コンパクトで堅牢な全固体中赤外線（MIR）レーザー、6.45 um、高い平均出力パワーと近ガウシアンビーム品質が実証されています。最大出力1.53 W、パルス幅約42 ns、10 kHzは、ZnGeP2（ZGP）光パラメトリック発振器（OPO）を使用して実現されます。これは、私たちの知る限り、全固体レーザーの6.45umでの最高平均出力です。平均ビーム品質係数は、M2 = 1.19と測定されます。
さらに、2時間で1.35％rms未満の出力変動で高い出力電力安定性が確認され、レーザーは合計500時間以上効率的に動作できます。この6.45umパルスを放射線源として使用し、動物の切除さらに、側副損傷効果は、私たちの知る限りでは初めて理論的に分析され、その結果は、このMIRレーザーが優れたアブレーション能力を持ち、自由電子レーザーの潜在的な代替品となることを示しています。©2022OpticaPublishing Group

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

中赤外（MIR）6.45 umレーザー放射は、かなりのアブレーション率と最小限の付随的損傷という利点により、高精度医療分野での応用の可能性があります【1】。自由電子レーザー（FEL）、ストロンチウム蒸気レーザー、ガスラマンレーザー、および光学パラメータに基づくソリッドステートレーザー-リックオシレーター（OPO）または差周波数生成（DFG）が一般的に使用される6.45 umレーザー光源ですが、FELのコストが高く、サイズが大きく、構造が複雑であるため、アプリケーション。ストロンチウム蒸気レーザーとガスラマンレーザーはターゲットバンドを取得できますが、どちらも安定性が低く、短いセルです。
研究によると、6.45 umの固体レーザーは生体組織の熱損傷範囲が狭く、同じ条件下でのアブレーション深度はFELよりも深いことが確認されています。生体組織アブレーション用のFELの効果的な代替品として使用できます【2】。さらに、固体レーザーは、コンパクトな構造、優れた安定性、および

卓上操作で、6.45μnの光源を得るための有望なツールになります。よく知られているように、非線形赤外線結晶は、高性能MIRレーザーを実現するために使用される周波数変換プロセスで重要な役割を果たします.4umのカットオフエッジを持つ酸化物赤外線結晶と比較して、非酸化物結晶は良好ですMIRレーザーの生成に適しています。これらの結晶には、AgGaS2（AGS）【3,41、LiInS2（LIS）【5,61、LilnSe2（LISe）【7】、BaGaS（BGS）【8,9など、ほとんどのカルコゲナイドが含まれます。 】、BaGaSe（BGSe）【10-12】、リン化合物CdSiP2（CSP）【13-16】、ZnGeP2（ZGP）【17】；後者の2つは比較的大きな非線形係数を持っています。たとえば、MIR放射は、CSP-OPOを使用して取得できますが、ほとんどのCSP-OPOは、超短（ピコおよびフェムト秒）時間スケールで動作し、約1 umのモードロックレーザーによって同期的に励起されます。残念ながら、これらの同期的に励起されるOPO（ SPOPO）システムはセットアップが複雑でコストがかかります。平均出力も約6.45umで100mW未満です【13-16】。CSPクリスタルと比較して、ZGPはレーザーダメージが高くなります。shold（60 MW / cm2）、より高い熱伝導率（0.36 W / cm K）、および同等の非線形係数（75pm / V）。したがって、ZGPは、高出力または高-用の優れたMIR非線形光学結晶です。エネルギーアプリケーション【18-221。たとえば、2.93umレーザーで励起されたチューニング範囲3.8-12.4umのフラットフラットキャビティZGP-OPOが実証されました。6.6umでのアイドラーライトの最大シングルパルスエネルギーは1.2 mJ【201。特定の波長6.45umに対して、ZGP結晶をベースにした非平面リングOPOキャビティを使用して、100Hzの繰り返し周波数で5.67mJの最大シングルパルスエネルギーを達成しました。周波数200Hz、平均出力0.95Wに達しました【221。私たちの知る限り、これは6.45umで達成された最高の出力電力です。既存の研究では、効果的な組織切除にはより高い平均出力が必要であることが示唆されています【23】。したがって、実用的な高出力6.45 umレーザー光源の開発は、生物医学の推進において非常に重要です。このレターでは、平均出力が高く、ナノ秒（ns）パルス2.09umで励起されるZGP-OPOに基づくシンプルでコンパクトな全固体MIR6.45umレーザーについて報告します。

