一、前言
激(ji)光(guang)出現(xian)后，依托鎖模技術進入了(le)飛秒（10–15 s）超(chao)快時代，并迅(xun)速(su)應用(yong)到物(wu)理、生(sheng)物(wu)、化學和材料等(deng)前(qian)沿(yan)基礎科學研究。Zewail教授(shou)因飛秒化(hua)學方面的開創性研究榮(rong)獲1999年諾貝爾化學獎。啁啾脈(mo)沖放(fang)大(da)技術（CPA）進(jin)(jin)一步將激光推進(jin)(jin)到了超強時代(dai)，相關科學家(jia)榮獲(huo)2018年諾貝爾物理學(xue)獎。
超(chao)快(kuai)超(chao)強(qiang)激光(guang)是(shi)(shi)指(zhi)同時(shi)具有超(chao)快(kuai)時(shi)域特性(xing)和超(chao)高峰值功率特性(xing)的(de)(de)特殊光(guang)場，為人(ren)類在(zai)實驗室中創造出了前所未有的(de)(de)超(chao)快(kuai)時(shi)間、超(chao)高強(qiang)場、超(chao)高溫度和超(chao)高壓力等極(ji)端物(wu)理條件，極(ji)大地促(cu)進了物(wu)理、化學(xue)、生物(wu)、材料、醫學(xue)以及(ji)交叉學(xue)科等前沿科學(xue)的(de)(de)發展(zhan)與進步。可(ke)(ke)以認(ren)(ren)為，超(chao)快(kuai)超(chao)強(qiang)激光(guang)是(shi)(shi)用于拓展(zhan)人(ren)類認(ren)(ren)知的(de)(de)前沿基礎科學(xue)研究(jiu)最重要的(de)(de)工具之(zhi)一，在(zai)某些方面甚(shen)至是(shi)(shi)獨一無二、不可(ke)(ke)替(ti)代(dai)的(de)(de)研究(jiu)手段(duan)。
超快超強激(ji)光(guang)(guang)(guang)技術(shu)在推動前沿基礎(chu)科學(xue)研(yan)究(jiu)持續(xu)拓展(zhan)的(de)同時，又(you)面臨著前沿基礎(chu)科學(xue)研(yan)究(jiu)因(yin)自(zi)身深化(hua)探(tan)索而新增的(de)能力支撐需求，這(zhe)為激(ji)光(guang)(guang)(guang)技術(shu)體系發(fa)(fa)(fa)展(zhan)賦予了強勁的(de)牽引力。本文著重(zhong)梳理超快超強激(ji)光(guang)(guang)(guang)的(de)發(fa)(fa)(fa)展(zhan)與(yu)科學(xue)應用需求以及國(guo)內外技術(shu)發(fa)(fa)(fa)展(zhan)情(qing)況，在此基礎(chu)上(shang)就我國(guo)的(de)領(ling)域(yu)發(fa)(fa)(fa)展(zhan)目標和重(zhong)點(dian)方向開展(zhan)論證分(fen)析，以期(qi)為我國(guo)激(ji)光(guang)(guang)(guang)技術(shu)的(de)穩步發(fa)(fa)(fa)展(zhan)提供方向參照。
二、超(chao)快(kuai)超(chao)強激光應用與發展(zhan)需求分析
超(chao)快(kuai)超(chao)強激光在相關前(qian)沿基礎(chu)科學研(yan)究(jiu)中的(de)應(ying)用拓(tuo)展，亟需(xu)進一步提升(sheng)激光參數(shu)，探(tan)索(suo)利用激光脈沖的(de)其(qi)他(ta)參量來將(jiang)超(chao)快(kuai)和(he)超(chao)強前(qian)沿基礎(chu)科學研(yan)究(jiu)推進到更為深入的(de)物質(zhi)層(ceng)次。根據(ju)前(qian)沿科學研(yan)究(jiu)目標(biao)的(de)差(cha)異，未(wei)來領域應(ying)用與(yu)發展的(de)需(xu)求集中在以下兩部分。
（一）超快激(ji)光(guang)及其科(ke)學應用
這一方向的未來發(fa)展需求(qiu)可細(xi)分為阿秒(miao)激光(guang)乃至仄秒(miao)激光(guang)、極紫(zi)外–太赫茲(zi)全波(bo)段多(duo)維度參量精密可控的飛秒超快激光。
阿(a)秒(miao)激光(guang)乃至仄秒(miao)激光(guang)追求采用(yong)更(geng)短(duan)脈沖寬(kuan)度(du)的(de)超快(kuai)激光(guang)來研(yan)究物質(zhi)內(nei)部更(geng)快(kuai)的(de)超快(kuai)過程，需(xu)要發展更(geng)高(gao)脈沖能量(liang)、更(geng)短(duan)脈沖寬(kuan)度(du)、更(geng)高(gao)光(guang)子能量(liang)的(de)高(gao)性能阿(a)秒(miao)（10–18 s）激光(guang)。將(jiang)阿(a)秒脈沖的光(guang)子能(neng)量推(tui)進(jin)到硬X射線波段和伽馬射線波段，將脈(mo)沖寬度推進到仄秒（10–21 s）的時間尺度，從而將人(ren)類能夠(gou)探索(suo)的物質層次從原(yuan)子/分(fen)子水平推(tui)進到原子核尺度 。
