DatarayWinCamDIRBB测量MIR飞秒光束质量，助力介入和微创手术研究
2026-06-09 来源:本站 点击次数:31
首次在相同的扫描条件下，系统地比较了在共振波长（6.4 和 6.1 微米）和非共振波长（5.5 微米）下 MIR 飞秒激光的组织消融性能。观察到消融深度比超过 8:1，这表明基于共振的消融机制具有高效率和高选择性。这些结果表明，通过基于二氧化硅的抗反射高非线性光纤在组织共振波段灵活传输高功率中红外飞秒脉冲，可作为一种强大的平台，用于选择性、精确且高效的组织消融，为介入和微创手术提供了一种有前景的方法[1]。
测试光斑设备： Dataray公司的WinCamD-IR-BB
激光手术刀具有高消融效率和极小的附带损伤，因此在精准医疗领域得到了广泛应用。中红外光谱区域涵盖了生物分子的基本振动吸收带，能够直接激发组织内特有的化学键振动。当入射波长与分子的振动能量水平相匹配时，会发生显著增强的共振吸收，从而在特定的分子成分中实现快速且选择性的能量沉积。此外，飞秒激光的超短脉冲持续时间远远短于生物组织的热扩散弛豫时间，这有效地抑制了横向热扩散，保护了周围的胶原纤维，并减少了内皮细胞的损伤。基于这一理念，近期的研究利用高功率中红外飞秒激光来选择性地针对不同的病变组织，展示了在组织消融方面的高选择性。尽管有这些优势，但在将中红外飞秒激光脉冲精确地传递到小的角膜区域以实现可控的组织消融方面仍存在一些挑战：（i）自由空间的光学路径对对齐的要求非常高，使得稳定的焦点定位变得困难；（ii）当组织厚度超过聚焦光学元件的瑞利范围时，消融效率会显著下降；（iii）传统的激光系统体积庞大且复杂，限制了它们在微创和介入性临床应用中的适用性。因此，需要一种灵活且稳定的传递方法。
图中的梯度填充曲线展示了通过傅里叶变换红外（FTIR）光谱法测量的角膜样本的特征吸收光谱，显示出在约 3 um、6.1 um和 6.4 um处有明显的吸收峰。具体而言，3 um处的吸收对应于羟基（–OH）基团的共振；6.1 um处的峰源于羟基和酰胺 I 带的共同共振；6.4 um处的峰与羟基和酰胺 II 带的共同共振有关。基于这些共振特性，6.1 um和 6.4 um的波长被选作共振组织消融的激光源。图中的橙色和蓝色曲线分别代表由自制 OPA 系统生成的中心波长为 6.1 um和 6.4 um的中红外飞秒脉冲的光谱。这两个光谱均处于酰胺和羟基基团的共振吸收带内，能够同时激发这些分子共振。这种共振增强的能量沉积有助于实现高效的组织消融，同时将伴随的热损伤降至最低。
为了生成用于实现角膜组织共振消融的 MIR 脉冲飞秒激光，本文构建了一个基于 LGS 晶体的自制两阶段 OPA 系统。选择 LGS 晶体是因为其具有宽透明窗口、高损伤阈值以及在 MIR 区域良好的相位匹配特性。如图 a 所示，该 OPA 系统由一个中心波长为 1030 nm、平均功率为 45 W、脉冲持续时间为 280 ns、重复频率为 500 kHZ的激光源泵浦。
通过使用一个双折射镜以及带有 3 - 12 um抗反射涂层的锗滤镜，将生成的 MIR 辐射与剩余的泵浦光和信号光分离。在 6.1 um和 6.4 um的波长下，实现了平均输出功率约为 400 mW，相当于脉冲能量约为 0.8 mJ，这满足了角膜组织共振烧蚀的能量要求。得益于两阶段 OPA 架构和 LGS 晶体的宽带相位匹配能力，该系统不仅在目标波长处提供了高输出功率，而且在 MIR 区域提供了广泛的可调性。通过调整两个 LGS 晶体的相位匹配角度，可以实现从 5 到 12 um的宽带飞秒激光发射调谐，如图 b 所示。在调谐范围的边缘处，光谱带宽相对较窄，在 7 - 10 um区域则变得更宽，这是由于 LGS 在该波长范围内的相位匹配带宽较大所致。除了对光谱特性进行分析外，还进一步研究了由 OPA 系统产生的中红外飞秒脉冲的时间特性。如图 c 所示，所测量的相关曲线具有良好的时间对称性、清晰的条纹边界以及约 8：1 的高峰值与背景对比度，表明脉冲具有良好的稳定性且噪声背景较低。