レーザー6.45umレーザーの最大平均出力は最大1.53W、パルス幅は10 kHzの繰り返し周波数で約42nsで、優れたビーム品質を備えています。動物組織に対する6.45umレーザーのアブレーション効果この研究は、レーザーがレーザーメスとして機能するため、実際の組織切除に効果的なアプローチであることを示しています。実験のセットアップを図1に示します。ZGP-OPOは、自家製のLD励起2.09 um Ho：YAGレーザーによって励起され、10kHzで平均出力28Wを供給します。パルス幅は約102nsです（ FWHM）および平均ビーム品質係数M2約1.7.MIおよびM2は、2.09 umで高反射性のコーティングが施された2つの45ミラーです。これらのミラーにより、ポンプビームの方向制御が可能になります。2つの集束レンズ（f1 = 100mm 、f2 = 100 mm）は、ZGP結晶のビーム径約3.5 mmのビームコリメーションに適用されます。光アイソレータ（ISO）を使用して、ポンプビームが2.09umのポンプソースに戻るのを防ぎます。半波長プレート（HWP）2.09umでポンプ光の偏光を制御します。M3とM4はOPOキャビティミラーで、基板材料としてフラットCaF2が使用されています。フロントミラーM3はポンプ用に反射防止コーティング（98％）されています。 6.45umアイドラーおよび3.09um信号波用のビームおよび高反射コーティング（98％）出力ミラーM4は2.09で高反射（98％）umおよび3.09umであり、6.45umアイドラーの部分的な送信を可能にします。ZGP結晶はタイプJⅡの位相整合用に6-77.6°およびp = 45°で切断されます【2090.0（o）6450.0（o）+3091.9（e）】これは特定の波長により適しており、より狭いパラメトリック光を生成しますタイプIの位相整合と比較した線幅。ZGP結晶の寸法は5mmx 6 mm x 25 mmで、上記の3つの波の両端ファセットに研磨および反射防止コーティングが施されています。インジウム箔で包まれ、水冷を備えた銅製ヒートシンクに固定（T = 16）。キャビティ長は27mm。OPOの往復時間はポンプレーザーで0.537ns。ZGP結晶の損傷しきい値をRでテスト。 -on-I法【17】。ZGP結晶の損傷しきい値は、10kHzで0.11J / cm2と測定されました。実験では、1.4 MW / cm2のピーク電力密度に対応します。これは、コーティング品質が比較的悪い。生成されたアイドラー光の出力電力はエネルギーメーター（D、OPHIR、1 uW〜3 W）で測定され、信号光の波長は分光計（APE、1.5〜6.3 m）で監視されます。 6.45 umの高出力を取得し、OPOのパラメータの設計を最適化します。3波混合理論と近軸伝搬計算に基づいて数値シミュレーションを実行します【24,25】；シミュレーションでは、実験条件に対応するパラメータを使用し、空間と時間のガウスプロファイルを持つ入力パルスを想定します。OPO出力ミラー間の関係

透過率、ポンプパワー強度、出力効率は、キャビティ内のポンプビーム密度を操作してより高い出力パワーを実現すると同時に、ZGP結晶と光学素子への損傷を回避することで最適化されます。したがって、最大ポンプパワーは約20に制限されます。 ZGP-OPO動作の場合Wシミュレーション結果は、透過率50％の最適な出力カプラーが使用され、最大ピーク電力密度がZGPクリスタルでわずか2.6 x 10 W / cm2であり、平均出力電力であることを示しています。図2は、6.45 umでのアイドラーの測定出力と入射ポンプ出力の関係を示しています。図2から、アイドラーの出力は、入射ポンプパワー。ポンプしきい値は3.55WAの平均ポンプパワーに対応します。1.53Wの最大アイドラー出力パワーは約18.7Wのポンプパワーで達成されます。これは光から光への変換効率に対応します。f約8.20 %%および25.31％の量子変換効率。長期的な安全性のために、レーザーは最大出力電力の70％近くで動作します。電力安定性はIWの出力電力で測定されます。図2の挿入図（a）に示すように、測定されたパワー変動は2時間で1.35％rms未満であり、レーザーは合計500時間以上効率的に動作できることがわかります。信号波の波長は、実験で使用した分光計（APE、1.5〜6.3 um）の波長範囲が限られているため、アイドラーの代わりに測定されます。測定された信号波長は3.09 umを中心とし、線幅は約0.3nmです。図2の挿入図（b）では、アイドラーの中心波長は6.45umと推定されます。アイドラーのパルス幅は、光検出器（Thorlabs、PDAVJ10）によって検出され、デジタルオシロスコープ（Tcktronix、2GHz）によって記録されます。 ）。代表的なオシロスコープの波形を図3に示し、約42nsのパルス幅を表示します。パルス幅非線形周波数変換プロセスの一時的なゲインナローイング効果により、2.09umポンプパルスと比較して6.45umアイドラーの方が41.18％狭くなります。その結果、対応するアイドラーパルスのピークパワーは3.56kWになります。 6.45umアイドラーはレーザービームで測定されます

