מודגם לייזר (MIR) בינוני אינפרא אדום (MIR) קומפקטי וחזק עם הספק ממוצע גבוה ואיכות קרן כמעט גאוסית. הספק מרבי של 1.53 W עם רוחב פולסים של כ-42 ns ב-10 kHz מושגת באמצעות מתנד פרמטרי אופטי ZnGeP2（ZGP（OPO）。זהו ההספק הממוצע הגבוה ביותר ב-6.45 אום של כל לייזר במצב מוצק למיטב ידיעתנו.גורם איכות האלומה הממוצע נמדד להיות M2=1.19.
יתר על כן, אושרה יציבות כוח פלט גבוהה, עם תנודת הספק של פחות מ-1.35% rms במשך 2 שעות, והלייזר יכול לפעול ביעילות במשך יותר מ-500 שעות בסך הכל. באמצעות דופק זה של 6.45 אום כמקור קרינה, אבלציה של בעלי חיים רקמת המוח נבדקת. יתר על כן, השפעת הנזק הנלווה מנותחת תיאורטית בפעם הראשונה, למיטב ידיעתנו, והתוצאות מצביעות על כך שללייזר MIR זה יש יכולת אבלציה מצוינת, מה שהופך אותו לתחליף פוטנציאלי ללייזרי אלקטרונים חופשיים.©2022 Optica Publishing Group

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

אמצע אינפרא אדום (MIR) לקרינת לייזר 6.45 אום יש פוטנציאל ליישום בתחומי רפואה בעלי דיוק גבוה, הודות ליתרונות של קצב אבלציה משמעותי ונזקים נלווים מינימליים 【1】. לייזרים אלקטרונים חופשיים (FELs), לייזר אדי סטרונציום לייזר ראמאן, ולייזרי מצב מוצק המבוססים על מתנד פרמטרי אופטי (OPO) או יצירת הבדל תדרים (DFG) נמצאים בשימוש נפוץ במקורות לייזר של 6.45 אום. עם זאת, העלות הגבוהה, הגודל הגדול והמבנה המורכב של FELs מגבילים את מקורות הלייזר שלהם. יישום. לייזרים אדי סטרונציום ולייזרי ראמאן גז יכולים להשיג את פסי היעד, אך לשניהם יש יציבות גרועה, שירות קצר
חיים סגן, ודורשים תחזוקה מורכבת. מחקרים הראו כי לייזרים במצב מוצק של 6.45 אום מייצרים טווח נזק תרמי קטן יותר ברקמות ביולוגיות וכי עומק האבלציה שלהם עמוק יותר מזה של FEL באותם תנאים, מה שאימת שהם יכולים לשמש כחלופה יעילה ל-FELs לאבלציה של רקמות ביולוגיות 【2】. בנוסף, ללייזרים במצב מוצק יש את היתרונות של מבנה קומפקטי, יציבות טובה, ו

תפעול שולחן, מה שהופך אותם לכלים מבטיחים להשגת מקור אור של 6.45 מיקרון.כידוע, גבישי אינפרא אדום לא ליניאריים ממלאים תפקיד חשוב בתהליך המרת התדרים המשמש להשגת לייזר MIR בעל ביצועים גבוהים. מתאים לייצור לייזרים MIR. גבישים אלה כוללים את רוב הכלקוגנידים, כגון AgGaS2 （AGS）【3,41，LiInS2 （LIS）【5,61， LilnSe2 （LISe）（B，B】 】，ו-BaGaSe（BGSe）【10-12】，כמו גם תרכובות הזרחן CdSiP2（CSP）【13-16】 ו-ZnGeP2 （ZGP）【17】 לשתיהן יעילות מקוונת. לדוגמה, ניתן להשיג קרינת MIR