ნაჩვენებია კომპაქტური და მდგრადი მთლიანად მყარი შუა ინფრაწითელი (MIR) ლაზერი 6,45 მმ-ზე მაღალი საშუალო გამომავალი სიმძლავრით და გაუსის სხივის მახლობლად ხარისხით. მაქსიმალური გამომავალი სიმძლავრე 1,53 W პულსის სიგანე დაახლოებით 42 ns 10 kHz მიიღწევა ZnGeP2 (ZGP) ოპტიკური პარამეტრული ოსცილატორის (OPO) გამოყენებით. ეს არის ყველაზე მაღალი საშუალო სიმძლავრე 6,45 მმ-ზე ნებისმიერი მყარი მდგომარეობის ლაზერისთვის, რაც ჩვენ ვიცით.სხივის საშუალო ხარისხის კოეფიციენტი იზომება M2=1.19.
გარდა ამისა, დადასტურებულია მაღალი გამომავალი სიმძლავრის სტაბილურობა, სიმძლავრის რყევებით 1,35% რმ-ზე ნაკლები 2 საათის განმავლობაში, და ლაზერს შეუძლია ეფექტურად იმუშაოს მთლიანობაში 500 საათზე მეტ ხანს. ტვინის ქსოვილის ტესტირება ხდება. გარდა ამისა, კოლატერალური დაზიანების ეფექტი თეორიულად პირველად არის გაანალიზებული, ჩვენი ცოდნის მიხედვით, და შედეგები მიუთითებს, რომ ამ MIR ლაზერს აქვს შესანიშნავი აბლაციის უნარი, რაც მას თავისუფალი ელექტრონული ლაზერების პოტენციურ ჩანაცვლებად აქცევს.©2022 Optica Publishing Group

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

საშუალო ინფრაწითელი (MIR) 6,45 მმ ლაზერის გამოსხივებას აქვს პოტენციური გამოყენება მაღალი სიზუსტის მედიცინის სფეროებში, აბლაციის მნიშვნელოვანი სიჩქარისა და მინიმალური გვერდითი დაზიანების უპირატესობების გამო 【1】. უფასო ელექტრონული ლაზერები (FELs), სტრონციუმის ორთქლი რამანის ლაზერები და მყარი მდგომარეობის ლაზერები, რომლებიც დაფუძნებულია ოპტიკურ პარამეტრულ ოსცილატორზე (OPO) ან განსხვავება სიხშირის გენერაციაზე (DFG) ჩვეულებრივ გამოიყენება 6,45 მმ ლაზერის წყაროებში. თუმცა, FEL-ების მაღალი ღირებულება, დიდი ზომა და რთული სტრუქტურა ზღუდავს მათ. გამოყენება. სტრონციუმის ორთქლის და აირის რამანის ლაზერებს შეუძლიათ მიიღონ სამიზნე ზოლები, მაგრამ ორივეს აქვს ცუდი სტაბილურობა, მოკლე სერ-
ვიცე ცოცხლობს და საჭიროებს კომპლექსურ მოვლას. კვლევებმა აჩვენა, რომ 6,45 მმ მყარი ლაზერები წარმოქმნიან თერმული დაზიანების ხანგრძლივ დიაპაზონს ბიოლოგიურ ქსოვილებში და რომ მათი აბლაციის სიღრმე უფრო ღრმაა, ვიდრე FEL-ის სიღრმე იმავე პირობებში, რაც ადასტურებს, რომ მათ შეუძლიათ. გამოიყენება როგორც FEL-ების ეფექტური ალტერნატივა ბიოლოგიური ქსოვილის აბლაციისთვის 【2】. გარდა ამისა, მყარი მდგომარეობის ლაზერებს აქვთ კომპაქტური სტრუქტურის, კარგი სტაბილურობის და უპირატესობები.

