Орташа инфрақызыл 6,45 мкм жоғары орташа шығыс қуаты және жақын Гаусс сәулесінің сапасы бар ықшам және берік толық күйдегі орташа инфрақызыл (MIR) лазері көрсетілген. Максималды шығыс қуаты 1,53 Вт, импульстік ені 10-да шамамен 42 нс. кГц ZnGeP2（ZGP）оптикалық параметрлік осциллятор (OPO）) арқылы қол жеткізіледі。Бұл біздің білуімізше кез келген қатты күйдегі лазердің 6,45 umм шамасында ең жоғары орташа қуат.Сәуле сапасының орташа коэффициенті M2=1,19 деп өлшенеді.
Сонымен қатар, 2 сағат ішінде 1,35% rms-тен аз қуат ауытқуымен жоғары шығыс қуатының тұрақтылығы расталды және лазер барлығы 500 сағаттан астам тиімді жұмыс істей алады. Осы 6,45 мм импульсті сәулелену көзі ретінде пайдалану, жануардың абляциясы ми тіндері сыналады. Сонымен қатар, біздің білуімізше, коллатеральды зақымдану әсері теориялық тұрғыдан алғаш рет талданады және нәтижелер бұл MIR лазерінің тамаша абляциялық қабілеті бар екенін көрсетеді, бұл оны бос электронды лазерлерді әлеуетті алмастыруға айналдырады.©2022 Optica Publishing Group

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

Орта инфрақызыл (MIR) 6,45 um лазерлік сәулелену айтарлықтай абляция жылдамдығының және ең аз кепілді зақымдалудың артықшылығына байланысты жоғары дәлдіктегі медицина салаларында әлеуетті қолданбаларға ие 【1】. Бос электронды лазерлер (FELs), лазерлік газдар, стронций газдары Раман лазерлері және оптикалық параметрлі осциллятор (OPO) немесе айырмашылық жиілігін генерациялау (DFG) негізіндегі қатты күйдегі лазерлер 6,45 um лазер көздерінде жиі пайдаланылады. Дегенмен, жоғары құны, үлкен өлшемдері және FEL-дің күрделі құрылымы олардың пайдалануын шектейді. Қолдану. Стронций буының лазерлері және газ Раман лазерлері мақсатты жолақтарды ала алады, бірақ екеуінің де тұрақтылығы нашар, сергіткіштері қысқа.
6,45 um қатты күйдегі лазерлер биологиялық тіндерде термиялық зақымдану диапазонын азырақ шығаратынын және олардың абляция тереңдігі бірдей жағдайларда FEL-ге қарағанда тереңірек болатынын көрсетті, бұл олардың жұмыс істей алатынын растады. 【2】 биологиялық тіндердің абляциясы үшін FEL-ге тиімді балама ретінде пайдаланылуы мүмкін. Сонымен қатар, қатты күйдегі лазерлердің ықшам құрылымы, жақсы тұрақтылығы және артықшылықтары бар.

