido hasta donde sabemos.El factor de calidad de haz medio se mide en M2=1,19.
Además, se confirma la alta estabilidad de la potencia de salida, con una fluctuación de potencia inferior al 1,35 %rms durante 2 horas, y el láser puede funcionar de manera eficiente durante más de 500 horas en total. Usando este pulso de 6,45 um como fuente de radiación, la ablación del animal se prueba el tejido cerebral. Además, el efecto del daño colateral se analiza teóricamente por primera vez, según nuestro conocimiento, y los resultados indican que este láser MIR tiene una excelente capacidad de ablación, lo que lo convierte en un reemplazo potencial para los láseres de electrones libres.©2022 Optica Publishing Group

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

La radiación láser de infrarrojo medio (MIR) de 6,45 um tiene aplicaciones potenciales en los campos de la medicina de alta precisión debido a sus ventajas de una tasa de ablación sustancial y daños colaterales mínimos 【1】. Láseres de electrones libres (FEL), láseres de vapor de estroncio, gas Los láseres Raman y los láseres de estado sólido basados ​​en un oscilador paramétrico óptico (OPO) o generación de frecuencia diferencial (DFG) son fuentes láser de 6,45 um comúnmente utilizadas. Sin embargo, el alto costo, el gran tamaño y la estructura compleja de los FEL restringen su aplicación. Los láseres de vapor de estroncio y los láseres Raman de gas pueden obtener las bandas objetivo, pero ambos tienen poca estabilidad, ser-
El vicio vive y requiere un mantenimiento complejo. Los estudios demostraron que los láseres de estado sólido de 6,45 um producen un rango de daño térmico menor en los tejidos biológicos y que su profundidad de ablación es más profunda que la de un FEL en las mismas condiciones, lo que verificó que pueden ser utilizado como una alternativa efectiva a los FEL para la ablación de tejido biológico 【2】. Además, los láseres de estado sólido tienen las ventajas de una estructura compacta, buena estabilidad y

operación de sobremesa, lo que las convierte en herramientas prometedoras para obtener una fuente de luz de 6,45 μn.Como es bien sabido, los cristales infrarrojos no lineales juegan un papel importante en el proceso de conversión de frecuencia utilizado para lograr láseres MIR de alto rendimiento. En comparación con los cristales infrarrojos de óxido con un borde de corte de 4 um, los cristales sin óxido son adecuado para generar láseres MIR. Estos cristales incluyen la mayoría de los calcogenuros, como AgGaS2 (AGS) 【3,41, LiInS2 (LIS) 【5,61, LilnSe2 (LISe) 【7】, BaGaS (BGS) 【8,9 】，y BaGaSe（BGSe）【10-12】，así como los compuestos de fósforo CdSiP2（CSP）【13-16】y ZnGeP2 （ZGP）【17】; los dos últimos tienen coeficientes no lineales relativamente grandes. ejemplo, la radiación MIR se puede obtener usando CSP-OPO. Sin embargo, la mayoría de los CSP-OPO operan en una escala de tiempo ultracorta (pico y femtosegundo) y son bombeados sincrónicamente por láseres bloqueados en modo de aproximadamente 1 um. Desafortunadamente, estos OPO bombeados sincrónicamente（ Los sistemas SPOPO） tienen una configuración compleja y son costosos. Sus potencias promedio también son inferiores a 100 mW a alrededor de 6,45 um【13-16】. En comparación con el cristal CSP, ZGP tiene un mayor daño por láser.Shold (60 MW/cm2), una conductividad térmica más alta (0,36 W/cm K), y un coeficiente no lineal comparable (75pm/V). Por lo tanto, ZGP es un excelente cristal óptico no lineal MIR para alta potencia o alta. aplicaciones de energía 【18-221. Por ejemplo, se demostró una cavidad plana ZGP-OPO con un rango de sintonización de 3.8-12.4 um bombeado por un láser de 2.93 um. La energía máxima de un solo pulso de la luz inactiva a 6.6 um fue 1,2 mJ 【201. Para la longitud de onda específica de 6,45 um, se logró una energía máxima de pulso único de 5,67 mJ a una frecuencia de repetición de 100 Hz usando una cavidad OPO de anillo no plano basada en un cristal ZGP. Con una repetición frecuencia de 200 Hz, se alcanzó una potencia de salida promedio de 0,95 W 【221. Hasta donde sabemos, esta es la potencia de salida más alta alcanzada a 6,45 um.Los estudios existentes sugieren que se necesita una potencia promedio más alta para una ablación tisular eficaz 【23】. Por lo tanto, el desarrollo de una fuente láser práctica de 6,45 um de alta potencia sería de gran importancia en la promoción de la medicina biológica.En esta carta, informamos sobre un láser MIR 6,45 um de estado sólido simple y compacto que tiene una potencia de salida promedio alta y se basa en un ZGP-OPO bombeado por un pulso de nanosegundo (ns) 2,09 um

