近日，魁北克大学的研究人员在加拿大国立科学研究院（INRS）的先进激光光源实验室进行了一项成功的实验，证明了超快激光技术有很有希望用于癌症的放射治疗。
“我们首次证明，在一定条件下，激光束紧密聚焦在环境空气中，可以加速电子达到MeV（兆电子伏特）的能量范围，这与一些用于癌症放射治疗的辐射器的能量相同。”INRS教授和先进光源实验室（ALLS）的科学负责人Fran?ois Légaré表示。
通过紧密聚焦几个周期，毫焦耳(mJ)级、飞秒(fs)，红外(IR)激光，研究人员在环境空气中产生相对论电子束，并达到高达每秒0.15格雷(Gy/s)的高剂量率。在大气压下，他们的激光强度达到了每平方厘米1 × 1019瓦(W/cm-2)。研究小组测量了产生的电子束，发现它的最大能量高达1.4兆电子伏。
该团队展示了激光的紧密聚焦、长波长和短周期脉冲持续时间如何结合起来限制b积分对聚焦激光束的影响。可电离的焦点体积内高密度的空气分子，足以形成接近临界密度的等离子体，从而提供了从激光到电子的高转换效率。通过三维粒子在细胞中的模拟，研究人员证实了加速机制是基于相对论的、有质动势的，并且与测量的电子能量和散度在理论上是一致的。
实验设置示意图：超短红外激光脉冲紧密聚焦在周围空气中，产生高电离辐射剂量。（图片来源：INRS）
研究人员认为，这种激光驱动的电子源的强度源于它的简单性。在周围空气中，一个聚焦的光学器件可以产生一束电子束，在不到一秒的时间内，向站在一米外的人提供一年的辐射剂量。不需要复杂的设置或真空室，通过减少对生产超快MeV电子源的要求，使这种方法适用于许多辐照应用。
激光技术的进步使得激光尾流场加速——一种通过产生等离子体在很短的时间内将电子加速到高能量的过程——能够在中红外中与mJ级系统一起工作，产生MeV电子的高粒子通量，可用于放射生物学研究。然而，这些高能激光驱动的电子源需要在真空室中安装复杂而笨重的装置，这限制了接近光束。
激光驱动的MeV电子源可以为癌症治疗提供新方法，例如FLASH放射治疗，一种治疗对传统放射治疗有抵抗力的肿瘤的方法。使用FLASH疗法，高剂量的辐射可以在微秒内传递，而不是几分钟。这种传输速度有助于保护肿瘤周围的健康组织免受辐射的影响。虽然目前还不完全了解FLASH的影响，但科学家认为FLASH可能会导致健康组织快速脱氧，降低组织对辐射的敏感性。
测量的辐射剂量率（对数标度）作为距离焦点的函数，三种不同的激光脉冲能量。（图片来源：INRS）
“目前还没有研究能够解释闪光效应的本质，”研究人员Simon Vallières 表示，“然而，FLASH放射治疗中使用的电子源与我们通过将激光强烈聚焦在环境空气中产生的电子源具有相似的特征。一旦辐射源得到更好的控制，进一步的研究将使我们能够调查导致闪光效应的原因，并最终为癌症患者提供更好的放射治疗。”
研究人员认为，随着mJ级高平均功率激光器的不断发展，他们的方法的可扩展性将会增加。激光源的快速发展，目标是增加可用的脉冲能量和重复率，可以使INRS技术扩展到更高的电子能量和更大的剂量率。
研究人员还强调了在处理紧聚焦于周围空气中的激光束时安全的重要性。当在放射源附近进行测量时，研究小组观察到电子的辐射剂量率是传统放射治疗中使用的3-4倍。
“观察到的电子能量(MeV)允许它们在空气中移动超过3米，或者在皮肤下移动几毫米，”Vallières表示，“这对激光光源的用户构成了辐射暴露风险。发现这种辐射危害是在实验室实施更安全做法的一个机会。”
这项研究发表在《激光与光子评论》（Laser & Photonics Reviews）上。
