Ang usa ka compact ug lig-on nga all-solid-state mid-infrared （MIR）laser sa 6.45 um nga adunay taas nga average nga output nga gahum ug duol sa Gaussian beam nga kalidad gipakita. Usa ka maximum nga output nga gahum sa 1.53 W nga may gilapdon sa pulso nga gibana-bana nga 42 ns sa 10 Ang kHz makab-ot gamit ang usa ka ZnGeP2（ZGP）optical parametric oscillator （OPO）。Kini ang pinakataas nga average nga gahum sa 6.45 um sa bisan unsang all-solid-state nga laser sa labing maayo sa atong kahibalo.Ang kasagaran nga beam quality factor gisukod nga M2=1.19.
Dugang pa, ang taas nga kalig-on sa gahum sa output gipamatud-an, nga adunay usa ka pag-usab-usab sa gahum nga ubos pa sa 1.35% rms sa 2 ka oras, ug ang laser mahimo nga modagan nga episyente sulod sa labaw sa 500 ka oras sa kinatibuk-an. Ang paggamit niini nga 6.45 um nga pulso isip tinubdan sa radiation, ablation sa mananap Ang tisyu sa utok gisulayan. Dugang pa, ang epekto sa kadaot sa collateral kay theoretically analisa sa unang higayon, sa labing maayo sa atong kahibalo, ug ang mga resulta nagpakita nga kini nga MIR laser adunay maayo kaayo nga ablation abilidad, nga naghimo niini nga usa ka potensyal nga kapuli sa libre nga electron lasers.©2022 Optica Publishing Group
https://doi.org/10.1364/OL.446336
Ang mid-infrared（MIR）6.45um nga laser radiation adunay potensyal nga aplikasyon sa high-precision nga mga natad sa medisina tungod sa mga bentaha niini sa usa ka dako nga ablation rate ug gamay nga collateral damage 【1】.Free electron lasers （FELs），strontium vapor lasers,gas Raman lasers, ug solid-state lasers base sa usa ka optical paramet-ric oscillator (OPO) o kalainan frequency generation （DFG） kay kasagarang gigamit 6.45 um laser tinubdan. Apan, ang taas nga gasto, dako nga gidak-on, ug komplikado nga istruktura sa FELs nagpugong sa ilang aplikasyon.Strontium alisngaw lasers ug gas Raman lasers makakuha sa target bands,apan ang duha adunay dili maayo nga kalig-on,mubo nga ser-
Ang mga pagtuon nagpakita nga ang 6.45 um nga solid-state nga mga laser makahimo og mas gamay nga thermal dam-age range sa biological nga mga tisyu ug nga ang ilang ablation depth mas lawom kay sa usa ka FEL ubos sa samang kondisyon, nga nagpamatuod nga sila makahimo. gamiton isip epektibong alternatibo sa FELs para sa biological tissue ablation 【2】. Dugang pa, ang solid-state lasers adunay mga bentaha sa usa ka compact structure, maayo nga kalig-on, ug
tabletop nga operasyon, nga naghimo kanila nga nagsaad nga mga himan alang sa pagkuha sa usa ka 6.45μn nga tinubdan sa kahayag.Ingon sa nahibal-an na, ang mga nonlinear nga infrared nga kristal adunay hinungdanon nga papel sa proseso sa pagbag-o sa frequency nga gigamit aron makab-ot ang mga high-performance nga MIR laser. haum sa pagmugna MIR lasers.Kini nga mga kristal naglakip sa kadaghanan sa mga chalcogenides, sama sa AgGaS2 （AGS）【3,41，LiInS2 （LIS）【5,61， LilnSe2 （LISe）【7】，BaGaS）(BG8S), 9 】，ug BaGaSe（BGSe）【10-12】，maingon man ang phosphorus compounds CdSiP2（CSP）【13-16】ug ZnGeP2 （ZGP）【17】；Ang ulahi nga duha adunay mga rela-ar nga dako nga nonlinear. Pananglitan, ang