飛秒(miao)時間尺(chi)度(du)對應著原子/分子、材料(liao)、生物蛋白、化學(xue)反應(ying)等豐富(fu)物質體(ti)(ti)系的(de)超(chao)(chao)快過程(cheng)，有(you)著廣泛而重(zhong)要的(de)應(ying)用。隨著研(yan)究的(de)進一步(bu)拓(tuo)展(zhan)(zhan)與深(shen)入，需(xu)要探(tan)索(suo)更(geng)加豐富(fu)和(he)復雜的(de)超(chao)(chao)快動力學(xue)過程(cheng)，以致控制這些超(chao)(chao)快過程(cheng)。為了對超(chao)(chao)快激光更(geng)多(duo)維(wei)度的(de)參量特性進行調(diao)制和(he)利用，不(bu)僅需(xu)要將飛(fei)秒(miao)激光的(de)光譜拓(tuo)展(zhan)(zhan)到紅外–太赫茲波段、真空紫外–極紫(zi)外波段(duan)，還(huan)需要發展包括時(shi)域、振幅、相位、光譜(pu)、偏振、空間模式等多(duo)維度參量在(zai)內的精(jing)密(mi)調(diao)控飛秒超快激光，以極紫(zi)外–太赫茲(zi)全波段多維度(du)參(can)量精密可控的飛秒超(chao)快激光為代表。
（二）超強(qiang)激光及其科學應用(yong)
根(gen)據定位和應用(yong)目標(biao)的差異，這一方向(xiang)可分為(wei)低重(zhong)復(fu)(fu)頻率超(chao)高(gao)峰(feng)值功率超(chao)強激(ji)光、高(gao)重(zhong)復(fu)(fu)頻率高(gao)平均功率超(chao)強激(ji)光。其中，低重(zhong)復(fu)(fu)頻率是(shi)指激(ji)光脈沖重(zhong)復(fu)(fu)頻率在10 Hz及(ji)以下，高重復頻率是指(zhi)激光脈沖重復頻率在1 kHz及以上(shang)。
唯有利(li)用超(chao)(chao)強(qiang)激光，人(ren)類方可在實驗室(shi)中產生(sheng)宇(yu)宙星(xing)體內(nei)部(bu)(bu)和原子核內(nei)部(bu)(bu)才(cai)有的極端物理條件。利(li)用低重復頻(pin)率超(chao)(chao)高峰值功率超(chao)(chao)強(qiang)激光，可在實驗室(shi)中研究激光粒(li)子加速(su)、光核物理、伽馬(ma)光–光對(dui)撞等(deng)微觀尺(chi)度(du)的(de)前沿物理(li)問題，也可(ke)在(zai)宏觀尺(chi)度(du)上研究(jiu)超(chao)新星爆(bao)發(fa)、太陽耀斑、黑洞吸積盤(pan)噴流等(deng)天體物理(li)現象，還可(ke)研究(jiu)引力波(bo)、暗物質、真空物理(li)等(deng)拓展人類未知的(de)前沿基礎科學。針對(dui)國(guo)家重(zhong)大(da)理(li)論(lun)與實(shi)驗研究(jiu)的(de)需求，如激光粒子加速器、核嬗(shan)變等(deng)核物理(li)、高能物理(li)、激光聚變能源新途徑(jing)、激光核醫學等(deng)，低重(zhong)復頻率超(chao)高峰值(zhi)功率超(chao)強激光提供了重(zhong)要(yao)的(de)科學研究(jiu)工具。
在與國家戰略需求相關(guan)的(de)(de)(de)應用領域，如空天(tian)安(an)全(quan)、空天(tian)環境物理等(deng)方(fang)面，高平均功率的(de)(de)(de)超(chao)強(qiang)(qiang)激(ji)光是重(zhong)要的(de)(de)(de)驅動工(gong)具，以能(neng)夠適(shi)應空天(tian)特殊(shu)環境的(de)(de)(de)高重(zhong)復頻率超(chao)強(qiang)(qiang)激(ji)光為典(dian)型(xing)。高重(zhong)復頻率高平均功率的(de)(de)(de)超(chao)強(qiang)(qiang)激(ji)光產(chan)生超(chao)強(qiang)(qiang)質子(zi)束、電子(zi)束、中子(zi)束、X 射線、伽馬(ma)射線，以致超(chao)強太赫茲(zi)脈沖等次(ci)級(ji)超(chao)強光(guang)源作(zuo)為(wei)新型工具，可以拓展到光(guang)核(he)反應、激(ji)光(guang)推(tui)進、核(he)聚(ju)變能源和核(he)廢(fei)料處(chu)理、疾(ji)病治療等更為(wei)前(qian)沿的重大基礎(chu)科學(xue)研究和實際應用中(zhong)。
圖1 超快超強激光的應(ying)用
三、超快超強(qiang)激光(guang)國內外(wai)研究現狀
（一）超快激光及(ji)其(qi)科學應用
1. 阿秒超快激光
近20年的(de)發展(zhan)歷(li)程表明(ming)，寬(kuan)帶(dai)高次諧波產(chan)生阿秒脈沖來拓展(zhan)應(ying)用(yong)的(de)根本局(ju)限(xian)在于(yu)單脈沖能(neng)量偏低，國(guo)際主流的(de)解決途徑是(shi)建立(li)高功(gong)率(lv)和長波長的(de)飛秒超快激(ji)光系統。歐盟投資(zi)數億歐元，在匈(xiong)牙(ya)利(li)建立(li)了極端光裝置–阿秒脈(mo)沖源（ELI-ALPS），通過兩個拍(pai)瓦(wa)激光(guang)系統產生高(gao)峰(feng)值功率和(he)高(gao)平均功率的(de)阿(a)(a)秒脈(mo)沖。長波長的(de)中紅外(wai)飛秒激光(guang)脈(mo)沖系統可產生更(geng)高(gao)光(guang)子能(neng)量和(he)更(geng)短脈(mo)沖寬度的(de)阿(a)(a)秒脈(mo)沖，因此(ci)眾多(duo)研究機構均在這方面開(kai)展工作。高(gao)重復頻率阿(a)(a)秒激光(guang)研究也取得(de)重要進展。另外(wai)，通過X射(she)線自由電子(zi)激光（XFEL）產生阿秒脈沖(chong)也獲得了(le)初步(bu)驗證，XFEL在產生高光子能量（硬X射(she)線和伽馬射(she)線波段）的高(gao)功(gong)率阿秒脈沖(chong)方(fang)面具(ju)有(you)一定優勢。
