يتم عرض ليزر MIR متوسط الحجم وقوي ومدمج في الحالة الصلبة بالكامل عند 6.45 ميكرومتر مع طاقة خرج متوسطة عالية وجودة شعاع شبه غاوسي. قدرة خرج قصوى تبلغ 1.53 واط مع عرض نبضة يبلغ حوالي 42 نانوثانية عند 10 يتم تحقيق kHz باستخدام مذبذب حدودي بصري ZnGeP2 ZGP OPO هذا هو أعلى متوسط طاقة عند 6.45 ميكرون لأي ليزر كامل الحالة الصلبة على حد علمنا.يتم قياس متوسط عامل جودة الحزمة ليكون M2 = 1.19.
علاوة على ذلك ، تم تأكيد ثبات طاقة الخرج العالي ، مع تذبذب طاقة أقل من 1.35٪ جذر متوسط التربيع خلال ساعتين ، ويمكن أن يعمل الليزر بكفاءة لأكثر من 500 ساعة إجمالاً. يتم اختبار أنسجة المخ علاوة على ذلك ، يتم تحليل تأثير الضرر الجانبي نظريًا لأول مرة ، على حد علمنا ، وتشير النتائج إلى أن ليزر MIR هذا يتمتع بقدرة استئصال ممتازة ، مما يجعله بديلاً محتملاً لليزر الإلكترون الحر.© 2022 Optica Publishing Group
https://doi.org/10.1364/OL.446336
إشعاع الليزر في منتصف الأشعة تحت الحمراء MIR） 6.45 um له تطبيقات محتملة في مجالات الطب عالية الدقة نظرًا لمزاياها المتمثلة في معدل الاجتثاث الكبير والحد الأدنى من الأضرار الجانبية 【1】 ليزر الإلكترون المجاني （FELs） ， ليزر بخار السترونتيوم ، غاز يشيع استخدام ليزر رامان وليزر الحالة الصلبة المستند إلى مذبذب باراميت-ريك البصري （OPO أو توليد تردد مختلف （DFG بمصادر ليزر 6.45 ميكرون. يمكن الحصول على النطاقات المستهدفة لليزر بخار سترونتيوم وليزر رامان الغازي ، لكن كلاهما لديه استقرار ضعيف ، وسرعة قصيرة
حياة الرذيلة ، وتتطلب صيانة معقدة. أظهرت الدراسات أن ليزر الحالة الصلبة 6.45 ميكرومتر ينتج نطاقًا حراريًا أصغر لعمر السد في الأنسجة البيولوجية وأن عمق اجتثاثها أعمق من عمق FEL تحت نفس الظروف ، والتي أثبتت قدرتها على ذلك. تستخدم كبديل فعال لـ FELs لاستئصال الأنسجة البيولوجية 【2】. بالإضافة إلى ذلك ، تتمتع ليزر الحالة الصلبة بمزايا الهيكل المضغوط ، والاستقرار الجيد ، و
تشغيل منضدية ، مما يجعلها أدوات واعدة للحصول على مصدر ضوء a6.45μn.كما هو معروف جيدًا ، تلعب بلورات الأشعة تحت الحمراء غير الخطية دورًا هامًا في عملية تحويل التردد المستخدمة لتحقيق ليزر MIR عالي الأداء. مناسبة لتوليد ليزر MIR. تشمل هذه البلورات معظم الكالكوجينيدات ، مثل AgGaS2 （AGS） 【3،41 ， LiInS2 （LIS） 【5،61 LilnSe2 （LISe） 7】 ， BaGaS （BGS） 【8،9 】 ， و BaGaSe （BGSe） 【10-12】 ， بالإضافة إلى مركبات الفوسفور CdSiP2 CSP） 【13-16】 و ZnGeP2 ZGP） 【17 كلاهما لهما معاملات غير خطية كبيرة نسبيًا. على سبيل المثال ، يمكن الحصول على إشعاع MIR باستخدام CSP-OPO. ومع ذلك ، تعمل معظم CSP-OPO على نطاق