მაგიდის მუშაობა, რაც მათ პერსპექტიულ ინსტრუმენტებს აქცევს a6.45μn სინათლის წყაროს მისაღებად.როგორც ცნობილია, არაწრფივი ინფრაწითელი კრისტალები მნიშვნელოვან როლს ასრულებენ სიხშირის კონვერტაციის პროცესში, რომელიც გამოიყენება მაღალი ხარისხის MIR ლაზერების მისაღწევად. ოქსიდის ინფრაწითელი კრისტალების შედარებით 4 მმ მოჭრილი კიდეებით, არაოქსიდური კრისტალები კარგად არის. შესაფერისია MIR ლაზერების გენერირებისთვის. ეს კრისტალები მოიცავს ქალკოგენიდების უმეტესობას, როგორიცაა AgGaS2 (AGS) 3,41 ，LiInS2 （LIS）【5,61， LilnSe2 （LIS，BaGa9, 】，და BaGaSe（BGSe）【10-12】), ასევე ფოსფორის ნაერთებს CdSiP2 (CSP) 【13-16】 და ZnGeP2 (ZGP) ორივეს აქვს 17-ზე მეტი არაეფექტური. მაგალითად, MIR გამოსხივება შეიძლება მიღებულ იქნას CSP-OPO-ების გამოყენებით. თუმცა, CSP-OPO-ების უმეტესობა მოქმედებს ულტრამოკლე (პიკო-და ფემტოწამური) დროის მასშტაბით და სინქრონულად ამოტუმბავს დაახლოებით 1 მმ რეჟიმში ჩაკეტილი ლაზერებით. სამწუხაროდ, ეს სინქრონულად ამოტუმბული OPO ( SPOPO) სისტემებს აქვთ რთული კონფიგურაცია და ძვირი. მათი საშუალო სიმძლავრე ასევე დაბალია 100 მვტ-ზე, დაახლოებით 6,45 მმ-ზე 【13-16】. CSP კრისტალთან შედარებით, ZGP-ს აქვს ლაზერული დაზიანების მაღალი დონე.უნდა ჰქონდეს (60 MW/cm2), უფრო მაღალი თბოგამტარობა (0,36 W/cm K) და შესადარებელი არაწრფივი კოეფიციენტი (75pm/V). ამიტომ, ZGP არის შესანიშნავი MIR არაწრფივი ოპტიკური კრისტალი მაღალი სიმძლავრის ან მაღალი სიმძლავრისთვის. ენერგეტიკული აპლიკაციები 【18-221. მაგალითად, აჩვენა ბრტყელ-ბრტყელი ღრუ ZGP-OPO 3.8-12.4 მმ-ის დიაპაზონით, რომელიც ამოტუმბულია 2.93 მმ ლაზერით. უსაქმური შუქის მაქსიმალური ერთპულსი ენერგია 6.6 მმ-ზე იყო. 1.2 mJ 【201. ტალღის სპეციფიკური სიგრძისთვის 6.45 um, მაქსიმალური ერთჯერადი იმპულსური ენერგია 5.67 mJ გამეორების სიხშირეზე 100 Hz მიღწეული იქნა არაპლაპეტური რგოლის OPO ღრუს გამოყენებით ZGP კრისტალზე დაფუძნებული. გამეორებით. სიხშირე 200Hz, საშუალო გამომავალი სიმძლავრე 0,95 W იყო მიღწეული 【221. რამდენადაც ჩვენთვის ცნობილია, ეს არის ყველაზე მაღალი გამომავალი სიმძლავრე მიღწეული 6,45 მმ-ზე.არსებული კვლევები ვარაუდობენ, რომ უფრო მაღალი საშუალო სიმძლავრეა საჭირო ქსოვილის ეფექტური აბლაციისთვის 【23】. ამიტომ, პრაქტიკული მაღალი სიმძლავრის 6,45 მმ ლაზერული წყაროს შექმნას დიდი მნიშვნელობა ექნება ბიოლოგიური მედიცინის პოპულარიზაციაში.ამ წერილში ჩვენ ვახსენებთ მარტივ, კომპაქტურ, სრულიად მყარი მდგომარეობის MIR 6.45 მმ ლაზერს, რომელსაც აქვს მაღალი საშუალო გამომავალი სიმძლავრე და დაფუძნებულია ZGP-OPO-ზე, რომელიც ამოტუმბავს ნანოწამში (ns) პულსი 2.09 მმ.