國內阿秒激(ji)光(guang)研究(jiu)(jiu)集(ji)中在(zai)中國科(ke)學院所屬的上海(hai)光(guang)學精(jing)密(mi)機(ji)械研究(jiu)(jiu)所、物(wu)理研究(jiu)(jiu)所、西安(an)光(guang)學精(jing)密(mi)機(ji)械研究(jiu)(jiu)所等科(ke)研機(ji)構。由于(yu)總體布局較晚，當前研究(jiu)(jiu)水平仍然相(xiang)對落后。2009年，上海光學精密機械研究所測量了阿秒脈沖(chong)鏈的脈沖(chong)寬(kuan)度，獲得(de)了近傅里葉(xie)變換極限(xian)的阿秒脈沖(chong)激光。2013年，物(wu)理研究所產生并測量了單(dan)個阿(a)秒脈沖，獲得了脈沖寬度為160 as的脈(mo)沖激光。西安光學精(jing)密(mi)機(ji)械(xie)研究所(suo)在(zai)阿秒脈(mo)沖激光研究方(fang)(fang)面承擔了(le)較多任務(wu)。國內高等院校，如華(hua)(hua)中科(ke)技大學、華(hua)(hua)東(dong)師范大學、北京大學、國防科(ke)技大學等也在(zai)開展阿秒激光的相關研究。此外，一(yi)些研究機(ji)構還在(zai)高功率激光加(jia)速產生高能電(dian)子(zi)和伽馬(ma)射線(xian)等方(fang)(fang)面開展了(le)系列工作。
2.飛秒超快激光
利用非線性光學方(fang)法，國際上早已(yi)將飛秒激(ji)光的波長從可見–近紅(hong)外波段(duan)拓展到深紫(zi)外–紫外(wai)、紅外(wai)–太赫(he)茲波(bo)段。自由電子(zi)激(ji)(ji)光器也(ye)已獲得真空紫(zi)外和(he)極紫(zi)外波(bo)段以及(ji)太赫(he)茲超(chao)快飛(fei)秒激(ji)(ji)光，具有高能量和(he)波(bo)長(chang)(chang)可調諧的優勢，但相關裝置較為復雜。為了研究更復雜豐富的超(chao)快動(dong)力學過程，多(duo)參(can)量光場精密調控和(he)多(duo)波(bo)長(chang)(chang)飛(fei)秒超(chao)快激(ji)(ji)光也(ye)獲得了發(fa)展。
國內較多研(yan)究團隊直接采用商(shang)用進口的(de)飛(fei)秒(miao)激光(guang)器，疊加非線性效應來拓展波(bo)長等參量(liang)。在(zai)光(guang)場(chang)精密調控和(he)多波(bo)長飛(fei)秒(miao)超快激光(guang)方面(mian)，上海光(guang)學(xue)精密機(ji)械研(yan)究所、上海科技大(da)學(xue)、西(xi)安交通大(da)學(xue)等機(ji)構完成了系列研(yan)究。2019年，中國(guo)科學(xue)院大連化(hua)學(xue)物理(li)研究(jiu)所(suo)構(gou)建的(de)自由電子激光器(qi)已(yi)經投(tou)入運(yun)行，在50~200 nm 真空紫(zi)外與極紫(zi)外波段(duan)實現(xian)了波長(chang)連續(xu)可調(diao)的(de)超快激光(guang)(guang)輸出(chu)，發揮了飛秒超快激光(guang)(guang)對基礎科學研究(jiu)的(de)支撐和拓展作用。中國工(gong)程物理研究(jiu)院(yuan)利用自由電(dian)子激光(guang)(guang)實現(xian)了太赫茲波段(duan)超快激光(guang)(guang)輸出(chu)。
（二）超強(qiang)激光及其(qi)科(ke)學(xue)應用
這一方向的國際研究進(jin)展快速(su)且競(jing)爭(zheng)激烈，世界上已建成(cheng)50多套(tao)拍瓦級激光裝置。
1. 低(di)重(zhong)復頻率超高峰值功率超強激光
歐(ou)盟(meng)、美國(guo)(guo)、日本(ben)、韓(han)國(guo)(guo)、俄羅斯等(deng)國(guo)(guo)家或地區(qu)均(jun)在建設十拍(pai)瓦級(ji)激光重(zhong)大(da)科學裝置。近期(qi)多(duo)個國(guo)(guo)家或地區(qu)提出了100~200 PW重大激光科學裝(zhuang)置的發展計劃。
歐(ou)盟10多個(ge)國(guo)家的近(jin)40個科(ke)研機構(gou)聯合提(ti)出超強光基礎設施（ELI）計(ji)劃，旨在(zai)發展(zhan)200PW超(chao)強激(ji)光裝(zhuang)置(zhi)，已被(bei)納入歐盟未來大科學(xue)裝(zhuang)置(zhi)發展路線(xian)圖；2019年實現了10 PW超強激光輸(shu)出。法國 Apollon 激光裝置2017 年實現(xian)了(le)5 PW激光輸出，2018 年實現(xian)了(le)10 PW激光(guang)輸(shu)出，更高指(zhi)標輸(shu)出目前有所延遲。英(ying)國 Vulcan 激光(guang)裝置(zhi)計劃采用(yong)光(guang)參量啁啾脈沖放大（OPCPA）技術，將輸出脈沖峰值功率由拍瓦(wa)(wa)級(ji)提升至十拍瓦(wa)(wa)級(ji)。俄羅(luo)斯(si)規劃(hua)用于極端(duan)光(guang)學研究的艾瓦(wa)(wa)中心(xin)（XCELS）擬(ni)實現200 PW峰值(zhi)功率，待建激光裝置包含(han)12束功率為15 PW、脈(mo)沖寬度為(wei)25 fs超強(qiang)激(ji)光(guang)，利用相干合成技術來輸出激(ji)光(guang)。