زمني قصير للغاية بيكو وفيمتوثانية ويتم ضخها بشكل متزامن بواسطة ما يقرب من 1 um ليزر مغلق الوضع. تتميز أنظمة SPOPO بإعدادات معقدة ومكلفة ، كما أن متوسط طاقاتها أقل من 100 ميغاواط عند حوالي 6.45 ميكرومتر 【13-16 أوم ، وبالمقارنة مع بلور CSP ، فإن ZGP لديها أضرار ليزر أعلى ثلاث مراتshold （60 MW / cm2） موصل حراري أعلى （0.36 W / cm K） ， ومعامل غير خطي مشابه （75 pm / V） لذلك ، ZGP عبارة عن بلورة ضوئية غير خطية MIR ممتازة للطاقة العالية أو العالية تطبيقات الطاقة 【18-221 ، على سبيل المثال ، تم عرض تجويف مسطح مسطح ZGP-OPO بمدى ضبط يتراوح من 3.8 إلى 12.4 ميكرون يتم ضخه بواسطة ليزر 2.93 ميكرون. 1.2 مللي جول 201: بالنسبة للطول الموجي المحدد البالغ 6.45 ميكرومتر ، تم تحقيق طاقة نبضة أحادية ماكسي موم تبلغ 5.67 مللي جول بتردد تكرار قدره 100 هرتز باستخدام تجويف OPO ذو الحلقة غير المستوية على أساس بلورة ZGP. بتردد 200 هرتز ، تم الوصول إلى متوسط طاقة خرج 0.95 واط 221. وبقدر ما نعلم ، هذه هي أعلى طاقة خرج تم تحقيقها عند 6.45 ميكرومتر.تشير الدراسات الحالية إلى أن متوسط الطاقة الأعلى ضروري لاستئصال الأنسجة الفعال 【23】 ، وبالتالي ، فإن تطوير مصدر ليزر عملي عالي الطاقة 6.45 ميكرومتر سيكون ذا أهمية كبيرة في تعزيز الطب البيولوجي.في هذه الرسالة ، نُبلغ عن ليزر MIR بسيط ومضغوط كامل الحالة الصلبة بحجم 6.45 ميكرومتر يحتوي على متوسط طاقة خرج عالي ويعتمد على ZGP-OPO الذي يتم ضخه بواسطة نبضة نانوثانية 2.09 ميكرون
الليزر: يصل الحد الأقصى لمتوسط طاقة الإخراج لليزر 6.45 ميكرون إلى 1.53 وات مع عرض نبضة يبلغ حوالي 42 نانو ثانية بتردد تكرار يبلغ 10 كيلو هرتز ، وله جودة شعاع ممتازة. يوضح هذا العمل أن الليزر هو وسيلة فعالة لاجتثاث الأنسجة فعليًا ، حيث يعمل كمشرط بالليزر.تم توضيح الإعداد التجريبي في الشكل 1. يتم ضخ ZGP-OPO بواسطة ليزر LD-ضخ محلي الصنع 2.09 um Ho: YAG يوفر 28 واط من متوسط الطاقة عند 10 كيلو هرتز مع مدة نبضة تبلغ حوالي 102 نانوثانية （ FWHM） وعامل جودة شعاع متوسط M2 بحوالي 1.7.MI و M2 هما مرآتان 45 بطبقة عاكسة للغاية عند 2.09 ميكرومتر. تتيح هذه المرايا التحكم في اتجاه حزمة المضخة. عدستان تركيز بؤري （f1 = 100 مم ، f2 = 100 مم） تطبق على موازاة الشعاع بقطر شعاع يبلغ حوالي 3.5 مم في بلورة ZGP. يتم استخدام عازل بصري （ISO لمنع شعاع المضخة من العودة إلى مصدر المضخة 2.09 um. （HWP عند 2.09 um يستخدم للتحكم في استقطاب ضوء المضخة. M3 و M4 هما مرايا تجويف OPO ، مع CaF2 المسطح المستخدم كمواد الركيزة. شعاع ومغلف عالي الانعكاس （98٪ لموجات إشارة التباطؤ 6.45 um و 3.09 um. المرآة الخارجية M4 عاكسة للغاية （98٪ عند 2.09um و 3.09 um ويسمح بنقل جزئي للعازل 6.45 um.