超强超快激光的特点与发展

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1、激光作为20世纪人类最重要的科技发明之一，经过40年的发展，直接推动了一批新兴学科与高新技 术的发展，如非线性光学、激光光谱学、强场物理、光通信、光计算、光信息存储、激光化学、激光医学、 激光生物学、激光核聚变、激光分离同位素、激光全息术、激光加工等等。同时，激光技术也巳经走进了 人们的日常生活，如随处可见的CD唱机、VCD影碟机、超市收银机的条形码扫描仪、激光打印机等，无不 采用先进的激光技术。激光的发展开拓了激光技术的应用，激光技术的应用又推动了激光科学技术的进一 步发展。激光科技的最新前沿之一是超强超快激光。超强即超高的功率和功率密度（指单位面积上的功率）， 目前一个激光系统甚至可产生高

2、达1015瓦的峰值功率，而全世界电网的平均功率只不过1012瓦数量级； 超快即极短的时间尺度，目前激光脉冲最短不过几个飞秒（1015秒），光在1飞秒内仅仅传播0.3微米。近年来新型小型化超强超快激光技术的迅猛发展，为人类提供了全新的实验手段与极端的物理条件。 这种在实验室中创造的极端物理条件，目前还只有在核爆中心、恒星内部、或是黑洞边缘才能找到。在当 今超强超快激光技术巳经提供并将由于其进一步发展而能提供的越来越强并越来越快的光场条件下，激光 与各种形态物质之间的相互作用，将进入到前所未有的高度非线性与相对论性起主导作用的强场超快范围， 并将进一步把光与物质的相互作用研究深入到更深的物质层次，

3、甚至光与真空的相互作用，由此开创了超 强超快激光这一全新的现代科学技术前沿领域。超强超快激光物理与技术输出功率大于1太瓦，脉宽小于1皮秒，可聚焦激光功率密度大于1017瓦/厘米2的小型化超强超快 激光的发展研究，是超强超快激光研究广泛深入开展的基础和推动力。近十几年来，由于啁啾脉冲放大（chirped pulse amplification,简称CPA）技术的提出和应用，宽 带激光晶体材料（如掺钛蓝宝石）的出现，以及克尔透镜锁模技术的发明，使超强超快激光技术得到迅猛 发展。小型化飞秒太瓦（1012瓦）甚至更高数量级的超强超快激光系统巳在各国实验室内建成并发挥重要 作用。最近，更短脉冲和更高功率

4、的激光输出，如直接由激光振荡器产生的短于5飞秒的激光脉冲，小型 化飞秒100太瓦级超强超快激光系统，以及CPA技术应用到传统大型钕玻璃激光装置上获得1拍瓦（1015 瓦）级激光输出巳有报道，激光功率密度达到10191020瓦/厘米2的超强超快激光与物质相互作用研究 也巳开始进行。传统的激光放大采用直接的行波放大，而对超短激光脉冲来说，随着能量的提高，其峰值功率将很快 增加，并出现各种非线性效应及增益饱和效应，从而限制了能量的进一步放大。CPA技术的原理是，在维持光谱宽度不变的情况下通过色散元件将脉冲展宽好几个数量级，形成所谓 的啁啾脉冲。这样，在放大过程中，即使激光脉冲的能量增加很快，其峰值功

5、率也可以维持在较低水平， 从而避免出现非线性效应及增益饱和效应，保证激光脉冲能量的稳定增长。当能量达到饱和放大可获得的 能量之后，借助与脉冲展宽时色散相反的元件将脉冲压缩到接近原来的宽度，即可使峰值功率大大提高。为了突破CPA技术的一些局限性，目前国际上正在积极探索发展新一代超强超快激光的新原理与新方 法，如啁啾脉冲光学参量放大（OPCPA）原理，目标是创造更强更快的强场超快极端物理条件，特别是获得 大于（等于）1021瓦/厘米2的可聚焦激光光强。OPCPA充分发挥了啁啾脉冲放大与光学参量放大各自的优OPCPA原理目前还处于中等功率层次上的预研阶段，但却蕴涵着强大的生命力。此外，超强超快激光

