Next generation PIRL for surgery and bio-diagnostics

Abstract

Recent studies show that scar-free surgery is possible with picosecond laser pulses tuned to the strong absorption band of water in the Mid-IR. A way to generate these pulses is with an optical parametric amplifier (OPA) pumped by a picosecond infrared laser (PIRL). The PIRL that was used in the first studies was a rather expensive and high-maintenance design with a limited output power of 1.7W. It consisted of a mode-locked oscillator with an attached regenerative amplifier. Within this work, a simple, compact and robust master oscillator power amplifier (MOPA) design is developed and tested for its viability as a next-generation PIRL (NextGenPIRL). The design consists of a Q-switched Nd:YAG/Cr4+:YAG based microchip laser and a two-pass Nd:YAG based crystal-fiber amplifier. Via simulations of the microchip design with a numerical model and a subsequent experimental investigation, multi-longitudinal mode behavior is identified to be responsible for a substantial deterioration of the stability of the microchip laser. Several methods to enforce single mode lasing are given and experimentally verified. The final stability-optimized Q-switched microchip laser runs in a single longitudinal mode at pulse repetition frequencies (PRF) of up to 5 kHz with a standard deviation of only 0.74% from the average pulse energy of 17.4 μJ. The pulse duration is as short as 226 ps. Together with the amplifier, an output power of up to 8.2W is achieved with an exceptional beam quality factor of 1.24. An analysis of the amplifier utilizing the Franz-Nodvik model shows that the output power is so far only limited by the available pump power. The presented MOPA laser system proofs to be a viable design for the NextGenPIRL, with the potential for being highly scalable.

Aktuelle Studien zeigen, dass bei Inzisionen in Gewebe unter Verwendung von Pikosekunden Laser Pulsen im mitteninfraroten Wellenlängenbereich eine narbenfreie Chirurgie möglich ist. Diese Laserpulse können durch einen parametrischen Verstärker (Optical Parametric Amplifier - OPA), der durch einen Pikosekunden-Infrarot-Laser (PIRL) gepumpt wird, erzeugt werden. Bei dem für die Studien verwendeten PIRL handelte es sich um ein kosten- und wartungsintensives Lasersystem, das zudem in seiner Ausgangsleistung auf 1.7 W beschränkt war. Das Lasersystem bestand aus einem modengekoppelten Oszillator mit einem nachgeschalteten regenerativen Verstärker. Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuen Generation von Pikosekundenlasern (Next Generation PIRL - NextGenPIRL), die sich durch einen kompakten Aufbau und einen stabilen und wartungsarmen Betrieb auszeichnen. Das Laserkonzept basiert zum einen auf einem gütegeschlateten Oszillator bestehend aus einem Nd:YAG/Cr4+:YAG Kurzpuls-Mikrochiplaser und zum anderen auf einen Leistungsverstärker bestehend aus einer einkristallinen Nd:YAG Faser. Sowohl numerische Simulationen als auch experimentelle Untersuchungen zeigen, dass die Stabilität des Oszillators durch ein anspringen von mehreren longitudinale Moden stark beeinträchtigt wird. Es werden mehrere Verfahren und Methoden zur Mehrfachmodenunterdrückung vorgestellt und auch experimentell verifiziert. Der aus diesen Verfahren entstandene stabilitätsoptimierte Mikrochip-Laser arbeitet im Einmodenbetrieb und produziert 226 ps kurze Pulse mit einer Energie von 17.4 μJ bei einer Pulswiederhohlungsrate von 5 kHz. Die Standartabweichung der einzelnen Pulsenergien von ihrem Mittelwert liegt innerhalb von nur 0.74%. In Kombination mit dem Faserverstärker wird eine gesamte Ausgangsleistung von 8.2 W erreicht, wobei der Strahlqualitätsfaktor nicht den Wert von 1.24 überschreitet. Eine Analyse des Verstärkers unter Zuhilfenahme des von Franz und Nodvik entwickelten Verstärkermodells zeigt, dass die Ausgangsleistung des aufgebauten Systems soweit nur durch die zur Verfügung stehende Pumpleistung beschränkt ist. Das in dieser Arbeit vorgestellte Laserdesign erweist sich als vielversprechendes NextGenPIRL-Konzept mit dem Potential zu einer hohen Skalierbarkeit hin zu noch höheren Ausgangsleistungen.