レーザー航跡場加速 (LWFA) は、粒子の従来の RF 加速とは異なる重要な加速手段です。LWFA は GeV/cm の加速勾配を生成でき、これによりアクセルペダルのサイズとコストが大幅に削減され、近接照射療法。LWFA 変換 LWFA は、レーザー パルスの光エネルギーを加速された電子の運動エネルギーに変換します。 医療用途に必要な電子エネルギーは数十～数百keVで、これはレーザー集束強度1014W/cm2以上に相当し、集束径が20μmの場合、レーザーのピークパワーはギガワットレベルに達する必要がある。
この号では、2022 年に発行されたレビュー記事 [1] を紹介し、がん治療における LWFA に必要な超高速ファイバーレーザー技術と強力なパルス送達技術について説明します。 図 1 に示す内視鏡 LWFA では、高出力フェムト秒パルスが固体カーボン ナノチューブを励起し、レーザー後流場は高密度の LWFA であり、電子は数十 keV から数百 keV まで加速できます。健康な組織を損傷することなくがん細胞を破壊します。
超高速ファイバーレーザーでは、信号光とポンプ光が長い作用距離を持つ導波波としてファイバー内を伝送されます。これにより、ファイバーの高い表面積対体積比と相まって、レーザーの平均パワーを高めることが容易になります。ファイバーレーザー。 高ピークパワーの超高速ファイバーレーザーシステムは通常、マスター発振器パワーアンプ（MOPA）アーキテクチャを採用しており、超高速ファイバー発振器がフェムト秒またはピコ秒の範囲で安定したシードパルスを提供します。 非線形性と材料損傷の課題に対処するために、高出力超高速ファイバー レーザーでは通常、チャープ パルス増幅 (CPA) テクノロジーとラージ モード エリア (LMA) ファイバーが採用されています。
レーザーのピーク出力は、数十または数百メガワットからギガワットレベルまで増加します。 青い三角形のデータ ポイントは 10 GW/cm2 付近の強度線を囲んでおり、非線形位相の蓄積によって課せられる制限を反映しています。 より高いピークパワーを達成するには、複数の超高速ファイバー励起器のコヒーレントビーム結合 (CBC) を使用できます。
内視鏡用途では、中空コアファイバーを柔軟なチャネルとして使用して、ギガワットのピークパワーのレーザーパルスを治療部位近くの LWFA デバイスに送達できます。 この場合、光パルスは主に空芯内を伝播するため、材料損傷の問題が軽減され、非線形性と分散の両方が大幅に減少します。 モードフィールド直径（MFD）が40μm、曲げ半径が約25cmの空芯ファイバは、幅500fs、エネルギー500μJ、ピークパワー1GWのパルスを送信することが示されています。 . 2016 年に、マッティア・ミチエレットら。 は、低損失で最大 70 W の平均パワーでピコ秒パルスを送信できる、新しい反共振空芯ファイバー (長さ 5 m、MFD 約 22 μm、曲げ半径 16 cm) を提案しました。
結論として、急速に発展している超高速ファイバーレーザー技術は、LWFA 用にギガワットのピークパワーを持つフェムト秒パルスを送信することができ、中空コアファイバーはそのような超短かつ超強力なパルスを送信することができます。 これら 2 つの技術を組み合わせることで、将来的には高密度 LWFA に基づく内視鏡がん治療が可能になることが期待されています。
