उच्च औसत आउटपुट पावर और निकट-गॉसियन बीम गुणवत्ता के साथ 6.45 um पर एक कॉम्पैक्ट और मजबूत ऑल-सॉलिड-स्टेट मिड-इन्फ्रारेड MIR） लेजर प्रदर्शित किया जाता है। 10 पर लगभग 42 ns की पल्स चौड़ाई के साथ 1.53 W की अधिकतम आउटपुट पावर kHz को ZnGeP2（ZGP）ऑप्टिकल पैरामीट्रिक ऑसिलेटर OPO）。 का उपयोग करके हासिल किया जाता है, यह हमारे सर्वोत्तम ज्ञान के लिए किसी भी सभी ठोस-राज्य लेजर की 6.45 um पर उच्चतम औसत शक्ति है।औसत बीम गुणवत्ता कारक M2=1.19 मापा जाता है।
इसके अलावा, उच्च उत्पादन शक्ति स्थिरता की पुष्टि की जाती है, 2 घंटे से कम 1.35% आरएमएस की शक्ति में उतार-चढ़ाव के साथ, और लेजर कुल 500 घंटे से अधिक के लिए कुशलता से चल सकता है। विकिरण स्रोत के रूप में इस 6.45 um पल्स का उपयोग करके, पशु का पृथक्करण मस्तिष्क के ऊतकों का परीक्षण किया जाता है। इसके अलावा, संपार्श्विक क्षति प्रभाव का पहली बार सैद्धांतिक रूप से विश्लेषण किया गया है, हमारे सर्वोत्तम ज्ञान के लिए, और परिणाम बताते हैं कि इस एमआईआर लेजर में उत्कृष्ट पृथक्करण क्षमता है, जिससे यह मुक्त इलेक्ट्रॉन लेजर के लिए संभावित प्रतिस्थापन बन जाता है।©2022 ऑप्टिका प्रकाशन समूह
https://doi.org/10.1364/OL.446336
मध्य-अवरक्त（MIR）6.45 um लेजर विकिरण में पर्याप्त पृथक्करण दर और न्यूनतम संपार्श्विक क्षति 【1】 के फायदे के कारण उच्च-सटीक दवा क्षेत्रों में संभावित अनुप्रयोग हैं। मुक्त इलेक्ट्रॉन लेजर FELs）， स्ट्रोंटियम वाष्प लेजर, गैस ऑप्टिकल पैरामेट-रिक ऑसिलेटर (ओपीओ) या अंतर आवृत्ति पीढ़ी (डीएफजी) के आधार पर रमन लेजर, और सॉलिड-स्टेट लेजर आमतौर पर 6.45 उम लेजर स्रोतों का उपयोग किया जाता है। हालांकि, एफईएल की उच्च लागत, बड़े आकार और जटिल संरचना उनके प्रतिबंधित करती है आवेदन। स्ट्रोंटियम वाष्प लेजर और गैस रमन लेजर लक्ष्य बैंड प्राप्त कर सकते हैं, लेकिन दोनों में खराब स्थिरता, लघु सेवा-
इसके विपरीत रहता है, और जटिल रखरखाव की आवश्यकता होती है। अध्ययनों से पता चला है कि 6.45 um सॉलिड-स्टेट लेज़र जैविक ऊतकों में एक छोटी थर्मल डैम-एज रेंज का उत्पादन करते हैं और यह कि उनकी पृथक गहराई उन्हीं परिस्थितियों में FEL की तुलना में अधिक गहरी होती है, जो सत्यापित करती हैं कि वे कर सकते हैं जैविक ऊतक पृथक्करण 【2】 के लिए एफईएल के प्रभावी विकल्प के रूप में उपयोग किया जा सकता है। इसके अलावा, ठोस-राज्य लेजर में एक कॉम्पैक्ट संरचना, अच्छी स्थिरता और के फायदे हैं।