日(ri)本激(ji)光(guang)快(kuai)速點(dian)燃實驗項目（LFEX）裝置已經實現(xian)了(le)皮秒量級、脈沖能(neng)量達(da)2 kJ的(de)拍瓦激光輸出，主要用(yong)于支持快點火激光核聚變、天體(ti)物理方面的(de)研究。韓國光州科學技(ji)術院（GIST）基于(yu)鈦寶石CPA方(fang)案，在0.1 Hz重復頻率(lv)下(xia)實現了4.2 PW激光輸(shu)出(chu)。美國(guo)羅(luo)徹斯特(te)大學OMEGA EP裝置具有1 kJ/1 ps/1 PW的(de)(de)激(ji)(ji)光(guang)輸(shu)出能力，同步(bu)提出了百拍(pai)瓦(wa)級超(chao)強激(ji)(ji)光(guang)的(de)(de)發展構想。
國內(nei)低(di)重復頻(pin)率超(chao)高峰值功率超(chao)強激光研究方(fang)向(xiang)起步較(jiao)早，已(yi)經(jing)形成了實力較(jiao)強、梯隊合(he)理的研究隊伍。自1996年起，每兩年召開(kai)1次的“全國(guo)強(qiang)場激光物理會議”顯著促進了相關領域的學術交流和研究進展。近年來，我國(guo)在此(ci)方向(xiang)取得了一些重要(yao)研究成果，部分成果已經處于國(guo)際領先水平。2017年，中國工程物理研究院基于大口徑三硼酸鋰(li)（LBO）晶體和OPCPA技術(shu)路線獲(huo)得了近5 PW超(chao)強(qiang)激光輸出。上海(hai)光學精(jing)密機械研究所(suo)利用鈦寶石CPA 方案(an)，2016年(nian)在國際上率先實現5 PW激光輸出，2017年在國際上率先實現10 PW放大輸出(chu)；利用OPCPA技術也實現了1 PW激光輸出；2018年(nian)在國際上率先立項(xiang)并啟動建設百拍瓦級(ji)超強激(ji)光裝(zhuang)置(zhi)。此外，一些高等院(yuan)校近期也提(ti)出了建設數十拍瓦級(ji)激(ji)光裝(zhuang)置(zhi)的規(gui)劃設想。
2. 高重(zhong)復頻率高平均功率超(chao)強激(ji)光
這一方(fang)向(xiang)的技(ji)術方(fang)法主(zhu)要分為(wei)碟片超快激光(guang)和光(guang)纖超快激光(guang)。碟片激光(guang)器(qi)在解決增益介質的熱效應管理(li)問題之后，實(shi)現了(le)平(ping)均(jun)功率為(wei)千瓦級的輸出(chu)。光(guang)纖飛秒(miao)激光(guang)具有散熱好、集成方(fang)便靈活、光(guang)束質量好、轉(zhuan)換效率高等(deng)優勢(shi)，且可(ke)實(shi)現1 MHz以上重(zhong)復頻率的(de)激(ji)光放大，近年來獲得迅速發展。受限于非線性效應，光纖中的(de)CPA輸(shu)出能量(liang)和功率(lv)還(huan)不高。
2012年，國際知名學者Mourou教授(shou)在(zai)歐盟組織啟(qi)動(dong)了“國(guo)際放大相(xiang)干網絡”（ICAN）計(ji)劃，旨在推(tui)動基于光(guang)(guang)纖(xian)飛秒激光(guang)(guang)及其(qi)組(zu)束技(ji)術(shu)的(de)發展，實現高重復頻率、高平均功(gong)率和高峰(feng)值(zhi)功(gong)率的(de)超強激光(guang)(guang)脈沖，探(tan)索應用(yong)于新一代粒子加(jia)速器的(de)驅動源。在ICAN計(ji)劃（10J/100 fs/10 kHz超強(qiang)激光(guang)）框(kuang)架下，德國耶拿大學(xue)牽頭完(wan)成(cheng)了光(guang)纖飛秒(miao)激光(guang)時間(jian)與空間(jian)組束的眾多研究。例(li)如，已經(jing)采用16束光(guang)纖飛(fei)秒激光(guang)合(he)束獲得了(le)平均功率為千(qian)瓦級的高(gao)重復頻率激光(guang)輸出(chu)；提(ti)出(chu)的空間相干(gan)組束（16×32）與時間相(xiang)干組束或(huo)脈沖堆(dui)積相(xiang)結合的(de)新技術方案，有望更(geng)加經濟地實現300 fs/100 TW超強激光輸出。
國(guo)內高重(zhong)復(fu)頻率(lv)高平均功率(lv)超強激光還缺乏(fa)系統的(de)研(yan)究(jiu)布(bu)局，僅有上海光學精密(mi)機(ji)械研(yan)究(jiu)所、北京大(da)學、國(guo)防(fang)科(ke)技(ji)大(da)學、天津大(da)學等少(shao)量研(yan)究(jiu)單位(wei)各(ge)自在(zai)分(fen)立的(de)核(he)心(xin)技(ji)術(shu)方向上開展研(yan)究(jiu)和探索，如高性(xing)能增益光纖(xian)研(yan)制、碟片激光放大(da)技(ji)術(shu)、光纖(xian)飛秒(miao)振蕩器、光纖(xian)CPA技術、空間激(ji)光(guang)組(zu)束、脈沖時(shi)間堆積(ji)和(he)脈沖壓縮(suo)等(deng)。一些科研(yan)機構(gou)和(he)高(gao)等(deng)院校對大(da)模(mo)場面積(ji)增益光(guang)纖(xian)、高(gao)能量高(gao)功(gong)率飛(fei)秒激(ji)光(guang)等(deng)技術方向進行了(le)持續研(yan)究。鑒(jian)于在微加工(gong)領域(yu)應用的(de)良(liang)好前景，國內諸多企業開(kai)展了(le)數十(shi)瓦功(gong)率的(de)光(guang)纖(xian)飛(fei)秒激(ji)光(guang)產(chan)品研(yan)制，部分企業已經推出了(le)功(gong)率為50 W及以上的飛秒超快激光產(chan)(chan)品。盡管發展(zhan)迅速(su)，但大(da)多數產(chan)(chan)品需要采用(yong)國外的關鍵(jian)器件，而(er)具(ju)有(you)自(zi)主知識產(chan)(chan)權的關鍵(jian)器件還較少(shao)。整體(ti)來看，這方面的研究較為分(fen)散，尚未在產(chan)(chan)業(ye)鏈條上形成(cheng)系(xi)統規(gui)劃(hua)和分(fen)工協作的局面。