6、光束质量的优化、时空轮廓的整形与控制，周期脉宽小于10飞秒的超短激光脉冲的产生、有效放大与性能 优化，也是今后持续创新发展的主要方向。推动基础学科和高技术领域的发展超强超快激光不仅具有重大的前沿学科意义，将创造出全新的实验室尺度，即所谓台式的综合性极端 条件的科学技术，从而直接推动激光科学与现代光学、原子分子物理、等离子体物理、高能物理与核物理、 凝聚态物理、天体物理、理论物理以及非线性科学等一大批基础学科的发展，而且在当代一些重要高技术 领域的创新发展中，如突破飞秒壁垒的亚飞秒乃至阿秒（1018秒）科学新原理、激光核聚变快点火新概 念、激光引发的台式化聚变中子源新方案、小型化超高梯度粒子加速

7、器新机制、台式超短波长超快相干辐 射新途径等方面，也有着不可替代的推动作用。目前，在远比传统装置小型化的台式激光系统上巳经产生了高重复频率的超短脉冲（通常是10 13 秒甚至更短）太瓦甚至更高数量级的激光输出。激光经聚焦达到的光强在过去的十年里巳提高了五六个数 量级，达到了 10191020瓦/厘米2。不久，将会达到创记录的1021瓦/厘米2,从而创造出实验室尺度的 极端物理条件。1021瓦/厘米2的光强，产生的局域电场将高达1012伏/厘米，相当于氢原子第一玻尔轨道 处库仑场强的170倍；相应的磁场将达到105特的超强范围；相应的能量密度巳在3X1010焦/厘米3以上， 与温度为10千电子伏

8、的黑体的能量密度相当；同时，将产生巨大的光压，接近1017帕。在如此高的激光 场中，电子的振荡动能将高于10兆电子伏（对于波长为1.06微米激光），大大超过电子自身静止质量（0.5 兆电子伏），而电子的加速度也将达到1022米/秒2,即1021g（重力加速度）的数量级，高度非线性与相对 论效应巳成为主导。本领域的早期研究巳经表明，强场激光与原子、分子的相互作用导致隧道电离、势垒抑制电离、高阶 奇次谐波、稳定化及分子的相位控制与库仑爆炸等相关新现象。应用于非线性问题的常规微扰方法巳被非 微扰理论所取代。目前，超强超快激光与原子的相互作用巳进入到相对论效应起主导作用的新阶段，以至 必须采用狄拉克方

9、程才能正确处理相互作用的动力学行为。另一方面，现今获得的激光脉宽巳小于10飞秒， 最短达4飞秒，仅包含了 1.5个光周期（对波长为800纳米的激光）。严格说，此时的光脉冲巳不成为“光 波”，失去了波动现象所特有的周期性特征。传统的适用于较长脉宽光与物质相互作用的理论巳不再适用， 从而开创出极端非线性相互作用的新理论。周期乃至亚周期量级脉冲的超强超快激光与各种形态物质的相 互作用也将会导致一系列全新的物理现象与规律。寻求这些新现象、新规律，建立相关的新概念、新理论 成为迫在眉睫的研究任务，是国际上超强超快激光科学研究领域争夺的重点。超强超快激光与团簇、高温高密度等离子体、自由电子等特殊形态物质的

10、相互作用也巳成为新的研究 方向，它不仅大大拓宽本学科领域的纵深发展，也将为相关重要高技术领域的创新发展提供新方案与新途 径。最近，实验研究巳观察到多光子激发产生的带有大量内壳层空穴的电子组态反转的“空心”原子，这 将为实现超短波长相干辐射开辟全新途径；超强超快激光与大尺寸原子团簇的相互作用首次成功引发了台 式聚变，从而为“台式化”聚变新概念指明了前景。此外，超强超快激光与团簇的相互作用研究，有可能 作为一种桥梁，帮助人们更加完整地认识光与物质的相互作用。当光强大于（等于）1018瓦/厘米2时，激光与电子的相互作用进入超相对论性强场范围。实验上巳首次观察到：自由电子在真空中被加速到兆电子伏数量级

11、的相对论能量；非线性汤姆孙散射及其所产生的 约300飞秒、0.05纳米的超快硬X射线脉冲；多光子非线性康普顿散射。尤其引人注目的是首次观测到非 弹性光子一光子散射产生正负电子对的强场量子电动力学现象。基于非线性汤姆孙散射与康普顿散射的X光、y光源的产生与应用，以及真空中亚周期脉宽超强超 快激光场对电子的加速等，也是超强超快激光与自由电子相互作用研究中的热点课题。此外，在超强超快 激光与稀薄等离子体相互作用中产生的尾波场实验中，也观察到比传统的高能粒子加速器的极限加速电场 高出三个数量级以上的超高梯度加速场，从而为实现小型化的高能粒子加速器提出了新方案。近年来，超强超快激光与高温高密度等离子体的