láser. La potencia de salida promedio máxima del láser de 6,45 um es de hasta 1,53 W con un ancho de pulso de aproximadamente 42 ns a una frecuencia de repetición de 10 kHz, y tiene una excelente calidad de haz. El efecto de ablación del láser de 6,45 um en tejido animal se investiga. Este trabajo muestra que el láser es un enfoque eficaz para la ablación tisular real, ya que actúa como un bisturí láser.La configuración experimental se muestra en la Fig. 1. El ZGP-OPO es bombeado por un láser Ho:YAG de 2,09 um bombeado por LD hecho en casa que proporciona 28 W de potencia promedio a 10 kHz, con una duración de pulso de aproximadamente 102 ns（ FWHM) y un factor de calidad de haz medio M2 de aproximadamente 1,7. MI y M2 son dos espejos de 45 con un revestimiento altamente reflectante de 2,09 um. Estos espejos permiten el control de la dirección del haz de bombeo. Dos lentes de enfoque (f1 = 100 mm) ,f2=100 mm) se aplican para la colimación del haz con un diámetro de haz de aproximadamente 3,5 mm en el cristal ZGP. Se utiliza un aislador óptico (ISO) para evitar que el haz de la bomba regrese a la fuente de la bomba de 2,09 um. Una placa de media onda (HWP) a 2,09 um se utiliza para controlar la polarización de la luz de la bomba. M3 y M4 son espejos de cavidad OPO, con CaF2 plano utilizado como material de sustrato. El espejo frontal M3 tiene un revestimiento antirreflectante (98%) para la bomba Haz de luz y revestimiento de alta reflexión (98 %) para la rueda loca de 6,45 um y ondas de señal de 3,09 um. El espejo de salida M4 es altamente reflectante (98 %) a 2,09um y 3,09 um y permite la transmisión parcial de la rueda loca de 6,45 um.El cristal ZGP se corta a 6-77,6° yp=45° para la coincidencia de fase tipo JⅡ 【2090,0 (o)6450,0 (o)+3091,9 (e)】, que es más adecuado para una longitud de onda específica y produce luz paramétrica con un ancho de línea en comparación con la coincidencia de fase tipo I. Las dimensiones del cristal ZGP son 5 mm x 6 mm x 25 mm, y está pulido y con un revestimiento antirreflectante en ambas caras de los extremos para las tres ondas anteriores. Está envuelto en lámina de indio y fijado en un disipador de calor de cobre con refrigeración por agua (T = 16). La longitud de la cavidad es de 27 mm. El tiempo de ida y vuelta del OPO es de 0,537 ns para el láser de bomba. Probamos el umbral de daño del cristal ZGP por el R -on-I method 【17】. El umbral de daño del cristal ZGP se midió en 0,11 J/cm2 a 10 kHz. En el experimento, corresponde a una densidad de potencia máxima de 1,4 MW/cm2, que es baja debido a la calidad de recubrimiento relativamente pobre.La potencia de salida de la luz inactiva generada se mide con un medidor de energía (D,OPHIR, 1 uW a 3 W), y la longitud de onda de la señal de luz se controla con un espectrómetro (APE, 1,5-6,3 m). obtener una alta potencia de salida de 6,45 um, optimizamos el diseño de los parámetros del OPO. Se lleva a cabo una simulación numérica basada en la teoría de mezcla de tres ondas y las ecuaciones de propagación paraxial 【24,25】; en la simulación, emplee los parámetros correspondientes a las condiciones experimentales y suponga un pulso de entrada con un perfil gaussiano en el espacio y el tiempo. La relación entre el espejo de salida OPO

