超快超强激光及其科学应用发展趋势研究.docx

一、前言

激光出现后，依托锁模技术进入了飞秒（10–15?s）超快时代，并迅速应用到物理、生物、化学和材料等前沿基础科学研究。Zewail教授因飞秒化学方面的开创性研究荣获1999年诺贝尔化学奖。啁啾脉冲放大技术（CPA）进一步将激光推进到了超强时代，相关科学家荣获2018年诺贝尔物理学奖。

超快超强激光是指同时具有超快时域特性和超高峰值功率特性的特殊光场，为人类在实验室中创造出了前所未有的超快时间、超高强场、超高温度和超高压力等极端物理条件，极大地促进了物理、化学、生物、材料、医学以及交叉学科等前沿科学的发展与进步。可以认为，超快超强激光是用于拓展人类认知的前沿基础科学研究最重要的工具之一，在某些方面甚至是独一无二、不可替代的研究手段。

超快超强激光技术在推动前沿基础科学研究持续拓展的同时，又面临着前沿基础科学研究因自身深化探索而新增的能力支撑需求，这为激光技术体系发展赋予了强劲的牵引力。本文着重梳理超快超强激光的发展与科学应用需求以及国内外技术发展情况，在此基础上就我国的领域发展目标和重点方向开展论证分析，以期为我国激光技术的稳步发展提供方向参照。

二、超快超强激光应用与发展需求分析

超快超强激光在相关前沿基础科学研究中的应用拓展，亟需进一步提升激光参数，探索利用激光脉冲的其他参量来将超快和超强前沿基础科学研究推进到更为深入的物质层次。根据前沿科学研究目标的差异，未来领域应用与发展的需求集中在以下两部分。

（一）超快激光及其科学应用

这一方向的未来发展需求可细分为阿秒激光乃至仄秒激光、极紫外–太赫兹全波段多维度参量精密可控的飞秒超快激光。

阿秒激光乃至仄秒激光追求采用更短脉冲宽度的超快激光来研究物质内部更快的超快过程，需要发展更高脉冲能量、更短脉冲宽度、更高光子能量的高性能阿秒（10–18?s）激光。将阿秒脉冲的光子能量推进到硬X射线波段和伽马射线波段，将脉冲宽度推进到仄秒（10–21?s）的时间尺度，从而将人类能够探索的物质层次从原子/分子水平推进到原子核尺度。

飞秒时间尺度对应着原子/分子、材料、生物蛋白、化学反应等丰富物质体系的超快过程，有着广泛而重要的应用。随着研究的进一步拓展与深入，需要探索更加丰富和复杂的超快动力学过程，以致控制这些超快过程。为了对超快激光更多维度的参量特性进行调制和利用，不仅需要将飞秒激光的光谱拓展到红外–太赫兹波段、真空紫外–极紫外波段，还需要发展包括时域、振幅、相位、光谱、偏振、空间模式等多维度参量在内的精密调控飞秒超快激光，以极紫外–太赫兹全波段多维度参量精密可控的飞秒超快激光为代表。

（二）超强激光及其科学应用

根据定位和应用目标的差异，这一方向可分为低重复频率超高峰值功率超强激光、高重复频率高平均功率超强激光。其中，低重复频率是指激光脉冲重复频率在10Hz及以下，高重复频率是指激光脉冲重复频率在1kHz及以上。

唯有利用超强激光，人类方可在实验室中产生宇宙星体内部和原子核内部才有的极端物理条件。利用低重复频率超高峰值功率超强激光，可在实验室中研究激光粒子加速、光核物理、伽马光–光对撞等微观尺度的前沿物理问题，也可在宏观尺度上研究超新星爆发、太阳耀斑、黑洞吸积盘喷流等天体物理现象，还可研究引力波、暗物质、真空物理等拓展人类未知的前沿基础科学。针对国家重大理论与实验研究的需求，如激光粒子加速器、核嬗变等核物理、高能物理、激光聚变能源新途径、激光核医学等，低重复频率超高峰值功率超强激光提供了重要的科学研究工具。

在与国家战略需求相关的应用领域，如空天安全、空天环境物理等方面，高平均功率的超强激光是重要的驱动工具，以能够适应空天特殊环境的高重复频率超强激光为典型。高重复频率高平均功率的超强激光产生超强质子束、电子束、中子束、X射线、伽马射线，以致超强太赫兹脉冲等次级超强光源作为新型工具，可以拓展到光核反应、激光推进、核聚变能源和核废料处理、疾病治疗等更为前沿的重大基础科学研究和实际应用中。

图1超快超强激光的应用

三、超快超强激光国内外研究现状

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（一）超快激光及其科学应用

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1.阿秒超快激光

近20年的发展历程表明，宽带高次谐波产生阿秒脉冲来拓展应用的根本局限在于单脉冲能量偏低，国际主流的解决途径是建立高功率和长波长的飞秒超快激光系统。欧盟投资数亿欧元，在匈牙利建立了极端光装置–阿秒脉冲源（ELI-ALPS），通过两个拍瓦激光系统产生高峰值功率和高平均功率的阿秒脉冲。长波长的中红外飞秒激光脉冲系统可产生更高光子能量和更短脉冲宽度的阿秒脉冲，因此众多研究机构均在这方面开展工作。高重复频率阿秒激光研究也取得重要进展。另外，通过X射线自由电子激光（XFEL）产生阿秒脉冲也获得了初步验证，XFEL在产生高光子能量（硬X射线和伽马射线波段）的高功率阿秒脉冲方面具有一定优势。

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