Um laser de infravermelho médio （MIR） de estado sólido compacto e robusto a 6,45 um com alta potência de saída média e qualidade de feixe quase Gaussiana é demonstrado. Uma potência de saída máxima de 1,53 W com uma largura de pulso de aproximadamente 42 ns a 10 kHz é obtido usando um oscilador paramétrico óptico ZnGeP2（ZGP）（OPO）。Esta é a potência média mais alta em 6,45 um de qualquer laser de estado sólido até onde sabemos.O fator médio de qualidade do feixe é medido como M2=1,19.
Além disso, a estabilidade de alta potência de saída é confirmada, com uma flutuação de potência inferior a 1,35% rms em 2 h, e o laser pode funcionar com eficiência por mais de 500 h no total. Usando este pulso de 6,45 um como fonte de radiação, ablação de animais o tecido cerebral é testado. Além disso, o efeito de dano colateral é teoricamente analisado pela primeira vez, até onde sabemos, e os resultados indicam que este laser MIR tem excelente capacidade de ablação, tornando-se um substituto potencial para lasers de elétrons livres.©2022 Optica Publishing Group

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

A radiação laser de infravermelho médio (MIR) de 6,45 um tem aplicações potenciais em campos de medicina de alta precisão devido às suas vantagens de uma taxa de ablação substancial e danos colaterais mínimos 【1】. Lasers de elétrons livres (FELs), lasers de vapor de estrôncio, gás Lasers Raman e lasers de estado sólido baseados em um oscilador paramétrico óptico (OPO) ou geração de frequência de diferença (DFG) são fontes de laser de 6,45 um comumente usadas. No entanto, o alto custo, tamanho grande e estrutura complexa dos FELs restringem sua aplicação. Lasers de vapor de estrôncio e lasers Raman de gás podem obter as bandas alvo, mas ambos têm baixa estabilidade, curto-ser-
vice vive e requer manutenção complexa. Estudos mostraram que lasers de estado sólido de 6,45 um produzem uma faixa de dano térmico menor em tecidos biológicos e que sua profundidade de ablação é maior que a de um FEL nas mesmas condições, o que verificou que eles podem ser usado como uma alternativa eficaz aos FELs para ablação de tecidos biológicos 【2】. Além disso, os lasers de estado sólido têm as vantagens de uma estrutura compacta, boa estabilidade e

operação de mesa, tornando-os ferramentas promissoras para a obtenção de uma fonte de luz de 6,45μn.Como é bem conhecido, os cristais infravermelhos não lineares desempenham um papel importante no processo de conversão de frequência usado para obter lasers MIR de alto desempenho. adequado para gerar lasers MIR. Esses cristais incluem a maioria dos calcogenetos, como AgGaS2 (AGS)【3,41，LiInS2 (LIS)【5,61， LilnSe2 (LISe)【7】，BaGaS（BGS）【8,9 】，e BaGaSe（BGSe）【10-12】，assim como os compostos de fósforo CdSiP2（CSP）【13-16】e ZnGeP2 （ZGP）【17】；os dois últimos têm coeficientes não lineares relativamente grandes. Por exemplo, a radiação MIR pode ser obtida usando CSP-OPOs. No entanto, a maioria dos CSP-OPOs opera em uma escala de tempo ultracurta (pico e femtosegundo) e é bombeada de forma síncrona por aproximadamente 1 um lasers de modo bloqueado. Infelizmente, essas OPO bombeadas sincronicamente（ Os sistemas SPOPO） têm uma configuração complexa e são caros. Suas potências médias também são inferiores a 100 mW em cerca de 6,45 um【13-16】. Comparado com o cristal CSP, o ZGP tem um maior dano de laser.shold（60 MW/cm2），uma maior condutividade térmica (0,36 W/cm K），e um coeficiente não linear comparável (75pm/V）). aplicações de energia 【18-221. Por exemplo, foi demonstrada uma cavidade plana plana ZGP-OPO com uma faixa de ajuste de 3,8-12,4 um bombeada por um laser de 2,93 um. A energia máxima de pulso único da luz intermediária em 6,6 um foi 1,2 mJ 【201. Para o comprimento de onda específico de 6,45 um, uma energia máxima de pulso único de 5,67 mJ a uma frequência de repetição de 100 Hz foi alcançada usando uma cavidade OPO de anel não planar baseada em um cristal ZGP. Com uma repetição frequência de 200Hz, uma potência média de saída de 0,95 W foi alcançada 【221. Até onde sabemos, esta é a maior potência de saída alcançada em 6,45 um.Estudos existentes sugerem que uma potência média mais alta é necessária para a ablação tecidual eficaz 【23】. Portanto, o desenvolvimento de uma fonte prática de laser de alta potência de 6,45 um seria de grande importância na promoção da medicina biológica.Nesta carta, relatamos um laser MIR de 6,45 um de estado sólido compacto e simples que tem uma potência de saída média alta e é baseado em um ZGP-OPO bombeado por um nanossegundo（ns）-pulso de 2,09 um