圖2 超強超快(kuai)激光的(de)應用(yong)
四(si)、我國超(chao)快超(chao)強(qiang)激光(guang)發展思(si)路與目(mu)標(biao)
（一）超快激光及其科(ke)學應(ying)用
1. 阿秒(miao)超快(kuai)激光
阿秒(miao)脈沖的光子能(neng)量突破(po)至(zhi)1 keV乃(nai)至10 keV水(shui)平，支持開(kai)展(zhan)阿秒超快(kuai)內(nei)殼層電子動力學、電子自旋–軌道動力(li)學(xue)等(deng)基(ji)礎(chu)物(wu)(wu)理過程、大分(fen)子乃至生物(wu)(wu)大分(fen)子等(deng)復雜結(jie)構(gou)的超(chao)快電子動力(li)學(xue)與結(jie)構(gou)變化(hua)等(deng)研究(jiu)。涉及的關鍵技術包括：高功率(lv)、少(shao)周期(qi)、載(zai)波(bo)包絡相位穩定的中紅外激光(guang)(guang)系統，高亮度千電子伏特級阿秒激光(guang)(guang)脈沖產生，高分(fen)辨電子與多電子動量測(ce)量，通過康(kang)普頓散射方法將(jiang)光(guang)(guang)子能量推(tui)進到硬X射線波(bo)段和(he)伽馬射線波(bo)段。
超快脈沖(chong)的(de)脈沖(chong)寬度突破至仄秒(miao)水平，支持開展深(shen)內殼層電子(zi)動力學乃至原子(zi)核的(de)動力學研究。阿秒(miao)脈沖(chong)的(de)光子(zi)能量達到10 keV水平乃至伽(jia)馬射線波段(duan)，阿秒(miao)脈(mo)沖寬(kuan)度具備(bei)進入仄秒(miao)時(shi)間(jian)尺度的(de)可能性(xing)。涉及(ji)的(de)關(guan)(guan)鍵技術包括(kuo)：與(yu)提高產生效率相關(guan)(guan)的(de)技術，與(yu)實際應(ying)用相關(guan)(guan)的(de)超快測量技術，仄秒(miao)脈(mo)沖寬(kuan)度測量等(deng)。
2. 飛(fei)秒超快激光
隨著飛秒超快光譜(pu)(pu)基礎科學研(yan)究的(de)發展，除(chu)了利用(yong)脈沖時域特性(xing)以外，光譜(pu)(pu)和偏振特性(xing)也(ye)是可以利用(yong)的(de)重要特性(xing)。后續主要研(yan)究思路為(wei)：發展兆(zhao)赫(he)茲重復頻(pin)率極紫外–太(tai)赫茲波段寬帶飛(fei)(fei)(fei)秒激光(guang)(guang)(guang)，發展(zhan)高性(xing)能、多波長(chang)的飛(fei)(fei)(fei)秒激光(guang)(guang)(guang)脈沖和多波長(chang)飛(fei)(fei)(fei)秒光(guang)(guang)(guang)頻梳，實(shi)現同時脈沖形狀和空(kong)間徑(jing)向偏(pian)振（或(huo)渦旋）的、精密調控(kong)的特(te)殊時空(kong)結(jie)構飛(fei)(fei)(fei)秒激光(guang)(guang)(guang)；發展(zhan)吉赫茲重復頻率(lv)超(chao)快(kuai)(kuai)激光(guang)(guang)(guang)，突破單光(guang)(guang)(guang)子和量子糾(jiu)纏等(deng)新型超(chao)快(kuai)(kuai)光(guang)(guang)(guang)譜技術，提升超(chao)快(kuai)(kuai)光(guang)(guang)(guang)譜的穩定性(xing)和探測(ce)效(xiao)率(lv)，支持更(geng)加純(chun)粹的微觀體系和更(geng)加復雜的多體超(chao)快(kuai)(kuai)動(dong)力學(xue)過程研究(jiu)；利用多參量精密可控(kong)的超(chao)快(kuai)(kuai)激光(guang)(guang)(guang)，研究(jiu)腦科學(xue)、腫瘤(liu)、生物發育(yu)與再生等(deng)方面的生物過程精密光(guang)(guang)(guang)控(kong)制。
（二）超強激光(guang)及(ji)其科學應用
1. 低(di)重(zhong)復頻率(lv)超(chao)(chao)高峰值功率(lv)超(chao)(chao)強激光
