极端强场超快科学重要前沿与应用开拓

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1、项目名称：极端强场超快科学重要前沿与应用开拓首席科学家：李儒新中国科学院上海光学精密机械研究所起止年限：2011.1 至 2015.8 依托部门：中国科学院二、预期目标本项目的总体目标：开拓极端强场超快科学重要前沿与应用，选择极端强场超快激光创新发展、 极端强场超快激光与物质相互作用的新效应新物理、阿秒科学前沿开拓与强场量子相干控制、 超强光场驱动的高性能高能粒子束的产生及其应用开拓、以及基于 强场超快激光的精密测量与精密光谱学等中的重大科学问题进行重点研究，取得具有重要国际影响的系统并重大的原创性研究成果，为这一新兴学科领域的形成与发展作出中国学者的重要贡献， 在国际上占有重要一席之地并推动

2、国家相关战 略高技术与交叉学科领域的创新发展。通过本项目的实施， 要在队伍建设和人才培养方面取得显著业绩。凝聚与组 织我国在本领域中的人才队伍，并全力培养优秀年轻人才， 形成创新能力强、 结 构合理、团结协作、相对稳定的研究队伍。通过本项目的实施， 也要在我国建立具有自主创新特色和国际一流水平的极 端强场超快科学研究基地， 成为开展极端强场超快科学高水平研究的基地，开展高层次国际交流与合作研究的基地、以及吸引与培养优秀人才的基地，进入国际上本领域的最前列。五年预期目标：(1) 瞄准极端强场超快科学前沿与应用开拓需求，探索解决创建极端强光场 (1023W/cm2)、超高对比度(109-12)、极

3、端超快（近单周期） 、可调谐与新波 段（如 1-5 m 中红外新波段）、时空特性（如载波包络相位）稳定可控等全 新极端强场超快物理条件中的关键科学技术问题；进一步提升PW（拍瓦 , 1015W）级超强超短激光系统整体性能，解决应用于科学实验研究等中涉及 的科学技术问题，建立具有自主创新特色和国际一流水平的极端强场超快科 学实验基地。(2) 揭示强场甚至极端强场、超快乃至极端超快等全新强场超快极端物理条件下 的光与物质相互作用（重点如：极端强场驱动的强相对论性激光与物质相互作用、周期量级乃至单周期的超快强场激光与物质的极端非线性相互作用、 中红外新波段强场激光与物质相互作用等）的新效应新物理，建

4、立并发展相关的新概念新理论。(3) 实现“ 水窗” 波段和光子能量大于1keV 的高亮度阿秒相干光源；实现亚飞秒 时间尺度和原子级空间尺度内实时观测和控制电子动力学行为；多电子弛豫 过程，电子重排，电子-电子碰撞动力学等多电子复杂动力学研究取得若干突 破；揭示有重要意义的化学反应的电子动力学物理本质。探索阿秒脉冲作用下电子动力学新规律及其应用。(4) 研究并解决超强光场驱动的高性能高能电子与离子束及其重要应用涉及的 基础科学问题。获得高性能高能电子束，并将超大电荷量、超短脉宽的高能 电子束转换为优质强X 光源；利用 TNSA 等加速机制获得10MeV 量级的高性能质子束，探索产生能量200Me

5、V 以上准单能质子束的加速新机制，演示质子束在成像、聚变、 产生医用同位素等方面的重要应用。 理论上探索 100GeV 以上、甚至 TeV 能量的质子加速。开拓光核物理、强场QED 效应等新前沿新方向。(5) 发展光场时 -频域精密控制拓展到强场超快、 超短波段、极端超快与高度非线性 过程等范畴的新机制；基于强场超快精密控制，发展强场超快精密光谱学新概 念与新原理以及超短波段精密测量的新方法与新技术，提高分辨率、精度和灵敏度法；开拓强场超快精密光谱学的新学科前沿，如超短波长与非线性光梳精密光谱学，并探索其重要应用；发展分子振转指纹光谱灵敏检测新技术方法。人才培养计划：本项目将依托于各承担单位的