באמצעות CSP-OPOs. עם זאת, רוב ה-CSP-OPOs פועלים בסולם זמן אולטרה קצר (פיקו ופמטו-שניות) והם נשאבים באופן סינכרוני על ידי לייזרים נעולים במצב נעולים של כ-1 אום. למערכות SPOPO יש התקנה מורכבת והן יקרות. ההספקים הממוצעים שלהן גם נמוכים מ-100 mW בסביבות 6.45 אום【13-16】. בהשוואה לקריסטל CSP, ל-ZGP יש טווח נזקי לייזר גבוה יותרshold（60 MW/cm2），מוליכות תרמית גבוהה יותר (0.36 W/cm K），，ומקדם לא ליניארי דומה （75pm/V）。לכן, ZGP הוא גביש אופטי לא ליניארי MIR מצוין עבור הספק גבוה יישומי אנרגיה 【18-221. לדוגמה, הודגם חלל שטוח שטוח ZGP-OPO עם טווח כוונון של 3.8-12.4 אום שאוב על ידי לייזר 2.93 אום. 1.2 mJ 【201. עבור אורך הגל הספציפי של 6.45 אום, הושגה אנרגיית פולס בודדת מקסימלית של 5.67 mJ בתדר חזרה של 100 הרץ באמצעות חלל OPO טבעת לא מישורית המבוססת על גביש ZGP. עם חזרה תדר של 200Hz, הספק מוצא ממוצע של 0.95 W הושג 【221. עד כמה שידוע לנו, זהו הספק המוצא הגבוה ביותר שהושג ב-6.45 אום.מחקרים קיימים מצביעים על כך שהספק ממוצע גבוה יותר נחוץ לאבלציה יעילה של רקמות 【23】. לפיכך, לפיתוח של מקור לייזר מעשי בעל הספק גבוה של 6.45 אום תהיה משמעות רבה בקידום הרפואה הביולוגית.במכתב זה אנו מדווחים על לייזר פשוט וקומפקטי MIR 6.45 אום בעל הספק מוצא ממוצע גבוה ומבוסס על ZGP-OPO הנשאב בננו-שניה (ns)-פולס 2.09 אום.

לייזר. הספק המוצא הממוצע המרבי של לייזר 6.45 אום הוא עד 1.53 W עם רוחב פולסים של כ-42ns בתדירות חזרות של 10 קילו-הרץ, ויש לו איכות קרן מצוינת. השפעת הביטול של הלייזר 6.45 אום על רקמת בעלי חיים נחקר. עבודה זו מראה שהלייזר הוא גישה יעילה לאבלציה ממשית של רקמות, שכן הוא פועל כאזמל לייזר.מערך הניסוי משורטט באיור 1. ה-ZGP-OPO נשאב על ידי לייזר LD-שאוב ביתי של 2.09 אום Ho:YAG המספק 28 W של הספק ממוצע ב-10 קילו-הרץ. עם משך פולס של כ-102 ns（ FWHM) ומקדם איכות קרן ממוצע M2 של כ-1.7.MI ו-M2 הם שתי מראות 45 עם ציפוי בעל רפלקציה גבוהה ב-2.09 אום. מראות אלו מאפשרות בקרת כיוון של אלומת המשאבה. שתי עדשות מיקוד （f1 =100 מ"מ ,f2=100 מ"מ) מיושמים עבור קולימציה של קרן בקוטר קרן של כ-3.5 מ"מ בגביש ZGP. מבודד אופטי (ISO) משמש למניעת חזרה של קרן המשאבה למקור המשאבה של 2.09 אום. לוחית חצי גל （HWP）ב-2.09 אום משמש לשליטה בקיטוב של אור המשאבה.M3 ו-M4 הן מראות חלל OPO, כאשר CaF2 שטוח משמש כחומר המצע. המראה הקדמית M3 מצופה אנטי-השתקפות (98%) עבור המשאבה מצופה קרן והשתקפות גבוהה (98%) עבור גלי אות של 6.45 אום ו-3.09 אום. מראת המוצא M4 מחזירה אור (98%) ב-2.09אום ו-3.09 אום ומאפשר שידור חלקי של הבטלן של 6.45 אום.