үстел үстіндегі жұмыс, оларды a6,45μn жарық көзін алу үшін перспективті құралдарға айналдырады.Белгілі болғандай, сызықты емес инфрақызыл кристалдар жоғары өнімді MIR лазерлеріне қол жеткізу үшін пайдаланылатын жиілікті түрлендіру процесінде маңызды рөл атқарады. 4 um кесу жиегі бар оксидті инфрақызыл кристалдармен салыстырғанда, тотықсыз кристалдар жақсы. MIR лазерлерін жасау үшін қолайлы. Бұл кристалдарға AgGaS2 （AGS）【3,41，LiInS2（LIS）【5,61， LilnSe2（LISe＀a】０G, (LISe＀a０G,8) сияқты халькогенидтердің көпшілігі кіреді. 】，және BaGaSe（BGSe）【10-12】, сондай-ақ фосфор қосылыстары CdSiP2（CSP）【13-16】және ZnGeP2 （ZGP）【17】нәтижелі емес екі сызықтық коэффицентке ие. мысалы, MIR сәулеленуін CSP-OPO көмегімен алуға болады. Дегенмен, CSP-OPO-лардың көпшілігі ультра қысқа (пико- және фемтосекунд) уақыт шкаласында жұмыс істейді және шамамен 1 um режимі құлыпталған лазерлермен синхронды түрде айдалады. Өкінішке орай, бұл синхронды айдалатын OPO（ SPOPO）жүйелері күрделі қондырғыға ие және қымбат. Олардың орташа қуаттары да шамамен 6,45 um【13-16】 кезінде 100 мВт-тан төмен. CSP кристалымен салыстырғанда, ZGP лазердің зақымдалуы жоғарырақ.төмен (60 МВт/см2), жоғары жылуөткізгіштік (0,36 Вт/см К) және салыстырмалы сызықты емес коэффициент (75pm/V)。Сондықтан ZGP жоғары қуатты немесе жоғары температура үшін тамаша MIR сызықты емес оптикалық кристалл болып табылады. энергетикалық қолданбалар 【18-221.Мысалы, 2,93 um лазермен айдалатын 3,8-12,4 um баптау диапазоны бар ZGP-OPO жалпақ жалпақ қуыс көрсетілді. Бос жарықтың максималды бір импульстік энергиясы 6,6 um болды. 1,2 мДж 【201. 6,45 um меншікті толқын ұзындығы үшін ZGP кристалына негізделген жазық емес сақина OPO қуысының көмегімен 100 Гц қайталау жиілігінде 5,67 мДж максималды бір импульстік энергияға қол жеткізілді. Қайталаумен 200 Гц жиілігі, орташа шығыс қуаты 0,95 Вт 【221. Бізге белгілі, бұл 6,45 um жеткен ең жоғары шығыс қуаты.Қолданыстағы зерттеулер тіндерді тиімді абляциялау үшін жоғары орташа қуат қажет екенін көрсетеді 【23】. Сондықтан практикалық жоғары қуатты 6,45 um лазер көзін жасау биологиялық медицинаны ілгерілетуде үлкен маңызға ие болар еді.Бұл хатта біз орташа шығыс қуаты жоғары және наносекунд (ns) импульсі 2,09 umм арқылы айдалатын ZGP-OPO негізіндегі қарапайым, ықшам қатты күйдегі MIR 6,45 um лазер туралы хабарлаймыз.

лазер. 6,45 um лазердің максималды орташа шығыс қуаты 10 кГц қайталау жиілігінде импульстік ені шамамен 42 нс 1,53 Вт-қа дейін және оның сәуленің тамаша сапасы бар. 6,45 um лазердің жануар тініне түсіретін әсері зерттелуде. Бұл жұмыс лазердің нақты тіндерді абляциялаудың тиімді әдісі екенін көрсетеді, өйткені ол лазерлік скальпель ретінде әрекет етеді.