Un laser infrarouge moyen （MIR） compact et robuste à 6,45 um avec une puissance de sortie moyenne élevée et une qualité de faisceau proche de Gaussien est démontré. Une puissance de sortie maximale de 1,53 W avec une largeur d'impulsion d'environ 42 ns à 10 Le kHz est obtenu à l'aide d'un oscillateur paramétrique optique ZnGeP2 （ZGP） （OPO）. Il s'agit de la puissance moyenne la plus élevée à 6,45 um de tous les lasers à semi-conducteurs au meilleur de nos connaissances.Le facteur de qualité moyen du faisceau est mesuré comme étant M2 = 1,19.
De plus, la stabilité de la puissance de sortie élevée est confirmée, avec une fluctuation de puissance inférieure à 1,35 % rms sur 2 h, et le laser peut fonctionner efficacement pendant plus de 500 h au total. En utilisant cette impulsion de 6,45 um comme source de rayonnement, l'ablation de l'animal le tissu cérébral est testé. De plus, l'effet des dommages collatéraux est théoriquement analysé pour la première fois, à notre connaissance, et les résultats indiquent que ce laser MIR a une excellente capacité d'ablation, ce qui en fait un remplacement potentiel des lasers à électrons libres.©2022 Groupe d'édition Optica

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

Le rayonnement laser infrarouge moyen (MIR) 6,45 um a des applications potentielles dans les domaines de la médecine de haute précision en raison de ses avantages d'un taux d'ablation substantiel et de dommages collatéraux minimes 【1】. Lasers à électrons libres (FEL), lasers à vapeur de strontium, gaz Les lasers Raman et les lasers à semi-conducteurs basés sur un oscillateur paramétrique optique (OPO) ou une génération de fréquence de différence (DFG) sont des sources laser de 6,45 um couramment utilisées. Cependant, le coût élevé, la grande taille et la structure complexe des FEL limitent leur application. Les lasers à vapeur de strontium et les lasers à gaz Raman peuvent obtenir les bandes cibles, mais les deux ont une stabilité médiocre,
vice vit et nécessite un entretien complexe. Des études ont montré que les lasers à semi-conducteurs de 6,45 um produisent une plage de dommages thermiques plus petite dans les tissus biologiques et que leur profondeur d'ablation est plus profonde que celle d'un FEL dans les mêmes conditions, ce qui a vérifié qu'ils peuvent être utilisé comme une alternative efficace aux FEL pour l'ablation des tissus biologiques 【2】. De plus, les lasers à semi-conducteurs présentent les avantages d'une structure compacte, d'une bonne stabilité et

fonctionnement sur table, ce qui en fait des outils prometteurs pour obtenir une source lumineuse de 6,45 μn.Comme il est bien connu, les cristaux infrarouges non linéaires jouent un rôle important dans le processus de conversion de fréquence utilisé pour obtenir des lasers MIR haute performance. Comparés aux cristaux infrarouges d'oxyde avec un bord de coupure de 4 um, les cristaux non oxydes sont bien adapté à la génération de lasers MIR. Ces cristaux comprennent la plupart des chalcogénures, tels que AgGaS2 （AGS）【3,41，LiInS2 （LIS）【5,61， LilnSe2 （LISe）【7】，BaGaS（BGS）【8,9 】，et BaGaSe（BGSe）【10-12】，ainsi que les composés du phosphore CdSiP2（CSP）【13-16】et ZnGeP2 （ZGP）【17】；les deux derniers ont des coefficients non linéaires relativement grands. Par exemple, le rayonnement MIR peut être obtenu à l'aide de CSP-OPO. Les systèmes SPOPO) ont une configuration complexe et sont coûteux. Leurs puissances moyennes sont également inférieures à 100 mW à environ 6,45 um【13-16】.Comparé au cristal CSP, le ZGP a un dommage laser plus élevé.Shold (60 MW/cm2), une conductivité thermique plus élevée (0,36 W/cm K), et un coefficient non linéaire comparable (75pm/V). Par conséquent, ZGP est un excellent cristal optique non linéaire MIR pour haute puissance ou haute puissance. applications énergétiques 【18-221. Par exemple, une cavité plate-plate ZGP-OPO avec une plage de réglage de 3,8 à 12,4 um pompée par un laser de 2,93 um a été démontrée. L'énergie maximale à impulsion unique de la lumière de ralenti à 6,6 um était 1,2 mJ 【201.Pour la longueur d'onde spécifique de 6,45 um, une énergie d'impulsion unique maximale de 5,67 mJ à une fréquence de répétition de 100 Hz a été obtenue en utilisant une cavité OPO à anneau non planaire basée sur un cristal ZGP.Avec une répétition fréquence de 200 Hz, une puissance de sortie moyenne de 0,95 W a été atteinte 【221. À notre connaissance, il s'agit de la puissance de sortie la plus élevée atteinte à 6,45 um.Les études existantes suggèrent qu'une puissance moyenne plus élevée est nécessaire pour une ablation efficace des tissus 【23】. Par conséquent, le développement d'une source laser pratique à haute puissance de 6,45 um serait d'une grande importance dans la promotion de la médecine biologique.Dans cette lettre, nous rapportons un laser MIR 6,45 um à semi-conducteur simple et compact qui a une puissance de sortie moyenne élevée et est basé sur un ZGP-OPO pompé par une impulsion nanoseconde (ns) de 2,09 um