如图a 所示，以中心波长为 6.4 um的 MIR 脉冲为例，经过 AR-HCF 传输后的输出脉冲的时域特性与输入脉冲的时域特性高度一致。自相关曲线表现出良好的时域对称性，没有观察到脉冲拖尾或结构失真现象。输出脉冲的持续时间约为 360 fs。
在整个实验波长范围内，耦合效率超过 75%。传输的中红外脉冲输出功率的稳定性也得到了进一步的表征，如图 4b 所示。在连续测量过程中，输出功率保持高度稳定，均方根（RMS）波动约为 0.6%，没有明显的长期漂移。这些结果表明，所设计的 AR-HCF 能够在中红外区域稳定且可重复地提供高峰值功率的飞秒脉冲，为后续的角膜共振消融实验提供了可靠的光能传输。图 c 展示了经过 AR-HCF 耦合后的中红外飞秒脉冲的测量 M2 值。在中心波长为 6.4 um时，输出光束在两个正交方向上均表现出接近衍射极限的性能（M2x ≈ 1.03 和 M2γ ≈ 1.07），这是通过中红外光束轮廓仪（DataRay，WinCamD-IR-BB）测量得出的，这表明脉冲在传播过程中保持了基本的高斯样空间模式。
图 a - c 展示了在 6.4 um波长下、在相同扫描条件下获得的角膜切除术的 H&E 染色组织切片。图 6d - f 对应于 6.1 um波长的切除情况，而图 6g - h 则展示了 5.5 um波长下的结果。结果表明，在 6.4 和 6.1 um的共振波长下进行的切除操作，在 H&E 染色切片中都能观察到清晰的切除切口。在 6.4 um波长时，实现了贯穿整个角膜层的连续切口，切口附近的平均角膜厚度约为 123.67 ± 13.05 um。切口附近的横向热影响区深度约为 9.43 ± 2.57 um。相比之下，在 6.1 um波长下，切口深度约为 75.00 ± 5.29 um，而切口附近的平均角膜厚度约为 99.00 ± 5.57 um。切口附近的横向热影响区约为 17.97 ± 0.76 um。值得注意的是，在 6.4 um波长下进行的切除操作所造成的热损伤明显小于在 6.1 um波长下的切除操作。这种差异可能归因于在 6.4 um波段水的吸收能力较弱，因此沉积的能量主要被胶原蛋白分子吸收，从而减轻了由水介导的蒸发所引起的短暂热效应。
综上所述，本文证明了高功率中红外飞秒脉冲能够通过 AR-HCF 实现稳定且高保真的传输。首次提出了一种基于柔性硅基 AR-HCF 在角膜组织谐振带中的传输平台，用于高功率中红外飞秒激光的消融，能够实现角膜组织的精确且可控的消融。进行了首次对谐振和非谐振中红外飞秒脉冲消融性能的系统比较，结果表明，在 6.1 和 6.4 um的谐振波长处产生了连续且清晰的消融切口，且几乎没有旁观热损伤，而 5.5 um的非谐振波长仅产生了表面热效应，未能形成可见的切口。这些结果验证了基于酰胺和羟基谐振激发的复合消融机制的可行性。此外，由于飞秒激光相互作用的“冷消融”特性，光热损伤区域非常局限，这意味着术后炎症会受到限制，基质细胞的激活也会减少。然而，对组织愈合、炎症反应和长期生物力学效应的系统评估仍需要专门的体内研究，并且仍然是未来工作的一个重要方向。
Dataray-WinCamD-IR-BB
WinCamD-IR-BB是一款专为中远红外（MWIR至FIR）波段激光设计的成像解决方案。WinCamD-IR-BB具备17 µm像素尺寸、2-16 µm波长探测范围及集成机械快门，提供卓越的光束分析性能。其超过1000:1的信噪比支持符合ISO 11146标准的光束测量。基于氧化钒微测热辐射计的传感器具有超高灵敏度，集成快门设计可实现全自动非均匀性校正（NUC）。
示例应用：
l MWIR/FIR/CO₂激光光束质量分析
l MWIR/FIR/CO₂激光器和激光系统的现场调试和故障诊断
l 光束漂移监测与长期记录
l 自由电子激光（FEL）、太赫兹波源特性分析。
l 使用可用的 M2DU 平台进行 M² 测量
配置软件：
DataRay 提供功能齐全、高度可定制、以用户为中心的软件支持，该软件无许可费、无限制安装和免费软件更新。该软件功能齐全，易于使用，是专为实现快速准确的激光光束分析而设计。Dataray软件特点鲜明，功能齐全，可以进行M2测量，激光发散角测量，激光轮廓拟合，还支持定制，全程免费且支持更新。