يتم قطع بلورة ZGP عند 6-77.6 درجة و p = 45 درجة لمطابقة الطور من النوع JⅡ 2090.0 （o） 6450.0 （o） +3091.9 （e） وهو أكثر ملاءمة لطول موجي محدد وينتج ضوء حدودي مع أضيق عرض خطي مقارنة بمطابقة المرحلة من النوع الأول. أبعاد بلورة ZGP هي 5 مم × 6 مم × 25 مم ، وهي مصقولة ومغطاة بطبقة مقاومة للانعكاس على كلا الجانبين للموجات الثلاثة المذكورة أعلاه ، وهي مغلفة بورق الإنديوم و مثبتة في المشتت الحراري النحاسي بتبريد الماء （T = 16）。 طول التجويف 27 مم ، وقت الرحلة ذهابًا وإيابًا لـ OPO هو 0.537 نانوثانية لليزر المضخة ، قمنا باختبار عتبة الضرر لبلورة ZGP بواسطة R طريقة on-I 【17】. تم قياس عتبة تلف بلورة ZGP لتكون 0.11 J / cm2 عند 10 كيلو هرتز في التجربة ، المقابلة لكثافة قدرة قصوى تبلغ 1.4 ميجاوات / سم 2 ， وهي منخفضة بسبب جودة طلاء رديئة نسبيًا.تقاس قدرة الخرج لضوء التباطؤ الناتج عن طريق عداد الطاقة （D ، OPHIR 1 uW إلى 3 W） ， ويتم مراقبة الطول الموجي لضوء الإشارة بواسطة مقياس الطيف APE ， 1.5-6.3 m）。 من أجل للحصول على طاقة خرج عالية تبلغ 6.45 ميكرومتر ، نحدد تصميم معلمات OPO. يتم إجراء محاكاة عددية بناءً على نظرية الخلط ثلاثي الموجات وكتلات الانتشار شبه المحورية 【24،25 ； في المحاكاة ، نحن استخدم المعلمات المقابلة للظروف التجريبية وافترض نبضًا إدخالًا بملف تعريف Gaussian في المكان والزمان. العلاقة بين مرآة خرج OPO
يتم تحسين النفاذية وكثافة طاقة المضخة وكفاءة الخرج من خلال معالجة كثافة شعاع المضخة في التجويف لتحقيق طاقة خرج أعلى مع تجنب تلف بلورة ZGP والعناصر البصرية في الوقت نفسه ، وبالتالي ، تقتصر قدرة المضخة الأعلى على حوالي 20 W لتشغيل ZGP-OPO. تُظهر النتائج المحاكاة أنه في حالة استخدام قارنة الإخراج المثلى بنفاذية 50٪ ، فإن أقصى كثافة للطاقة القصوى هي 2.6 × 10 وات / سم 2 في ZGP crys-tal ، ومتوسط طاقة الإخراج يمكن الحصول على أكثر من 1.5 واط يوضح الشكل 2 العلاقة بين قدرة الخرج المقاسة لوحدة التباطؤ عند 6.45 ميكرومتر وقدرة المضخة العارضة. طاقة المضخة العارضة. يتوافق حد المضخة مع متوسط قدرة المضخة يبلغ 3.55 وات كحد أقصى وقدرة خرج تباطؤ تبلغ 1.53 وات عند قوة مضخة تبلغ حوالي 18.7 وات ، وهو ما يتوافق مع كفاءة التحويل البصري إلى البصري of ما يقرب من 8.20 ٪٪ ومعدل تحويل كمي بنسبة 25.31٪. للسلامة على المدى الطويل ، يتم تشغيل الليزر بما يقرب من 70٪ من الحد الأقصى لقدرته الخارجة ، ويتم قياس استقرار الطاقة عند طاقة خرج من IW ، مثل كما هو موضح في الشكل الداخلي أ） في الشكل 2 ، فقد وجد أن تذبذب