図4に示すように、出力電力1 Wでのアナライザ（Spiricon、M2-200-PIII）。M2とM、2の測定値は、それぞれx軸とy軸に沿って1.32と1.06であり、 M2 = 1.19の平均ビーム品質係数。図4の図は、ガウスに近い空間モードを持つ2次元（2D）ビーム強度プロファイルを示しています。6.45umパルスが効果的なアブレーションを提供することを確認するには、ブタの脳のレーザーアブレーションを含む原理証明実験が実施されます.f = 50レンズを使用して、6.45umのパルスビームをウエスト半径約0.75mmに集束させます。ブタの脳組織でアブレーションされる位置放射状の位置rの関数としての生体組織の表面温度（T）は、アブレーションプロセス中に同期してサーモカメラ（FLIR A615）によって測定されます。照射時間は1です。 、2、4、6、10、およびI Wのレーザー出力で20秒。各照射時間に対して、6つのサンプル位置がアブレーションされます：r = 0,0.62,0.7図5に示すように、照射位置の中心点を基準として半径方向に沿って03、1.91、3.05、および4.14mm。四角は測定された温度データです。図5から、表面温度がわかります。組織の切除位置での照射時間の増加とともに増加します。中心点r = 0での最高温度Tは132.39,160.32,196.34です。

それぞれ1、2、4、6、10、および20秒の照射時間で205.57、206.95、および226.05C。側副損傷を分析するために、切除された組織表面の温度分布がシミュレートされます。これは、以下に従って実行されます。生体組織の熱伝導理論126】および生体組織におけるレーザー伝搬の理論【27】は、ブタの脳の光学パラメーターと組み合わされています1281。
シミュレーションは、入力ガウスビームを想定して実行されます。実験で使用される生体組織は孤立したブタの脳組織であるため、温度に対する血液と代謝の影響は無視され、ブタの脳組織は単純化されてシミュレーション用の円柱の形状。シミュレーションで使用されたパラメータは表1にまとめられています。図5に示されている実線の曲線は、6つの異なる照射に対する組織表面の切除中心に対するシミュレーションされた半径方向の温度分布です。持続時間。中心から周辺にかけてガウス温度プロファイルを示します。図5から、実験データがシミュレーション結果とよく一致していることがわかります。また、図5から、中心のシミュレーション温度が照射ごとに照射時間が長くなると、切除位置が大きくなります。以前の研究では、組織内の細胞は以下の温度で完全に安全であることが示されています。55Cは、図5の曲線の緑色のゾーン（T <55C）で細胞がアクティブなままであることを意味します。各曲線の黄色のゾーン（55C）60C）。図5から、T = 60°Care0.774,0.873,0.993,1.071,1.198および1.364mmでのシミュレートされたアブレーション半径が、それぞれ1,2,4,6の照射時間で観察できます。 10、20秒、T = 55Cでシミュレートされたアブレーション半径はそれぞれ0.805、0.908、1.037、1.134、1.271、1.456 mmです。アブレーション効果を定量的に分析すると、死んだ細胞のあるアルカは1.882であることがわかります。 2.394,3.098,3.604,4.509、および5.845 mm2、それぞれ1,2,4,6,10、および20秒の照射。巻き添え被害領域のある領域は0.003,0.0040.006,0.013,0.017であることがわかります。レーザーアブレーションゾーンと側副損傷ゾーンは照射時間とともに増加することがわかります。側副損傷率は55CsT60Cでの側副損傷面積の比率として定義されます。側副損傷率が求められます。異なる照射時間で8.17％、8.18％、9.06％、12.11％、12.56％、13.94％となるため、アブレーションされた組織の巻き添え被害は小さいため、包括的な実験lデータとシミュレーション結果は、このコンパクトで高出力の全固体状態の6.45 um ZGP-OPOレーザーが生体組織の効果的なアブレーションを提供することを示しています。結論として、コンパクトで高出力の全固体状態のレーザーを実証しました。 nsZGP-OPOアプローチに基づくMIRパルス6.45umレーザー光源。最大平均出力1.53W、ピーク出力3.65kW、平均ビーム品質係数M2 = 1.19が得られました。この6.45umMIR放射を使用してa組織のレーザーアブレーションに関する原理証明実験を実施しました。アブレーションされた組織表面の温度分布を実験的に測定し、理論的にシミュレーションしました。測定データはシミュレーション結果とよく一致しました。さらに、側副損傷を理論的に分析しました。これらの結果は、6.45 umの卓上MIRパルスレーザーが生物学的組織の効果的なアブレーションを提供し、かさばるFELに取って代わる可能性があるため、医学および生物科学の実用的なツールになる可能性が高いことを証明しています。レーザーメス。