超快光纤激光技术之三十四面向激光尾流场医疗的超快光纤技术

2023-05-22 14:01

激光尾流场加速（laser-wake-field acceleration，LWFA）是一种区别于传统射频加速粒子的重要加速手段。LWFA可以产生GeV/cm的加速梯度，有望大幅缩减加速器的尺寸和成本，实现近距离放射治疗（brachytherapy）。LWFA将激光脉冲的光能转化为被加速电子的动能，医疗应用所需的电子能量为数十至数百keV，对应的激光聚焦强度要达到1014 W/cm2以上，若聚焦直径为20 μm，则激光峰值功率需达到千兆瓦水平。

本期介绍2022年发表的一篇综述文章[1]，讨论LWFA用于癌症治疗所需的超快光纤激光技术和强脉冲传输技术。在如图1所示的内窥镜LWFA中，高功率飞秒脉冲激发固态碳纳米管，激光尾流场处于LWFA的高密度状态，电子可被加速到几十到几百keV，这足以破坏癌细胞而不会损害健康组织。

图1 排列方式不同的碳纳米管作为高密度等离子体。[1]

在超快光纤激光器中，信号光和泵浦光以导波的形式在光纤中传输，作用距离长，再加上光纤具有较高的表面体积比，使得光纤激光器较易提升平均功率。高峰值功率超快光纤激光系统一般采用主振荡器-功率放大器（master-oscillator-power-amplifier，MOPA）的架构，其中，超快光纤振荡器提供飞秒或皮秒级的稳定种子脉冲。为了应对非线性和材料损伤带来的挑战，高功率超快光纤激光器一般采用啁啾脉冲放大（chirped-pulse amplification，CPA）技术和大模场面积（large mode area，LMA）光纤。图2展示了近15年来大功率超快光纤激光器的研究概况。

由图可知，激光器峰值功率从数十、数百兆瓦提升到千兆瓦水平。蓝色三角形数据点围绕在强度线10 GW/cm2附近，体现了非线性相位积累带来的限制。为了实现更高的峰值功率，可以采用多个超快光纤激器的相干合成（coherent beam combining，CBC）。

图2 关于CPA超快光纤放大器的研究工作的总结[1]

在内窥镜应用中，可采用空芯光纤作为柔性通道将千兆瓦峰值功率的激光脉冲传送至治疗部位附近的LWFA装置处。在这种情况下，光脉冲主要在空气芯中传播，缓解了材料损伤问题，同时非线性和色散均大大降低。模场直径（mode-field diameter，MFD）为40 μm、弯曲半径约25 cm的空芯光纤已被证明能够传输宽度为500 fs、能量为500 μJ、峰值功率达1 GW的脉冲。2016年，Mattia Michieletto等人提出了一种新型反谐振空芯光纤（长度为5 m，MFD约22 μm，弯曲半径为16 cm），能够低损耗地传输皮秒级、平均功率达70 W的脉冲[2]。

总之，快速发展的超快光纤激光技术能够为LWFA提供千兆瓦峰值功率的飞秒脉冲，空芯光纤则可以传输这样的超短超强脉冲。这两种技术相结合，有望在将来实现基于高密度LWFA的内窥镜癌症治疗。

参考文献：