laser. La puissance de sortie moyenne maximale du laser 6,45 um est jusqu'à 1,53 W avec une largeur d'impulsion d'environ 42 ns à une fréquence de répétition de 10 kHz, et il a une excellente qualité de faisceau. L'effet d'ablation du laser 6,45 um sur les tissus animaux est étudié. Ce travail montre que le laser est une approche efficace pour l'ablation tissulaire réelle, car il agit comme un scalpel laser.La configuration expérimentale est esquissée sur la Fig.1. Le ZGP-OPO est pompé par un laser Ho:YAG de 2,09 um pompé par LD qui délivre une puissance moyenne de 28 W à 10 kHz. avec une durée d'impulsion d'environ 102 ns（ FWHM) et un facteur de qualité de faisceau moyen M2 d'environ 1,7.MI et M2 sont deux miroirs 45 avec un revêtement hautement réfléchissant à 2,09 um. Ces miroirs permettent le contrôle de la direction du faisceau de pompe. Deux lentilles de focalisation (f1 = 100 mm ,f2 = 100 mm) sont appliqués pour la collimation du faisceau avec un diamètre de faisceau d'environ 3,5 mm dans le cristal ZGP. Un isolateur optique (ISO) est utilisé pour empêcher le faisceau de pompe de retourner à la source de pompe de 2,09 um. Une plaque demi-onde (HWP) à 2,09 um est utilisé pour contrôler la polarisation de la lumière de la pompe. M3 et M4 sont des miroirs à cavité OPO, avec CaF2 plat utilisé comme matériau de substrat. Le miroir avant M3 est recouvert d'un revêtement anti-reflet (98 %) pour la pompe. Faisceau et revêtement haute réflexion (98 %) pour le tendeur de 6,45 um et les ondes de signal de 3,09 um. Le miroir de sortie M4 est hautement réfléchissant (98 %) à 2,09.um et 3,09 um et permet une transmission partielle de la roue libre de 6,45 um.Le cristal ZGP est coupé à 6-77,6 ° et p = 45 ° pour l'accord de phase de type JⅡ 【2090,0 （o）6450,0 （o）+3091,9 （e）】，qui est plus adapté à une longueur d'onde spécifique et produit une lumière paramétrique avec un plus étroit largeur de ligne par rapport à l'appariement de phase de type I. Les dimensions du cristal ZGP sont de 5 mm x 6 mm x 25 mm, et il est poli et recouvert d'un revêtement antireflet sur les deux facettes d'extrémité pour les trois ondes ci-dessus. Il est enveloppé dans une feuille d'indium et fixé dans un dissipateur thermique en cuivre avec refroidissement par eau (T = 16). La longueur de la cavité est de 27 mm. Le temps aller-retour de l'OPO est de 0,537 ns pour le laser de la pompe. Nous avons testé le seuil d'endommagement du cristal ZGP par le R -on-I method 【17】.Le seuil de dommage du cristal ZGP a été mesuré à 0,11 J/cm2 à 10 kHz.dans l'expérience, correspondant à une densité de puissance de crête de 1,4 MW/cm2, ce qui est faible en qualité de revêtement relativement médiocre.La puissance de sortie de la lumière de ralenti générée est mesurée par un compteur d'énergie （D,OPHIR，1 uW à 3 W），et la longueur d'onde du signal lumineux est surveillée par un spectromètre （APE，1,5-6,3 m）。Afin de obtenir une puissance de sortie élevée de 6,45 um, nous optimisons la conception des paramètres de l'OPO.Une simulation numérique est réalisée sur la base de la théorie du mélange à trois ondes et des équations de propagation paraxiale 【24,25】；dans la simulation, nous utiliser les paramètres correspondant aux conditions expérimentales et supposer une impulsion d'entrée avec un profil gaussien dans l'espace et le temps. La relation entre le miroir de sortie OPO