القدرة المقاسة أقل من 1.35٪ جذر متوسط التربيع في ساعتين ، وأن الليزر يمكن أن يعمل بكفاءة لأكثر من 500 ساعة في المجموع. يتم قياسه بدلاً من ذلك الخاص بجهاز التباطؤ نظرًا لنطاق الطول الموجي المحدود لمقياس الطيف APE 1.5-6.3 um） المستخدم في تجربتنا. يتركز الطول الموجي للإشارة المقاسة عند 3.09 um ويبلغ عرض الخط 0.3 نانومتر تقريبًا ، كما هو موضح في الشكل الداخلي （ب） من الشكل 2 ، يُستنتج الطول الموجي المركزي لوحدة التباطؤ ليكون 6.45 ميكرومتر ، ويتم الكشف عن عرض النبضة للتباطؤ بواسطة كاشف ضوئي Thorlabs ، PDAVJ10） ويتم تسجيله بواسطة راسم الذبذبات الرقمي Tcktronix ， 2GHz ） يظهر شكل موجة نموذجي لذبذبات الذبذبات في الشكل 3 ويعرض عرض النبضة بحوالي 42 نانوثانية.أضيق بنسبة 41.18٪ لجهاز التباطؤ الذي يبلغ 6.45 ميكرومتر مقارنةً بنبض المضخة 2.09 ميكرومتر نظرًا لتأثير تضييق الكسب الزمني لعملية تحويل التردد غير الخطي ، ونتيجة لذلك ، تبلغ قدرة ذروة النبضة المتباطئة المقابلة 3.56 كيلو وات. 6.45 ميكرون تباطؤ يقاس بشعاع ليزر
محلل （Spiricon ، M2-200-PIII عند 1 واط من طاقة الخرج ، كما هو موضح في الشكل 4 القيم المقاسة لـ M2 و M ， 2 هي 1.32 و 1.06 على طول المحور x والمحور y ، على التوالي ، المقابلة لـ متوسط عامل جودة الشعاع M2 = 1.19 ، يوضح الشكل 4 ملف شدة الحزمة ثنائي الأبعاد 2D ، والذي يحتوي على وضع مكاني شبه غاوسي. تم إجراء تجربة إثبات المبدأ التي تتضمن استئصال دماغ الخنازير بالليزر باستخدام عدسة f = 50 لتركيز شعاع النبض 6.45 ميكرومتر على نصف قطر خصر يبلغ حوالي 0.75 مم. في بؤرة شعاع الليزر. يتم قياس درجة حرارة السطح T للنسيج البيولوجي كدالة للموقع الشعاعي r بواسطة كاميرا حرارية FLIR A615 بشكل متزامن أثناء عملية الاستئصال. فترات التشعيع هي 1 ، 2،4،6،10 ， و 20 ثانية بقوة ليزر تبلغ I W. لكل فترة تشعيع ، يتم تحديد ستة مواضع للعينة: r = 0،0.62،0.703،1.91،3.05 و 4.14 مم على طول الاتجاه الشعاعي فيما يتعلق بالنقطة المركزية لموضع التشعيع ، كما هو موضح في الشكل 5 ، المربعات هي بيانات درجة الحرارة المقاسة ، ويوجد في الشكل 5 أن درجة حرارة السطح في موضع الاجتثاث على الأنسجة تزداد مع زيادة مدة التشعيع. أعلى درجات الحرارة T عند النقطة المركزية r = 0 هي 132.39،160.32،196.34 ，
205.57،206.95 و 226.05 درجة مئوية لفترات إشعاع تبلغ 1،2，4،6،10 ， و 20 ثانية على التوالي لتحليل الضرر الجانبي ، يتم محاكاة توزيع درجة الحرارة على سطح الأنسجة المستأصلة. نظرية التوصيل الحراري للنسيج البيولوجي 126】 ونظرية انتشار الليزر في الأنسجة البيولوجية 【27】 جنبًا إلى جنب مع المعلمات البصرية لدماغ الخنازير 1281.