ლაზერი. 6.45 მმ ლაზერის მაქსიმალური საშუალო გამომავალი სიმძლავრე არის 1.53 ვტ-მდე პულსის სიგანე დაახლოებით 42 ns გამეორების სიხშირით 10 kHz, და აქვს სხივის შესანიშნავი ხარისხი. 6.45 მმ ლაზერის აბლაციური ეფექტი ცხოველურ ქსოვილზე. ეს ნაშრომი აჩვენებს, რომ ლაზერი ეფექტური მიდგომაა ქსოვილის აბლაციისთვის, რადგან ის მოქმედებს როგორც ლაზერული სკალპელი.ექსპერიმენტული დაყენება ნაჩვენებია ნახ.1-ში. ZGP-OPO იტუმბება სახლში დამზადებული LD-ტუმბოებული 2.09 მმ Ho:YAG ლაზერით, რომელიც აწვდის საშუალო სიმძლავრეს 28 ვტ 10 kHz-ზე. პულსის ხანგრძლივობით დაახლოებით 102 ns ( FWHM) და საშუალო სხივის ხარისხის კოეფიციენტი M2 დაახლოებით 1.7.MI და M2 არის ორი 45 სარკე ფენით, რომელიც ძალიან ამრეკლავია 2.09 მმ-ზე. ეს სარკეები იძლევა ტუმბოს სხივის მიმართულების კონტროლს. ორი ფოკუსირებული ლინზა (f1 =100 მმ). ,f2=100 მმ) გამოიყენება სხივის კოლიმაციისთვის სხივის დიამეტრით დაახლოებით 3,5 მმ ZGP კრისტალში. ოპტიკური იზოლატორი (ISO) გამოიყენება ტუმბოს სხივის 2,09 მმ ტუმბოს წყაროსთან დაბრუნების თავიდან ასაცილებლად. ნახევარტალღოვანი ფირფიტა. (HWP) 2.09 მმ-ზე გამოიყენება ტუმბოს სინათლის პოლარიზაციის გასაკონტროლებლად. M3 და M4 არის OPO ღრუს სარკეები, ბრტყელი CaF2 გამოიყენება როგორც სუბსტრატის მასალა. წინა სარკე M3 არის არეკვლის საწინააღმდეგო დაფარული (98%) ტუმბოსთვის. სხივი და მაღალი ამრეკლი დაფარული (98%) 6.45 მმ უმოქმედო და 3.09 მმ სიგნალის ტალღებისთვის. გამომავალი სარკე M4 არის ძალიან ამრეკლავი (98%) 2.09-ზეum და 3.09 um და საშუალებას იძლევა ნაწილობრივი გადაცემა 6.45 um idler.ZGP კრისტალი იჭრება 6-77,6° და p=45° ტიპის JⅡ ფაზის შესატყვისად 【2090.0 (o)6450.0 (o)+3091.9 (e))), რაც უფრო შესაფერისია ტალღის სპეციფიკური სიგრძით და უფრო მსუბუქი სიგრძით. ხაზის სიგანე I ტიპის ფაზის შესატყვისობასთან შედარებით. ZGP კრისტალის ზომებია 5მმ x 6 მმ x 25მმ და იგი გაპრიალებულია და არეკვლის საწინააღმდეგოდ დაფარულია ორივე ბოლო ასპექტზე ზემოთ აღნიშნული სამი ტალღისთვის. ის შეფუთულია ინდიუმის ფოლგაში და ფიქსირდება სპილენძის გამათბობელში წყლის გაგრილებით (T=16). ღრუს სიგრძეა 27 მმ. OPO-ს ორმხრივი მოგზაურობის დრო ტუმბოს ლაზერისთვის არის 0,537 ns. ჩვენ გამოვცადეთ ZGP კრისტალის დაზიანების ზღვარი R-ით. -on-I მეთოდი 【17】. ZGP კრისტალის დაზიანების ბარიერი გაზომილი იყო 0,11 J/cm2 10 kHz-ზე. ექსპერიმენტში, რაც შეესაბამება პიკური სიმძლავრის სიმკვრივეს 1,4 MW/cm2, რაც დაბალია იმის გამო. შედარებით დაბალი ხარისხის საფარი.