需求牽引(yin)在于重(zhong)大前(qian)沿物理科學問(wen)題(ti)研(yan)究，以(yi)期拓(tuo)展人(ren)類認知。后續(xu)發展方向依然是(shi)繼續(xu)提升激光的(de)峰值功(gong)率（從(cong)100 PW到1 EW），搶(qiang)占(zhan)最高聚焦功率(lv)密度（1025 W/cm2）的(de)(de)(de)(de)技術高(gao)地，為科學(xue)前沿研(yan)究提(ti)供最先進(jin)的(de)(de)(de)(de)極端物理條件。為了提(ti)升(sheng)這類(lei)前沿實(shi)驗的(de)(de)(de)(de)效率和(he)可靠(kao)性，還應(ying)適當提(ti)升(sheng)超強激(ji)(ji)光(guang)的(de)(de)(de)(de)重復頻率，開(kai)展渦旋光(guang)等特殊光(guang)場的(de)(de)(de)(de)超強激(ji)(ji)光(guang)輸出及(ji)其應(ying)用研(yan)究；時(shi)(shi)空電(dian)場精密控(kong)制與波長調諧的(de)(de)(de)(de)超強激(ji)(ji)光(guang)將進(jin)一步拓展應(ying)用范圍。隨著激(ji)(ji)光(guang)聚(ju)焦(jiao)功率密度的(de)(de)(de)(de)不(bu)斷提(ti)升(sheng)，激(ji)(ji)光(guang)脈沖的(de)(de)(de)(de)時(shi)(shi)間(jian)對比(bi)度要(yao)求(qiu)越來越高(gao)，應(ying)針對性開(kai)展有關輸出與測量的(de)(de)(de)(de)創新(xin)研(yan)究。此外(wai)，大(da)口徑激(ji)(ji)光(guang)聚(ju)焦(jiao)的(de)(de)(de)(de)創新(xin)研(yan)究和(he)設計成為發(fa)展亟需，在有效提(ti)升(sheng)聚(ju)焦(jiao)功率密度的(de)(de)(de)(de)同(tong)時(shi)(shi)，可緩解放大(da)輸出激(ji)(ji)光(guang)能量伴生的(de)(de)(de)(de)成本問題。
峰值功率和重復頻率是未來研究發展(zhan)的突(tu)破口(kou)。預(yu)計在2025年(nian)、2030年和2035年(nian)，將分別實現100 PW、500 PW和 1000 PW（1 EW）峰值功率(lv)的激光輸(shu)出，在重復頻率(lv)方面也將取得(de)突破性(xing)提升。
①利用5年左右(you)的(de)時間，實現單發100 PW峰值功率輸(shu)出、重復頻(pin)率10 PW 激光輸(shu)出；激光裝置進行(xing)真空極化處理(li)，支持天體(ti)(ti)物理(li)、反物質等基礎研究(jiu)初步(bu)取得開創性科研成(cheng)果(guo)。
②利用10年左(zuo)右的(de)時間(jian)(jian)，通過提升泵(beng)浦激光(guang)能量(liang)來突破大(da)尺寸光(guang)柵等(deng)關鍵元器件的(de)研制和延壽問(wen)題(ti)，利用空(kong)間(jian)(jian)激光(guang)合束(shu)等(deng)方法實現500 PW激光輸出，支持(chi)開展引力波、暗物質等(deng)前沿(yan)重(zhong)大研究。
③利用15年(nian)左右(you)的(de)時間，在更高(gao)功率(lv)泵浦激光方面，通過提升(sheng)大尺寸(cun)光柵等關鍵元器件的(de)尺寸(cun)和損傷閾值，結合空間相(xiang)干組束方法(fa)來實現(xian)艾瓦(wa)級激光輸出；發展新型聚焦系統(tong)，將(jiang)聚焦功率(lv)密度(du)提升(sheng)至1025 W/cm2；探索基于光和(he)物(wu)質相互作(zuo)用(yong)的新原理、新方(fang)法來實現艾瓦(wa)級激光輸出，為激光發展開拓(tuo)新的技術(shu)方(fang)案；獲得(de)達到(dao)近量子(zi)電(dian)動力學(xue)（QED）區域的(de)超(chao)強(qiang)激(ji)光(guang)，支持開展(zhan)更加前沿的(de)強(qiang)場激(ji)光(guang)物理研究。
2. 高重復頻率高平均功率超強激光
根據我國的(de)現有(you)技術水平(ping)、技術發(fa)展預期和(he)國家(jia)重大(da)需求，高重復頻率(lv)高平(ping)均功率(lv)超強(qiang)激光發(fa)展具有(you)以下發(fa)展趨(qu)勢。
①利用(yong)5年左右的時(shi)間，重點掌握飛秒光(guang)纖CPA、空間相干組束、脈沖時間堆積(ji)、大能量脈沖壓(ya)縮等核心技術，通過路徑和設(she)計創新(xin)，降低這(zhe)類激光(guang)的復雜性、難度(du)和成本(ben)。
②利用10年左右的(de)(de)時(shi)間，在實驗室中產(chan)生(sheng)太瓦級千赫茲重(zhong)復頻率的(de)(de)超(chao)強激光輸出；重(zhong)點(dian)開展強場激光物理中的(de)(de)高次諧(xie)波產(chan)生(sheng)阿秒激光脈(mo)沖、激光電子(zi)加速等研究，獲得高通(tong)量的(de)(de)阿秒激光脈(mo)沖，促進原子(zi)/分子(zi)和材料中(zhong)阿秒動(dong)(dong)力學研(yan)究(jiu)的發展；通(tong)過激光(guang)技術突破(po)來帶動(dong)(dong)工(gong)業應用(yong)的大發展，降低光(guang)纖飛秒激光(guang)的功率成本。
