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
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：
原文标题 : 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
相关推荐
-
ADC在癌症治疗中的分子和免疫学驱动因素
参考文献：1.Unveiling the molecular and immunological drivers of antibody-drug conjugates in cancer treat
-
靶向RAS–ERK信号通路的癌症治疗
-01-前言 RAS-RAF-MEK-ERK（简称ERK信号通路）是调控细胞增殖与存活的核心通路，其异常活化与多种癌症的发生发展密切相关。在生理条件下，该通路通过多级反馈调控维持稳态，但在约三分之一
-
mRNA疗法在代谢疾病领域展现良好前景
前言 信使核糖核酸（mRNA）的治疗应用面临着许多挑战，涉及递送、耐久性、毒性、免疫原性和较差的疗效。然而，包括核苷修饰、序列优化和改进的递送系统在内的进步使越来越多的mRNA疗法进入临床试验，特别是用于治疗罕见的单基因疾病和某些癌症
-
Claudin 18.2：癌症治疗的新靶点
前言 胃癌在癌症相关死亡率中排名第三，被认为是全世界最难治愈的癌症之一。在晚期或转移性胃癌或胃食管交界处（GEJ）腺癌患者中，中位总生存期（mOS）不超过10个月。虽然人类表皮生长因子受
-
坚守创新初心，30岁的复星医药如何穿越周期？
中国企业面对周期挑战时的韧性和孜孜不倦的探索精神，一直在医药行业上演。 站在当下，中国医药处于一个历史转折点，面临的挑战不仅是如何在周期调整中坚定创新，更是如何跨出国门，开辟新的篇章。这不仅是一场技术与资本的竞赛，更是对企业担当与意志的考验
-
CAR免疫疗法的新细胞来源
前言 嵌合抗原受体（CAR）是一种受体蛋白，它赋予免疫细胞新的能力，以靶向特定的抗原蛋白。CAR-T细胞治疗在血液恶性肿瘤取得了巨大的成就。2017年，美国食品药物监督管理局（FDA）首次批
-
双特异性抗体癌症治疗的现状与展望
前言 迄今为止，与传统的抗癌治疗策略相比，免疫治疗被认为是最有前景的全身性肿瘤治疗方法，其中，单克隆抗体因其特异性靶向分子的能力，已成为癌症治疗中一种关键而有效的治疗方式。然而，由于肿瘤复杂的疾病发病机制，针对单一靶点的单克隆抗体往往不足以表现出足够的治疗效果
-
漫话“发展中的中国CAR
前言 近年来，CAR-T疗法获得了巨大的成功，成为治疗恶性血液病（HMs）的一种潜在疗法。2017年，Tisagenelecleucel（CTL019，Novartis）被美国食品和
-
肿瘤及自身免疫疾病中T细胞交叉反应
前言 T细胞是免疫系统的主要参与者，在抵抗病原体和癌症方面发挥着重要作用。参与这项绝对核心任务的分子关键事件是特异性T细胞受体与肽MHC复合物的相互作用，该复合物启动T细胞启动、激活和记忆，从而控制一系列下游功能
