A aceleração do campo de ativação do laser (LWFA) é um importante meio de aceleração que o distingue da aceleração convencional de partículas por RF. O LWFA pode gerar gradientes de aceleração de GeV/cm, o que deve reduzir significativamente o tamanho e o custo dos pedais do acelerador e permitir braquiterapia.LWFA converte LWFA converte a energia da luz de um pulso de laser na energia cinética dos elétrons acelerados. A energia de elétrons necessária para aplicações médicas é de dezenas a centenas de keV, correspondendo a uma intensidade de foco de laser de 1014 W/cm2 ou mais, e se o diâmetro de foco for de 20 μm, o pico de potência do laser precisa atingir o nível de gigawatt.
Nesta edição, um artigo de revisão publicado em 2022 [1] é apresentado para discutir a tecnologia de laser de fibra ultrarrápida e a tecnologia de entrega de pulso forte necessária para LWFA para tratamento de câncer. No LWFA endoscópico, conforme mostrado na Figura 1, pulsos de femtosegundo de alta potência excitam nanotubos de carbono no estado sólido e o campo de rastro do laser está em alta densidade de LWFA, onde os elétrons podem ser acelerados de dezenas a centenas de keV, o que é suficiente para destruir as células cancerígenas sem danificar o tecido saudável.
Nos lasers de fibra ultrarrápidos, a luz do sinal e a luz da bomba são transmitidas na fibra como ondas guiadas com longas distâncias de ação, o que, juntamente com a alta relação superfície-volume da fibra, facilita o aumento da potência média do laser de fibra. Os sistemas de laser de fibra ultrarrápida de alta potência de pico geralmente empregam uma arquitetura de amplificador de potência de oscilador mestre (MOPA), na qual um oscilador de fibra ultrarrápida fornece pulsos de semente estáveis na faixa de femtossegundos ou picossegundos. Para enfrentar os desafios de não linearidade e danos materiais, os lasers de fibra ultrarrápidos de alta potência geralmente empregam tecnologia de amplificação de pulso chirped (CPA) e fibras de área de modo grande (LMA).
A potência de pico do laser é aumentada de dezenas ou centenas de megawatts para níveis de gigawatt. Os pontos de dados triangulares azuis circundam a linha de intensidade próxima a 10 GW/cm2, refletindo as limitações impostas pelo acúmulo de fase não linear. Para obter maior potência de pico, pode ser usada a combinação de feixe coerente (CBC) de vários excitadores de fibra ultrarrápida.
Em aplicações endoscópicas, uma fibra de núcleo oco pode ser usada como um canal flexível para fornecer pulsos de laser de potência de pico de gigawatt ao dispositivo LWFA próximo ao local de tratamento. Neste caso, o pulso óptico se propaga principalmente no núcleo de ar, mitigando o problema de dano material, enquanto tanto a não linearidade quanto a dispersão são bastante reduzidas. Fibras de núcleo de ar com um diâmetro de modo de campo (MFD) de 40 μm e um raio de curvatura de cerca de 25 cm demonstraram transmitir pulsos com uma largura de 500 fs, uma energia de 500 μJ e uma potência de pico de 1 GW .Em 2016, Mattia Michieletto et al. propuseram uma nova fibra de núcleo de ar anti-ressonante (comprimento de 5 m, com um MFD de cerca de 22 μm e um raio de curvatura de 16 cm), capaz de transmitir pulsos de picossegundos com potência média de até 70 W com baixa perda.
Em conclusão, a tecnologia de laser de fibra ultrarrápida em rápido desenvolvimento é capaz de fornecer pulsos de femtossegundos com potência de pico de gigawatt para LWFA, e as fibras de núcleo oco são capazes de transmitir esses pulsos ultracurtos e ultrapoderosos. Espera-se que a combinação dessas duas tecnologias permita o tratamento de câncer endoscópico de alta densidade baseado em LWFA no futuro.