③利用15年(nian)左右的(de)時(shi)間，實現十(shi)太(tai)瓦(wa)級千(qian)赫茲以上重復頻率(lv)(lv)的(de)超強(qiang)激光(guang)(guang)輸出；通過(guo)工業領域的(de)批量(liang)應用(yong)來驅動光(guang)(guang)纖飛秒(miao)激光(guang)(guang)功率(lv)(lv)成本(ben)的(de)顯著降低(di)；對太(tai)瓦(wa)級激光(guang)(guang)進行空(kong)間合束(shu)，在(zai)實驗室中(zhong)實現十(shi)太(tai)瓦(wa)級高重復頻率(lv)(lv)的(de)超強(qiang)激光(guang)(guang)；重點開(kai)展小型化粒子加速器研究，促(cu)進高重復頻率(lv)(lv)、高能量(liang)質子束(shu)在(zai)醫(yi)療領域的(de)拓展應用(yong)；利(li)用(yong)激光(guang)(guang)產生的(de)高能中(zhong)子源，探索激光(guang)(guang)聚變(bian)能源和核廢(fei)料(liao)處理(li)等重要方面的(de)應用(yong)。
五、超快超強(qiang)激(ji)光的(de)重點(dian)技(ji)術方向
1. 阿秒超快(kuai)激光
未(wei)來(lai)重(zhong)點發展方向主要包括：高(gao)能(neng)量單個阿(a)(a)(a)秒激(ji)(ji)光脈(mo)沖，高(gao)平(ping)均功率(lv)（高(gao)重(zhong)復頻(pin)率(lv)）阿(a)(a)(a)秒激(ji)(ji)光，高(gao)光子(zi)能(neng)量阿(a)(a)(a)秒脈(mo)沖，拓展阿(a)(a)(a)秒脈(mo)沖應(ying)用的(de)(de)小型(xing)化高(gao)重(zhong)復頻(pin)率(lv)阿(a)(a)(a)秒脈(mo)沖。相關的(de)(de)技術(shu)發展方向為：高(gao)品質的(de)(de)少周期（含中紅(hong)外）激(ji)(ji)光脈(mo)沖技術(shu)，簡單便(bian)捷的(de)(de)阿(a)(a)(a)秒激(ji)(ji)光脈(mo)沖測量技術(shu)、新型(xing)阿(a)(a)(a)秒激(ji)(ji)光應(ying)用技術(shu)，高(gao)品質高(gao)亮度硬X射線(xian)和(he)伽馬射線(xian)產生(sheng)技術、仄(ze)秒激光(guang)技術等(deng)。
2.飛(fei)秒(miao)超快激光
未來重點發展方(fang)向主要包(bao)括：多波長高(gao)性能飛秒激光技術，寬帶雙頻/多頻梳(shu)飛秒激光技術，兆赫茲高重(zhong)復頻率高性能真空(kong)紫(zi)外–極紫外(wai)、紅外(wai)–太赫茲超(chao)快激(ji)光(guang)(guang)技術，徑(jing)向(xiang)偏振和(he)渦(wo)旋等特殊偏振與空間(jian)模式的飛(fei)秒激(ji)光(guang)(guang)技術，吉赫茲高重復頻率小型化量子(zi)點超(chao)快激(ji)光(guang)(guang)技術，垂直腔面發射（VCSEL）超快激光技術，涉(she)及時(shi)域(yu)、光譜、偏振、空(kong)間、相(xiang)位和振幅等多維度(du)光場精密調(diao)控的飛秒激光技術等。
3.低重復頻(pin)率超(chao)高峰值功(gong)率超(chao)強激(ji)光
聚焦功率密度(du)(du)、對比(bi)度(du)(du)是最重要的(de)參(can)數指標，應進一步發展放大(da)(da)技術(shu)(shu)、脈(mo)沖壓縮技術(shu)(shu)、空(kong)間(jian)聚焦技術(shu)(shu)、對比(bi)度(du)(du)提升與(yu)測量(liang)技術(shu)(shu)。未來重點(dian)技術(shu)(shu)方向具體包(bao)括：高通量(liang)放大(da)(da)技術(shu)(shu)（即超大(da)(da)能量(liang)的(de)CPA或(huo)OPCPA技術以及對應的超大口徑激(ji)光晶(jing)體(ti)或非線性晶(jing)體(ti)研制），等離子體(ti)拉曼放(fang)大和準參量啁啾脈沖(chong)放(fang)大（QPCPA）等新(xin)型放大(da)技(ji)(ji)術(shu)，新(xin)型壓縮(suo)器(qi)設(she)計及(ji)大(da)口(kou)徑(jing)、高(gao)損(sun)傷閾值壓縮(suo)光柵的(de)(de)研制(zhi)，大(da)口(kou)徑(jing)超(chao)強(qiang)(qiang)激(ji)光組束技(ji)(ji)術(shu)，激(ji)光脈沖(chong)對比(bi)度提(ti)升(sheng)與單發測量技(ji)(ji)術(shu)，大(da)口(kou)徑(jing)超(chao)強(qiang)(qiang)激(ji)光時(shi)空特(te)性在線測量技(ji)(ji)術(shu)，大(da)口(kou)徑(jing)超(chao)強(qiang)(qiang)激(ji)光波前整形與新(xin)型高(gao)性能(neng)聚焦系統設(she)計，超(chao)強(qiang)(qiang)激(ji)光時(shi)空電場(chang)精密(mi)控制(zhi)與波長(chang)調(diao)諧技(ji)(ji)術(shu)，超(chao)強(qiang)(qiang)激(ji)光脈沖(chong)的(de)(de)腔外(wai)脈沖(chong)壓縮(suo)技(ji)(ji)術(shu)，渦旋、徑(jing)向偏振(zhen)等特(te)殊光場(chang)的(de)(de)超(chao)強(qiang)(qiang)激(ji)光產生及(ji)其應用等。
4.高重復頻率高平均功率超(chao)強(qiang)激光