يتم إجراء المحاكاة بافتراض وجود شعاع غاوسي مُدخل. نظرًا لأن الأنسجة البيولوجية المستخدمة في التجربة هي أنسجة دماغية معزولة من الخنازير ، يتم تجاهل تأثير الدم والتمثيل الغذائي على درجة الحرارة ، ويتم تبسيط أنسجة دماغ الخنازير في شكل اسطوانة من أجل المحاكاة. تم تلخيص المعلمات المستخدمة في المحاكاة في الجدول 1. المنحنيات الصلبة الموضحة في الشكل 5 هي توزيعات درجة الحرارة الشعاعية المحاكية فيما يتعلق بمركز الاجتثاث على سطح الأنسجة للإشعاع الستة المختلف يُظهر ملف تعريف درجة حرارة غاوسي من المركز إلى المحيط ، ويتضح من الشكل 5 أن البيانات التجريبية تتماشى جيدًا مع نتائج المحاكاة ، كما يتضح من الشكل 5 أن درجة الحرارة المحاكاة في مركز يزداد موضع الاجتثاث مع زيادة مدة الإشعاع لكل تشعيع. أظهرت الأبحاث السابقة أن الخلايا في الأنسجة آمنة تمامًا عند درجات الحرارة أدناه55C ، مما يعني أن الخلايا تظل نشطة في المناطق الخضراء T <55C من المنحنيات في الشكل 5 المنطقة الصفراء لكل منحنى （55C60C） يمكن ملاحظته في الشكل 5 أن نصف قطر الاجتثاث المحاكي عند T = 60 درجة رعاية 0.774،0.873،0.993،1.071،1.198 و 1.364 مم ، على التوالي ، لفترات تشعيع تبلغ 1،2،4，6 ، 10 ， و 20 ثانية ، بينما نصف قطر الاجتثاث عند T = 55 درجة مئوية هي 0.805،0.908،1.037،1.134،1.271 ， و 1.456 ملم ، على التوالي ، عند التحليل الكمي لتأثير الاجتثاث ، وجد أن أركا مع الخلايا الميتة هي 1.882 ، 2.394.3.098.3.604.4.509 و 5.845 ملم 2 للإشعاع 1،2،4،6،10 و 20 ثانية ، على التوالي ، تم العثور على المنطقة مع منطقة الأضرار الجانبية 0.003،0.0040.006،0.013،0.017 0.027 مم 2 يمكن ملاحظة أن مناطق الاستئصال بالليزر ومناطق الضرر الجانبي تزداد مع مدة التشعيع. نحدد نسبة الضرر الجانبي لتكون نسبة منطقة الضرر الجانبي عند 55C ثانية T60C. تم العثور على نسبة الضرر الجانبي أن تكون 8.18٪ 8.18٪ 9.06٪ 12.11٪ ， 12.56٪ و 13.94٪ لأوقات تشعيع مختلفة ، مما يعني أن الأضرار الجانبية للأنسجة المستأصلة صغيرة.تُظهر البيانات ونتائج المحاكاة أن ليزر ZGP-OPO المضغوط ذو الطاقة العالية والحالة الصلبة 6.45 ميكرومتر يوفر استئصالًا فعالًا للأنسجة البيولوجية. مصدر الليزر النبضي MIR 6.45 um بناءً على نهج ns ZGP-OPO. تم الحصول على متوسط قدرة قصوى يبلغ 1.53 واط بقوة ذروة تبلغ 3.65 كيلو وات وعامل جودة شعاع متوسط يبلغ M2 = 1.19. تم إجراء تجربة إثبات المبدأ على استئصال الأنسجة بالليزر ، وتم قياس توزيع درجة الحرارة على سطح الأنسجة المقتطعة بشكل تجريبي ومحاكاة نظريًا ، وتتفق البيانات المقاسة جيدًا مع نتائج المحاكاة ، علاوة على ذلك ، تم تحليل الضرر الجانبي نظريًا. لأول مرة تتحقق هذه النتائج من أن الليزر النبضي المنضدي MIR عند 6.45 ميكرومتر يوفر استئصالًا فعالًا للأنسجة البيولوجية ولديه إمكانات كبيرة ليكون أداة عملية في العلوم الطبية والبيولوجية ، حيث يمكن أن يحل محل FEL ضخم مثلمشرط ليزر.