laser. A potência média máxima de saída do laser de 6,45 um é de até 1,53 W com uma largura de pulso de aproximadamente 42 ns a uma frequência de repetição de 10 kHz, e tem excelente qualidade de feixe. O efeito de ablação do laser de 6,45 um no tecido animal é investigado. Este trabalho mostra que o laser é uma abordagem eficaz para a ablação de tecidos reais, pois atua como um bisturi a laser.A configuração experimental é esboçada na Fig.1. O ZGP-OPO é bombeado por um laser Ho:YAG de 2,09 um bombeado por LD caseiro que fornece 28 W de potência média a 10 kHz. com uma duração de pulso de aproximadamente 102 ns（ FWHM）e um fator de qualidade de feixe médio M2 de aproximadamente 1,7.MI e M2 são dois espelhos de 45 com um revestimento altamente refletivo a 2,09 um. Esses espelhos permitem o controle da direção do feixe de bombeamento. Duas lentes de foco (f1 = 100mm ,f2=100 mm）são aplicados para colimação de feixe com um diâmetro de feixe de cerca de 3,5 mm no cristal ZGP.Um isolador óptico （ISO）é usado para evitar que o feixe da bomba retorne à fonte da bomba de 2,09 um.Uma placa de meia onda (HWP) a 2,09 um é usado para controlar a polarização da luz da bomba. M3 e M4 são espelhos de cavidade OPO, com CaF2 plano usado como material de substrato. O espelho frontal M3 é revestido anti-reflexo (98%) para a bomba feixe e revestimento de alta reflexão (98%) para as ondas de sinal de 6,45 um e 3,09 um. O espelho de saída M4 é altamente reflexivo (98%) a 2,09um e 3,09 um e permite a transmissão parcial do rolete de 6,45 um.O cristal ZGP é cortado em 6-77,6°andp=45° para correspondência de fase tipo JⅡ 【2090.0 （o）6450.0 （o）+3091.9 （e）】，que é mais adequado para um comprimento de onda específico e produz luz paramétrica com um largura de linha em comparação com a correspondência de fase tipo I. As dimensões do cristal ZGP são 5 mm x 6 mm x 25 mm, e é polido e revestido com antirreflexo em ambas as faces finais para as três ondas acima. fixado em um dissipador de calor de cobre com resfriamento a água（T=16）。O comprimento da cavidade é de 27 mm. O tempo de ida e volta do OPO é de 0,537 ns para o laser da bomba. Testamos o limite de dano do cristal ZGP pelo R -on-I 【17】. O limite de dano do cristal ZGP foi medido como 0,11 J/cm2 a 10 kHz. no experimento, correspondendo a uma densidade de potência de pico de 1,4 MW/cm2，que é baixa devido ao qualidade de revestimento relativamente pobre.A potência de saída da luz intermediária gerada é medida por um medidor de energia （D,OPHIR，1 uW a 3 W），e o comprimento de onda da luz de sinal é monitorado por um espectrômetro （APE，1,5-6,3 m）。Para obter uma alta potência de saída de 6,45 um, otimizamos o projeto dos parâmetros do OPO. Uma simulação numérica é realizada com base na teoria de mistura de três ondas e equações de propagação paraaxial empregam os parâmetros correspondentes às condições experimentais e assumem um pulso de entrada com perfil gaussiano no espaço e no tempo. A relação entre espelho de saída OPO

