超强超快激光的特点与发展

点，是国际上近年来提出的发展超强超快激光的全新技术途径。

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（10－18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已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已提高了五六个数量级，达到了1019～1020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；相应的能量密度已在3×1010焦/厘米3以上，与温度为10千电子伏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已成为主导。

本领域的早期研究已经表明，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已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已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已小于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，此时的光脉冲已不成为“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已不再适用，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相互作用也已成为新的研究方向，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，实验研究已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。实验上已

首次观察到：自由电子在真空中被加速到兆电子伏数量级的相对论能量；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－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、γ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，也已引起国际学术界的高度重视。虽然目前已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1018～1020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)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已取得重大突破，高次谐波已进入“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已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已经成功，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－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

已经实现了皮秒－毫埃的超高时空分辨率；微爆炸和微聚合已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。最近的实验也已证实，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、西安光机所、物理所在“八五”攀登计划项目、“九五”攀登计划预选项目和“九五”中国科学院重大基础研究项目等的支持下，不仅在超强超快激光技术的研究，而且在超强超快激光与物质的相互作用和在交叉学科的前沿基础研究等方面也取得重要进展。例如成功建成了具有国际一流水平的小型化飞秒、5太瓦级超强超快激光实验装置；在超强超快激光驱动的高次谐波辐射，超强超快激光与原子、分子、团簇的相互作用动力学行为，超强超快激光与单电子的相互作用，超强超快激光与高温高密度等离子体的相互作用以及多类超快过程等的研究方面也都取得重要成果，受到国际同行关注。

1999年7月在瑞士召开的国际超快光学会议上，国际著名的强场激光物理学家巴蒂（C. Barty）在开幕式上作了题为“全世界高强度激光的挑战、前景与展望（High Intensity Lasers Around the World: Challenges, Prospects, Perspectives）”的大会主题报告，当他评述当前全世界正在运行的小型化台式超强超快激光装置时，特别列举了中科院上海光机所的5.4太瓦、46飞秒级小型化超强超快激光装置，当场展示该装置的多张图片。表明中国在国际超强超快激光领域已占有一席之地。

上海光机所强光光学开放实验室近年来牵头并与国内一流科研机构及高等院校进行了成功的合作研究，该实验室在超强超快激光领域已逐渐成为我国基础研究以及高技术与交叉学科领域中的应用基础研究基地，国际交流与合作研究基地，以及培养与吸引青年科技人才的基地。1999年该实验室牵头并主持申请的国家“973”基础科学前沿项目“超强超短激光科学中若干重要前沿问题”，经严格评审，成功立项，是当年“973”项目中“基础科学前沿领域”的首批入选项目。

为开拓发展OPCPA新原理，上海光机所强光光学开放实验室利用自行发展的小型化高功率钕玻璃强激光系统结合国内已有的非线性晶体的传统优势与基础，已部署进行10太瓦级OPCPA新原理的实验验证，并探索建成基于OPCPA原理的小型化10太瓦（即“13号”）级和更高数量级超强超快激光装置的全新科学技术途径。目前在OPCPA新原理验证的实验与理论研究方面及系列关键技术的攻关上，取得了重要进展。这些工作不仅为基于OPCPA的小型化10太瓦级超强超快激光装置的顺利建成，而且也为开拓一条能突破原有台式CPA技术无法跨越1021瓦/厘米2光场条件屏障的新途经，从而在短时间内直接促使我国超强超快激光走向世界的最前列奠定了扎实基础。

最近，上海光机所强光光学开放实验室成功建立了当前我国最为先进并达到国际一流水平的15太瓦、35飞秒级小型化超强超快激光装置。该激光系统具有优良的光束质量，具备了提供1018～1019瓦/厘米2的超高激光功率密度的强场超快极端条件的能力，是进行相对论性强场与物质相互作用研究不可缺少的实验工具。

一、飞秒激光脉冲的产生原理飞秒是时间的单位，飞秒单位相对于秒的数量级可以看出1 飞秒的短暂，要让激光产生如此短的脉冲，必须同时符合诸多条件。首先，激光放大器本身要拥有宽频的激光介质，这样它才有办法放大各种频率符合前述公式的激光。其次，要有脉冲压缩机制。最后，要具有腔内色散补偿的功能。作为一种独特的科学研究的工具和手段，飞秒激光的主要应用可以概括为三个方面，即飞秒激光在超快领域内的应用、在超强领域内的应用和在超微细加工中的应用。