წარმოქმნილი უსაქმური შუქის გამომავალი სიმძლავრე იზომება ენერგიის მრიცხველით (D,OPHIR), 1 uW-დან 3 W-მდე), ხოლო სიგნალის სინათლის ტალღის სიგრძე კონტროლდება სპექტრომეტრით (APE), 1,5-6,3 მ). მივიღოთ მაღალი გამომავალი სიმძლავრე 6,45 მმ, ჩვენ ვაუმჯობესებთ OPO-ს პარამეტრების დიზაინს. რიცხვითი სიმულაცია ხორციელდება სამტალღოვანი შერევის თეორიისა და პარაქსიალური გავრცელების კვოტაციების საფუძველზე 【24,25】；სიმულაციაში, ჩვენ გამოიყენე ექსპერიმენტული პირობების შესაბამისი პარამეტრები და მივიღოთ შეყვანის პულსი გაუსის პროფილით სივრცეში და დროში. OPO გამომავალი სარკეს შორის ურთიერთობა

ტრანსმისია, ტუმბოს სიმძლავრის ინტენსივობა და გამომავალი ეფექტურობა ოპტიმიზებულია ღრუში ტუმბოს სხივის სიმკვრივის მანიპულირებით უფრო მაღალი გამომავალი სიმძლავრის მისაღწევად და ერთდროულად ZGP კრისტალის და ოპტიკური ელემენტების დაზიანების თავიდან აცილების გზით. ამრიგად, ტუმბოს მაქსიმალური სიმძლავრე შეზღუდულია დაახლოებით 20-მდე. W ZGP-OPO მუშაობისთვის. სიმულაციური შედეგები აჩვენებს, რომ სანამ გამოიყენება ოპტიმალური გამომავალი დაწყვილება 50% გადაცემით, მაქსიმალური სიმძლავრის სიმძლავრე არის მხოლოდ 2,6 x 10 W/cm2 ZGP კრისტალში და საშუალო გამომავალი სიმძლავრე. 1,5 ვტ-ზე მეტი შეიძლება მივიღოთ. ნახაზი 2 გვიჩვენებს ურთიერთობას 6,45 მმ-ზე გაზომილი გამომავალი სიმძლავრისა და ტუმბოს ინციდენტის სიმძლავრეს შორის. ნახ.2-დან ჩანს, რომ უსაქმურის გამომავალი სიმძლავრე ერთფეროვნად იზრდება. შემთხვევის ტუმბოს სიმძლავრე. ტუმბოს ზღვარი შეესაბამება ტუმბოს საშუალო სიმძლავრეს 3,55 WA მაქსიმალური გამომავალი სიმძლავრე 1,53 W მიიღწევა ტუმბოს სიმძლავრეზე დაახლოებით 18,7 W, რაც შეესაბამება ოპტიკურ-ოპტიკურ კონვერტაციის ეფექტურობას.f დაახლოებით 8,20% და კვანტური კონვერტაციის სისწრაფე 25,31%. გრძელვადიანი უსაფრთხოებისთვის, ლაზერი მუშაობს მისი მაქსიმალური გამომავალი სიმძლავრის დაახლოებით 70%. დენის სტაბილურობა იზომება IW გამომავალი სიმძლავრით, როგორც ნახ იზომება ჩვენს ექსპერიმენტში გამოყენებული სპექტრომეტრის (APE), 1.5-6.3 um) შეზღუდული ტალღის სიგრძის დიაპაზონის ნაცვლად უსაქმურის ნაცვლად. ნახ.2-ის ჩასმაში (b). შემდეგ გამოითვლება უსაქმური