A transmitância, a intensidade da potência da bomba e a eficiência de saída são otimizadas manipulando a densidade do feixe da bomba na cavidade para obter uma potência de saída mais alta, evitando simultaneamente danos ao cristal ZGP e aos elementos ópticos. W para operação ZGP-OPO. Os resultados simulados mostram que, enquanto um acoplador de saída ideal com uma transmitância de 50% é utilizado, a densidade máxima de potência de pico é de apenas 2,6 x 10 W/cm2 no cristal ZGP e uma potência de saída média de mais de 1,5 W pode ser obtido. A Figura 2 mostra a relação entre a potência de saída medida do rolete a 6,45 um e a potência da bomba incidente. potência da bomba incidente. O limite da bomba corresponde a uma potência média da bomba de 3,55 WA potência máxima de saída intermediária de 1,53 W é alcançada em uma potência da bomba de aproximadamente 18,7 W, o que corresponde a uma eficiência de conversão óptico-óptica of aproximadamente 8,20%% e uma conversão quântica de 25,31%. Para segurança a longo prazo, o laser é operado a cerca de 70% de sua potência máxima de saída. A estabilidade de energia é medida em uma potência de saída de IW, como mostrado na inserção （a） na Fig.2. Verifica-se que a flutuação de energia medida é inferior a 1,35% rms em 2 h, e que o laser pode operar com eficiência por mais de 500 h no total. O comprimento de onda da onda de sinal é medido em vez do intermediário devido à faixa de comprimento de onda limitada do espectrômetro （APE，1,5-6,3 um）usado em nosso experimento. O comprimento de onda do sinal medido é centrado em 3,09 um e a largura da linha é de aproximadamente 0,3 nm, conforme mostrado na inserção (b) da Fig.2. O comprimento de onda central do rolete é então deduzido como 6,45um. A largura de pulso do rolete é detectada por um fotodetector (Thorlabs,PDAVJ10) e gravada por um osciloscópio digital (Tcktronix，2GHz) ）。Uma forma de onda típica do osciloscópio é mostrada na Fig.3 e exibe uma largura de pulso de aproximadamente 42 ns. A largura de pulsoé 41,18% mais estreito para o intermediário de 6,45 um em comparação com o pulso da bomba de 2,09 um devido ao efeito de redução do ganho temporal do processo de conversão de frequência não linear. A polia de 6,45 um é medida com um feixe de laser

analisador （Spiricon,M2-200-PIII）a 1 W de potência de saída, conforme mostrado na Fig.4. Os valores medidos de M2 ​​e M，2 são 1,32 e 1,06 ao longo do eixo x e do eixo y, respectivamente, correspondendo a um fator de qualidade de feixe médio de M2 ​​= 1,19. O detalhe da Fig.4 mostra o perfil de intensidade de feixe bidimensional (2D), que tem um modo espacial quase Gaussiano. Para verificar se o pulso de 6,45 um fornece ablação efetiva, é realizado um experimento de prova de princípio envolvendo ablação a laser de cérebro suíno. Uma lente f=50 é empregada para focalizar o feixe de pulso de 6,45 um em um raio da cintura de cerca de 0,75 mm. A posição a ser ablacionada no tecido cerebral suíno é colocado no foco do feixe de laser. A temperatura da superfície (T) do tecido biológico em função da localização radial r é medida por uma termocâmera (FLIR A615) de forma síncrona durante o processo de ablação. As durações de irradiação são 1 ,2,4,6,10，e 20 s a uma potência de laser de I W. Para cada duração de irradiação, seis posições de amostra são jateadas: r = 0,0,62,0,703,1,91,3,05， e 4,14 mm ao longo da direção radial em relação ao ponto central da posição de irradiação, conforme mostrado na Fig.5. Os quadrados são os dados de temperatura medidos. É encontrado na Fig.5 que a temperatura da superfície na posição de ablação no tecido aumenta com o aumento da duração da irradiação. As temperaturas mais altas T no ponto central r=0 são 132,39,160,32,196,34，