Эксперименттік қондырғы 1-суретте көрсетілген. ZGP-OPO үйде жасалған LD-сорғылатын 2,09 um Ho:YAG лазерімен сорылады, ол 10 кГц жиілікте 28 Вт орташа қуат береді. Импульс ұзақтығы шамамен 102 нс（ FWHM）және шамамен 1,7.MI және M2 сәуле сапасының орташа коэффициенті M2 – 2,09 мм-де жоғары шағылыстыратын жабыны бар екі 45 айна. Бұл айналар сорғы сәулесінің бағытын басқаруға мүмкіндік береді. Екі фокустау линзасы (f1 =100 мм) ,f2=100 мм) ZGP кристалында диаметрі шамамен 3,5 мм сәулені коллимациялау үшін қолданылады. Сорғы сәулесінің 2,09 um сорғы көзіне оралуын болдырмау үшін оптикалық изолятор (ISO) пайдаланылады. Жарты толқынды пластина （HWP）2,09 um шамасында сорғы жарығының поляризациясын басқару үшін пайдаланылады. M3 және M4 – OPO қуыс айналары, субстрат материалы ретінде жалпақ CaF2 қолданылады. Алдыңғы айна M3 сорғы үшін шағылысқа қарсы жабынмен қапталған (98%) 6,45 um бос және 3,09 um сигнал толқындары үшін сәуле және жоғары шағылысумен қапталған （98%）. Шығарылатын M4 айнасы 2,09 шамасында жоғары шағылыстырады（98%）um және 3,09 um және 6,45 um бос жүргіштің ішінара берілуіне мүмкіндік береді.ZGP кристалы JⅡ типті фазалық сәйкестік үшін 6-77,6° және p=45° аралығында кесілген 【2090,0 （o）6450,0 （o）+3091,9 （e）】， бұл белгілі бір толқын ұзындығы мен нақты параметрлік диапазонға сәйкес келеді I типті фазалық сәйкестікпен салыстырғанда сызық ені. ZGP кристалының өлшемдері 5 мм x 6 мм x 25 мм және ол жылтыратылған және жоғарыда көрсетілген үш толқын үшін екі шеткі жағынан шағылысуға қарсы жабынмен жабылған. Ол индий фольгасына оралған және сумен салқындатылатын мыс радиаторында бекітілген（T=16）。Қуыстың ұзындығы 27 мм. OPO айналу уақыты сорғы лазері үшін 0,537 нс. Біз ZGP кристалының зақымдану шегін R арқылы сынадық. -on-I әдісі 【17】. ZGP кристалының зақымдану шегі 10 кГц жиілікте 0,11 Дж/см2 болып өлшенді. Тәжірибеде 1,4 МВт/см2 ең жоғары қуат тығыздығына сәйкес келеді, бұл төмен болғандықтан төмен. салыстырмалы түрде төмен жабын сапасы.Жасалған бос жүріс шамының шығыс қуаты энергия өлшегішпен (D,OPHIR，1 уВт-тан 3 Вт-қа дейін) өлшенеді, ал сигнал шамының толқын ұзындығы спектрометрмен (APE，1,5-6,3 м）) бақыланады. 6,45 um жоғары шығыс қуатын аламыз, біз OPO параметрлерінің дизайнын оңтайландырамыз. Сандық модельдеу үш толқынды араластыру теориясына және параксиалды таралу теңдеулеріне негізделген 【24,25】；моделдеуде, біз эксперименттік шарттарға сәйкес келетін параметрлерді қолданады және кеңістік пен уақытта Гаусс профилі бар кіріс импульсін қабылдайды. OPO шығыс айнасының арасындағы байланыс

өткізгіштігі, сорғы қуатының қарқындылығы және шығыс тиімділігі бір уақытта ZGP кристалы мен оптикалық элементтердің зақымдалуын болдырмай, жоғары шығыс қуатына қол жеткізу үшін қуыстағы сорғы сәулесінің тығыздығын басқару арқылы оңтайландырылған. Осылайша, ең жоғары сорғы қуаты шамамен 20 болуымен шектеледі. ZGP-OPO жұмысы үшін W. Үлгіленген нәтижелер 50% өткізгіштігі бар оңтайлы шығыс қосқышы пайдаланылған кезде, ZGP кристалында максималды қуат тығыздығы тек 2,6 x 10 Вт/см2 және орташа шығыс қуаты екенін көрсетеді. 1,5 Вт-тан астам алуға болады. 2-суретте 6,45 umм-де бос жүргіштің өлшенген шығыс қуаты мен түскен сорғы қуатының арасындағы байланыс көрсетілген. 