ტალღის ცენტრალური სიგრძე 6,45 უმ. ）. ტიპიური ოსილოსკოპის ტალღის ფორმა ნაჩვენებია ნახ.3-ზე და აჩვენებს პულსის სიგანეს დაახლოებით 42 ns. პულსის სიგანეარის 41,18%-ით ვიწრო 6,45 მმ უსაქმურისთვის 2,09 მმ ტუმბოს პულსთან შედარებით არაწრფივი სიხშირის კონვერტაციის პროცესის დროებითი შევიწროების ეფექტის გამო. შედეგად, შესაბამისი უსაქმური პულსის პიკური სიმძლავრე არის 3,56 კვტ. სხივის ხარისხის ფაქტორი 6.45 მმ უსაქმური გაზომვა ხდება ლაზერის სხივით

ანალიზატორი (Spiricon,M2-200-PIII) გამომავალი სიმძლავრის 1 W-ზე, როგორც ნაჩვენებია ნახ.4-ზე. M2 და M，2 გაზომილი მნიშვნელობები არის 1.32 და 1.06 x ღერძის გასწვრივ და y ღერძის გასწვრივ, შესაბამისად, შეესაბამება სხივის საშუალო ხარისხის კოეფიციენტი M2=1.19. ნახ.4-ში ნაჩვენებია ორგანზომილებიანი (2D) სხივის ინტენსივობის პროფილი, რომელსაც აქვს გაუსური სივრცითი რეჟიმი. ჩატარდა პრინციპის დამადასტურებელი ექსპერიმენტი, რომელიც მოიცავს ღორის ტვინის ლაზერულ აბლაციას. გამოყენებულია f=50 ლინზა 6.45 მმ პულსის სხივის ფოკუსირებისთვის წელის რადიუსზე დაახლოებით 0.75 მმ. პოზიცია ღორის ტვინის ქსოვილზე. მოთავსებულია ლაზერის სხივის ფოკუსში. ბიოლოგიური ქსოვილის ზედაპირის ტემპერატურა (T) რადიალური მდებარეობის r ფუნქციის მიხედვით იზომება თერმოკამერით (FLIR A615) სინქრონულად აბლაციის პროცესის დროს. დასხივების ხანგრძლივობაა 1. ,2,4,6,10, და 20 s ლაზერის სიმძლავრეზე I W. თითოეული დასხივების ხანგრძლივობისთვის, ნიმუშის ექვსი პოზიციები იჭრება:r=0,0.62,0.703,1.91,3.05 და 4.14 მმ რადიალური მიმართულების გასწვრივ დასხივების პოზიციის ცენტრალური წერტილის მიმართ, როგორც ნაჩვენებია ნახ.5-ზე. კვადრატები არის გაზომილი ტემპერატურის მონაცემები. ნახაზზე 5-ზე ჩანს, რომ ზედაპირის ტემპერატურა ქსოვილზე აბლაციის პოზიციაზე იზრდება დასხივების ხანგრძლივობის მატებასთან ერთად. T ყველაზე მაღალი ტემპერატურა ცენტრალურ წერტილში r=0 არის 132.39,160.32,196.34.

205.57,206.95 და 226.05C დასხივების ხანგრძლივობისთვის შესაბამისად 1,2, 4,6,10, და 20 წმ. კოლატერალური დაზიანების გასაანალიზებლად სიმულირებულია ტემპერატურის განაწილება აბლირებული ქსოვილის ზედაპირზე. ეს ხორციელდება შესაბამისად. თერმული გამტარობის თეორია ბიოლოგიური ქსოვილისთვის126】 და ლაზერული გავრცელების თეორია ბიოლოგიურ ქსოვილში【27】 შერწყმული ღორის ტვინის ოპტიკურ პარამეტრებთან 1281.