גביש ה-ZGP נחתך ב-6-77.6° ו-p=45° עבור התאמת פאזה מסוג JⅡ 【2090.0 （o）6450.0 （o）+3091.9 （e）】, מה שמתאים יותר עבור אורך גל אור-מטרי וחץ ספציפי. רוחב קו בהשוואה להתאמת פאזה מסוג I. הממדים של גביש ZGP הם 5 מ"מ x 6 מ"מ x 25 מ"מ, והוא מלוטש ומצופה נגד השתקפות בשני הצדדים הקצויים עבור שלושת הגלים הנ"ל. הוא עטוף בנייר כסף אינדיום קבוע בגוף קירור נחושת עם קירור מים（T=16）。אורך החלל הוא 27 מ"מ. זמן ההליכה הלוך ושוב של ה-OPO הוא 0.537 ns עבור לייזר המשאבה. בדקנו את סף הנזק של גביש ZGP לפי ה-R שיטת -on-I 【17】. סף הנזק של גביש ZGP נמדד ל-0.11 J/cm2 ב-10 kHz. בניסוי, המקביל לצפיפות הספק שיא של 1.4 MW/cm2, שהיא נמוכה בשל איכות ציפוי ירודה יחסית.הספק המוצא של אור הסרק הנוצר נמדד על ידי מד אנרגיה （D,OPHIR，1 uW עד 3 W），ואורך הגל של אור האות מנוטר על ידי ספקטרומטר （APE，1.5-6.3 m）. משיג הספק פלט גבוה של 6.45 אום, אנו מייעלים את עיצוב הפרמטרים של ה-OPO. סימולציה מספרית מבוצעת המבוססת על תיאוריית ערבוב תלת-גלים ומיקומי התפשטות פרקסיאלית 【24,25】；בסימולציה, אנו השתמשו בפרמטרים המתאימים לתנאי הניסוי והנחו דופק קלט עם פרופיל גאוסי במרחב ובזמן. הקשר בין מראת מוצא OPO

השידור, עוצמת הספק המשאבה ויעילות הפלט מיוטבים על ידי מניפולציה של צפיפות אלומת המשאבה בחלל כדי להשיג הספק פלט גבוה יותר ובו זמנית הימנעות מנזק לקריסטל ZGP ולאלמנטים האופטיים. לפיכך, הספק המשאבה הגבוה ביותר מוגבל לכ-20 W עבור פעולת ZGP-OPO. תוצאות סימולציות מראות כי בעוד שמצמד פלט אופטימלי עם שידור של 50% מנוצל, צפיפות שיא ההספק המקסימלית היא רק 2.6 x 10 W/cm2 בקריסטל ZGP, והספק מוצא ממוצע ניתן להשיג של יותר מ-1.5 W. איור 2 מציג את הקשר בין הספק המוצא הנמדד של הבטלן ב-6.45 אום לבין הספק המשאבה הנכנסת. ניתן לראות מתמונה 2 כי הספק המוצא של הבטלן גדל באופן מונוטוני עם הספק משאבה תקרית. סף המשאבה מתאים להספק משאבה ממוצע של 3.55WA הספק מרבי של סרק של 1.53 W מושג בהספק משאבה של כ-18.7 W, המתאים ליעילות המרה אופטית לאופטית of כ-8.20%%ויכולת המרה קוונטית של 25.31%. לבטיחות ארוכת טווח, הלייזר מופעל קרוב ל-70% מהספק המוצא המרבי שלו. יציבות ההספק נמדדת בהספק פלט של IW, כמו מוצג בהוספה （a） באיור 2. נמצא כי תנודת ההספק הנמדדת היא פחות מ-1.35% rms