2-суреттен жұмыс істемейтін қозғалтқыштың шығыс қуаты біркелкі өсетінін көруге болады. апаттық сорғы қуаты. Сорғының табалдырығы 3,55 Вт орташа сорғы қуатына сәйкес келеді, 1,53 Вт максималды бос жұмысшы қуаты шамамен 18,7 Вт сорғы қуатында қол жеткізіледі, ол оптикалық-оптикалық түрлендіру тиімділігіне сәйкес келеді of шамамен 8,20%% және кванттық түрлендіру жылдамдығы 25,31%. Ұзақ мерзімді қауіпсіздік үшін лазер максималды шығыс қуатының 70% жуық шамасында жұмыс істейді. Қуат тұрақтылығы IW шығыс қуатында өлшенеді. (a)-суретте көрсетілген. Өлшенетін қуат ауытқуы 2 сағ ішінде 1,35% rms-тен аз болатыны және лазердің барлығы 500 сағаттан астам тиімді жұмыс істей алатыны анықталды. Сигнал толқынының толқын ұзындығы біздің тәжірибемізде қолданылған спектрометрдің (APE，1,5-6,3 um) шектеулі толқын ұзындығы диапазонына байланысты жұмыс істемейтін құрылғының орнына өлшенеді. Өлшенген сигнал толқын ұзындығы 3,09 um орталықта орналасқан және сызық ені көрсетілгендей шамамен 0,3 нм. 2-суреттің кірістіруінде (b). Бос құрылғының орталық толқын ұзындығы 6,45 мм болады. Бос қозғалтқыштың импульстік ені фотодетектор (Thorlabs, PDAVJ10) арқылы анықталады және цифрлық осциллографпен (Tcktronix) жазылады. ）。Типтік осциллографтың толқын пішіні 3-суретте көрсетілген және импульс енін шамамен 42 нс көрсетеді. Импульс енісызықты емес жиілікті түрлендіру процесінің уақытша күшейту әсеріне байланысты сорғы импульсі 2,09 umм-мен салыстырғанда 6,45 мм бос жүргіш үшін 41,18% тар. Нәтижесінде бос жүріс импульсінің ең жоғары қуаты 3,56 кВт. Сәуле сапасының коэффициенті 6,45 um бос жүріс лазер сәулесімен өлшенеді

анализатор （Spiricon,M2-200-PIII）шығыс қуаты 1 Вт, 4-суретте көрсетілгендей. M2 және M，2 өлшенген мәндері x осі мен y осі бойынша тиісінше 1,32 және 1,06, сәйкес келеді сәуле сапасының орташа коэффициенті M2=1,19. 4-суреттегі гауссқа жақын кеңістіктік режимі бар екі өлшемді (2D) сәуленің қарқындылығы профилі көрсетілген. 6,45 мм импульс тиімді абляцияны қамтамасыз ететінін тексеру үшін, шошқа миының лазерлік абляциясын қамтитын принципті дәлелдеу эксперименті жүргізілді. 6,45 um импульстік сәулені шамамен 0,75 мм бел радиусына фокустау үшін f=50 линзасы қолданылады. Шошқа миының тінінде абляцияланатын позиция лазер сәулесінің фокусында орналасады. Биологиялық тіннің бетінің температурасы r радиалды орналасуына байланысты абляция процесі кезінде термокамерамен (FLIR A615) синхронды түрде өлшенеді. Сәулелену ұзақтығы 1 құрайды. ,2,4,6,10，және I Вт лазерлік қуатта 20 с. Сәулеленудің әрбір ұзақтығы үшін алты үлгі позициясы шлифтеледі: r=0,0,62,0,703,1.91,3.05，және 5-суретте көрсетілгендей сәулелену позициясының орталық нүктесіне қатысты радиалды бағыт бойымен 4,14 мм. Шаршылар өлшенген температура деректері болып табылады. 5-суретте бет температурасының матадағы абляциялық позицияда сәулелену ұзақтығы артқан сайын артады. Орталық нүктеде r=0 ең жоғары температура T 132,39,160,32,196,34，

Сәулелену ұзақтығы тиісінше 1,2，4,6,10， және 20 с үшін 205,57,206,95，және 226,05C. Кепілдемелік зақымдануды талдау үшін абляцияланған тіннің бетіндегі температураның таралуы симуляцияланады. Бұл сәйкес жүзеге асырылады. биологиялық тінге арналған жылу өткізгіштік теориясы126】және биологиялық тінде лазерлік таралу теориясы 【27】шошқа миының оптикалық параметрлерімен біріктірілген 1281.
