Isang compact at matatag na all-solid-state mid-infrared （MIR）laser sa 6.45 um na may mataas na average na output power at malapit sa Gaussian beam na kalidad ay ipinapakita. Ang maximum na output power na 1.53 W na may pulse width na humigit-kumulang 42 ns sa 10 Ang kHz ay ​​nakakamit gamit ang isang ZnGeP2（ZGP）optical parametric oscillator （OPO）。 Ito ang pinakamataas na average na kapangyarihan sa 6.45 um ng anumang all-solid-state na laser sa abot ng aming kaalaman.Ang average na beam quality factor ay sinusukat na M2=1.19.
Bukod dito, ang mataas na output power stability ay nakumpirma, na may power fluctuation na mas mababa sa 1.35%rms sa loob ng 2 h, at ang laser ay maaaring tumakbo nang mahusay para sa higit sa 500 h sa kabuuan. Gamit ang 6.45 um na pulso bilang isang radiation source, ablation ng hayop Ang tisyu ng utak ay sinusuri. Higit pa rito, ang epekto ng pinsala sa collateral ay theoretically nasuri sa unang pagkakataon, sa abot ng aming kaalaman, at ang mga resulta ay nagpapahiwatig na ang MIR laser na ito ay may mahusay na kakayahan sa ablation, na ginagawa itong isang potensyal na kapalit para sa mga libreng electron laser.©2022 Optica Publishing Group

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

Ang mid-infrared（MIR）6.45 um laser radiation ay may mga potensyal na aplikasyon sa high-precision na larangan ng medisina dahil sa mga bentahe nito ng malaking ablation rate at minimal collateral damage 【1】. Libreng electron lasers （FELs），strontium vapor lasers,gas Raman lasers, at solid-state lasers batay sa isang optical paramet-ric oscillator（OPO）o difference frequency generation （DFG）ay karaniwang ginagamit na 6.45 um laser sources.Gayunpaman, ang mataas na halaga, malaking sukat, at kumplikadong istraktura ng mga FEL ay naghihigpit sa kanilang application. Ang mga strontium vapor laser at gas Raman lasers ay maaaring makuha ang target na mga banda, ngunit parehong may mahinang katatagan, maikling ser-
nabubuhay, at nangangailangan ng kumplikadong pagpapanatili. Ipinakita ng mga pag-aaral na ang 6.45 um solid-state lasers ay gumagawa ng mas maliit na thermal dam-age range sa mga biological tissues at na ang lalim ng ablation ng mga ito ay mas malalim kaysa sa isang FEL sa ilalim ng parehong mga kundisyon, na nag-verify na kaya nila gamitin bilang isang epektibong alternatibo sa mga FEL para sa biological tissue ablation 【2】. Bilang karagdagan, ang mga solid-state laser ay may mga pakinabang ng isang compact na istraktura, mahusay na katatagan, at

pagpapatakbo ng tabletop, na ginagawa itong mga promising tool para sa pagkuha ng 6.45μn light source.Gaya ng nalalaman, ang mga nonlinear na infrared na kristal ay gumaganap ng isang mahalagang papel sa proseso ng conversion ng dalas na ginagamit upang makamit ang mga high-performance na MIR laser. angkop sa pagbuo ng mga MIR laser. Kabilang sa mga kristal na ito ang karamihan sa mga chalcogenides, tulad ng AgGaS2 （AGS）【3,41，LiInS2 （LIS）【5,61， LilnSe2 （LISe）【7】，BaGaS）【7】，BaGaS）） 】，at BaGaSe（BGSe）【10-12】，pati na rin ang mga phosphorus compound na CdSiP2（CSP）【13-16】at ZnGeP2 （ZGP）【17】；para sa