टेबलटॉप ऑपरेशन, उन्हें 6.45μn प्रकाश स्रोत प्राप्त करने के लिए आशाजनक उपकरण बनाते हैं।जैसा कि सर्वविदित है, नॉनलाइनियर इंफ्रारेड क्रिस्टल उच्च-प्रदर्शन एमआईआर लेज़रों को प्राप्त करने के लिए उपयोग की जाने वाली आवृत्ति रूपांतरण प्रक्रिया में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। 4 um कट-ऑफ एज के साथ ऑक्साइड इन्फ्रारेड क्राई-टेल्स की तुलना में, गैर-ऑक्साइड क्रिस्टल अच्छी तरह से हैं एमआईआर लेजर उत्पन्न करने के लिए अनुकूल। इन क्रिस्टल में अधिकांश चाकोजेनाइड शामिल हैं, जैसे कि AgGaS2 AGS）【3,41，LiInS2 LIS）【5,61， LilnSe2 LISe）【7】，BaGaS（BGS）【8,9 और BaGaSe（BGSe）【10-12】， के साथ-साथ फास्फोरस यौगिकों CdSiP2（CSP）【13-16】और ZnGeP2 ZGP）【17】； बाद के दो दोनों में सापेक्ष रूप से बड़े गैर-रेखीय गुणांक हैं। उदाहरण के लिए, सीएसपी-ओपीओ का उपयोग करके एमआईआर विकिरण प्राप्त किया जा सकता है। हालांकि, अधिकांश सीएसपी-ओपीओ एक अल्ट्राशॉर्ट 'पिको-और फेमटोसेकंड' टाइम स्केल पर काम करते हैं और लगभग 1 um मोड-लॉक लेजर द्वारा सिंक्रोनाइज़ किए जाते हैं। दुर्भाग्य से, ये सिंक्रोनस पंप वाले ओपीओ（ SPOPO） सिस्टम में एक जटिल सेटअप होता है और यह महंगा होता है। उनकी औसत शक्ति भी लगभग 6.45 um【13-16】 पर 100 mW से कम होती है। CSP क्रिस्टल की तुलना में, ZGP में उच्च लेजर क्षति होती है।shold（60 MW/cm2），एक उच्च तापीय चालकता 0.36 W/cm K）， और एक तुलनीय nonlinear गुणांक （75pm/V）。इसलिए, ZGP उच्च शक्ति या उच्च के लिए एक उत्कृष्ट MIR nonlinear ऑप्टिकल क्रिस्टल है- ऊर्जा अनुप्रयोग 【18-221। उदाहरण के लिए, 2.93 um लेजर द्वारा पंप किए गए 3.8-12.4 um की ट्यूनिंग रेंज के साथ एक फ्लैट-फ्लैट गुहा ZGP-OPO प्रदर्शित किया गया था। 6.6 um पर आइडलर लाइट की अधिकतम एकल-पल्स ऊर्जा थी 1.2 mJ 201। 6.45 um की विशिष्ट तरंग दैर्ध्य के लिए, ZGP क्रिस्टल पर आधारित गैर-प्लानर रिंग OPO गुहा का उपयोग करके 100 Hz की पुनरावृत्ति आवृत्ति पर 5.67 mJ की अधिकतम-मम एकल-पल्स ऊर्जा प्राप्त की गई थी। पुनरावृत्ति के साथ 200Hz की आवृत्ति, 0.95 W की औसत उत्पादन शक्ति 【221 तक पहुंच गई थी। जहां तक हम जानते हैं, यह 6.45 um पर प्राप्त उच्चतम उत्पादन शक्ति है।मौजूदा अध्ययनों से पता चलता है कि प्रभावी ऊतक पृथक्करण 【23】 के लिए एक उच्च औसत शक्ति आवश्यक है। इसलिए, जैविक चिकित्सा के प्रचार में एक व्यावहारिक उच्च शक्ति 6.45 um लेजर स्रोत का विकास बहुत महत्वपूर्ण होगा।इस पत्र में, हम एक सरल, कॉम्पैक्ट ऑल-सॉलिड-स्टेट MIR 6.45 um लेजर की रिपोर्ट करते हैं जिसमें उच्च औसत आउटपुट पावर है और यह नैनोसेकंड（ns）-पल्स 2.09 um द्वारा पंप किए गए ZGP-OPO पर आधारित है।