6、有关国家或部委级重点实验室与研究基地，将 培养和凝聚本研究领域国际一流人才作为项目人才培养计划的重点，有针对性地培养与造就一流人才， 形成一批年龄和专业结构合理， 创新能力强、有团队精神和凝 聚力，有活力的创新群体，并强调专业的交叉与融合, 形成合力攻关的优势。培养出若干名在国际同行学术界有较大学术影响的年轻科学家与优秀学术带头人。在研究生培养方面，本项目将积极培养高质量青年人才，为我国极端强场 超快科学重要前沿与应用开拓领域的可持续发展提供人才基础。三、研究方案学术思路和技术途径：极端强场超快科学重要前沿与应用开拓是现代物理学乃至现代科学中的重要前沿研究领域， 具有很强的基础性与探索性， 实

7、验研究与理论研究必须紧密结合并同时布局。 极端强场超快科学研究的核心是探索与揭示极端强光场、极端超快等极端物理条件下的相互作用新现象、新规律，并建立相关的新概念、 新理论。同时，将这些新概念、 新原理及由此发展起来的新技术与新方法运用到阿秒科学前沿开拓与强场量子相干控制、超强光场驱动的高性能高能粒子束的产生及其应用开拓、基于强场超快激光的精密测量与精密光谱学中的前沿科学问题等前沿研究中去。而作为极端强场超快科学研究的前提，又必须持续促进极端强场超快激光自身的创新发展， 为实现越来越高层次的强场、 超快等极端物理条件提供可能。本建议项目拟开展的上述几方面的研究内容，构成了一个相辅相成、 互相联系

8、的有机整体。本建议项目第一阶段的实验研究， 主要是利用已经或将建立的多种量级的具有国际先进水平的小型化强场超快激光系列实验装置，重点进行强场超快极端物理条件下激光与物质相互作用中的新现象、新规律的探索研究以及在相关高技术领域与交叉学科中的前沿基础研究；本建议项目的第二阶段， 将在极端强场超快激光创新发展基础上， 创造更高量级的极端强场超快、脉宽接近单个光周期以及新波段可调谐的强场超快条件， 从而在更高层次上进行极端强场超快激光与物质的高度非线性和相对论性、 甚至强相对论性相互作用的实验及相应理论研究。同时， 本建议项目也将积极发挥各个承担单位建立或计划建立的各种量级或具有特殊性能的强场超快激光

9、装置在基础实验与交叉学科前沿研究中的重要作用。本建议项目将组织激光科学、 原子分子物理、 等离子体物理、 核物理、化学、材料科学等多学科的交叉综合研究，由中科院上海光机所为主持单位，充分发挥华东师范大学、中国原子能科学研究院、北京大学、天津大学、上海交通大学、南开大学、中国科学院武汉物理与数学研究所、 北京应用物理与计算数学研究所、华中科技大学、山东师范大学等参加单位的学术优势(特别是有关单位的交叉学科优势 )，充分利用已有的工作基础及国家级或部委级重点实验室的条件，分工协作，共同完成。取得重大突破的可行性分析本项目的依托单位中科院上海光机所主持并中国原子能科学研究院、华东师范大学、北京大学、

10、天津大学、中物院等参加共同承担的国家973 计划项目 “ 超强超短激光科学中若干重要前沿问题” 和“ 超强超短激光与强场超快科学中若干重大挑战性问题 ” ，以及本项目各承担单位在 “ 十五” 、“ 十一五” 期间承担的与本项目领域有关的其他各种类型国家级与部委、 中科院级的一系列重要科研项目， 都已按计划圆满完成或即将完成，取得了显著的研究进展与重要突破。上述项目的成功实施， 为本项目的立项与实施奠定了优良的工作基础。例如，已优秀完成的1999 年首批立项的国家 973计划重要科学前沿项目 “ 超强超短激光科学中若干重要前沿问题 ” （项目首席科学家：徐至展， 首席科学家助理：李儒新， 项目执

11、行期限：1999.12 - 2005.9 ） ，以及正在顺利实施，已取得重大突破性进展并即将成功完成的2006 年立项的国家973 计划重要科学前沿项目 （项目首席科学家：徐至展，首席科学家助理：李儒新，项目执行期限： 2006.9- 2010.8） ，经过十年多的研究，取得了系统性并重大创新研究成果，建立了先进的研究基地，形成了很强的研究队伍。本项目的依托单位中科院上海光机所还成功实现基础性原理探索与工程性技术实施的结合，在OPCPA 新原理的实验验证并开拓发展，以及基于OPCPA的小型化超强超短激光系统的基础研究、关键单元技术与总体集成等方面，取得了创国际最高水平并具有自主知识产权的系列重