12、相互作用，特别是相对论效应引起的高度非线性新现 象、新规律的研究，也巳引起国际学术界的高度重视。虽然目前巳观测到超强超快激光产生巨大光压，推 动临界密度面向前移动，从而形成等离子体通道等新现象，但涉及到10181020瓦/厘米2数量级的超强 超快激光与高温高密度等离子体的相互作用，如“等离子体中凿孔”效应、超热电子的产生、能谱控制与 输运等基础性物理问题还有待于深入研究。显然，超强超快激光与高温高密度等离子体相互作用的研究不 仅是本领域的重要研究内容之一，而且还有可能为激光核聚变等相关高技术领域的发展提供基础。超强超快激光场激励的高次谐波现象的发现与不断深入的研究，不仅为获得真空紫外区(VUV

13、)与极端 紫外区(XUV)波段全相干光源提供了一种有效途径，也为亚飞秒甚至阿秒级极端超快短波长相干辐射的产 生提出了全新的思想与方法，从而有可能突破飞秒的壁垒，为人类创建极端超快的阿秒光子技术，并开创 出阿秒光谱学、阿秒物理学乃至阿秒科学技术的全新学科与未来高技术领域。超强超快激光场中高次谐波发射研究巳取得重大突破，高次谐波巳进入“水窗”波段。当前，产生 亚飞秒乃至阿秒数量级极端超快相干辐射的新概念、新方法的研究，正日趋活跃。在短波长X射线波段激 光研究方面，现有的X射线激光机制无法实现波长小于2纳米的突破，超强超快激光的出现为实现基于内 壳层跃迁等新机制的超短波长相干辐射提供了可能性。目前超

14、强超快激光驱动的内壳层光电离超短波长相 干辐射新机制研究也巳成为本领域的新热点。为交叉学科的发展提供创新手段与方法超强超快激光技术也为超快化学动力学、微结构材料科学、超快信息光子学与生命科学等前沿交叉学 科的发展提供了创新手段与方法。例如，超强超快激光自身及其与物质相互作用产生的飞秒甚至可能是亚 飞秒、阿秒数量级的XUV和X射线波段的极端超快相干光源技术，为人类研究并应用各种超快过程提供了 强有力的手段，将使人类在更深的层次上进一步认识微观世界物质内部的能量转移和信息传递过程，进而 可能实现人工控制某些物理、化学和生物过程，促进微结构材料科学、超快化学动力学等交叉学科领域的 研究与发展，产生具

15、有重大影响的突破性交叉前沿研究成果。近年，在飞秒激光应用于化学反应动力学方面的研究进展格外引人注目。泽韦尔(A.H.Zewail)由于 在发展飞秒光谱技术，并研究化学反应过程中寿命极短的过渡态方面的成就，被授予1999年度诺贝尔化学 奖。上述进展也为利用超快强激光控制化学反应带来了新的希望。有选择地断裂或形成一些小分子化学键 巳经成功，但是对大分子复杂体系却一直未能突破。超快强激光技术与近场光学显微技术相结合，可以对 激光与分子的相互作用进行多维控制，这是研究“单分子物理学”或“单分子化学”的有力手段，并有可 能用以对生物大分子进行“剪裁”。超快强激光在物质微结构的制备与超快动力学行为的研究方

16、面，包括超高时空光谱分辨新探测手段的 开拓与应用也取得了显著进展。如光泵一超快X射线衍射探针测量技术应用于单晶的超快晶格动力学研究 巳经实现了皮秒一毫埃的超高时空分辨率；微爆炸和微聚合巳使得人们有可能用超快强激光得到优于衍射 极限、小于光波长的材料处理精度，在三维高密度数据存储中带来了新的应用。最近的实验也巳证实，利 用飞秒强激光按微米的间隔，断续照射含稀土元素钐微粒子的玻璃，加上多重波长重叠记录技术，记录密 度可提高到1014比特/厘米3等。中国科学家取得的重要进展中科院上海光机所从1980年代中期起，在国家自然科学基金重大项目、中国科学院重大项目等支持 下，在国内率先开展了强场激光条件下的激光与物质相互作用研究，包括在电离阈值以上原子的多光子电 离，强场诱导原子的自电离和其他重要的强场量子现象，以及超强超快激光脉冲在等离子体中的传输、频 率上转换、高次谐波辐射及等离子体电子加速器等方面的系统研究，受到国际同行的高度评价。1990年代，中科院上海光机所、西安光