Модельдеу Гаусс сәулесінің кірісін болжаумен орындалады. Экспериментте қолданылатын биологиялық ұлпа шошқа миының оқшауланған ұлпасы болғандықтан, қан мен зат алмасудың температураға әсері еленбейді, ал шошқа миының ұлпасы жеңілдетілген. Модельдеу үшін цилиндр пішіні. Модельдеуде пайдаланылған параметрлер 1-кестеде жинақталған. 5-суретте көрсетілген қатты қисықтар алты түрлі сәулелену үшін тін бетіндегі абляция орталығына қатысты модельденген радиалды температураның үлестірімдері болып табылады. Олар орталықтан шетке қарай Гаусс температуралық профилін көрсетеді. 5-суреттен эксперименттік деректер модельденген нәтижелермен жақсы сәйкес келетіні анық. Сондай-ақ, 5-суреттен көрінеді. абляция позициясы әрбір сәулелену үшін сәулелену ұзақтығы ұлғайған сайын артады. Алдыңғы зерттеулер тіндегі жасушалардың төменгі температурада өте қауіпсіз екенін көрсетті.55C, бұл жасушалар 5-суреттегі қисықтардың жасыл аймақтарында (T<55C) белсенді болып қалады дегенді білдіреді. Әрбір қисықтың сары аймағы (55C)60C）。5-суретте 1,2,4） сәулелену ұзақтығы үшін сәйкесінше T=60°Care0,774,0,873,0,993,1,071,1,198 және 1,364 мм шамасында абляция радиустарының симуляцияланғанын байқауға болады. 10，және 20с, ал T=55C кезінде симуляцияланған абляция радиустары сәйкесінше 0,805,0,908,1,037,1,134,1,271，және 1,456 мм. Абляция эффектісін сандық талдау кезінде өлі жасушалармен арка 28,1. Сәйкесінше 2,394,3,098,3,604,4,509,және 5,845 мм2 1,2,4,6,10 және 20 сəулелену үшін. Кепіл залал ауданы 0,003,0,0040,017,0,0,0.0.0. және 0,027 мм2. Сәулелену ұзақтығына байланысты лазерлік абляция аймақтары мен кепілді зақымдану аймақтары арта түсетінін көруге болады. Біз қамтамасыз етудің зақымдану коэффициентін 55С сек T60C кезінде кепілдік зақымдану аймағының қатынасы ретінде анықтаймыз. Кепіл зақымдану коэффициенті табылды. Әртүрлі сәулелену уақыттары үшін 8,17%, 8,18%, 9,06%, 12,11%, 12,56% және 13,94% құрайды, бұл абляцияланған тіндердің коллатеральды зақымдануының аз екенін білдіреді. Сондықтан, кешенді эксперименттерl Деректер мен модельдеу нәтижелері бұл ықшам, жоғары қуатты, барлық қатты күйдегі 6,45 um ZGP-OPO лазері биологиялық тіндердің тиімді абляциясын қамтамасыз ететінін көрсетеді. Қорытындылай келе, біз ықшам, жоғары қуатты, толық қатты күйді көрсеттік. Ns ZGP-OPO тәсіліне негізделген MIR импульстік 6,45 um лазер көзі. 3,65 кВт ең жоғары қуат пен M2=1,19 орташа сәуле сапасының коэффициентімен максималды орташа қуат 1,53 Вт алынды. Осы 6,45 мм MIR сәулеленуін пайдалану, a тіндердің лазерлік абляциясы бойынша принципті эксперимент жүргізілді. Абляцияланған тіннің бетіндегі температураның таралуы эксперименталды түрде өлшенді және теориялық түрде модельденді. Өлшенген деректер модельденген нәтижелермен жақсы үйлеседі. Сонымен қатар, кепілдік зақымдануы теориялық тұрғыдан талданды. алғаш рет. Бұл нәтижелер біздің үстел үсті MIR импульстік лазерінің 6,45 umм биологиялық ұлпаларды тиімді абляциясын ұсынатынын және медициналық және биология ғылымында практикалық құрал болу үшін үлкен әлеуетке ие екенін растайды, өйткені ол үлкен көлемдегі FEL-ді алмастыра алады.лазерлік скальпель.