სიმულაცია შესრულებულია შემავალი გაუსის სხივის დაშვებით. ვინაიდან ექსპერიმენტში გამოყენებული ბიოლოგიური ქსოვილი არის იზოლირებული ღორის ტვინის ქსოვილი, იგნორირებულია სისხლის და მეტაბოლიზმის გავლენა ტემპერატურაზე და ღორის ტვინის ქსოვილი გამარტივებულია. ცილინდრის ფორმა სიმულაციისთვის. სიმულაციაში გამოყენებული პარამეტრები შეჯამებულია ცხრილში 1. ნახ.5-ში ნაჩვენები მყარი მრუდები არის სიმულირებული რადიალური ტემპერატურის განაწილება ქსოვილის ზედაპირზე აბლაციის ცენტრის მიმართ ექვსი განსხვავებული დასხივებისთვის. ხანგრძლივობა. ისინი აჩვენებენ გაუსის ტემპერატურულ პროფილს ცენტრიდან პერიფერიამდე. ნახ.5-დან ცხადია, რომ ექსპერიმენტული მონაცემები კარგად ემთხვევა იმიტირებულ შედეგებს. ასევე ჩანს ნახ.5-დან, რომ სიმულირებული ტემპერატურა ცენტრში აბლაციის პოზიცია იზრდება დასხივების ხანგრძლივობის ზრდასთან ერთად ყოველი დასხივებისთვის. წინა კვლევამ აჩვენა, რომ ქსოვილის უჯრედები სავსებით უსაფრთხოა დაბალ ტემპერატურაზე.55C, რაც ნიშნავს, რომ უჯრედები აქტიურ რჩებიან მწვანე ზონებში (T<55C) ნახ.5-ში მოცემული მოსახვევების. თითოეული მრუდის ყვითელი ზონა (55C)60C）. ნახ.5-ზე ჩანს, რომ სიმულირებული აბლაციის რადიუსი T=60°Care0.774,0.873,0.993,1.071,1.198 და 1.364 მმ-ზე, შესაბამისად, 1,6,4，6,4， დასხივების ხანგრძლივობისთვის. 10, და 20 წმ, მაშინ როცა აბლაციის იმიტირებული რადიუსი T=55C-ზე არის 0.805, 0.908, 1.037, 1.134, 1.271, და 1.456 მმ, შესაბამისად. 2.394,3.098,3.604,4.509, და 5.845 მმ2 1,2,4,6,10 და 20 წმ დასხივებისთვის, შესაბამისად. გირაოს დაზიანების ფართობი აღმოჩნდა 0.003.0.0040.0106,00. და 0.027 მმ2. ჩანს, რომ ლაზერული აბლაციის ზონები და გირაო დაზიანების ზონები იზრდება დასხივების ხანგრძლივობით. ჩვენ განვსაზღვრავთ კოლატერალური ზიანის კოეფიციენტს, როგორც გირაო დაზიანების ფართის თანაფარდობას 55C s T60C-ზე. ნაპოვნია გირაო ზიანის კოეფიციენტი. იყოს 8,17%, 8,18%, 9,06%, 12,11%, 12,56% და 13,94% სხვადასხვა დასხივების დროისთვის, რაც ნიშნავს, რომ აბლირებული ქსოვილების გვერდითი დაზიანება მცირეა. ამიტომ, ყოვლისმომცველი ექსპერიმენტიl მონაცემები და სიმულაციის შედეგები აჩვენებს, რომ ეს კომპაქტური, მაღალი სიმძლავრის, სრულიად მყარი მდგომარეობის 6.45 მმ ZGP-OPO ლაზერი უზრუნველყოფს ბიოლოგიური ქსოვილების ეფექტურ აბლაციას. დასასრულს, ჩვენ ვაჩვენეთ კომპაქტური, მაღალი სიმძლავრის, სრულიად მყარი მდგომარეობა. MIR პულსირებული 6.45 მმ ლაზერული წყარო ns ZGP-OPO მიდგომაზე დაფუძნებული. მაქსიმალური საშუალო სიმძლავრე 1.53 ვტ იქნა მიღებული პიკური სიმძლავრით 3.65 კვტ და საშუალო სხივის ხარისხის კოეფიციენტი M2=1.19. ამ 6.45 მმ MIR გამოსხივების გამოყენებით, ჩატარდა პრინციპის დამადასტურებელი ექსპერიმენტი ქსოვილის ლაზერული აბლაციის შესახებ. ტემპერატურული განაწილება აბლირებული ქსოვილის ზედაპირზე იყო ექსპერიმენტულად გაზომილი და თეორიულად სიმულირებული. პირველად. ეს შედეგები ადასტურებს, რომ ჩვენი მაგიდის MIR პულსური ლაზერი 6,45 მმ-ზე გთავაზობთ ბიოლოგიური ქსოვილების ეფექტურ აბლაციას და აქვს დიდი პოტენციალი იყოს პრაქტიკული ინსტრუმენტი სამედიცინო და ბიოლოგიურ მეცნიერებაში, რადგან მას შეუძლია შეცვალოს ნაყარი FEL, როგორცლაზერული სკალპელი.