Dangosir laser isgoch canol cyflwr holl-solet (MIR) cryno a chadarn ar 6.45 um gyda phŵer allbwn cyfartalog uchel ac ansawdd trawst ger Gaussia. Pwer allbwn uchaf o 1.53 W gyda lled pwls o tua 42 ns ar 10 Cyflawnir kHz gan ddefnyddio osgiliadur parametrig optegol ZnGeP2 (ZGP) （OPO）。 Dyma'r pŵer cyfartalog uchaf ar 6.45 um o unrhyw laser cyflwr solet hyd eithaf ein gwybodaeth.M2=1.19 yw'r ffactor ansawdd trawst cyfartalog.
At hynny, cadarnheir sefydlogrwydd pŵer allbwn uchel, gydag amrywiad pŵer o lai na 1.35% rms dros 2 h, a gall y laser redeg yn effeithlon am fwy na 500 h i gyd. Gan ddefnyddio'r pwls 6.45 um hwn fel ffynhonnell ymbelydredd, abladiad anifail meinwe'r ymennydd yn cael ei brofi. Ymhellach, mae'r effaith difrod cyfochrog yn cael ei ddadansoddi'n ddamcaniaethol am y tro cyntaf, hyd eithaf ein gwybodaeth, ac mae'r canlyniadau'n dangos bod gan y laser MIR hwn allu abladiad rhagorol, sy'n golygu ei fod yn bosibl disodli laserau electron rhad ac am ddim.©2022 Optica Publishing Group
https://doi.org/10.1364/OL.446336
Mae gan ymbelydredd is-goch canol (MIR) 6.45 um ymbelydredd laser gymwysiadau posibl mewn meysydd meddygaeth manwl uchel oherwydd ei fanteision o gyfradd abladiad sylweddol a'r difrod cyfochrog lleiaf posibl 【1】 laserau electron rhad ac am ddim (FELs) ， laserau anwedd strontiwm, nwy Mae laserau Raman, a laserau cyflwr solet yn seiliedig ar osgiliadur paramet-rig optegol (OPO) neu gynhyrchiad amledd gwahaniaeth (DFG) yn cael eu defnyddio'n gyffredin 6.45 um ffynonellau laser. Fodd bynnag, mae cost uchel, maint mawr, a strwythur cymhleth FELs yn cyfyngu ar eu gall laserau anwedd cais.Strontium a laserau Raman nwy gael y bandiau targed, ond mae gan y ddau sefydlogrwydd gwael, ser-byr.
Mae astudiaethau'n dangos bod 6.45 um laserau cyflwr solet yn cynhyrchu ystod oedran difrod thermol llai mewn meinweoedd biolegol a bod dyfnder eu abladiad yn ddyfnach na dyfnder abladiad FEL o dan yr un amodau, a oedd yn cadarnhau y gallant cael ei ddefnyddio fel dewis amgen effeithiol i FELs ar gyfer abladiad meinwe biolegol 【2】. Yn ogystal, mae gan laserau cyflwr solet fanteision strwythur cryno, sefydlogrwydd da, a
gweithrediad pen bwrdd, gan eu gwneud yn offer addawol ar gyfer cael ffynhonnell golau a6.45μn.Fel y gwyddys yn dda, mae crisialau isgoch aflinol yn chwarae rhan bwysig yn y broses trosi amledd a ddefnyddir i gyflawni laserau MIR perfformiad uchel. O'u cymharu â chrisialau isgoch ocsid gydag ymyl toriad 4 um, mae crisialau di-ocsid yn dda. sy'n addas ar gyfer cynhyrchu laserau MIR. 