높은 평균 출력과 가우스에 가까운 빔 품질을 갖춘 6.45um의 작고 견고한 전고체 중간적외선(MIR) 레이저가 시연됩니다. 10에서 약 42ns의 펄스 폭으로 1.53W의 최대 출력 전력을 제공합니다. kHz는 ZnGeP2(ZGP) 광학 매개변수 발진기(OPO)를 사용하여 달성됩니다. 이것은 우리가 아는 한 모든 고체 레이저의 6.45um에서 가장 높은 평균 전력입니다.평균 빔 품질 계수는 M2=1.19로 측정됩니다.
또한, 2시간 동안 1.35%rms 미만의 전력 변동으로 높은 출력 전력 안정성이 확인되었으며, 레이저는 총 500시간 이상 동안 효율적으로 작동할 수 있습니다. 이 6.45um 펄스를 방사선 소스로 사용하여 동물의 절제 또한, 부수적 손상 효과는 우리가 아는 한 처음으로 이론적으로 분석되었으며 결과는 이 MIR 레이저가 우수한 절제 능력을 가지고 있어 자유 전자 레이저의 잠재적인 대체품임을 나타냅니다.©2022 Optica 출판 그룹
https://doi.org/10.1364/OL.446336
중적외선(MIR) 6.45 um 레이저 방사선은 상당한 절제율과 최소한의 부수적 손상[1]의 장점으로 인해 고정밀 의학 분야에서 잠재적인 응용이 가능합니다. 자유 전자 레이저(FEL), 스트론튬 증기 레이저, 가스 라만 레이저 및 광학 매개변수 발진기(OPO) 또는 차동 주파수 생성(DFG)을 기반으로 하는 고체 레이저는 일반적으로 6.45um 레이저 소스에 사용됩니다. 그러나 FEL의 고비용, 대형 및 복잡한 구조는 스트론튬 증기 레이저 및 가스 라만 레이저는 목표 대역을 얻을 수 있지만 둘 다 안정성이 낮고 짧은 서
연구에 따르면 6.45 um 고체 상태 레이저는 생물학적 조직에서 더 작은 열 손상 범위를 생성하고 동일한 조건에서 FEL의 절제 깊이보다 더 깊습니다. 생물학적 조직 절제를 위한 FEL의 효과적인 대안으로 사용될 수 있습니다. 【2】. 또한, 고체 상태 레이저는 조밀한 구조, 우수한 안정성 및
탁상 작업으로 6.45μn 광원을 얻기 위한 유망한 도구입니다.잘 알려진 바와 같이 비선형 적외선 결정은 고성능 MIR 레이저를 달성하는 데 사용되는 주파수 변환 과정에서 중요한 역할을 합니다. MIR 레이저 생성에 적합합니다. 이러한 결정에는 AgGaS2(AGS)[3,41, LiInS2(LIS)[5,61, LilnSe2(LISe)[7], BaGaS(BGS)[8,9]와 같은 칼코겐화물의 대부분이 포함됩니다. ]，및 BaGaSe(BGSe)【10-12】，인 화합물 CdSiP2(CSP)【13-16】및 ZnGeP2(ZGP)【17】；후자의 두 가지 모두 비교적 큰 비선형 계수를 가지고 있습니다. 예를 들어, MIR 방사선은 CSP-OPO를 사용하여 얻을 수 있습니다. 그러나 대부분의 CSP-OPO는 초단기(피코 및 펨토초) 시간 규모에서 작동하며 약 1um 모드 잠금 레이저에 의해 동기식으로 펌핑됩니다. 불행히도 이러한 동기식으로 펌핑된 OPO( SPOPO) 시스템은 설정이 복잡하고 비용이 많이 듭니다. 평균 전력도 약 6.45um[13-16]에서 100mW 미만입니다. CSP 수정과 비교하여 ZGP는 레이저 손상이 더 높습니다.shold(60 MW/cm2), 더 높은 열전도율(0.36 W/cm·K), 그리고 유사한 비선형 계수(75pm/V). 따라서 ZGP는 고전력 또는 고출력을 위한 우수한 MIR 비선형 광학 결정입니다. 에너지 응용 【18-221.예를 들어, 2.93um 레이저로 펌핑된 3.8-12.4um의 튜닝 범위를 가진 평평한 공동 ZGP-OPO가 시연되었습니다. 6.6um에서 아이들러 광의 최대 단일 펄스 에너지는 1.2 mJ 【201.6.45um의 특정 파장에 대해 ZGP 결정을 기반으로 하는 비평면 링 OPO 캐비티를 사용하여 100Hz의 반복 주파수에서 5.67mJ의 최대 단일 펄스 에너지가 달성되었습니다. 반복 200Hz의 주파수, 0.95W의 평균 출력에 도달했습니다 【221. 우리가 알고 있는 한, 이것은 6.45um에서 달성된 가장 높은 출력입니다.기존 연구에서는 효과적인 조직 절제를 위해서는 더 높은 평균 출력이 필요하다고 제안합니다[23]. 따라서 실용적인 고출력 6.45 um 레이저 소스의 개발은 생물학의 진흥에 큰 의미가 있을 것입니다.이 편지에서 우리는 평균 출력이 높고 나노초(ns) 펄스 2.09um에 의해 펌핑되는 ZGP-OPO를 기반으로 하는 단순하고 컴팩트한 전고체 MIR 6.45um 레이저를 보고합니다.