लेजर। 6.45 um लेजर की अधिकतम औसत उत्पादन शक्ति 1.53 W तक होती है, जिसकी पल्स चौड़ाई 10 kHz की पुनरावृत्ति आवृत्ति पर लगभग 42ns होती है, और इसमें उत्कृष्ट बीम गुणवत्ता होती है। पशु ऊतक पर 6.45 um लेजर का पृथक प्रभाव जांच की गई है। यह काम दिखाता है कि लेजर वास्तविक टिसूक पृथक्करण के लिए एक प्रभावी दृष्टिकोण है, क्योंकि यह लेजर स्केलपेल के रूप में कार्य करता है।प्रायोगिक सेटअप को चित्र 1 में स्केच किया गया है। ZGP-OPO को एक घर-निर्मित LD-पंप 2.09 um Ho: YAG लेजर द्वारा पंप किया जाता है जो लगभग 102 ns（ की पल्स अवधि के साथ 10 kHz पर 28 W औसत शक्ति प्रदान करता है। FWHM） और लगभग 1.7.MI और M2 का औसत बीम गुणवत्ता कारक M2 दो 45 दर्पण हैं जो एक कोटिंग के साथ हैं जो 2.09 um पर अत्यधिक परावर्तक हैं। ये दर्पण पंप बीम के दिशा नियंत्रण को सक्षम करते हैं। दो फोकस-आईएनजी लेंस （f1 = 100 मिमी ZGP क्रिस्टल में लगभग 3.5 मिमी के बीम व्यास के साथ बीम कोलिमेशन के लिए f2 = 100 मिमी） लागू होते हैं। एक ऑप्टिकल आइसोलेटर ISO） का उपयोग पंप बीम को 2.09 um पंप स्रोत पर लौटने से रोकने के लिए किया जाता है। एक आधा-लहर प्लेट HWP） 2.09 um पर पंप प्रकाश के ध्रुवीकरण को नियंत्रित करने के लिए उपयोग किया जाता है। M3 और M4 OPO गुहा दर्पण हैं, फ्लैट CaF2 के साथ सब्सट्रेट सामग्री के रूप में उपयोग किया जाता है। फ्रंट मिरर M3 पंप के लिए एंटी-रिफ्लेक्शन कोटेड（98%） है बीम और उच्च-परावर्तन लेपित 98%） 6.45 um आइडलर और 3.09 um सिग्नल तरंगों के लिए। आउट-पुट मिरर M4 अत्यधिक परावर्तक （98%） 2.09 पर हैउम और 3.09 उम और 6.45 उम आइडलर के आंशिक संचरण की अनुमति देता है।ZGP क्रिस्टल को 6-77.6° और p=45° पर काटा जाता है। टाइप- I चरण मिलान की तुलना में लाइनविड्थ। ZGP क्रिस्टल के आयाम 5 मिमी x 6 मिमी x 25 मिमी हैं, और यह पॉलिश है और उपरोक्त तीन तरंगों के लिए दोनों छोरों पर विरोधी-प्रतिबिंब लेपित है। यह इंडियम पन्नी में लपेटा गया है और वाटर कूलिंग के साथ कॉपर हीट सिंक में फिक्स्ड （T=16）。 गुहा की लंबाई 27 मिमी है। पंप लेजर के लिए OPO का राउंड-ट्रिप समय 0.537 ns है। हमने R द्वारा ZGP क्रिस्टल की क्षति सीमा का परीक्षण किया -ऑन-आई विधि 【17】। ZGP क्रिस्टल की क्षति सीमा को 10 kHz पर 0.11 J/cm2 मापा गया। अपेक्षाकृत खराब कोटिंग गुणवत्ता।उत्पन्न आइडलर लाइट की आउटपुट पावर को ऊर्जा मीटर （D, OPHIR，1 uW से 3 W）， द्वारा मापा जाता है और सिग्नल लाइट की तरंग दैर्ध्य की निगरानी एक स्पेक्ट्रोमीटर （APE，1.5-6.3 m）。 द्वारा की जाती है। 6.45 um की एक उच्च उत्पादन शक्ति प्राप्त करते हैं, हम OPO के मापदंडों के डिजाइन का अनुकूलन करते हैं। सिमुलेशन में तीन-लहर मिश्रण सिद्धांत और पैराएक्सियल प्रसार cquations 【24,25】； के आधार पर एक संख्यात्मक सिमुलेशन किया जाता है, हम प्रायोगिक स्थितियों के अनुरूप मापदंडों को नियोजित करें और अंतरिक्ष और समय में गॉसियन प्रोफाइल के साथ एक इनपुट पल्स मान लें। ओपीओ आउटपुट मिरर के बीच संबंध