】, a BaGaSe (BGSe) 【10-12】, yn ogystal â'r cyfansoddion ffosfforws CdSiP2 （CSP） 【13-16】 a ZnGeP2 (ZGP) 【17 】 ；yn y ddau olaf cydnaws mawr. er enghraifft, gellir cael ymbelydredd MIR gan ddefnyddio CSP-OPO. Fodd bynnag, mae'r rhan fwyaf o CSP-OPO yn gweithredu ar raddfa amser uwchsyth (pico-a femtosecond) ac yn cael eu pwmpio'n gydamserol gan tua 1 um laserau wedi'u cloi gan fodd modd. Yn anffodus, mae'r rhain yn cael eu pwmpio'n gydamserol OPO SPOPO） systemau wedi setup cymhleth ac yn gostus.Mae eu pwerau cyfartalog hefyd yn is na 100 mW ar tua 6.45 um 【13-16 】 O'i gymharu â CSP grisial, ZGP Mae gan laser difrod uwch triShold （60 MW/cm2）, dargludedd thermol uwch (0.36 W/cm K）, a cyfernod aflinol tebyg (75pm/V)) Felly, mae ZGP yn grisial optegol aflinol MIR rhagorol ar gyfer pŵer uchel neu uchel-. ceisiadau ynni 【18-221.Er enghraifft, dangoswyd ceudod fflat-fflat ZGP-OPO gydag ystod tiwnio o 3.8-12.4 um wedi'i bwmpio gan laser 2.93 um. Uchafswm egni un-pwls y golau idler ar 6.6 um oedd 1.2 mJ 【201.Ar gyfer y donfedd penodol o 6.45 um, cyflawnwyd uchafswm egni un-pwls mam o 5.67 mJ ar amlder ailadrodd o 100 Hz gan ddefnyddio ceudod OPO cylch anplanar yn seiliedig ar grisial ZGP.With ailadrodd amlder o 200Hz, cyrhaeddwyd pŵer allbwn cyfartalog o 0.95 W 【221.Hyd y gwyddom, dyma'r pŵer allbwn uchaf a gyflawnwyd ar 6.45 um.Mae astudiaethau presennol yn awgrymu bod angen pŵer cyfartalog uwch ar gyfer abladiad meinwe effeithiol 【23】. Felly, byddai datblygu ffynhonnell laser pŵer uchel ymarferol 6.45 um o bwys mawr wrth hyrwyddo meddygaeth fiolegol.Yn y Llythyr hwn, rydym yn adrodd am laser MIR 6.45 um holl-gyflwr solet, syml, cryno sydd â phŵer allbwn cyfartalog uchel ac sy'n seiliedig ar ZGP-OPO sy'n cael ei bwmpio gan nanosecond （ns）-pulse 2.09 um
laser. Uchafswm pŵer allbwn cyfartalog y laser 6.45 um yw hyd at 1.53 W gyda lled curiad y galon o tua 42ns ar amlder ailadrodd o 10 kHz, ac mae ganddo ansawdd trawst rhagorol. Effaith abladiad y laser 6.45 um ar feinwe anifeiliaid Mae'r gwaith hwn yn dangos bod y laser yn ddull effeithiol ar gyfer abladiad meinwe gwirioneddol, gan ei fod yn gweithredu fel sgalpel laser.Mae'r gosodiad arbrofol wedi'i fraslunio yn Ffig.1.Mae'r ZGP-OPO yn cael ei bwmpio gan laser cartref LD-bwmpio 2.09 um Ho:YAG sy'n darparu 28 W o bŵer cyfartalog ar 10 kHz.gyda hyd pwls o tua 102 ns（ Mae FWHM） a ffactor ansawdd trawst cyfartalog M2 o tua 1.7.MI a M2 yn ddau ddrych 45 gyda gorchudd sy'n adlewyrchol iawn ar 2.09 um. ,f2=100 mm） yn cael eu cymhwyso ar gyfer gwrthdrawiad trawst gyda diamedr trawst o tua 3.5 mm yn y grisial ZGP. Defnyddir ynysydd optegol （ISO） i atal y trawst pwmp rhag dychwelyd i'r ffynhonnell pwmp 2.09 um. Plât hanner ton （HWP） yn 2.09 um yn cael ei ddefnyddio i reoli polareiddio y golau pwmp.M3 a M4 yn drychau ceudod OPO, gyda CaF2 fflat a ddefnyddir fel y deunydd swbstrad.Mae'r drych blaen M3 wedi'i orchuddio