6.45um 레이저의 최대 평균 출력은 10kHz의 반복 주파수에서 약 42ns의 펄스 폭으로 최대 1.53W이며 우수한 빔 품질을 가지고 있습니다. 동물 조직에 대한 6.45um 레이저의 절제 효과 이 연구는 레이저가 레이저 메스 역할을 하기 때문에 실제 조직 절제에 효과적인 접근 방식임을 보여줍니다.실험 설정은 그림 1에 설명되어 있습니다. ZGP-OPO는 10kHz에서 평균 전력 28W를 제공하는 집에서 만든 LD 펌핑 2.09um Ho:YAG 레이저로 펌핑됩니다. 펄스 지속 시간은 약 102ns( FWHM) 및 약 1.7.MI 및 M2의 평균 빔 품질 계수 M2는 2.09um에서 고반사 코팅이 된 두 개의 45 미러입니다. 이러한 미러는 펌프 빔의 방향 제어를 가능하게 합니다. 두 개의 초점 렌즈(f1 = 100mm ,f2=100mm)는 ZGP 크리스탈에서 빔 직경이 약 3.5mm인 빔 시준에 적용됩니다. 광학 아이솔레이터(ISO)는 펌프 빔이 2.09um 펌프 소스로 되돌아오는 것을 방지하는 데 사용됩니다. 반파장판 (HWP) 2.09 um은 펌프 빛의 편광을 제어하는 데 사용됩니다. M3 및 M4는 OPO 캐비티 미러이며 기판 재료로 사용되는 평면 CaF2입니다. 전면 미러 M3은 펌프용 반사 방지 코팅(98%) 6.45um 아이들러 및 3.09um 신호파에 대해 빔 및 고반사 코팅(98%). 출력 미러 M4는 2.09에서 고반사(98%)입니다.um 및 3.09 um 및 6.45 um 아이들러의 부분 전송을 허용합니다.ZGP 결정은 6-77.6° 및 p=45°로 절단되어 JⅡ형 위상 정합 【2090.0 （o）6450.0 （o）+3091.9 （e）】, 특정 파장에 더 적합하고 더 좁은 매개변수 빛을 생성합니다. 유형 I 위상 정합과 비교한 선폭. ZGP 결정의 치수는 5mm x 6mm x 25mm이며 위의 세 가지 파동에 대해 광택 처리되고 양쪽 끝면에 반사 방지 코팅이 되어 있습니다. 그것은 인듐 호일로 싸여 있고 수냉식 구리 방열판에 고정(T=16). 캐비티 길이는 27mm입니다. OPO의 왕복 시간은 펌프 레이저의 경우 0.537ns입니다. 우리는 R에 의해 ZGP 크리스탈의 손상 임계값을 테스트했습니다. -on-I 방법 【17】. ZGP 결정의 손상 임계값은 10kHz에서 0.11J/cm2로 측정되었습니다. 실험에서 피크 전력 밀도 1.4MW/cm2에 해당하며, 이는 상대적으로 열악한 코팅 품질.생성된 아이들러 광의 출력 전력은 에너지 미터(D,OPHIR, 1uW ~ 3W)로 측정하고 신호 광의 파장은 분광계(APE, 1.5-6.3m)로 모니터링합니다. 6.45 um의 높은 출력을 얻으면 OPO의 매개변수 설계를 최적화합니다. 수치 시뮬레이션은 3파 혼합 이론과 근축 전파 공식[24,25]을 기반으로 수행됩니다. 시뮬레이션에서 우리는 실험 조건에 해당하는 매개변수를 사용하고 공간 및 시간에서 가우스 프로파일을 갖는 입력 펄스를 가정합니다. OPO 출력 미러 간의 관계