La transmitancia, la intensidad de la potencia de la bomba y la eficiencia de salida se optimizan manipulando la densidad del haz de la bomba en la cavidad para lograr una mayor potencia de salida y, al mismo tiempo, evitar daños en el cristal ZGP y los elementos ópticos. Por lo tanto, la potencia máxima de la bomba se limita a unos 20 W para la operación ZGP-OPO. Los resultados simulados muestran que mientras se utiliza un acoplador de salida óptimo con una transmitancia del 50 %, la densidad de potencia pico máxima es de solo 2,6 x 10 W/cm2 en el cristal ZGP, y una potencia de salida promedio de más de 1,5 W. La figura 2 muestra la relación entre la potencia de salida medida de la rueda loca a 6,45 um y la potencia incidente de la bomba. En la figura 2 se puede ver que la potencia de salida de la rueda loca aumenta monótonamente con la potencia incidente de la bomba. El umbral de la bomba corresponde a una potencia promedio de la bomba de 3,55 WA. La potencia máxima de salida de la polea loca de 1,53 W se logra con una potencia de la bomba de aproximadamente 18,7 W, lo que corresponde a una eficiencia de conversión óptica a óptica of aproximadamente 8.20%% y una eficiencia de conversión cuántica de 25.31%. Para seguridad a largo plazo, el láser se opera a cerca del 70% de su potencia de salida máxima. La estabilidad de potencia se mide a una potencia de salida de IW, como se muestra en el recuadro （a）en la Fig. 2. Se encuentra que la fluctuación de potencia medida es inferior al 1,35% rms en 2 h, y que el láser puede funcionar de manera eficiente durante más de 500 h en total. La longitud de onda de la onda de la señal se mide en lugar de la de la rueda loca debido al rango de longitud de onda limitado del espectrómetro (APE, 1,5-6,3 um) utilizado en nuestro experimento. La longitud de onda de la señal medida se centra en 3,09 um y el ancho de la línea es de aproximadamente 0,3 nm, como se muestra en el recuadro (b) de la Fig. 2. La longitud de onda central de la rueda loca se deduce entonces que es de 6,45 um. El ancho de pulso de la rueda loca es detectado por un fotodetector (Thorlabs, PDAVJ10) y registrado por un osciloscopio digital (Tcktronix, 2GHz) ）。Una forma de onda de osciloscopio típica se muestra en la Fig. 3 y muestra un ancho de pulso de aproximadamente 42 ns. El ancho de pulsoes un 41,18 % más angosto para el impulso de 6,45 um en comparación con el pulso de bomba de 2,09 um debido al efecto de reducción de la ganancia temporal del proceso de conversión de frecuencia no lineal. Como resultado, la potencia máxima del impulso correspondiente es de 3,56 kW. El rodillo de 6,45 um se mide con un rayo láser

analizador (Spiricon,M2-200-PIII) a 1 W de potencia de salida, como se muestra en la Fig. 4. Los valores medidos de M2 ​​y M,2 son 1,32 y 1,06 a lo largo del eje x y el eje y, respectivamente, correspondientes a un factor de calidad de haz promedio de M2=1,19. El insecto de la Fig. 4 muestra el perfil de intensidad de haz bidimensional (2D), que tiene un modo espacial casi gaussiano. Para verificar que el pulso de 6,45 um proporciona una ablación efectiva, Se lleva a cabo un experimento de prueba de principio que involucra la ablación con láser de cerebro porcino. Se emplea una lente f = 50 para enfocar el haz de pulso de 6,45 um en un radio de cintura de aproximadamente 0,75 mm. La posición que se va a extirpar en el tejido cerebral porcino se coloca en el foco del rayo láser. La temperatura de la superficie (T) del tejido biológico en función de la ubicación radial r se mide mediante una termocámara (FLIR A615) sincrónicamente durante el proceso de ablación. Las duraciones de la irradiación son 1 ,2,4,6,10，y 20 s a una potencia láser de I W. Para cada duración de irradiación, se seleccionan seis posiciones de muestra: r = 0,0,62,0,703,1.91,3.05, y 4,14 mm a lo largo de la dirección radial con respecto al punto central de la posición de irradiación, como se muestra en la Fig. 5. Los cuadrados son los datos de temperatura medidos. En la Fig. 5 se encuentra que la temperatura de la superficie en la posición de ablación en el tejido aumenta con el aumento de la duración de la irradiación. Las temperaturas más altas T en el punto central r=0 son 132,39,160,32,196,34,