ZGP क्रिस्टल और ऑप्टिकल तत्वों को नुकसान से बचने के साथ-साथ उच्च उत्पादन शक्ति प्राप्त करने के लिए गुहा में पंप बीम घनत्व में हेरफेर करके संप्रेषण, पंप शक्ति की तीव्रता और आउटपुट दक्षता को अनुकूलित किया जाता है। इस प्रकार, उच्चतम पंप शक्ति लगभग 20 तक सीमित है ZGP-OPO ऑपरेशन के लिए W। सिम्युलेटेड परिणाम दिखाते हैं कि 50% के ट्रांसमिशन के साथ एक इष्टतम आउटपुट कपलर का उपयोग किया जाता है, अधिकतम पीक पावर घनत्व केवल 2.6 x 10 W / cm2 ZGP क्राइ-टैल में होता है, और एक औसत आउटपुट पावर 1.5 W से अधिक प्राप्त किया जा सकता है। चित्र 2 6.45 um पर आइडलर की मापी गई आउटपुट पावर और घटना पंप पावर के बीच संबंध को दर्शाता है। यह Fig.2 से देखा जा सकता है कि आइडलर की आउटपुट पावर नीरस रूप से बढ़ जाती है घटना पंप शक्ति। पंप थ्रेशोल्ड 3.55WA की औसत पंप शक्ति से मेल खाती है 1.53 W की अधिकतम आइडलर आउटपुट पावर लगभग 18.7 W की पंप शक्ति पर प्राप्त की जाती है, जो ऑप्टिकल-टू-ऑप्टिकल रूपांतरण दक्षता से मेल खाती है।f लगभग 8.20%% और 25.31% की एक क्वांटम रूपांतरण क्षमता। लंबी अवधि की सुरक्षा के लिए, लेजर को इसकी अधिकतम आउटपुट पावर के लगभग 70% पर संचालित किया जाता है। बिजली की स्थिरता को IW की आउटपुट पावर पर मापा जाता है, जैसा कि इनसेट a）in Fig.2 में दिखाया गया है। यह पाया गया है कि मापा शक्ति में उतार-चढ़ाव 2 घंटे में 1.35% rms से कम है, और यह कि लेजर कुल 500 घंटे से अधिक के लिए कुशलता से संचालित हो सकता है। सिग्नल तरंग की तरंग दैर्ध्य हमारे प्रयोग में प्रयुक्त स्पेक्ट्रोमीटर APE，1.5-6.3 um） की सीमित तरंग दैर्ध्य रेंज के कारण आइडलर के बजाय मापा जाता है। मापा सिग्नल तरंग दैर्ध्य 3.09 um पर केंद्रित है और लाइन की चौड़ाई लगभग 0.3 एनएम है, जैसा कि दिखाया गया है चित्र 2 के इनसेट 'बी' में। आइडलर की केंद्रीय तरंग दैर्ध्य को 6.45um तक घटाया जाता है। आइडलर की पल्स चौड़ाई का पता एक फोटोडेटेक्टर (थोरलैब्स, पीडीएवीजे 10) द्वारा लगाया जाता है और एक डिजिटल ऑसिलोस्कोप （Tcktronix，2GHz द्वारा रिकॉर्ड किया जाता है। एक विशिष्ट आस्टसीलस्कप तरंग चित्र 3 में दिखाया गया है और लगभग 42 ns की पल्स चौड़ाई प्रदर्शित करता है। पल्स चौड़ाईनॉनलाइनियर फ़्रीक्वेंसी रूपांतरण प्रक्रिया के अस्थायी लाभ संकुचन प्रभाव के कारण 2.09 um पंप पल्स की तुलना में 6.45 um आइडलर के लिए 41.18% संकीर्ण है। परिणामस्वरूप, संबंधित आइडलर पल्स पीक पावर 3.56kW है। बीम गुणवत्ता कारक 6.45 um आइडलर को लेज़र बीम से मापा जाता है