MIR radiation mahimong makuha gamit ang CSP-OPOs. Hinuon, kadaghanan sa CSP-OPO naglihok sa ultrashort （pico-ug femtosecond） time scale ug dungan nga gibomba sa gibana-bana nga 1 um mode-locked lasers. Ikasubo, kini nga dungan nga pumped OPO（ Ang mga sistema sa SPOPO adunay komplikado nga pag-setup ug mahal. Ang ilang kasagaran nga gahum mas ubos sa 100 mW sa palibot sa 6.45 um【13-16】. Kung itandi sa CSP nga kristal, ang ZGP adunay mas taas nga kadaot sa laser sa tuloshold (60 MW/cm2), usa ka mas taas nga thermal conductiv-ity (0.36 W/cm K), ug usa ka ikatandi nga nonlinear coefficient (75pm/V). Busa, ang ZGP usa ka maayo kaayo nga MIR nonlinear optical crystal para mga aplikasyon sa enerhiya 【18-221.Pananglitan, ang usa ka patag nga patag nga lungag ZGP-OPO nga adunay usa ka tuning range nga 3.8-12.4 um nga gibomba sa usa ka 2.93 um nga laser ang gipakita. Ang labing taas nga single-pulse nga enerhiya sa idler nga kahayag sa 6.6 um mao ang 1.2 mJ 【201. Alang sa piho nga wavelength nga 6.45 um, usa ka maxi-mum single-pulse energy nga 5.67 mJ sa usa ka frequency sa pagbalik-balik sa 100 Hz nakab-ot gamit ang non-planar ring OPO nga lungag base sa ZGP nga kristal. Uban ang pagbalik-balik frequency sa 200Hz, usa ka average nga gahum sa output sa 0.95 W naabot 【221.As layo sa atong nahibaloan, kini mao ang pinakataas nga output gahum nga nakab-ot sa 6.45 um.Ang kasamtangan nga mga pagtuon nagsugyot nga ang usa ka mas taas nga average nga gahum gikinahanglan alang sa epektibo nga tissue ablation 【23】. Busa, ang pagpalambo sa usa ka praktikal nga high-power 6.45 um laser tinubdan mahimong dako nga kahulogan sa promosyon sa biolohikal nga tambal.Niini nga Sulat, among gitaho ang usa ka yano, compact all-solid-state MIR 6.45 um laser nga adunay taas nga average nga gahum sa output ug gibase sa usa ka ZGP-OPO nga gibomba sa usa ka nanosecond（ns）-pulse 2.09 um
laser.Ang pinakataas nga average nga output nga gahum sa 6.45 um laser mao ang ngadto sa 1.53 W uban sa usa ka pulso gilapdon sa gibana-bana nga 42ns sa usa ka pagbalik-balik frequency sa 10 kHz, ug kini adunay maayo kaayo nga beam nga kalidad. Ang ablating epekto sa 6.45 um laser sa mananap tissue giimbestigahan. Kini nga buhat nagpakita nga ang laser usa ka epektibo nga paagi alang sa aktuwal nga tissuc ablation, tungod kay kini naglihok ingon nga usa ka laser scalpel.Ang eksperimento nga setup gi-sketch sa Fig.1. Ang ZGP-OPO gibomba sa usa ka hinimo sa balay nga LD-pumped 2.09 um Ho:YAG laser nga naghatod sa 28 W nga average nga gahum sa 10 kHz.nga adunay gidugayon sa pulso nga gibana-bana nga 102 ns（ FWHM）ug usa ka kasagaran nga beam quality factor M2 nga gibana-bana nga 1.7.MI ug M2 maoy duha ka 45 ka mga salamin nga adunay sapaw nga kaayo reflective sa 2.09 um.Kini nga mga salamin makahimo sa pagkontrolar sa direksyon sa pump beam.Duha ka focus-ing lenses （f1 =100mm ,f2=100 mm）gi-apply alang sa beam collimation nga adunay diametro sa beam nga mga 3.5 mm sa ZGP nga kristal. Usa ka optical isolator （ISO）gigamit aron mapugngan ang pump beam nga mobalik sa 2.09 um pump source.Usa ka half-wave