DataRay光斑分析仪的软件提供了一套全面的光束轮廓测量仪器，包括：直径、质心、方向、椭圆度、相对通量，M2测量等，且包含 ISO 标准 11146、11145 和 13694中定义的测量值。在测量的过程中还可以使用Dataray软件的专有 HyperCal 算法实现连续、简单易用的降噪。该软件利用 OpenGL 显示光束的2D和3D图像，并且能够支持非常高的帧速率，还可以显示一维线轮廓，用户可以选择光束的任意切片或自动定向到被测光源。Gaussian和TopHat拟合都可以使用定量指标来执行。在生成结果方面，数据可以以多种格式（CSV、TIFF、BMP）导出。DataRay独特的文件格式允许在调用数据时恢复所有设置。记录每帧或指定的时间间隔的数据，还可以对长期测试进行简单分析并自动生成PDF报告。
飞秒脉冲测量仪
Fast FROG
Fast FROG以其可靠、紧凑和易用性为核心特点。它采用独特的波前划分技术以及Femto Easy专有的迷你成像光谱仪，使得设备非常坚固，几乎无需调整，极大地简化了操作流程。Fast FROG提供多种型号，覆盖从低于5fs到10ps的脉冲持续时间，以及480 -2100nm的宽广光谱范围。其设计分为两种：一种适用于主要依赖透射光学器件的长脉冲，另一种则为全消色差设计，专门针对超短脉冲优化，最大限度地减少了色散和像差的影响。
应用领域：
l 超快激光实验室脉冲特性深度分析
l 脉冲压缩器优化与色散管理
l 超快光谱学（如泵浦-探测）实验中的脉冲诊断
l 先进激光器（如OPA、OPCPA）的开发与测试
l 学术与工业领域中的前沿光学研究
参考文献
1. Zhao J, Deng A, Guo J, Yang X, Li W, Huang X, et al. Selective Corneal Tissue Ablation via Amide-Resonant Mid-Infrared Femtosecond Pulses Delivered by an Anti-Resonant Hollow-Core Fiber. Photonics 2026; 13(3).
测试光斑设备： Dataray公司的WinCamD-IR-BB
激光手术刀具有高消融效率和极小的附带损伤，因此在精准医疗领域得到了广泛应用。中红外光谱区域涵盖了生物分子的基本振动吸收带，能够直接激发组织内特有的化学键振动。当入射波长与分子的振动能量水平相匹配时，会发生显著增强的共振吸收，从而在特定的分子成分中实现快速且选择性的能量沉积。此外，飞秒激光的超短脉冲持续时间远远短于生物组织的热扩散弛豫时间，这有效地抑制了横向热扩散，保护了周围的胶原纤维，并减少了内皮细胞的损伤。基于这一理念，近期的研究利用高功率中红外飞秒激光来选择性地针对不同的病变组织，展示了在组织消融方面的高选择性。尽管有这些优势，但在将中红外飞秒激光脉冲精确地传递到小的角膜区域以实现可控的组织消融方面仍存在一些挑战：（i）自由空间的光学路径对对齐的要求非常高，使得稳定的焦点定位变得困难；（ii）当组织厚度超过聚焦光学元件的瑞利范围时，消融效率会显著下降；（iii）传统的激光系统体积庞大且复杂，限制了它们在微创和介入性临床应用中的适用性。因此，需要一种灵活且稳定的传递方法。
图中的梯度填充曲线展示了通过傅里叶变换红外（FTIR）光谱法测量的角膜样本的特征吸收光谱，显示出在约 3 um、6.1 um和 6.4 um处有明显的吸收峰。具体而言，3 um处的吸收对应于羟基（–OH）基团的共振；6.1 um处的峰源于羟基和酰胺 I 带的共同共振；6.4 um处的峰与羟基和酰胺 II 带的共同共振有关。基于这些共振特性，6.1 um和 6.4 um的波长被选作共振组织消融的激光源。图中的橙色和蓝色曲线分别代表由自制 OPA 系统生成的中心波长为 6.1 um和 6.4 um的中红外飞秒脉冲的光谱。