huli na dalawang cofficient na parehong may relaar-ar na malaki. halimbawa, ang MIR radiation ay maaaring makuha gamit ang mga CSP-OPO. Gayunpaman, karamihan sa mga CSP-OPO ay gumagana sa ultrashort （pico-at femtosecond）time scale at sabay-sabay na binobomba ng humigit-kumulang 1 um na naka-lock na mga laser. Sa kasamaang palad, ang mga ito ay sabay-sabay na pumped OPO（ Ang mga SPOPO）system ay may kumplikadong setup at magastos. Ang kanilang average na kapangyarihan ay mas mababa din sa 100 mW sa humigit-kumulang 6.45 um【13-16】. Kung ikukumpara sa CSP crystal, ang ZGP ay may mas mataas na laser damage threshold（60 MW/cm2），isang mas mataas na thermal conductiv-ity （0.36 W/cm K），at isang maihahambing na nonlinear coefficient （75pm/V）。 Samakatuwid, ang ZGP ay isang mahusay na MIR nonlinear optical crystal para sa high-power o high- mga aplikasyon ng enerhiya 【18-221. Halimbawa, ipinakita ang isang flat-flat na lukab na ZGP-OPO na may hanay ng pag-tune na 3.8-12.4 um na nabomba ng 2.93 um laser. Ang maximum na single-pulse na enerhiya ng idler light sa 6.6 um ay 1.2 mJ 【201. Para sa partikular na wavelength na 6.45 um, ang isang maxi-mum single-pulse energy na 5.67 mJ sa dalas ng pag-uulit na 100 Hz ay ​​nakamit gamit ang isang non-planar ring OPO na lukab batay sa isang ZGP crystal. Na may pag-uulit frequency ng 200Hz, naabot ang average na output power na 0.95 W 【221. Sa pagkakaalam namin, ito ang pinakamataas na output power na nakamit sa 6.45 um.Iminumungkahi ng mga kasalukuyang pag-aaral na ang isang mas mataas na average na kapangyarihan ay kinakailangan para sa epektibong pag-aablation ng tissue 【23】. Samakatuwid, ang pagbuo ng isang praktikal na high-power na 6.45 um laser source ay magiging malaking kabuluhan sa pagsulong ng biological na gamot.Sa Liham na ito, nag-uulat kami ng simple, compact all-solid-state MIR 6.45 um laser na may mataas na average na output power at nakabatay sa ZGP-OPO na nabomba ng nanosecond（ns）-pulse 2.09 um

laser. Ang maximum na average na output power ng 6.45 um laser ay hanggang 1.53 W na may lapad ng pulso na humigit-kumulang 42ns sa frequency ng pag-uulit na 10 kHz, at ito ay may mahusay na kalidad ng beam. Ang ablating effect ng 6.45 um laser sa tissue ng hayop ay iniimbestigahan. Ipinapakita ng gawaing ito na ang laser ay isang epektibong diskarte para sa aktwal na pag-alis ng tissuc, dahil ito ay gumaganap bilang isang laser scalpel.Ang pang-eksperimentong setup ay naka-sketch sa Fig.1. Ang ZGP-OPO ay binomba ng isang home-made na LD-pumped 2.09 um Ho:YAG laser na naghahatid ng 28 W ng average na kapangyarihan sa 10 kHz. na may tagal ng pulso na humigit-kumulang 102 ns（ Ang FWHM）at ang average na beam quality factor M2 na humigit-kumulang 1.7.MI at M2 ay dalawang 45 na salamin na may coating na mataas ang reflective sa 2.09 um. Ang mga salamin na ito ay nagbibigay-daan sa kontrol ng direksyon ng pump beam. Dalawang focus-ing lens （f1 =100mm ,f2=100 mm）ay inilapat para sa beam collimation na may diameter ng beam na humigit-kumulang 3.5 mm sa ZGP crystal. Ginagamit ang optical isolator （ISO） para pigilan ang pump beam na bumalik