plate Ang （HWP） sa 2.09 um gigamit aron makontrol ang polarization sa pump light. Ang M3 ug M4 mga OPO nga mga salamin sa lungag, nga adunay patag nga CaF2 nga gigamit ingon substrate nga materyal. Ang atubangan nga salamin M3 kay anti-reflection coated（98%） alang sa bomba beam ug high-reflection coated （98%） para sa 6.45 um idler ug 3.09 um signal waves. Ang out-put mirror M4 kay reflective kaayo（98%）sa 2.09um ug 3.09 um ug gitugotan ang partial transmission sa 6.45 um idler.Ang ZGP nga kristal giputol sa 6-77.6°andp=45°para sa type-JⅡ phase matching 【2090.0 （o）6450.0 （o）+3091.9 （e）】，nga mas angay alang sa usa ka piho nga wavelength nga parametric nga kahayag ug yield nga parametric nga kahayag linewidth itandi sa type-I phase matching.Ang mga dimensyon sa ZGP nga kristal mao ang 5mm x 6 mm x 25 mm,ug kini gipasinaw ug anti-reflection nga adunay sapaw sa duha ka tumoy nga bahin alang sa labaw sa tulo ka mga balud.Kini giputos sa indium foil ug gitakda sa usa ka copper heat sink nga adunay pagpabugnaw sa tubig (T=16). -on-I nga pamaagi 【17】.Ang damage threshold sa ZGP crystal gisukod nga 0.11 J/cm2 sa 10 kHz.sa eksperimento, katumbas sa peak power density nga 1.4 MW/cm2，nga ubos tungod sa medyo dili maayo nga kalidad sa coating.Ang output nga gahum sa namugna nga idler nga kahayag gisukod sa usa ka metro sa enerhiya (D, OPHIR, 1 uW ngadto sa 3 W), ug ang wavelength sa signal nga kahayag gimonitor sa usa ka spectrometer (APE, 1.5-6.3 m). makakuha og taas nga output nga gahum nga 6.45 um, atong gi-optimize ang disenyo sa mga parameter sa OPO. Ang numerical simulation gihimo base sa three-wave mixing theory ug paraxial propagation cquation 【24,25】；sa simulation, kita gamita ang mga parameter nga katumbas sa mga kondisyon sa eksperimento ug isipa ang usa ka input pulse nga adunay Gaussian nga profile sa wanang ug oras. Ang relasyon tali sa OPO output mirror
transmittance, pump power intensity, ug output efficiency gi-optimize pinaagi sa pagmaniobra sa pump beam density sa lungag aron makab-ot ang mas taas nga output power samtang dungan nga malikayan ang kadaot sa ZGP crystal ug sa optical elements. Busa, ang pinakataas nga pump power limitado sa mga 20 W alang sa ZGP-OPO operation.Simulated resulta nagpakita nga samtang ang usa ka kamalaumon output coupler uban sa usa ka transmittance sa 50% ang gigamit, ang maximum peak power density mao lamang ang 2.6 x 10 W/cm2 sa ZGP crys-tal, ug usa ka average nga output gahum. nga labaw pa sa 1.5 W mahimong makuha. Ang Figure 2 nagpakita sa relasyon tali sa gisukod nga output nga gahum sa idler sa 6.45 um ug sa insidente nga pump power. Kini makita gikan sa Fig.2 nga ang output nga gahum sa idler nagdugang monotonously uban sa insidente pump power.Ang pump threshold katumbas sa usa ka average nga pump power sa 3.55WA maximum idler output power sa 1.53 W maabot sa pump power nga gibana-bana nga 18.7 W, nga katumbas sa usa ka optical-to-optical conversion efficiency of gibana-bana nga 8.20% ug usa ka quantum conversion cfliciency sa 25.31%. Alang sa long-term nga kaluwasan, ang laser gipaandar sa duol