超快光纤激光技能之三十四 面向激光尾流场医疗的超快光纤技能

  尾流场加快（laser-wake-field acceleration，LWFA）是一种差异于传统射频加快粒子的重要加快手法。LWFA能够发生GeV/cm的加快梯度，有望大幅减缩加快器的尺度和本钱，完成近间隔放射医治（brachytherapy）。LWFA将的光能转化为被加快电子的动能，医疗运用所需的电子能量为数十至数百keV，对应的激光聚集强度要到达1014 W/cm2以上，若聚集直径为20 m，则激光峰值功率需到达千兆瓦水平。

  本期介绍2022年宣布的一篇总述文章[1]，评论LWFA用于癌症医治所需的超快光纤激光技能和强脉冲传输技能。在如图1所示的内窥镜LWFA中，高功率飞秒脉冲激起固态碳纳米管，激光尾流场处于LWFA的高密度状况，电子可被加快到几十到几百keV，这足以损坏癌细胞而不会危害健康安排。

  在超快光纤激光器中，信号光和泵浦光以导波的方式在光纤中传输，效果间隔长，再加上光纤具有较高的外表体积比，使得光纤激光器较易提高平均功率。高峰值功率超快光纤激光体系一般都会选用主振荡器-功率扩大器（master-oscillator-power-amplifier，MOPA）的架构，其间，超快光纤振荡器供给飞秒或皮秒级的安稳种子脉冲。为了应对非线性和资料损害带来的应战，高功率超快光纤激光器一般都会选用啁啾脉冲扩大（chirped-pulse amplification，CPA）技能和大模场面积（large mode area，LMA）光纤。图2展现了近15年来大功率超快光纤激光器的研讨概略。

  由图可知，激光器峰值功率从数十、数百兆瓦提高到千兆瓦水平。蓝色三角形数据点围绕在强度线邻近，表现了非线性相位堆集带来的约束。为完成更高的峰值功率，能够运用多个超快光纤激器的相干组成（coherent beam combining，CBC）。

  在内窥镜运用中，可选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医治部位邻近的LWFA设备处。在这种情况下，光脉冲主要在空气芯中传达，缓解了资料损害问题，一起非线性和色散均大幅度的下降。模场直径（mode-field diameter，MFD）为40 m、曲折半径约25 cm的空芯光纤已被证明能够传输宽度为500 fs、能量为500 J、峰值功率达1 GW的脉冲。2016年，Mattia Michieletto等人提出了一种新式反谐振空芯光纤（长度为5 m，MFD约22 m，曲折半径为16 cm），能够低损耗地传输皮秒级、平均功率达70 W的脉冲[2]。

  总归，加快速度进行开展的超快光纤激光技能能够为LWFA供给千兆瓦峰值功率的飞秒脉冲，空芯光纤则能够传输这样的超短超强脉冲。这两种技能相结合，有望在将来完成根据高密度LWFA的内窥镜癌症医治。