la transmission, l'intensité de la puissance de la pompe et l'efficacité de la sortie sont optimisées en manipulant la densité du faisceau de la pompe dans la cavité pour obtenir une puissance de sortie plus élevée tout en évitant simultanément d'endommager le cristal ZGP et les éléments optiques. Ainsi, la puissance de pompe la plus élevée est limitée à environ 20 W pour le fonctionnement ZGP-OPO. Les résultats simulés montrent qu'un coupleur de sortie optimal avec une transmittance de 50 % est utilisé, la densité de puissance de crête maximale n'est que de 2,6 x 10 W/cm2 dans le cristal ZGP, et une puissance de sortie moyenne de plus de 1,5 W peut être obtenue. La figure 2 montre la relation entre la puissance de sortie mesurée de l'oisif à 6,45 um et la puissance de pompe incidente. On peut voir sur la Fig. 2 que la puissance de sortie de l'oisif augmente de manière monotone avec la puissance de pompe incidente. Le seuil de pompe correspond à une puissance de pompe moyenne de 3,55 WA. La puissance de sortie maximale du ralenti de 1,53 W est obtenue à une puissance de pompe d'environ 18,7 W, ce qui correspond à une efficacité de conversion optique à optique of environ 8,20 % et une efficacité de conversion quantique de 25,31 %. Pour une sécurité à long terme, le laser fonctionne à près de 70 % de sa puissance de sortie maximale. La stabilité de puissance est mesurée à une puissance de sortie de IW, comme illustré en encadré （a） sur la Fig.2. On constate que la fluctuation de puissance mesurée est inférieure à 1,35 % rms en 2 h et que le laser peut fonctionner efficacement pendant plus de 500 h au total. La longueur d'onde de l'onde de signal est mesuré à la place de celui de la roue libre en raison de la plage de longueurs d'onde limitée du spectromètre (APE, 1,5-6,3 um) utilisé dans notre expérience. La longueur d'onde du signal mesuré est centrée à 3,09 um et la largeur de la ligne est d'environ 0,3 nm, comme indiqué en médaillon (b) de la Fig.2. La longueur d'onde centrale de l'oisif est alors déduite à 6,45 um. La largeur d'impulsion de l'oisif est détectée par un photodétecteur (Thorlabs, PDAVJ10) et enregistrée par un oscilloscope numérique (Tcktronix, 2 GHz ）。Une forme d'onde d'oscilloscope typique est illustrée à la Fig.3 et affiche une largeur d'impulsion d'environ 42 ns. La largeur d'impulsionest 41,18 % plus étroit pour l'oisif de 6,45 um par rapport à l'impulsion de pompe de 2,09 um en raison de l'effet de rétrécissement du gain temporel du processus de conversion de fréquence non linéaire. La roue folle de 6,45 um est mesurée avec un faisceau laser

analyseur （Spiricon,M2-200-PIII）à 1 W de puissance de sortie, comme indiqué sur la Fig.4. Les valeurs mesurées de M2 ​​et M，2 sont 1,32 et 1,06 le long de l'axe x et de l'axe y, respectivement, correspondant à un facteur de qualité de faisceau moyen de M2 ​​= 1,19. L'insct de la Fig.4 montre le profil d'intensité de faisceau bidimensionnel (2D), qui a un mode spatial proche de Gaussien. Pour vérifier que l'impulsion de 6,45 um fournit une abla-tion efficace, une expérience de preuve de principe impliquant l'ablation au laser du cerveau porcin est réalisée. Une lentille f = 50 est utilisée pour focaliser le faisceau d'impulsions de 6,45 um sur un rayon de taille d'environ 0,75 mm. La position à ablater sur le tissu cérébral porcin est placé au foyer du faisceau laser. La température de surface (T) du tissu biologique en fonction de l'emplacement radial r est mesurée par une thermocaméra (FLIR A615) de manière synchrone pendant le processus d'ablation. Les durées d'irradiation sont de 1 ,2,4,6,10，et 20 s à une puissance laser de I W.03, 1,91, 3,05 et 4,14 mm le long de la direction radiale par rapport au point central de la position d'irradiation, comme indiqué sur la Fig.5. Les carrés sont les données de température mesurées. On trouve sur la Fig.5 que la température de surface à la position d'ablation sur le tissu augmente avec l'augmentation de la durée d'irradiation. Les températures les plus élevées T au point central r = 0 sont 132,39,160,32,196,34,