gwrth-fyfyrio (98%) ar gyfer y pwmp trawst ac adlewyrchiad uchel wedi'i orchuddio （98%） ar gyfer yr idler 6.45 um a 3.09 um signal waves.Mae'r drych allbwn M4 yn adlewyrchol iawn (98%) ar 2.09um a 3.09 um ac yn caniatáu trosglwyddo'r idler 6.45 um yn rhannol.Mae'r grisial ZGP yn cael ei dorri ar 6-77.6 ° ap = 45 ° ar gyfer paru cyfnod math-JⅡ 【2090.0 （o）6450.0 （o）+3091.9（e）】, sy'n fwy addas ar gyfer tonfedd benodol a chynnyrch golau parametrig linewidth o'i gymharu â math-I cyfateb cyfnod. Mae dimensiynau'r grisial ZGP yn 5mm x 6 mm x 25 mm, ac mae wedi'i sgleinio a'i orchuddio â gwrth-fyfyrio ar y ddau wyneb pen ar gyfer y tri ton uchod. Mae wedi'i lapio mewn ffoil indium a sefydlog mewn sinc gwres copr gyda dŵr oeri （T=16）。Hyd y ceudod yn 27 mm.Amser taith gron yr OPO yw 0.537 ns ar gyfer y laser pwmp.Wedi profi trothwy difrod y grisial ZGP gan y R dull -on-I 【17】.Mesurwyd trothwy difrod y grisial ZGP i fod yn 0.11 J/cm2 ar 10 kHz. yn yr arbrawf, sy'n cyfateb i ddwysedd pŵer brig o 1.4 MW/cm2, sy'n isel oherwydd y ansawdd cotio cymharol wael.Mae pŵer allbwn y golau segura a gynhyrchir yn cael ei fesur gan fesurydd ynni (D, OPHIR, 1 uW i 3 W) ）, ac mae tonfedd y golau signal yn cael ei fonitro gan sbectromedr (APE, 1.5-6.3 m) 。 Er mwyn cael pŵer allbwn uchel o 6.45 um, rydym yn optimeiddio dyluniad paramedrau'r efelychiad rhifiadol OPO.A yn seiliedig ar theori cymysgu tair ton a cquations lluosogi paraxial 【24,25】 ； yn yr efelychiad, rydym yn cyflogi'r paramedrau sy'n cyfateb i'r amodau arbrofol a chymryd yn ganiataol pwls mewnbwn gyda phroffil Gaussian yn y gofod ac amser.Y berthynas rhwng drych allbwn OPO
trosglwyddiad, dwyster pŵer pwmp, ac effeithlonrwydd allbwn yn cael ei optimeiddio trwy drin y dwysedd trawst pwmp yn y ceudod i gyflawni pŵer allbwn uwch tra ar yr un pryd osgoi difrod i'r grisial ZGP a'r elfennau optegol.Felly, mae'r pŵer pwmp uchaf wedi'i gyfyngu i fod tua 20 W ar gyfer gweithrediad ZGP-OPO. Mae canlyniadau efelychiedig yn dangos bod cyplydd allbwn gorau posibl gyda thrawsyriant o 50% yn cael ei ddefnyddio, dim ond 2.6 x 10 W/cm2 yw'r dwysedd pŵer brig uchaf yn y crys-tal ZGP, a phŵer allbwn cyfartalog. o fwy na 1.5 W gellir ei gael.Mae Ffigur 2 yn dangos y berthynas rhwng pŵer allbwn mesuredig yr idler yn 6.45 um a'r pŵer pwmp digwyddiad. Gellir gweld o Ffig.2 bod pŵer allbwn yr idler yn cynyddu'n undonog gyda'r pŵer pwmp digwyddiad. Mae'r trothwy pwmp yn cyfateb i bŵer pwmp cyfartalog o 3.55WA uchafswm pŵer allbwn segurwr o 1.53 W yn cael ei gyflawni gyda phŵer pwmp o tua 18.7 W, sy'n cyfateb i effeithlonrwydd trosi optegol-i-optegol of tua 8.20%%a hyblygrwydd trosi cwantwm o 25.31%.Ar gyfer diogelwch hirdymor, mae'r laser yn cael ei weithredu ar bron