sa 2.09 um pump source. Isang half-wave plate （HWP）sa 2.09 um ay ginagamit upang kontrolin ang polarization ng pump light. Ang M3 at M4 ay OPO cavity mirror, na may flat CaF2 na ginamit bilang substrate material. Ang front mirror M3 ay anti-reflection coated（98%）para sa pump beam at high-reflection coated （98%）para sa 6.45 um idler at 3.09 um signal waves. Ang out-put mirror M4 ay mataas ang reflective（98%）sa 2.09um at 3.09 um at nagbibigay-daan sa bahagyang pagpapadala ng 6.45 um idler.Ang ZGP crystal ay pinutol sa6-77.6°andp=45°para sa type-JⅡ phase matching 【2090.0 （o）6450.0 （o）+3091.9 （e）】，na mas angkop para sa isang partikular na wavelength na parametric na ilaw at yield linewidth kumpara sa type-I phase matching. Ang mga sukat ng ZGP crystal ay 5mm x 6 mm x 25 mm, at ito ay pinakintab at anti-reflection na pinahiran sa magkabilang dulong facet para sa tatlong wave sa itaas. Ito ay nakabalot sa indium foil at naayos sa isang copper heat sink na may water cooling（T=16）。 Ang haba ng cavity ay 27 mm. Ang round-trip time ng OPO ay 0.537 ns para sa pump laser. Sinubukan namin ang damage threshold ng ZGP crystal ng R -on-I method 【17】. Ang damage threshold ng ZGP crystal ay sinusukat na 0.11 J/cm2 sa 10 kHz. sa eksperimento, na tumutugma sa peak power density na 1.4 MW/cm2，na mababa dahil sa medyo mahinang kalidad ng patong.Ang output power ng nabuong idler light ay sinusukat ng isang energy meter （D,OPHIR，1 uW to 3 W），at ang wavelength ng signal light ay sinusubaybayan ng spectrometer （APE，1.5-6.3 m）。Upang makakuha ng mataas na output power na 6.45 um, ino-optimize namin ang disenyo ng mga parameter ng OPO. Ang isang numerical simulation ay isinasagawa batay sa three-wave mixing theory at paraxial propagation cquation 【24,25】；sa simulation, kami gamitin ang mga parameter na tumutugma sa mga eksperimentong kundisyon at ipagpalagay ang isang input pulse na may Gaussian profile sa espasyo at oras. Ang relasyon sa pagitan ng OPO output mirror

Ang transmittance, pump power intensity, at output efficiency ay na-optimize sa pamamagitan ng pagmamanipula sa pump beam density sa cavity para makamit ang mas mataas na output power habang sabay na iniiwasan ang pinsala sa ZGP crystal at optical elements. Kaya, ang pinakamataas na pump power ay limitado sa mga 20 W para sa operasyon ng ZGP-OPO. Ipinapakita ng mga simulate na resulta na habang ginagamit ang pinakamainam na output coupler na may transmittance na 50%, ang maximum na peak power density ay 2.6 x 10 W/cm2 lamang sa ZGP crys-tal, at isang average na output power. ng higit sa 1.5 W ang maaaring makuha. Ipinapakita ng Figure 2 ang relasyon sa pagitan ng sinusukat na output power ng idler sa 6.45 um at ng incident pump power. Makikita mula sa Fig.2 na ang output power ng idler ay tumataas nang monotonously sa incident pump power. Ang pump threshold ay tumutugma sa average na pump power na 3.55WA maximum idler output power na 1.53 W ay nakakamit sa pump power na humigit-kumulang 18.7 W, na tumutugma sa optical-to-optical conversion efficiency of humigit-kumulang 8.20%%at isang quantum conversion cfliciency na 