sa 70% sa iyang maximum nga out-put power. Ang power stability gisukod sa usa ka output power sa IW, ingon nga gipakita sa inset （a） sa Fig.2. Kini nakit-an nga ang gisukod nga pag-usab-usab sa gahum dili mubu sa 1.35% rms sa 2 ka oras, ug nga ang laser mahimo’g molihok nga epektibo sa sobra sa 500 ka oras sa kinatibuk-an. Ang wavelength sa signal wave gisukod imbes nga sa idler tungod sa limitado nga wavelength range sa spectrometer （APE，1.5-6.3 um） gigamit sa among eksperimento. Ang gisukod nga signal wavelength gisentro sa 3.09 um ug ang gilapdon sa linya gibana-bana nga 0.3 nm, ingon sa gipakita sa inset （b）sa Fig.2.Ang sentro nga wavelength sa idler unya deduced nga 6.45um.Ang pulso gilapdon sa idler namatikdan sa usa ka photodetector（Thorlabs,PDAVJ10）ug girekord sa digital oscilloscope（Tcktronix，2GHz ）。 Usa ka tipikal nga oscilloscope waveform gipakita sa Fig.3 ug nagpakita sa usa ka pulso gilapdon sa gibana-bana nga 42 ns. Ang pulso gilapdonmao ang 41.18% nga mas pig-ot alang sa 6.45 um idler kumpara sa 2.09 um pump pulso tungod sa temporal nga ganancia narrowing epekto sa nonlinear frequency sa proseso sa pagkakabig. Ingon sa usa ka resulta, ang katugbang nga idler pulso peak gahum mao ang 3.56kW. Ang beam kalidad nga butang sa Ang 6.45 um idler gisukod gamit ang laser beam
analisador （Spiricon, M2-200-PIII） sa 1 W sa gahum sa output, ingon sa gipakita sa Fig.4. Ang gisukod nga kantidad sa M2 ug M，2 mao ang 1.32 ug 1.06 ubay sa x axis ug sa y axis, matag usa, katumbas sa usa ka average nga beam quality factor sa M2=1.19.Ang insct sa Fig.4 nagpakita sa two-dimensional（2D）beam intensity profile, nga adunay duol-Gaussian spatial mode.Aron mapamatud-an nga ang 6.45 um pulse naghatag ug epektibo nga abla-tion, usa ka eksperimento nga pamatuod-sa-prinsipyo nga naglambigit sa laser ablation sa utok sa baboy gihimo. Usa ka f=50 nga lente gigamit aron ipunting ang 6.45 um pulse beam sa usa ka radius sa hawak nga mga 0.75 mm. Ang posisyon nga ipaubos sa tisyu sa utok sa baboy gibutang sa pokus sa laser beam. Ang temperatura sa nawong （T） sa biological tissue isip function sa radial nga lokasyon r gisukod sa usa ka thermocamera（FLIR A615） nga dungan sa panahon sa proseso sa ablation. Ang gidugayon sa irradiation mao ang 1 .03,1.91,3.05, ug 4.14 mm subay sa radial nga direksyon nga may kalabotan sa sentro nga punto sa posisyon sa irradiation, ingon sa gipakita sa Fig.5. Ang mga kwadro mao ang gisukod nga datos sa temperatura. Makita sa Fig.5 nga ang temperatura sa nawong sa ablation posisyon sa tissue pagtaas uban sa pagdugang sa irradiation gidugayon.Ang pinakataas nga temperatura T sa sentro nga punto r=0 mao ang 132.39,160.32,196.34，
205.57,206.95，ug 226.05C alang sa mga gidugayon sa irradiation nga 1,2，4,6,10，ug 20 s, sa matag usa.Aron pag-analisar sa collateral nga kadaot, ang pag-apod-apod sa temperatura sa ablated tissue surface kay gi-simulate. Kini gihimo sumala sa ang thermal conduction theory para sa biological tissue126】ug ang theory of laser propagation in biological tissue 【27】 inubanan sa optical parameters sa porcine brain 1281.