205.57,206.95，et 226.05C pour des durées d'irradiation de 1,2，4,6,10，et 20 s, respectivement. Pour analyser les dommages collatéraux, la distribution de température sur la surface du tissu ablaté est simulée. la théorie de la conduction thermique pour les tissus biologiques126】et la théorie de la propagation laser dans les tissus biologiques 【27】associée aux paramètres optiques du cerveau porcin 1281.
La simulation est effectuée avec l'hypothèse d'un faisceau gaussien d'entrée. puisque le tissu biologique utilisé dans l'expérience est un tissu cérébral porcin isolé, l'influence du sang et du métabolisme sur la température est ignorée, et le tissu cérébral porcin est simplifié dans le forme d'un cylindre pour la simulation.Les paramètres utilisés dans la simulation sont résumés dans le tableau 1.Les courbes pleines illustrées à la Fig.5 sont les distributions de température radiale simulées par rapport au centre d'ablation sur la surface du tissu pour les six irradiations différentes durées.Ils présentent un profil de température gaussien du centre à la périphérie.Il ressort de la Fig.5 que les données expérimentales s'accordent bien avec les résultats simulés.Il ressort également de la Fig.5 que la température simulée au centre de la la position d'ablation augmente à mesure que la durée d'irradiation augmente pour chaque irradiation. Des recherches antérieures ont montré que les cellules du tissu sont parfaitement sûres à des températures inférieures55C, ce qui signifie que les cellules restent actives dans les zones vertes （T<55C）des courbes de la Fig.5. La zone jaune de chaque courbe（55C60C）。On peut observer sur la Fig.5 que les rayons d'ablation simulés à T=60°Care0.774,0.873,0.993,1.071,1.198et 1.364 mm,respectivement,pour des durées d'irradiation de 1,2,4，6, 10 et 20 s, tandis que les rayons d'ablation simulés à T = 55 C sont de 0,805, 0,908, 1,037, 1,134, 1,271 et 1,456 mm, respectivement. Lors de l'analyse quantitative de l'effet d'ablation, l'arc avec des cellules mortes est de 1,882, 2.394,3.098,3.604,4.509，and5.845 mm2 pour 1,2,4,6,10，et 20s d'irradiation, respectivement. et 0,027 mm2.On peut voir que les zones d'ablation laser et les zones de dommages collatéraux augmentent avec la durée d'irradiation.Nous définissons le taux de dommages collatéraux comme étant le rapport de la zone de dommages collatéraux à 55C s T60C.Le taux de dommages collatéraux est trouvé à 8,17 %, 8,18 %, 9,06 %, 12,11 %, 12,56 %, et 13,94 % pour différents temps d'irradiation, ce qui signifie que les dommages collatéraux des tissus ablatés sont faibles.l les données et les résultats de simulation montrent que ce laser ZGP-OPO compact, haute puissance et entièrement solide de 6,45 um permet une ablation efficace des tissus biologiques. En conclusion, nous avons démontré un compact, haute puissance, entièrement solide Source laser MIR pulsée de 6,45 um basée sur une approche ns ZGP-OPO. Une puissance moyenne maximale de 1,53 W a été obtenue avec une puissance de crête de 3,65 kW et un facteur de qualité de faisceau moyen de M2 ​​= 1,19. En utilisant ce rayonnement MIR de 6,45 um,a une expérience de preuve de principe sur l'ablation au laser de tissus a été réalisée. La distribution de la température sur la surface du tissu ablaté a été mesurée expérimentalement et théoriquement simulée. Les données mesurées concordaient bien avec les résultats simulés. De plus, les dommages collatéraux ont été théoriquement analysés. pour la première fois. Ces résultats confirment que notre laser à impulsions MIR de table à 6,45 um offre une ablation efficace des tissus biologiques et a un grand potentiel pour être un outil pratique dans les sciences médicales et biologiques, car il pourrait remplacer un FEL volumineux commeun bistouri laser.