투과율, 펌프 전력 강도 및 출력 효율은 공동의 펌프 빔 밀도를 조작하여 더 높은 출력 전력을 달성하는 동시에 ZGP 수정 및 광학 요소의 손상을 방지함으로써 최적화됩니다. 따라서 최고 펌프 전력은 약 20으로 제한됩니다. ZGP-OPO 작동을 위한 W 그림 2는 6.45um에서 측정된 아이들러의 출력 전력과 입사 펌프 전력 사이의 관계를 보여줍니다. 그림 2에서 아이들러의 출력 전력은 펌프 임계값은 평균 펌프 전력 3.55WA에 해당하며 최대 아이들러 출력 전력 1.53W는 약 18.7W의 펌프 전력에서 달성되며 이는 광-광 변환 효율에 해당합니다.f 약 8.20%% 및 양자 변환 효율 25.31%. 장기 안전을 위해 레이저는 최대 출력 전력의 거의 70%에서 작동됩니다. 전력 안정성은 IW의 출력 전력에서 측정됩니다. 그림 2의 삽입도(a)에 나와 있습니다. 측정된 전력 변동은 2시간 동안 1.35%rms 미만이며 레이저는 총 500시간 이상 동안 효율적으로 작동할 수 있습니다. 신호파의 파장 우리 실험에 사용된 분광계(APE, 1.5-6.3 um)의 제한된 파장 범위로 인해 아이들러 대신에 측정되었습니다. 측정된 신호 파장은 그림과 같이 3.09um에 중심을 두고 선 너비는 약 0.3nm입니다. 그림 2의 삽입(b)에서 아이들러의 중심 파장은 6.45um로 추론됩니다. 아이들러의 펄스 폭은 광검출기(Thorlabs, PDAVJ10)에 의해 감지되고 디지털 오실로스코프(Tcktronix, 2GHz)에 의해 기록됩니다. )。일반적인 오실로스코프 파형은 그림 3에 나와 있으며 약 42ns의 펄스 폭을 표시합니다. 펄스 폭비선형 주파수 변환 프로세스의 시간적 이득 축소 효과로 인해 2.09um 펌프 펄스에 비해 6.45um 아이들러의 경우 41.18% 더 좁습니다. 결과적으로 해당 아이들러 펄스 피크 전력은 3.56kW입니다. 6.45um 아이들러는 레이저 빔으로 측정됩니다.
분석기(Spiricon,M2-200-PIII)에서 1W의 출력 전력에서 그림 4와 같이 M2와 M, 2의 측정값은 x축과 y축을 따라 각각 1.32와 1.06입니다. M2 = 1.19의 평균 빔 품질 계수. 그림 4는 2차원(2D) 빔 강도 프로파일을 보여주며, 이는 가우스에 가까운 공간 모드를 가지고 있습니다. 6.45um 펄스가 효과적인 절제를 제공하는지 확인하기 위해, 돼지 뇌의 레이저 절제와 관련된 원리 증명 실험이 수행되었습니다. f=50 렌즈를 사용하여 6.45 um 펄스 빔을 약 0.75 mm의 허리 반경에 집중시킵니다. 돼지 뇌 조직에서 절제할 위치 레이저 빔의 초점에 배치됩니다. 방사형 위치 r의 함수로서 생물학적 조직의 표면 온도(T)는 절제 과정 동안 열화상 카메라(FLIR A615)에 의해 동시에 측정됩니다. 조사 기간은 1입니다. ,2,4,6,10, I W의 레이저 출력에서 20초03, 1.91, 3.05, 그리고 4.14 mm는 조사 위치의 중심점에 대해 방사 방향을 따라 그림 5와 같이 측정된 온도 데이터입니다. 그림 5에서 표면 온도가 조직의 절제 위치에서 조사 기간이 증가함에 따라 증가합니다. 중심점 r=0에서 최고 온도 T는 132.39,160.32,196.34입니다.
