L'accelerazione laser-wake-field (LWFA) è un importante mezzo di accelerazione che lo distingue dall'accelerazione RF convenzionale delle particelle. LWFA può generare gradienti di accelerazione di GeV/cm, che dovrebbero ridurre significativamente le dimensioni e il costo dei pedali dell'acceleratore e consentire brachytherapy.LWFA converte LWFA converte l'energia luminosa di un impulso laser nell'energia cinetica degli elettroni accelerati. L'energia dell'elettrone richiesta per le applicazioni mediche va da decine a centinaia di keV, corrispondente a un'intensità di focalizzazione laser di 1014 W/cm2 o più, e se il diametro di focalizzazione è di 20 μm, la potenza laser di picco deve raggiungere il livello di gigawatt.
In questo numero, viene presentato un articolo di revisione pubblicato nel 2022 [1] per discutere della tecnologia laser a fibra ultraveloce e della tecnologia di erogazione di impulsi potenti necessaria per LWFA per il trattamento del cancro. Nell'LWFA endoscopico, come mostrato nella Figura 1, gli impulsi di femtosecondi ad alta potenza eccitano i nanotubi di carbonio allo stato solido e il campo di scia laser è ad alta densità di LWFA, dove gli elettroni possono essere accelerati da decine a centinaia di keV, il che è sufficiente per distruggere le cellule tumorali senza danneggiare i tessuti sani.
Nei laser a fibra ultraveloce, la luce del segnale e la luce della pompa vengono trasmesse nella fibra come onde guidate con lunghe distanze di azione, che, insieme all'elevato rapporto superficie/volume della fibra, facilitano l'aumento della potenza media del laser a fibra. I sistemi laser a fibra ultraveloce ad alta potenza di picco impiegano tipicamente un'architettura master-oscillator-power-amplifier (MOPA), in cui un oscillatore a fibra ultraveloce fornisce impulsi seed stabili nell'intervallo di femtosecondi o picosecondi. Per affrontare le sfide della non linearità e dei danni materiali, i laser a fibra ultraveloce ad alta potenza impiegano tipicamente la tecnologia di amplificazione dell'impulso chirpato (CPA) e le fibre LMA (Large Mode Area).
La potenza di picco del laser viene aumentata da decine o centinaia di megawatt a livelli di gigawatt. I punti dati triangolari blu circondano la linea di intensità vicino a 10 GW/cm2, riflettendo le limitazioni imposte dall'accumulo di fase non lineare. Per ottenere una potenza di picco più elevata, è possibile utilizzare la combinazione di fasci coerenti (CBC) di più eccitatori in fibra ultraveloce.
Nelle applicazioni endoscopiche, una fibra a nucleo cavo può essere utilizzata come canale flessibile per fornire impulsi laser di potenza di picco in gigawatt al dispositivo LWFA vicino al sito di trattamento. In questo caso, l'impulso ottico si propaga principalmente nel nucleo aereo, mitigando il problema del danno materiale, mentre sia la non linearità che la dispersione sono notevolmente ridotte. È stato dimostrato che le fibre Air-core con un diametro campo modale (MFD) di 40 μm e un raggio di curvatura di circa 25 cm trasmettono impulsi con una larghezza di 500 fs, un'energia di 500 μJ e una potenza di picco di 1 GW .Nel 2016, Mattia Michieletto et al. ha proposto una nuova fibra air-core anti-risonante (lunghezza di 5 m, con un MFD di circa 22 μm e un raggio di curvatura di 16 cm), in grado di trasmettere impulsi di picosecondi con una potenza media fino a 70 W a bassa perdita.
In conclusione, la tecnologia laser a fibra ultraveloce in rapido sviluppo è in grado di fornire impulsi al femtosecondo con una potenza di picco di gigawatt per LWFA e le fibre a nucleo cavo sono in grado di trasmettere tali impulsi ultracorti e ultra potenti. Si prevede che la combinazione di queste due tecnologie consentirà in futuro il trattamento del cancro endoscopico basato su LWFA ad alta densità.
