激光尾流場加速（laser-wake-field acceleration，LWFA）是一種區別於(yu) 傳(chuan) 統射頻加速粒子的重要加速手段。LWFA可以產(chan) 生GeV/cm的加速梯度，有望大幅縮減加速器的尺寸和成本，實現近距離放射治療（brachytherapy）。LWFA將激光脈衝(chong) 的光能轉化為(wei) 被加速電子的動能，醫療應用所需的電子能量為(wei) 數十至數百keV，對應的激光聚焦強度要達到1014 W/cm2以上，若聚焦直徑為(wei) 20 μm，則激光峰值功率需達到千兆瓦水平。

本期介紹2022年發表的一篇綜述文章[1]，討論LWFA用於(yu) 癌症治療所需的超快光纖激光技術和強脈衝(chong) 傳(chuan) 輸技術。在如圖1所示的內(nei) 窺鏡LWFA中，高功率飛秒脈衝(chong) 激發固態碳納米管，激光尾流場處於(yu) LWFA的高密度狀態，電子可被加速到幾十到幾百keV，這足以破壞癌細胞而不會(hui) 損害健康組織。

圖1 排列方式不同的碳納米管作為(wei) 高密度等離子體(ti) 。[1]

在超快光纖激光器中，信號光和泵浦光以導波的形式在光纖中傳(chuan) 輸，作用距離長，再加上光纖具有較高的表麵體(ti) 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係統一般采用主振蕩器-功率放大器（master-oscillator-power-amplifier，MOPA）的架構，其中，超快光纖振蕩器提供飛秒或皮秒級的穩定種子脈衝(chong) 。為(wei) 了應對非線性和材料損傷(shang) 帶來的挑戰，高功率超快光纖激光器一般采用啁啾脈衝(chong) 放大（chirped-pulse amplification，CPA）技術和大模場麵積（large mode area，LMA）光纖。圖2展示了近15年來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(cong) 數十、數百兆瓦提升到千兆瓦水平。藍色三角形數據點圍繞在強度線10 GW/cm2附近，體(ti) 現了非線性相位積累帶來的限製。為(wei) 了實現更高的峰值功率，可以采用多個(ge) 超快光纖激器的相幹合成（coherent beam combining，CBC）。

圖2 關(guan) 於(yu) CPA超快光纖放大器的研究工作的總結[1]

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

總之，快速發展的超快光纖激光技術能夠為(wei) LWFA提供千兆瓦峰值功率的飛秒脈衝(chong) ，空芯光纖則可以傳(chuan) 輸這樣的超短超強脈衝(chong) 。這兩(liang) 種技術相結合，有望在將來實現基於(yu) 高密度LWFA的內(nei) 窺鏡癌症治療。

參考文獻：