二、飞秒激光在超快现象研究领域应用飞秒激光在超快现象研究领域中所起到的是一种快速过程诊断的作用。飞秒激光尤如一个极为精细的时钟和一架超高速的“相机”可以将自然界中特别是原子、分子水平上的一些快速过程分析、记录下来。比如在分子生物动力学研究中，用飞秒的时间分辨法观测从光反应性蛋白中发出的荧光。在这种时间尺度内可以清晰地观测到位于纳米空间的分子及其内电子的移动。飞秒激光系统让我们能够研究和了解物质内部物理的、化学的，生物的更快速的变化过程，由此，我们有了飞秒物理、飞秒化学，飞秒生物学…… 在时间尺度上进入了一个瞬息万变的飞秒的世界。

三、飞秒激光在超强领域中的应用飞秒激光在超强领域中的应用(又称为强场物理)归因于具有一定能量的飞秒脉冲的峰值功率和光强可以非常之高。这样的强光所对应的电磁场会远大于原子中的库仑场，从而很容易地将原子中的电子统统剥落出去。因此，飞秒激光是研究原子，分子体系高阶非线性、多光子过程的重要工具。与飞秒激光相应的能量密度只有在核爆炸中才可能存在。飞秒强光可以用来产生相干X射线和其它极短波长的光，可以用于受控核聚变的研究。

四、飞秒激光用于超微细加工飞秒激光用于超微细加工是飞秒激光用于超快现象研究和超强现象研究之外的又一个飞秒激光技术的重要的应用研究领域。这一应用是近几年才开始发展起来的，目前已有了不少重要的进展。与飞秒超快和飞秒超强研究有所不同的是飞秒激光超微细加工与先进的制造技术紧密相关，对某些关键工业生产技术的发展可以起到更直接的推动作用。飞秒激光超微细加工是当今世界激光、光电子行业中的一个极为引人注目的前沿研究方向。通常，按激光脉冲标准来说，持续时间大于皮秒（相当于热传导时间）的激光脉冲属于长脉冲，用它来加工材料，由于热效应使周围材料发生变化，从而影响加工精度。而脉冲宽度只有几千万亿分之一秒的飞秒激光脉冲则拥有独特的材料加工特性，如加工孔径的熔融区很小或者没有；可以实现多种材料，如金属、半导体、透明材料内部甚至生物组织等的微机械加工、雕刻；加工区域可以小于聚焦尺寸，突破衍射极限等等。一些汽车制造厂和重型设备加工厂目前正研究用飞秒激光加工更好的发动机喷油嘴。使用超短脉冲激光，可在金属上打出几百纳米宽的小孔。在最近于奥兰多举行的美国光学学会会议上，IBM公司的海特说，IBM已将一种飞秒激光系统用于大规模集成电路芯片的光刻工艺中。用飞秒激光进行切割，几乎没有热传递，这种激光束能安全地切割高爆炸药。飞秒激光能用于切割易碎的聚合物，而不改变其重要的生物化学特性。生物医学专家已将它作为超精密外科手术刀，用于视力矫正手术，既能减少组织损伤又不会留下手术后遗症，甚至可对单个细胞动精密手术或者用于基因疗法。目前人们还在研究如何将飞秒激光用于牙科治疗。有科学家发现，利用超短脉冲激光能去掉牙的一小块，而不影响周围的物质。美国Clark-MXR公司最近推出的UMW系列超快激光微加工工作台正是代表了这个领域里最前沿的商用飞秒激光微加工系统，它包括了用超短脉冲激光进行微加工所需的一切设备与配件，可用于微加工任何材料，生成亚微米精细结构，而不会对周边材料造成损害，不会造成材料飞溅，加工结果极其精确并具有高度可重复性。

五、飞秒激光的前景飞秒激光用于超微细加工是飞秒激光用于超快现象研究和超强现象研究之外的又一个飞秒激光技术的重要的应用研究领域。这一应用是近几年才开始发展起来的，目前已有了不少重要的进展。与飞秒超快和飞秒超强研究有所不同的是飞秒激光超微细加工与先进的制造技术紧密相关，对某些关键工业生产技术的发展可以起到更直接的推动作用。飞秒激光超微细加工是当今世界激光、光电子行业中的一个极为引人注目的前沿研究方向。我们相信，随着超短脉冲激光技术的进一步发展以及具有高可靠性的飞秒激光器的进一步完善，飞秒激光一定会在更多领域获得更为广泛的应用。