ב-2 שעות, וכי הלייזר יכול לפעול ביעילות במשך יותר מ-500 שעות בסך הכל. אורך הגל של גל האות נמדד במקום זה של הבטלן בשל טווח אורך הגל המוגבל של הספקטרומטר （APE，1.5-6.3 אום） המשמש בניסוי שלנו. אורך גל האות הנמדד מרוכז ב-3.09 אום ורוחב הקו הוא כ-0.3 ננומטר, כפי שמוצג. בהוספה （b） של איור 2. לאחר מכן אורך הגל המרכזי של הבטלן הוא 6.45um. רוחב הפולסים של הבטלן מזוהה על ידי photodetector (Thorlabs, PDAVJ10) ומתועד על ידי אוסצילוסקופ דיגיטלי (Tcktronix，Tcktronix，2GHz， ）。צורת גל טיפוסית של אוסילוסקופ מוצגת באיור 3 ומציגה רוחב פולס של כ-42 ns. רוחב הדופקהוא צר ב-41.18% עבור ה-6.45 אום סרק בהשוואה לפולס המשאבה של 2.09 אום עקב השפעת צמצום ההגברה הזמני של תהליך המרת התדר הלא-ליניארי. כתוצאה מכך, שיא הספק הדופק הסרק המתאים הוא 3.56kW. גורם איכות האלומה של 6.45 אום סרק נמדד בקרן לייזר

מנתח （Spiricon,M2-200-PIII） בהספק מוצא של 1 W, כפי שמוצג באיור.4. הערכים הנמדדים של M2 ו- M，2 הם 1.32 ו- 1.06 לאורך ציר x וציר y, בהתאמה, בהתאמה ל גורם איכות קרן ממוצע של M2=1.19. ה-inct של איור 4 מציג את פרופיל עוצמת הקרן הדו-ממדי (2D), בעל מצב מרחבי כמעט גאוסי. כדי לוודא שהפולס של 6.45 אום מספק אבלציה יעילה, מבוצע ניסוי הוכחה לעיקרון הכולל אבלציה בלייזר של מוח חזיר. נעשה שימוש בעדשת f=50 כדי למקד את אלומת הדופק של 6.45 אום לרדיוס מותניים של כ-0.75 מ"מ. המיקום שיש לבטל על רקמת המוח החזירי ממוקם במוקד קרן הלייזר. טמפרטורת פני השטח （T） של הרקמה הביולוגית כפונקציה של המיקום הרדיאלי r נמדדת על ידי מצלמה תרמו (FLIR A615) באופן סינכרוני במהלך תהליך האבלציה. משך ההקרנה הוא 1 ,2,4,6,10, ו-20 שניות בהספק לייזר של I W. עבור כל משך הקרנה, שישה עמדות דגימה משופעות: r=0,0.62,0.703,1.91,3.05, ו-4.14 מ"מ לאורך הכיוון הרדיאלי ביחס לנקודת המרכז של מיקום ההקרנה, כפי שמוצג באיור 5. הריבועים הם נתוני הטמפרטורה הנמדדים. נמצא באיור 5 כי טמפרטורת פני השטח במצב אבלציה על הרקמה עולה עם הגדלת משך ההקרנה. הטמפרטורות הגבוהות ביותר T בנקודת המרכז r=0 הן 132.39,160.32,196.34，

205.57,206.95, ו-226.05C עבור משכי הקרנה של 1,2, 4,6,10, ו-20 שניות בהתאמה. כדי לנתח את הנזק הצדדי, מדומה את חלוקת הטמפרטורה על פני הרקמה המובטלת. פעולה זו מתבצעת לפי תיאוריית ההולכה התרמית עבור רקמות ביולוגיות126】ותיאוריית התפשטות הלייזר ברקמה ביולוגית 【27】 בשילוב עם הפרמטרים האופטיים של מוח חזיר 1281.