这两个光谱均处于酰胺和羟基基团的共振吸收带内，能够同时激发这些分子共振。这种共振增强的能量沉积有助于实现高效的组织消融，同时将伴随的热损伤降至最低。为了生成用于实现角膜组织共振消融的 MIR 脉冲飞秒激光，本文构建了一个基于 LGS 晶体的自制两阶段 OPA 系统。选择 LGS 晶体是因为其具有宽透明窗口、高损伤阈值以及在 MIR 区域良好的相位匹配特性。如图 a 所示，该 OPA 系统由一个中心波长为 1030 nm、平均功率为 45 W、脉冲持续时间为 280 ns、重复频率为 500 kHZ的激光源泵浦。通过使用一个双折射镜以及带有 3 - 12 um抗反射涂层的锗滤镜，将生成的 MIR 辐射与剩余的泵浦光和信号光分离。在 6.1 um和 6.4 um的波长下，实现了平均输出功率约为 400 mW，相当于脉冲能量约为 0.8 mJ，这满足了角膜组织共振烧蚀的能量要求。得益于两阶段 OPA 架构和 LGS 晶体的宽带相位匹配能力，该系统不仅在目标波长处提供了高输出功率，而且在 MIR 区域提供了广泛的可调性。通过调整两个 LGS 晶体的相位匹配角度，可以实现从 5 到 12 um的宽带飞秒激光发射调谐，如图 b 所示。在调谐范围的边缘处，光谱带宽相对较窄，在 7 - 10 um区域则变得更宽，这是由于 LGS 在该波长范围内的相位匹配带宽较大所致。除了对光谱特性进行分析外，还进一步研究了由 OPA 系统产生的中红外飞秒脉冲的时间特性。如图 c 所示，所测量的相关曲线具有良好的时间对称性、清晰的条纹边界以及约 8：1 的高峰值与背景对比度，表明脉冲具有良好的稳定性且噪声背景较低。
如图a 所示，以中心波长为 6.4 um的 MIR 脉冲为例，经过 AR-HCF 传输后的输出脉冲的时域特性与输入脉冲的时域特性高度一致。自相关曲线表现出良好的时域对称性，没有观察到脉冲拖尾或结构失真现象。输出脉冲的持续时间约为 360 fs。在整个实验波长范围内，耦合效率超过 75%。传输的中红外脉冲输出功率的稳定性也得到了进一步的表征，如图 4b 所示。在连续测量过程中，输出功率保持高度稳定，均方根（RMS）波动约为 0.6%，没有明显的长期漂移。这些结果表明，所设计的 AR-HCF 能够在中红外区域稳定且可重复地提供高峰值功率的飞秒脉冲，为后续的角膜共振消融实验提供了可靠的光能传输。图 c 展示了经过 AR-HCF 耦合后的中红外飞秒脉冲的测量 M2 值。在中心波长为 6.4 um时，输出光束在两个正交方向上均表现出接近衍射极限的性能（M2x ≈ 1.03 和 M2γ ≈ 1.07），这是通过中红外光束轮廓仪（DataRay，WinCamD-IR-BB）测量得出的，这表明脉冲在传播过程中保持了基本的高斯样空间模式。
图 a - c 展示了在 6.4 um波长下、在相同扫描条件下获得的角膜切除术的 H&E 染色组织切片。图 6d - f 对应于 6.1 um波长的切除情况，而图 6g - h 则展示了 5.5 um波长下的结果。结果表明，在 6.4 和 6.1 um的共振波长下进行的切除操作，在 H&E 染色切片中都能观察到清晰的切除切口。在 6.4 um波长时，实现了贯穿整个角膜层的连续切口，切口附近的平均角膜厚度约为 123.67 ± 13.05 um。切口附近的横向热影响区深度约为 9.43 ± 2.57 um。相比之下，在 6.1 um波长下，切口深度约为 75.00 ± 5.29 um，而切口附近的平均角膜厚度约为 99.00 ± 5.57 um。切口附近的横向热影响区约为 17.97 ± 0.76 um。值得注意的是，在 6.4 um波长下进行的切除操作所造成的热损伤明显小于在 6.1 um波长下的切除操作。这种差异可能归因于在 6.4 um波段水的吸收能力较弱，因此沉积的能量主要被胶原蛋白分子吸收，从而减轻了由水介导的蒸发所引起的短暂热效应。综上所述，本文证明了高功率中红外飞秒脉冲能够通过 AR-HCF 实现稳定且高保真的传输。首次提出了一种基于柔性硅基 AR-HCF 在角膜组织谐振带中的传输平台，用于高功率中红外飞秒激光的消融，能够实现角膜组织的精确且可控的消融。