i 70% o'i bŵer allbwn uchaf. Mae sefydlogrwydd pŵer yn cael ei fesur ar bŵer allbwn o IW, fel dangosir mewn mewnosodiad (a) yn Ffig.2.Canfyddir bod yr amrywiad pŵer mesuredig yn llai na 1.35% rms mewn 2 h, a bod y laser yn gallu gweithredu'n effeithlon am fwy na 500 h mewn cyfanswm.Tonfedd y don signal yn cael ei fesur yn lle'r segurwr oherwydd amrediad tonfedd cyfyngedig y sbectromedr (APE，1.5-6.3 um) a ddefnyddir yn ein harbrawf. Mae tonfedd y signal mesuredig wedi'i ganoli ar 3.09 um ac mae lled y llinell oddeutu 0.3 nm, fel y dangosir mewn mewnosodiad (b) o Ffig.2.Yna dynnir tonfedd ganolog yr segurwr i fod yn 6.45um. Mae lled curiad y galon yn cael ei ganfod gan ffotosynhwyrydd (Thorlabs,PDAVJ10) a'i gofnodi gan osgilosgop digidol (Tcktronix，2GHz) ）。Mae tonffurf osgilosgop nodweddiadol yn cael ei ddangos yn Ffig.3 ac yn arddangos lled curiad y galon oftua 42 ns.The lled pwlsyn 41.18% yn gulach ar gyfer y 6.45 um idler o'i gymharu â'r 2.09 um pwls pwmp oherwydd y cynnydd tymhorol effaith culhau y broses trosi amledd aflinol. Mae 6.45 um idler yn cael ei fesur gyda pelydr laser
dadansoddwr (Spiricon, M2-200-PIII) ar 1 W o bŵer allbwn, fel y dangosir yn Ffig.4. Gwerthoedd mesuredig M2 ac M，2 yw 1.32 a 1.06 ar hyd yr echelin x a'r echelin y, yn y drefn honno, yn cyfateb i ffactor ansawdd trawst cyfartalog o M2=1.19.Mae pryfyn Ffig.4 yn dangos y proffil dwyster trawst dau-ddimensiwn （2D）, sydd â modd gofodol bron-Gausaidd. cynhelir arbrawf prawf-egwyddor sy'n cynnwys abladiad laser o ymennydd mochyn y moch. Defnyddir lens f=50 i ganolbwyntio'r pelydryn pwls 6.45 um i radiws gwasg o tua 0.75 mm. Y safle i'w abladio ar feinwe'r ymennydd mochyn Mae tymheredd arwyneb (T) y meinwe biolegol fel swyddogaeth y lleoliad rheiddiol r yn cael ei fesur gan thermocamera (FLIR A615) yn gydamserol yn ystod y broses abladiad. Mae'r cyfnodau arbelydru yn 1 ,2,4,6,10 ， ac 20 s ar bŵer laser o I W. Ar gyfer pob hyd arbelydru, mae chwe safle sampl wedi'u blated: r = 0,0.62,0.703,1.91,3.05，a 4.14 mm ar hyd y cyfeiriad rheiddiol mewn perthynas â phwynt canol y sefyllfa arbelydru, fel y dangosir yn Ffig.5.Y sgwariau yw'r data tymheredd a fesurir. Fe'i darganfyddir yn Ffig.5 bod y tymheredd arwyneb yn y safle abladiad ar y meinwe yn cynyddu gyda hyd arbelydru cynyddol.Y tymheredd uchaf-peratures T yn y canolbwynt r=0 yn 132.39,160.32,196.34，
205.57,206.95, a 226.05C ar gyfer cyfnodau arbelydru o 1,2, 4,6,10, ac 20 s, yn y drefn honno.I ddadansoddi'r difrod cyfochrog, efelychir y dosbarthiad tymheredd ar yr wyneb meinwe abladedig. y ddamcaniaeth dargludiad thermol ar gyfer meinwe biolegol 126 】 a theori lluosogi laser mewn meinwe biolegol 【27 】 ynghyd â pharamedrau optegol ymennydd mochyn 1281.