未來重點發展方向(xiang)主(zhu)要包括：新(xin)型飛(fei)秒(miao)光(guang)(guang)纖(xian)(xian)放大(da)(da)、新(xin)型碟片激光(guang)(guang)放大(da)(da)技(ji)(ji)術(shu)(shu)，高(gao)重復頻(pin)率飛(fei)秒(miao)激光(guang)(guang)脈(mo)沖時(shi)間堆積與空(kong)間相(xiang)干組(zu)束(shu)技(ji)(ji)術(shu)(shu)及其衍生(sheng)創新(xin)技(ji)(ji)術(shu)(shu)，空(kong)間相(xiang)干組(zu)束(shu)中甚多(duo)束(shu)激光(guang)(guang)的相(xiang)位測(ce)量與主(zhu)動反饋控制技(ji)(ji)術(shu)(shu)，新(xin)型飛(fei)秒(miao)激光(guang)(guang)放大(da)(da)的特殊(shu)光(guang)(guang)纖(xian)(xian)設計與加工技(ji)(ji)術(shu)(shu)，脈(mo)沖壓縮與色散管(guan)理技(ji)(ji)術(shu)(shu)，高(gao)重復頻(pin)率激光(guang)(guang)泵浦源技(ji)(ji)術(shu)(shu)，高(gao)重復頻(pin)率放大(da)(da)過程(cheng)中熱(re)效應管(guan)理技(ji)(ji)術(shu)(shu)，高(gao)性(xing)能(neng)增益光(guang)(guang)纖(xian)(xian)、高(gao)性(xing)能(neng)啁啾光(guang)(guang)纖(xian)(xian)光(guang)(guang)柵與透射光(guang)(guang)柵等(deng)核(he)心(xin)元器件研制，時(shi)空(kong)光(guang)(guang)場精密控制與波(bo)長調諧技(ji)(ji)術(shu)(shu)等(deng)。
六、對策建議
（1）結(jie)合國家在太空與(yu)深空、醫(yi)療、能源、核(he)物理等領域的遠(yuan)期(qi)重(zhong)大需(xu)求，真(zhen)空物理、暗物質、引力波等國際重(zhong)大基礎科學前沿(yan)的探索(suo)需(xu)要(yao)，盡快(kuai)(kuai)制(zhi)定(ding)中長期(qi)發展戰略規劃，成(cheng)立超快(kuai)(kuai)超強激光基礎科學中心或(huo)協同創(chuang)新中心，為相關重(zhong)要(yao)研究方向提供持續穩定(ding)的資源保障(zhang)。注重(zhong)基礎研究，追求實現更多“從0到1”的(de)原創性(xing)突破，加強核心(xin)技術和“卡脖子”技(ji)術的梳理分類，提前進(jin)行科學布(bu)局和技(ji)術攻關。
（2）基(ji)礎科(ke)學的(de)突破(po)發展，重在(zai)具有原創(chuang)(chuang)(chuang)(chuang)和(he)創(chuang)(chuang)(chuang)(chuang)新(xin)能力的(de)科(ke)研人(ren)(ren)員。鼓(gu)勵創(chuang)(chuang)(chuang)(chuang)造(zao)有利于創(chuang)(chuang)(chuang)(chuang)新(xin)的(de)科(ke)研環境氛(fen)圍，建立有利于創(chuang)(chuang)(chuang)(chuang)新(xin)的(de)科(ke)研管理與(yu)激(ji)勵制度。引進和(he)培育更(geng)多數量(liang)的(de)領(ling)(ling)域科(ke)研人(ren)(ren)才(cai)，特別是具有原創(chuang)(chuang)(chuang)(chuang)性科(ke)研思想和(he)交叉學科(ke)背景的(de)領(ling)(ling)軍人(ren)(ren)才(cai)。以(yi)人(ren)(ren)才(cai)發展保障眾多原創(chuang)(chuang)(chuang)(chuang)性成(cheng)果涌(yong)現，從而引領(ling)(ling)世(shi)界激(ji)光領(ling)(ling)域的(de)科(ke)學和(he)技術(shu)研究(jiu)。
（3）提高人類認知(zhi)的基礎(chu)科學研(yan)究(jiu)，不(bu)僅(jin)需(xu)要(yao)本國科研(yan)人員的創新創造，還(huan)需(xu)要(yao)全(quan)球科學家的聰明才智。加強國際交流合作(zuo)，吸引國際性人才開展聯(lian)合研(yan)究(jiu)，進一步加速和提升相(xiang)關科學研(yan)究(jiu)。在超強激光這(zhe)些我國已經處于領先地(di)位的領域方向以及(ji)一些具有引領性、顛(dian)覆性創新的研(yan)究(jiu)方向，可以考慮在“一(yi)帶(dai)一(yi)路(lu)”倡議框架下，開展(zhan)重大基(ji)礎科學(xue)裝置建設(she)，以我國為主(zhu)并(bing)吸引其他(ta)國家（如(ru)亞洲國家、俄羅(luo)斯等）開展(zhan)聯(lian)合(he)研究和技(ji)術攻關。通(tong)過基(ji)礎科研成(cheng)果共(gong)享（類似ELI計(ji)劃(hua)和(he)黑(hei)洞探測計(ji)劃(hua)等(deng)）來提(ti)升我國科(ke)技創新的(de)國際影響力。
（4）為了更好(hao)更快(kuai)實(shi)現(xian)基礎研究成果服務于(yu)國家經濟社(she)會發展需求的目標，建(jian)議科研機構和高等(deng)院校加強(qiang)(qiang)與(yu)企業(ye)的合(he)作(zuo)，促進超快(kuai)超強(qiang)(qiang)激光方面(mian)實(shi)用型科技成果的高效轉化。同時(shi)加強(qiang)(qiang)知識(shi)產權保護與(yu)管理，做(zuo)好(hao)技術(shu)風險防(fang)范工作(zuo)。
來(lai)源(yuan)：中國工(gong)程(cheng)院院刊