विश्लेषक (स्पिरिकॉन, M2-200-PIII) आउटपुट पावर के 1 W पर, जैसा कि Fig.4 में दिखाया गया है। M2 और M，2 के मापा मान क्रमशः x अक्ष और y अक्ष के साथ 1.32 और 1.06 हैं, इसी के अनुरूप M2=1.19 का एक औसत बीम गुणवत्ता कारक। Fig.4 का insct दो-आयामी（2D）बीम तीव्रता प्रोफ़ाइल को दर्शाता है, जिसमें एक निकट-गॉसियन स्थानिक मोड है। यह सत्यापित करने के लिए कि 6.45 um पल्स प्रभावी एब्ला-टियन प्रदान करता है, सुअर के मस्तिष्क के लेजर पृथक्करण को शामिल करने वाला एक सैद्धांतिक प्रयोग किया जाता है। 6.45 um पल्स बीम को लगभग 0.75 मिमी की कमर त्रिज्या पर केंद्रित करने के लिए एक f = 50 लेंस नियोजित किया जाता है। पोर्सिन मस्तिष्क ऊतक पर पृथक होने की स्थिति लेजर बीम के फोकस पर रखा गया है। रेडियल स्थान आर के एक समारोह के रूप में जैविक ऊतक के सतह के तापमान 'टी' को थर्मोकैमरा (एफएलआईआर ए 615) द्वारा तुल्यकालिक रूप से पृथक प्रक्रिया के दौरान मापा जाता है। विकिरण अवधि 1 हैं ,2,4,6,10， और 20 s I W की एक लेज़र शक्ति पर। प्रत्येक विकिरण अवधि के लिए, छह नमूना स्थितियाँ ब्लेटेड हैं: r = 0,0.62,0.703,1.91,3.05， और 4.14 मिमी विकिरण स्थिति के केंद्र बिंदु के संबंध में रेडियल दिशा के साथ, जैसा कि Fig.5 में दिखाया गया है। वर्ग मापा तापमान डेटा हैं। यह चित्र 5 में पाया गया है कि सतह का तापमान बढ़ती विकिरण अवधि के साथ ऊतक पर पृथक स्थिति में वृद्धि होती है। केंद्र बिंदु r=0 पर उच्चतम तापमान-तापमान 132.39,160.32,196.34， हैं।
205.57,206.95， और 226.05C क्रमशः 1,2，4,6,10， और 20 s की विकिरण अवधि के लिए। संपार्श्विक क्षति का विश्लेषण करने के लिए, पृथक ऊतक सतह पर तापमान वितरण सिम्युलेटेड है। यह के अनुसार किया जाता है जैविक ऊतक के लिए थर्मल चालन सिद्धांत126-और जैविक ऊतक में लेजर प्रसार का सिद्धांत-27-पोर्सिन मस्तिष्क के ऑप्टिकल मापदंडों के साथ संयुक्त 1281।
सिमुलेशन एक इनपुट गॉसियन बीम की धारणा के साथ किया जाता है। चूंकि प्रयोग में प्रयुक्त जैविक ऊतक पृथक पोर्सिन मस्तिष्क ऊतक है, तापमान पर रक्त और चयापचय के प्रभाव को नजरअंदाज कर दिया जाता है, और पोर्सिन मस्तिष्क ऊतक को सरलीकृत किया जाता है सिमुला-टियन के लिए एक सिलेंडर का आकार। सिमुलेशन में उपयोग किए जाने वाले मापदंडों को तालिका 1 में संक्षेपित किया गया है। चित्र 5 में दिखाए गए ठोस वक्र छह अलग-अलग विकिरण के लिए ऊतक सतह पर पृथक केंद्र के संबंध में सिम्युलेटेड रेडियल तापमान वितरण हैं। अवधि। वे केंद्र से परिधि तक एक गाऊसी तापमान प्रोफ़ाइल प्रदर्शित करते हैं। यह चित्र 5 से स्पष्ट है कि प्रयोगात्मक डेटा नकली परिणामों के साथ अच्छी तरह से आगे बढ़ता है। यह चित्र 5 से भी स्पष्ट है कि केंद्र में नकली तापमान प्रत्येक विकिरण के लिए विकिरण-अवधि बढ़ने के साथ पृथक्करण की स्थिति बढ़ जाती है। पिछले शोध से पता चला है कि ऊतक में कोशिकाएं नीचे के तापमान पर पूरी तरह से सुरक्षित हैं55C, जिसका अर्थ है कि कोशिकाएँ Fig.5 में वक्रों के हरे क्षेत्रों （T<55C） में सक्रिय रहती हैं। प्रत्येक वक्र का पीला क्षेत्र（55C60C）。 