25.31%.Para sa pangmatagalang kaligtasan, ang laser ay pinapatakbo sa halos 70% ng pinakamataas nitong out-put power. Ang power stability ay sinusukat sa isang output power na IW, bilang ipinapakita sa inset （a）sa Fig.2.Napag-alaman na ang sinusukat na pagbabagu-bago ng kapangyarihan ay mas mababa sa 1.35%rms sa 2 h, at ang laser ay maaaring gumana nang mahusay nang higit sa 500 h sa kabuuan. Ang wavelength ng signal wave ay sinusukat sa halip na sa idler dahil sa limitadong wavelength range ng spectrometer （APE，1.5-6.3 um）ginamit sa aming eksperimento. Ang sinusukat na wavelength ng signal ay nakasentro sa 3.09 um at ang lapad ng linya ay humigit-kumulang 0.3 nm, gaya ng ipinapakita sa inset （b）ng Fig.2. Ang gitnang wavelength ng idler ay hinuhusgahan na 6.45um. Ang lapad ng pulso ng idler ay nakita ng isang photodetector（Thorlabs,PDAVJ10）at naitala ng isang digital oscilloscope（Tcktronix，2GHz ）。 Ang isang tipikal na oscilloscope waveform ay ipinapakita sa Fig.3 at nagpapakita ng pulse width ng humigit-kumulang 42 ns. Ang pulse widthay 41.18%mas makitid para sa 6.45 um idler kumpara sa 2.09 um pump pulse dahil sa temporal gain narrowing effect ng nonlinear frequency conversion process.Bilang resulta, ang katumbas na idler pulse peak power ay 3.56kW.Ang beam quality factor ng Ang 6.45 um idler ay sinusukat gamit ang laser beam

analyzer （Spiricon,M2-200-PIII）sa 1 W ng output power, tulad ng ipinapakita sa Fig.4. Ang mga sinusukat na halaga ng M2 at M，2 ay 1.32 at 1.06 kasama ang x axis at ang y axis, ayon sa pagkakabanggit, na tumutugma sa isang average na beam quality factor na M2=1.19. Ang insct ng Fig.4 ay nagpapakita ng two-dimensional（2D）beam intensity profile, na may malapit sa Gaussian spatial mode. Upang ma-verify na ang 6.45 um pulse ay nagbibigay ng epektibong abla-tion, isang eksperimento na patunay-ng-prinsipyo na kinasasangkutan ng laser ablation ng utak ng baboy ay isinasagawa. Isang f=50 lens ang ginagamit upang ituon ang 6.45 um pulse beam sa radius ng baywang na humigit-kumulang 0.75 mm. ay inilalagay sa pokus ng laser beam. Ang temperatura sa ibabaw （T）ng biological tissue bilang function ng radial location r ay sinusukat ng thermocamera（FLIR A615）kasabay sa panahon ng proseso ng ablation. Ang tagal ng irradiation ay 1 ,2,4,6,10，at 20 s sa lakas ng laser na I W. Para sa bawat tagal ng pag-iilaw, anim na posisyon ng sample ang na-blated:r=0,0.62,0.703,1.91,3.05，at 4.14 mm sa kahabaan ng direksyon ng radial na may paggalang sa sentrong punto ng posisyon ng pag-iilaw, tulad ng ipinapakita sa Fig.5. Ang mga parisukat ay ang sinusukat na data ng temperatura. Ito ay matatagpuan sa Fig.5 na ang temperatura sa ibabaw sa posisyon ng ablation sa tissue ay tumataas sa pagtaas ng tagal ng pag-iilaw. Ang pinakamataas na temperaturang T sa gitnang punto r=0 ay 132.39,160.32,196.34，

205.57,206.95, at 226.05C para sa mga tagal ng irradiation na 1,2,4,6,10, at 20 s, ayon sa pagkakabanggit. ang thermal conduction theory para sa biological tissue126】at ang theory ng laser propagation sa biological tissue 【27】na sinamahan ng optical parameters ng porcine brain 1281.