Ang simulation gihimo uban ang pag-asumir sa usa ka input Gaussian beam. Tungod kay ang biological tissue nga gigamit sa eksperimento mao ang nahilit nga porcine brain tissue, ang impluwensya sa dugo ug metabolismo sa temperatura wala gibalewala, ug ang porcine brain tissue gipasimple ngadto sa porma sa usa ka silindro alang sa simula-tion.Ang mga parametro nga gigamit sa simulation gisumada sa Table 1. Ang solid nga mga kurba nga gipakita sa Fig.5 mao ang simulated radial temperature distributions kalabot sa ablation center sa tissue surface para sa unom ka lain-laing irradiation Gipakita nila ang usa ka profile sa temperatura sa Gaussian gikan sa sentro hangtod sa periphery. Kini dayag gikan sa Fig.5 nga ang data sa eksperimento nag-uyon pag-ayo sa mga simulate nga resulta. Kini usab dayag gikan sa Fig.5 nga ang simulate nga temperatura sa sentro sa Ang posisyon sa ablation nagdugang samtang ang gidugayon sa irradia-tion nagdugang alang sa matag irradiation. Gipakita sa miaging panukiduki nga ang mga selula sa tisyu hingpit nga luwas sa mga temperatura sa ubos55C, nga nagpasabot nga ang mga selula nagpabilin nga aktibo sa berdeng mga sona （T<55C） sa mga kurba sa Fig.5. Ang yellow nga sona sa matag kurba（55C60C）.Maobserbahan sa Fig.5 nga ang simulated ablation radii sa T=60°Care0.774,0.873,0.993,1.071,1.198ug 1.364 mm, sa tinagsa, alang sa mga gidugayon sa irradiation nga 1,2,4,6, 10，ug 20s, samtang ang simulated ablation radii saT=55C are0.805,0.908,1.037,1.134,1.271，ug 1.456 mm, sa tinagsa. 2.394,3.098,3.604,4.509，ug 5.845 mm2 alang sa 1,2,4,6,10，ug 20s sa irradiation, sa tinagsa. ug 0.027 mm2.Makita nga ang laser ablation zones ug ang collateral damage zones nagdugang uban ang irradiation duration.We define the collateral damage ratio nga mao ang ratio sa collateral damage area sa 55C s T60C.The collateral damage ratio nakit-an ngadto sa 8.17%, 8.18%, 9.06%, 12.11%, 12.56%, ug 13.94% alang sa lain-laing mga panahon sa irradiation, nga nagpasabot nga ang collateral kadaot sa ablated mga tisyu gamay. Busa, komprehensibo nga eksperimentol data ug simulation nga mga resulta nagpakita nga kini nga compact, high-power, all-solid-state 6.45 um ZGP-OPO laser naghatag og epektibo nga ablation sa biological nga mga tisyu. Sa konklusyon, among gipakita ang usa ka compact, high-power, all-solid-state MIR pulsed 6.45 um laser tinubdan base sa usa ka ns ZGP-OPO approach.Usa ka maximum average nga gahum sa 1.53 W nakuha uban sa usa ka peak nga gahum sa 3.65kW ug usa ka average nga beam kalidad nga butang sa M2=1.19.Using niini nga 6.45 um MIR radiation,a proof-of-principle nga eksperimento sa laser ablation sa tissue gihimo.Ang pag-apod-apod sa temperatura sa ablated tissue surface kay experimentally gisukod ug theoretically simu-lated.Ang gisukod nga data miuyon pag-ayo sa simulated results.Dugang pa, ang collateral damage kay theoretically analysis sa unang higayon.Kini nga mga resulta nagpamatuod nga ang atong tabletop MIR pulse laser sa 6.45 um nagtanyag epektibo nga ablation sa biological tissucs ug adunay dako nga potensyal nga mahimong usa ka praktikal nga himan sa medikal ug biolohikal nga siyensiya, tungod kay kini makapuli sa usa ka dako nga FEL ingonusa ka laser scalpel.