205.57,206.95 y 226.05C para duraciones de irradiación de 1,2,4,6,10 y 20 s, respectivamente. Para analizar el daño colateral, se simula la distribución de temperatura en la superficie del tejido ablacionado. Esto se lleva a cabo de acuerdo con la teoría de la conducción térmica para el tejido biológico 126】y la teoría de la propagación del láser en el tejido biológico 【27】combinada con los parámetros ópticos del cerebro porcino 1281.
La simulación se realiza con la suposición de un haz gaussiano de entrada. Dado que el tejido biológico utilizado en el experimento es tejido cerebral porcino aislado, se ignora la influencia de la sangre y el metabolismo en la temperatura, y el tejido cerebral porcino se simplifica en el forma de un cilindro para la simulación. Los parámetros utilizados en la simulación se resumen en la Tabla 1. Las curvas sólidas que se muestran en la Fig. 5 son las distribuciones de temperatura radial simulada con respecto al centro de ablación en la superficie del tejido para las seis irradiaciones diferentes. duraciones. Exhiben un perfil de temperatura gaussiana desde el centro hasta la periferia. Es evidente en la Fig. 5 que los datos experimentales concuerdan bien con los resultados simulados. También es evidente en la Fig. 5 que la temperatura simulada en el centro de la la posición de ablación aumenta a medida que aumenta la duración de la irradiación para cada irradiación. Investigaciones anteriores han demostrado que las células del tejido son perfectamente seguras a temperaturas inferiores a55C, lo que significa que las celdas permanecen activas en las zonas verdes (T<55C) de las curvas en la Fig. 5. La zona amarilla de cada curva (55C)60C）。Se puede observar en la Fig.5 que los radios de ablación simulados a T=60°Care0.774,0.873,0.993,1.071,1.198 y 1.364 mm,respectivamente,para duraciones de irradiación de 1,2,4，6, 10 y 20 s, mientras que los radios de ablación simulados a T=55C son 0,805, 0,908, 1,037, 1,134, 1,271 y 1,456 mm, respectivamente. Al analizar cuantitativamente el efecto de ablación, se encuentra que el área con células muertas es 1,882, 2,394, 3,098, 3,604, 4,509 y 5,845 mm2 para 1, 2, 4, 6, 10 y 20 s de irradiación, respectivamente. y 0,027 mm2. Se puede ver que las zonas de ablación láser y las zonas de daño colateral aumentan con la duración de la irradiación. Definimos la relación de daño colateral como la relación del área de daño colateral a 55C s T60C. Se encuentra la relación de daño colateral ser 8,17 %, 8,18 %, 9,06 %, 12,11 %, 12,56 % y 13,94 % para diferentes tiempos de irradiación, lo que significa que el daño colateral de los tejidos ablacionados es pequeño.Los datos y los resultados de la simulación muestran que este láser ZGP-OPO compacto, de alta potencia y de estado sólido de 6,45 um proporciona una ablación eficaz de los tejidos biológicos. En conclusión, hemos demostrado un láser compacto, de alta potencia y de estado sólido Fuente láser MIR pulsada de 6,45 um basada en un enfoque ns ZGP-OPO. Se obtuvo una potencia media máxima de 1,53 W con una potencia máxima de 3,65 kW y un factor de calidad de haz medio de M2=1,19. Utilizando esta radiación MIR de 6,45 um,a Se realizó un experimento de prueba de principio sobre la ablación láser de tejido. La distribución de temperatura en la superficie del tejido ablacionado se midió experimentalmente y se simuló teóricamente. Los datos medidos concordaron bien con los resultados simulados. Además, el daño colateral se analizó teóricamente. por primera vez. Estos resultados verifican que nuestro láser de pulso MIR de mesa a 6,45 um ofrece una ablación efectiva de tejidos biológicos y tiene un gran potencial para ser una herramienta práctica en la ciencia médica y biológica, ya que podría reemplazar un FEL voluminoso comoun bisturí láser.