12、大创新性成果，建立了国际首台16.7 太瓦/120 飞秒级 OPCPA 超强超短激光系统，获得2004 年度国家科技进步一等奖。在基于CPA 原理的小型化超强超短激光的持续创新发展方面，上海光机所也成功解决了一系列关键科学技术问题，先后建成了达到国际一流水平的16 太瓦/33.9 飞秒级、 23太瓦/33.9 飞秒级、 120 太瓦/36 飞秒级等小型化 CPA 超强超短激光系列装置并发展了一系列相关的实验测试创新技术。上述激光装置能为实验研究提供聚焦光强达到10181021W/cm2量级、具有优秀光束质量或特殊时空轮廓的超强超短激光输出，创建了相对论性强场超快极端条件。近年在上述创新成果基础

13、上， 上海光机所通过进一步创新，精心设计，建成国际最高峰值功率和最短脉宽的飞秒拍瓦级 （0.89PW/29.0fs）钛宝石超强超短脉冲激光系统。应用该激光系统，在台式化激光聚变和高亮度中子源产生方面已取得具有国际领先水平的重要物理实验成果。另外，华东师范大学、 中国原子能科学研究院、北京大学、 天津大学、上海交通大学、南开大学、 山东师范大学、中国科学院武汉物理与数学研究所、北京应用物理与计算数学研究所和华中科技大学等单位在极端强场超快科学重要前沿与应用开拓研究或有关的交叉学科领域研究方面， 也分别具有各自突出的学术优势和雄厚的工作基础。上述不少单位相继建立或计划建立的各种量级与层次或具有特殊

14、性能特征的极端强场超快激光装置，同样为本项目的研究提供了有力的基础。总之， 本项目无论是从研究内容与方案的选择还是已具备的实验条件与工作基础，都表明具有很强的可行性。创新点与特色：本项目拟研究的主要内容是国际上近年提出并刚开始探索或者是我们首先提出的极端强场超快科学重要前沿与应用开拓中最具挑战性的关键科学技术问题，具有显著的创新性与特色。主要创新点叙述如下：(1) 在极端强场超快激光持续创新发展中的重大科学技术问题研究方面，本项目将主要探索解决在提供超强光场(1023W/cm2)、超高对比度 (109-12)等全新极端强场物理条件，开拓与发展极端强场超快激光的时域、频域和空间特性等精密操控的新

15、方法新技术，并进一步提升PW（拍瓦, 1015W）级超强超短激光系统整体性能，建立具有自主创新特色和国际一流水平的极端强场超快科学实验基地。这是当前极端强场超快激光持续创新发展与应用开拓领域的重大前沿。我们将进一步开拓与创新发展 OPA/OPCPA等新原理、新方法，立足中国已具有的特色和优势， 重点研究可定标放大的实现激光脉冲超高对比度的新原理、新技术；OPA/OPCPA涉及的空间色散管理、 相位、时空与光谱匹配效应；在高功率下获得聚焦能力接近理论极限的超高强度超短脉冲激光光束的新方法；创新发展对强场超快激光的时域、 频域和空间特性的整形控制新方法， 探索极端强场超快激光持续创新发展和性能突破

16、的新途径。同时探索解决创建极端超快（近单周期）、可调谐与新波段（如 1-5 m 中红外新波段等）等全新强场超快极端物理条件中的关键科学技术问题，重点开展新波段宽带脉冲放大新原理新技术； 高效率宽带频率变换技术和基于新型激光增益介质的全固态激光新技术研究；研究新波段、特别是1-5 m 中红外新波段可调谐飞秒激光脉冲产生、放大与压缩的新原理、新技术；宽带较大能量近单周期极端超快脉冲压缩和色散补偿的新技术新方法；发展CEP 稳定的超短脉冲高效率放大和压缩的新原理新技术；稳定、测量与控制载波包络位相(CEP)等时域、频域和空间特性的操控新方法；基于光子晶体光纤的飞秒强激光研究；紫外波段亚飞秒激光脉冲产生研究等。(2) 在极端强场超快激光与物质的高度非线性与相对论性相互作用研究方面，尽管目前对高度非线性与相对论性已起主导作用的超强超短激光与物质的相互作用得到了许多重要研究结果，但很多新现象、新规律还有待发现，至于系统的理论更远未建立。特别是国际上仅有很少量研究推进到光强达到102122W/cm2的强相对论相互作用的全新范畴，真正的超高强度相互作用的系统实验研究更少，该领域总体上仍处于