Mae'r efelychiad yn cael ei berfformio gyda'r dybiaeth o fewnbwn pelydr Gaussian.Gan fod y meinwe biolegol a ddefnyddir yn yr arbrawf yn cael ei ynysu meinwe mochyn ymennydd, dylanwad gwaed a metaboledd ar y tymheredd yn cael ei anwybyddu, a meinwe ymennydd mochyn yn cael ei symleiddio i mewn i'r siâp silindr ar gyfer efelychiad-tion.Mae'r paramedrau a ddefnyddir yn yr efelychiad yn cael eu crynhoi yn Nhabl 1.Y cromliniau solet a ddangosir yn Ffig.5 yw'r dosraniadau tymheredd rheiddiol efelychiedig mewn perthynas â'r ganolfan abladiad ar yr wyneb meinwe ar gyfer y chwe arbelydru gwahanol Maen nhw'n arddangos proffil tymheredd Gaussian o'r canol i'r cyrion.Mae'n amlwg o Ffig.5 fod y data arbrofol yn cyd-fynd yn dda gyda'r canlyniadau efelychiedig. safle abladiad yn cynyddu wrth i hyd yr arbelydru gynyddu ar gyfer pob arbelydru. Mae ymchwil flaenorol wedi dangos bod y celloedd yn y meinwe yn berffaith ddiogel ar dymheredd islaw55C, sy'n golygu bod celloedd yn parhau i fod yn weithredol yn y parthau gwyrdd (T<55C) o'r cromliniau yn Ffig.5.Cromlin parth melyn pob (55C)60C） 。 Gellir arsylwi yn Ffig.5 bod y radiws abladiad efelychiedig yn T = 60 ° Care0.774,0.873,0.993,1.071,1.198 a 1.364 mm, yn y drefn honno, am gyfnodau arbelydru o 1,2,46, 10, a 20au, tra bod y radiysau abladiad efelychiedig ynT=55C yn 0.805,0.908,1.037,1.134,1.271, a 1.456 mm, yn y drefn honno. Ar ôl dadansoddi'n feintiol yr effaith abladiad, canfyddir yr arca â chelloedd marw i88. 2.394,3.098,3.604,4.509，and5.845 mm2 ar gyfer 1,2,4,6,10，ac 20au o arbelydru, yn y drefn honno.Canfyddir bod yr ardal ag ardal difrod cyfochrog yn 0.003,0.0040.006,0.0.013, a 0.027 mm2.Gallwch weld bod y parthau abladiad laser a'r parthau difrod cyfochrog yn cynyddu gyda'r arbelydru duration.We diffinio'r gymhareb difrod cyfochrog i fod yn gymhareb yr ardal difrod cyfochrog yn 55C s T60C.Y gymhareb difrod cyfochrog yn cael ei ddarganfod i fod yn 8.17%，8.18%，9.06%，12.11%，12.56%， a 13.94% ar gyfer gwahanol amseroedd arbelydru, sy'n golygu bod difrod cyfochrog y meinweoedd ablad yn fach. Felly, arbrofion cynhwysfawrl mae canlyniadau data ac efelychu yn dangos bod y laser cryno, pŵer uchel, holl-solet 6.45 um ZGP-OPO 6.45 um ZGP-OPO yn darparu abladiad effeithiol o feinweoedd biolegol. I gloi, rydym wedi dangos cyflwr cryno, pŵer uchel, holl-solet MIR pulsed 6.45 um ffynhonnell laser yn seiliedig ar ddull ns ZGP-OPO. Cafwyd uchafswm pŵer cyfartalog o 1.53 W gyda phŵer brig o 3.65kW a ffactor ansawdd trawst cyfartalog o M2 = 1.19. Gan ddefnyddio'r ymbelydredd 6.45 um MIR hwn, a arbrawf prawf-egwyddor ar abladiad laser o feinwe ei berfformio.Mesurwyd y dosbarthiad tymheredd ar yr wyneb meinwe abladedig yn arbrofol ac yn ddamcaniaethol roedd y data mesuredig yn cytuno'n dda gyda'r canlyniadau efelychiedig. Ymhellach, dadansoddwyd y difrod cyfochrog yn ddamcaniaethol am y tro cyntaf. Mae'r canlyniadau hyn yn cadarnhau bod ein laser pwls MIR pen bwrdd am 6.45 um yn cynnig abladiad effeithiol o feinweoedd biolegol a bod ganddo botensial mawr i fod yn arf ymarferol mewn gwyddoniaeth feddygol a biolegol, gan y gallai ddisodli FEL swmpus felsgalpel laser.