205,57,206,95，e 226,05C para durações de irradiação de 1,2，4,6,10，e 20 s, respectivamente. a teoria da condução térmica para o tecido biológico126】e a teoria da propagação do laser no tecido biológico【27】combinada com os parâmetros ópticos do cérebro suíno 1281.
A simulação é realizada com a suposição de um feixe gaussiano de entrada. Como o tecido biológico usado no experimento é tecido cerebral suíno isolado, a influência do sangue e do metabolismo na temperatura é ignorada, e o tecido cerebral suíno é simplificado no forma de um cilindro para simulação. Os parâmetros usados ​​na simulação estão resumidos na Tabela 1. As curvas sólidas mostradas na Fig. 5 são as distribuições de temperatura radial simuladas em relação ao centro de ablação na superfície do tecido para as seis irradiações diferentes Eles exibem um perfil de temperatura gaussiana do centro para a periferia. É evidente na Fig.5 que os dados experimentais concordam bem com os resultados simulados. Também é evidente na Fig.5 que a temperatura simulada no centro do a posição de ablação aumenta à medida que a duração da irradiação aumenta para cada irradiação. Pesquisas anteriores mostraram que as células no tecido são perfeitamente seguras em temperaturas abaixo55C, o que significa que as células permanecem ativas nas zonas verdes （T<55C）das curvas na Fig.5. A zona amarela de cada curva（55C60C）。Pode-se observar na Fig.5 que os raios de ablação simulados em T=60°Care 0,774,0,873,0,993,1,071,1,198 e 1,364 mm, respectivamente, para durações de irradiação de 1,2,4，6, 10，e 20s, enquanto os raios de ablação simulados em T=55C são 0,805,0,908,1,037,1,134,1,271，e 1,456 mm, respectivamente. 2.394,3.098,3.604,4.509，e 5.845 mm2 para 1,2,4,6,10，e 20s de irradiação, respectivamente. e 0,027 mm2. Pode-se observar que as zonas de ablação a laser e as zonas de dano colateral aumentam com a duração da irradiação. Definimos a razão de dano colateral como sendo a razão da área de dano colateral em 55C s T60C. A razão de dano colateral é encontrada para ser 8,17%，8,18%，9,06%，12,11%，12,56%， e 13,94% para diferentes tempos de irradiação, o que significa que o dano colateral dos tecidos ablacionados é pequeno. Portanto, experimentos abrangentesl dados e resultados de simulação mostram que este laser ZGP-OPO compacto, de alta potência e totalmente em estado sólido de 6,45 um fornece ablação eficaz de tecidos biológicos. Fonte de laser pulsado MIR de 6,45 um baseado em uma abordagem ns ZGP-OPO. Uma potência média máxima de 1,53 W foi obtida com uma potência de pico de 3,65 kW e um fator de qualidade de feixe médio de M2 ​​= 1,19. Usando esta radiação MIR de 6,45 um, a Foi realizado um experimento de prova de princípio na ablação de tecido a laser. A distribuição de temperatura na superfície do tecido ablacionado foi medida experimentalmente e simulada teoricamente. Os dados medidos concordaram bem com os resultados simulados. Além disso, o dano colateral foi analisado teoricamente pela primeira vez. Esses resultados comprovam que nosso laser de pulso MIR de mesa a 6,45 um oferece ablação eficaz de tecidos biológicos e tem grande potencial para ser uma ferramenta prática em ciências médicas e biológicas, pois pode substituir um FEL volumoso comoum bisturi a laser.