הסימולציה מתבצעת בהנחה של קרן גאוסית קלט. מאחר והרקמה הביולוגית המשמשת בניסוי היא רקמת מוח חזירית מבודדת, מתעלמים מהשפעת הדם והמטבוליזם על הטמפרטורה, ורקמת המוח החזירית מפושטת לתוך צורת גליל לסימולציה. הפרמטרים המשמשים בסימולציה מסוכמים בטבלה 1. העקומות המוצקות המוצגות באיור 5 הן הפצות הטמפרטורה הרדיאליות המדומות ביחס למרכז האבלציה על פני הרקמה עבור שש ההקרנות השונות. משך זמן. הם מציגים פרופיל טמפרטורה גאוסי מהמרכז לפריפריה. ניכר מתמונה 5 שנתוני הניסוי תואמים היטב את התוצאות המדומות. כמו כן ניכר מתמונה 5 שהטמפרטורה המדומה במרכז תנוחת האבלציה עולה ככל שמשך ההקרנה גדל עבור כל הקרנה. מחקר קודם הראה כי התאים ברקמה בטוחים לחלוטין בטמפרטורות מתחת55C, כלומר התאים נשארים פעילים באזורים הירוקים （T<55C） של העקומות באיור 5. האזור הצהוב של כל עקומה（55C60C）。 ניתן לראות באיור 5 שרדיוסי האבלציה המדומים ב-T=60°Care0.774,0.873,0.993,1.071,1.198 ו-1.364 מ"מ, בהתאמה, למשך קרינה של 1,6,4， 10 ו-20 שניות, בעוד שרדיוסי האבלציה המדומים ב-T=55C הם 0.805,0.908,1.037,1.134,1.271, ו-1.456 מ"מ, בהתאמה. לאחר ניתוח כמותי של אפקט האבלציה, נמצא כי התאים חסרים ב-1.8,2 2.394,3.098,3.604,4.509, ו-5.845 מ"מ עבור 1,2,4,6,10, ו-20 שניות של קרינה, בהתאמה. נמצא שהאזור עם אזור הנזק הצדדי הוא 0.003,0.0040.013,0.013,0. ו-0.027 מ"מ. ניתן לראות כי אזורי אבלציה בלייזר ואזורי הנזק הצדדי גדלים עם משך ההקרנה. אנו מגדירים את יחס הנזק הצדדי כיחס של אזור הנזק הצדדי ב-55C s T60C. נמצא יחס הנזק הצדדי. להיות 8.17%，8.18%，9.06%，12.11%，12.56%， ו-13.94%עבור זמני הקרנה שונים, מה שאומר שהנזק הצדדי של הרקמות המובטלות קטן. לכן, ניסויים מקיפיםl נתונים ותוצאות סימולציה מראים כי לייזר ZGP-OPO קומפקטי, בעל עוצמה גבוהה, 6.45 אום, מספק אבלציה יעילה של רקמות ביולוגיות. לסיכום, הדגמנו קומפקטי, בעל עוצמה גבוהה, במצב מוצק. מקור לייזר פועם של MIR 6.45 אום מבוסס על גישת ns ZGP-OPO. הספק ממוצע מרבי של 1.53 W התקבל עם הספק שיא של 3.65kW ומקדם איכות קרן ממוצע של M2=1.19. באמצעות קרינת MIR זו של 6.45 אום,a בוצע ניסוי הוכחה לעיקרון על אבלציה בלייזר של רקמה. התפלגות הטמפרטורה על פני הרקמה המונחת נמדדה בניסוי והוסמה תיאורטית. הנתונים הנמדדים תאמו היטב את התוצאות המדומות. יתר על כן, הנזק הנוסף נותח באופן תיאורטי בפעם הראשונה. תוצאות אלו מאמתות שלייזר הדופק MIR השולחן שלנו ב-6.45 אום מציע אבלציה יעילה של רקמות ביולוגיות ויש לו פוטנציאל גדול להיות כלי מעשי במדע הרפואה והביולוגיה, שכן הוא יכול להחליף FEL מגושם כמואזמל לייזר.