Isinasagawa ang simulation na may pag-aakalang isang input Gaussian beam. Dahil ang biological tissue na ginamit sa eksperimento ay nakahiwalay na porcine brain tissue, ang impluwensya ng dugo at metabolismo sa temperatura ay binabalewala, at ang porcine brain tissue ay pinasimple sa hugis ng isang silindro para sa simula-tion. Ang mga parameter na ginamit sa simulation ay ibinubuod sa Talahanayan 1. Ang mga solidong kurba na ipinapakita sa Fig.5 ay ang simulate na radial temperature distribution na may kinalaman sa ablation center sa ibabaw ng tissue para sa anim na magkakaibang pag-iilaw. tagal. Nagpapakita sila ng profile ng temperatura ng Gaussian mula sa gitna hanggang sa periphery. Maliwanag mula sa Fig.5 na ang data ng eksperimental ay sumasang-ayon nang maayos sa mga simulate na resulta. Maliwanag din mula sa Fig.5 na ang simulate na temperatura sa gitna ng tumataas ang posisyon ng ablation habang tumataas ang tagal ng irradia-tion para sa bawat pag-iilaw. Ipinakita ng nakaraang pananaliksik na ang mga cell sa tissue ay ganap na ligtas sa mga temperatura sa ibaba55C, na nangangahulugan na ang mga cell ay nananatiling aktibo sa mga berdeng sona （T<55C） ng mga kurba sa Fig.5. Ang dilaw na sona ng bawat kurba（55C60C）。 Mapapansin sa Fig.5 na ang simulate ablation radii sa T=60°Care0.774,0.873,0.993,1.071,1.198at 1.364 mm, ayon sa pagkakabanggit, para sa mga tagal ng irradiation na 1,2,4,6, 10，at 20s, habang ang simulated ablation radii saT=55C ay 0.805,0.908,1.037,1.134,1.271，at1.456 mm, ayon sa pagkakabanggit. Sa dami ng pagsusuri sa ablation effect, ang arca na may 1 patay na mga cell ay natagpuan na 88,22. 2.394,3.098,3.604,4.509，at5.845 mm2 para sa 1,2,4,6,10，at 20s ng irradiation, ayon sa pagkakabanggit. Ang lugar na may collateral damage area ay natagpuang 0.003,0.0040.006,0.01,013, at 0.027 mm2.Makikita na ang mga laser ablation zone at ang collateral damage zone ay tumataas sa tagal ng irradiation. Tinutukoy namin ang collateral damage ratio bilang ratio ng collateral damage area sa 55C s T60C. Ang collateral damage ratio ay natagpuan maging 8.17%，8.18%，9.06%，12.11%，12.56%, at 13.94%para sa iba't ibang oras ng pag-iilaw, na nangangahulugang maliit ang collateral na pinsala ng mga ablated tissue. Samakatuwid, komprehensibong eksperimentoIpinapakita ng mga resulta ng data at simulation na ang compact,high-power,all-solid-state na 6.45 um ZGP-OPO laser na ito ay nagbibigay ng epektibong ablation ng biological tissues. Sa konklusyon, nagpakita kami ng compact,high-power, all-solid-state MIR pulsed 6.45 um laser source batay sa isang ns ZGP-OPO approach. Ang pinakamataas na average na kapangyarihan na 1.53 W ay nakuha na may peak power na 3.65kW at isang average na beam quality factor na M2=1.19. Gamit ang 6.45 um MIR radiation,a isinagawa ang proof-of-principle experiment sa laser ablation ng tissue. Ang pamamahagi ng temperatura sa ibabaw ng ablated tissue ay eksperimental na sinusukat at theoretically simu-lated. Ang sinusukat na data ay sumang-ayon nang mabuti sa mga simulate na resulta. Bukod dito, ang collateral na pinsala ay theoretically nasuri sa unang pagkakataon. Bine-verify ng mga resultang ito na ang aming tabletop MIR pulse laser sa 6.45 um ay nag-aalok ng epektibong ablation ng biological tissucs at may malaking potensyal na maging praktikal na tool sa medikal at biological science, dahil maaari nitong palitan ang isang napakalaking FEL bilangisang laser scalpel.