进行了首次对谐振和非谐振中红外飞秒脉冲消融性能的系统比较，结果表明，在 6.1 和 6.4 um的谐振波长处产生了连续且清晰的消融切口，且几乎没有旁观热损伤，而 5.5 um的非谐振波长仅产生了表面热效应，未能形成可见的切口。这些结果验证了基于酰胺和羟基谐振激发的复合消融机制的可行性。此外，由于飞秒激光相互作用的“冷消融”特性，光热损伤区域非常局限，这意味着术后炎症会受到限制，基质细胞的激活也会减少。然而，对组织愈合、炎症反应和长期生物力学效应的系统评估仍需要专门的体内研究，并且仍然是未来工作的一个重要方向。
Dataray-WinCamD-IR-BB
WinCamD-IR-BB是一款专为中远红外（MWIR至FIR）波段激光设计的成像解决方案。WinCamD-IR-BB具备17 µm像素尺寸、2-16 µm波长探测范围及集成机械快门，提供卓越的光束分析性能。其超过1000:1的信噪比支持符合ISO 11146标准的光束测量。基于氧化钒微测热辐射计的传感器具有超高灵敏度，集成快门设计可实现全自动非均匀性校正（NUC）。
示例应用：l MWIR/FIR/CO₂激光光束质量分析
l MWIR/FIR/CO₂激光器和激光系统的现场调试和故障诊断
l 光束漂移监测与长期记录
l 自由电子激光（FEL）、太赫兹波源特性分析。
l 使用可用的 M2DU 平台进行 M² 测量
配置软件：
DataRay 提供功能齐全、高度可定制、以用户为中心的软件支持，该软件无许可费、无限制安装和免费软件更新。该软件功能齐全，易于使用，是专为实现快速准确的激光光束分析而设计。Dataray软件特点鲜明，功能齐全，可以进行M2测量，激光发散角测量，激光轮廓拟合，还支持定制，全程免费且支持更新。
DataRay光斑分析仪的软件提供了一套全面的光束轮廓测量仪器，包括：直径、质心、方向、椭圆度、相对通量，M2测量等，且包含 ISO 标准 11146、11145 和 13694中定义的测量值。在测量的过程中还可以使用Dataray软件的专有 HyperCal 算法实现连续、简单易用的降噪。该软件利用 OpenGL 显示光束的2D和3D图像，并且能够支持非常高的帧速率，还可以显示一维线轮廓，用户可以选择光束的任意切片或自动定向到被测光源。Gaussian和TopHat拟合都可以使用定量指标来执行。在生成结果方面，数据可以以多种格式（CSV、TIFF、BMP）导出。DataRay独特的文件格式允许在调用数据时恢复所有设置。记录每帧或指定的时间间隔的数据，还可以对长期测试进行简单分析并自动生成PDF报告。
飞秒脉冲测量仪Fast FROGFast FROG以其可靠、紧凑和易用性为核心特点。它采用独特的波前划分技术以及Femto Easy专有的迷你成像光谱仪，使得设备非常坚固，几乎无需调整，极大地简化了操作流程。Fast FROG提供多种型号，覆盖从低于5fs到10ps的脉冲持续时间，以及480 -2100nm的宽广光谱范围。其设计分为两种：一种适用于主要依赖透射光学器件的长脉冲，另一种则为全消色差设计，专门针对超短脉冲优化，最大限度地减少了色散和像差的影响。
应用领域：
l 超快激光实验室脉冲特性深度分析
l 脉冲压缩器优化与色散管理
l 超快光谱学（如泵浦-探测）实验中的脉冲诊断
l 先进激光器（如OPA、OPCPA）的开发与测试
l 学术与工业领域中的前沿光学研究
参考文献
1. Zhao J, Deng A, Guo J, Yang X, Li W, Huang X, et al. Selective Corneal Tissue Ablation via Amide-Resonant Mid-Infrared Femtosecond Pulses Delivered by an Anti-Resonant Hollow-Core Fiber. Photonics 2026; 13(3).
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