यह Fig.5 में देखा जा सकता है कि 1,2,4，6 की विकिरण अवधि के लिए क्रमशः T=60°Care0.774,0.873,0.993,1.071,1.198और 1.364 मिमी पर सिम्युलेटेड एब्लेशन रेडी, 10， और 20s, जबकि T = 55C पर सिम्युलेटेड एब्लेशन रेडी क्रमशः 0.805,0.908,1.037,1.134,1.271， और 1.456 मिमी है। मात्रात्मक रूप से पृथक प्रभाव का विश्लेषण करने पर, मृत कोशिकाओं के साथ आर्का 1.882 पाया जाता है, 2.394,3.098,3.604,4.509， और 5.845 मिमी 2 क्रमशः 1,2,4,6,10， और 20 के विकिरण के लिए। संपार्श्विक क्षति क्षेत्र के साथ क्षेत्र 0.003,0.0040.006,0.013,0.017 पाया गया है। और 0.027 मिमी2। यह देखा जा सकता है कि विकिरण अवधि के साथ लेजर पृथक्करण क्षेत्र और संपार्श्विक क्षति क्षेत्र बढ़ते हैं। हम संपार्श्विक क्षति अनुपात को 55C s T60C पर संपार्श्विक क्षति क्षेत्र के अनुपात के रूप में परिभाषित करते हैं। संपार्श्विक क्षति अनुपात पाया जाता है विभिन्न विकिरण समय के लिए 8.17% ，8.18% ，9.06% ，12.11% ，12.56% ， और 13.94%, जिसका अर्थ है कि पृथक ऊतकों की संपार्श्विक क्षति छोटी है। इसलिए, व्यापक प्रयोगl डेटा और सिमुलेशन परिणाम बताते हैं कि यह कॉम्पैक्ट, हाई-पावर, ऑल-सॉलिड-स्टेट 6.45 um ZGP-OPO लेजर जैविक ऊतकों का प्रभावी पृथक्करण प्रदान करता है। निष्कर्ष में, हमने एक कॉम्पैक्ट, हाई-पावर, ऑल-सॉलिड-स्टेट का प्रदर्शन किया है एनएस जेडजीपी-ओपीओ दृष्टिकोण के आधार पर एमआईआर स्पंदित 6.45 उम लेजर स्रोत। 1.53 डब्ल्यू की अधिकतम औसत शक्ति 3.65 किलोवाट की चोटी की शक्ति और एम 2 = 1.19 के औसत बीम गुणवत्ता कारक के साथ प्राप्त की गई थी। इस 6.45 उम एमआईआर विकिरण का उपयोग करके, ए ऊतक के लेजर पृथक्करण पर प्रूफ-ऑफ-सैद्धांतिक प्रयोग किया गया था। पृथक ऊतक सतह पर तापमान वितरण प्रयोगात्मक रूप से मापा गया था और सैद्धांतिक रूप से सिम्यु-लेटेड था। मापा डेटा नकली परिणामों के साथ अच्छी तरह से सहमत था। इसके अलावा, संपार्श्विक क्षति का सैद्धांतिक रूप से विश्लेषण किया गया था पहली बार। ये परिणाम सत्यापित करते हैं कि 6.45 um पर हमारा टेबलटॉप एमआईआर पल्स लेजर जैविक ऊतकों के प्रभावी पृथक्करण की पेशकश करता है और इसमें चिकित्सा और जैविक विज्ञान में एक व्यावहारिक उपकरण होने की काफी संभावनाएं हैं, क्योंकि यह एक भारी एफईएल को प्रतिस्थापित कर सकता हैएक लेजर स्केलपेल।