205.57, 206.95 및 226.05C에서 각각 1,2,4,6,10 및 20초의 조사 지속 시간에 대해 수행합니다. 부수적 손상을 분석하기 위해 절제된 조직 표면의 온도 분포가 시뮬레이션됩니다. 이것은 에 따라 수행됩니다. 생물학적 조직의 열전도 이론126]과 생물학적 조직의 레이저 전파 이론[27]이 돼지 뇌의 광학 매개변수와 결합된 이론 1281.
시뮬레이션은 입력 가우스 빔을 가정하여 수행됩니다. 실험에 사용된 생물학적 조직은 격리된 돼지 뇌 조직이기 때문에 혈액 및 대사가 온도에 미치는 영향을 무시하고 돼지 뇌 조직을 다음으로 단순화합니다. 시뮬레이션을 위한 실린더의 모양. 시뮬레이션에 사용된 매개변수는 표 1에 요약되어 있습니다. 그림 5에 표시된 실선 곡선은 6가지 다른 조사에 대한 조직 표면의 절제 중심에 대한 시뮬레이션된 방사형 온도 분포입니다. 그들은 중심에서 주변까지 가우스 온도 프로파일을 나타냅니다. 그림 5에서 실험 데이터가 시뮬레이션된 결과와 잘 일치한다는 것이 분명합니다. 또한 그림 5에서 중심에서 시뮬레이션된 온도가 분명합니다. 각 조사에 대해 조사 지속 시간이 증가함에 따라 절제 위치가 증가합니다. 이전 연구에 따르면 조직의 세포는 아래의 온도에서 완벽하게 안전합니다.55C, 이는 세포가 그림 5의 곡선의 녹색 영역(T<55C)에서 활성 상태로 남아 있음을 의미합니다. 각 곡선의 노란색 영역(55C60C). 1,2,4,6의 조사 기간에 대해 각각 T=60°Care0.774,0.873,0.993,1.071,1.198및 1.364mm에서 시뮬레이션된 절제 반경이 그림 5에서 관찰될 수 있습니다. 10, 20s, T=55C에서 시뮬레이션된 절제 반경은 각각 0.805,0.908,1.037,1.134,1.271,1.456mm입니다. 절제 효과를 정량적으로 분석하면 죽은 세포가 있는 arca는 1.882인 것으로 나타났습니다. 2.394,3.098,3.604,4.509, 1,2,4,6,10 및 20초 조사에 대해 각각 5.845mm2입니다. 부수적 손상 영역이 있는 영역은 0.003,0.0040.006,0.013,0.0인 것으로 나타났습니다. 및 0.027 mm2. 레이저 절제 영역과 부수적 손상 영역이 조사 기간에 따라 증가함을 알 수 있습니다. 부수적 손상 비율을 55C s T60C에서 부수적 손상 영역의 비율로 정의합니다. 부수적 손상 비율은 다음과 같습니다. 다른 조사 시간에 대해 8.17%, 8.18%, 9.06%, 12.11%, 12.56%, 13.94%로, 이는 절제된 조직의 부수적 손상이 작다는 것을 의미합니다. 따라서 포괄적인 실험l 데이터 및 시뮬레이션 결과는 이 소형, 고출력, 전고체 상태 6.45 um ZGP-OPO 레이저가 생물학적 조직의 효과적인 절제를 제공한다는 것을 보여줍니다. 결론적으로, 우리는 소형, 고출력, 전고체 상태를 입증했습니다 ns ZGP-OPO 접근 방식을 기반으로 한 MIR 펄스 6.45um 레이저 소스 조직의 레이저 절제에 대한 원리 증명 실험을 수행했습니다. 절제된 조직 표면의 온도 분포를 실험적으로 측정하고 이론적으로 시뮬레이션했습니다. 측정된 데이터는 시뮬레이션된 결과와 잘 일치했습니다. 또한 부수적 손상을 이론적으로 분석했습니다. 처음으로. 이러한 결과는 6.45um의 탁상용 MIR 펄스 레이저가 생물학적 조직의 효과적인 절제를 제공하고,레이저 메스.