超快光纖激光技術(shù)之三十四 面向激光尾流場(chǎng)醫(yī)療的超快光纖技術(shù)-短訊

【資料圖】

激光尾流場(chǎng)加速（laser-wake-field acceleration，LWFA）是一種區(qū)別于傳統(tǒng)射頻加速粒子的重要加速手段。LWFA可以產(chǎn)生GeV/cm的加速梯度，有望大幅縮減加速器的尺寸和成本，實(shí)現(xiàn)近距離放射治療（brachytherapy）。LWFA將激光脈沖的光能轉(zhuǎn)化為被加速電子的動(dòng)能，醫(yī)療應(yīng)用所需的電子能量為數(shù)十至數(shù)百keV，對(duì)應(yīng)的激光聚焦強(qiáng)度要達(dá)到1014 W/cm2以上，若聚焦直徑為20 μm，則激光峰值功率需達(dá)到千兆瓦水平。

本期介紹2022年發(fā)表的一篇綜述文章[1]，討論LWFA用于癌癥治療所需的超快光纖激光技術(shù)和強(qiáng)脈沖傳輸技術(shù)。在如圖1所示的內(nèi)窺鏡LWFA中，高功率飛秒脈沖激發(fā)固態(tài)碳納米管，激光尾流場(chǎng)處于LWFA的高密度狀態(tài)，電子可被加速到幾十到幾百keV，這足以破壞癌細(xì)胞而不會(huì)損害健康組織。

圖1 排列方式不同的碳納米管作為高密度等離子體。[1]

在超快光纖激光器中，信號(hào)光和泵浦光以導(dǎo)波的形式在光纖中傳輸，作用距離長(zhǎng)，再加上光纖具有較高的表面體積比，使得光纖激光器較易提升平均功率。高峰值功率超快光纖激光系統(tǒng)一般采用主振蕩器-功率放大器（master-oscillator-power-amplifier，MOPA）的架構(gòu)，其中，超快光纖振蕩器提供飛秒或皮秒級(jí)的穩(wěn)定種子脈沖。為了應(yīng)對(duì)非線(xiàn)性和材料損傷帶來(lái)的挑戰(zhàn)，高功率超快光纖激光器一般采用啁啾脈沖放大（chirped-pulse amplification，CPA）技術(shù)和大模場(chǎng)面積（large mode area，LMA）光纖。圖2展示了近15年來(lái)大功率超快光纖激光器的研究概況。

由圖可知，激光器峰值功率從數(shù)十、數(shù)百兆瓦提升到千兆瓦水平。藍(lán)色三角形數(shù)據(jù)點(diǎn)圍繞在強(qiáng)度線(xiàn)10 GW/cm2附近，體現(xiàn)了非線(xiàn)性相位積累帶來(lái)的限制。為了實(shí)現(xiàn)更高的峰值功率，可以采用多個(gè)超快光纖激器的相干合成（coherent beam combining，CBC）。

圖2 關(guān)于CPA超快光纖放大器的研究工作的總結(jié)[1]

在內(nèi)窺鏡應(yīng)用中，可采用空芯光纖作為柔性通道將千兆瓦峰值功率的激光脈沖傳送至治療部位附近的LWFA裝置處。在這種情況下，光脈沖主要在空氣芯中傳播，緩解了材料損傷問(wèn)題，同時(shí)非線(xiàn)性和色散均大大降低。模場(chǎng)直徑（mode-field diameter，MFD）為40 μm、彎曲半徑約25 cm的空芯光纖已被證明能夠傳輸寬度為500 fs、能量為500 μJ、峰值功率達(dá)1 GW的脈沖。2016年，Mattia Michieletto等人提出了一種新型反諧振空芯光纖（長(zhǎng)度為5 m，MFD約22 μm，彎曲半徑為16 cm），能夠低損耗地傳輸皮秒級(jí)、平均功率達(dá)70 W的脈沖[2]。

總之，快速發(fā)展的超快光纖激光技術(shù)能夠?yàn)長(zhǎng)WFA提供千兆瓦峰值功率的飛秒脈沖，空芯光纖則可以傳輸這樣的超短超強(qiáng)脈沖。這兩種技術(shù)相結(jié)合，有望在將來(lái)實(shí)現(xiàn)基于高密度LWFA的內(nèi)窺鏡癌癥治療。

參考文獻(xiàn)：

原文標(biāo)題:超快光纖激光技術(shù)之三十四 面向激光尾流場(chǎng)醫(yī)療的超快光纖技術(shù)

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