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    超快光學與超強激光技術研究以超快激光技術和超高強度超短脈沖 (簡稱“超強超短”) 激光技術，超快激光或者超強超短激光與物質的相互作用以及交叉學科與相關高新技術領域中的應用相關的科學技術問題為研究對象。超快激光技術在分子動力學、化學反應控制、電子微觀動力學、分子生物學等方面有著重要應用前景, 也形成了阿秒脈沖的產生與測量、新波段超快激光、超快非線性光學、超快激光微納制備、寬帶光學頻率梳等研究方向。

圓偏振拍瓦超強超短激光驅動的無碰撞激波加速高品質質子束的示意圖（上海光機所激光質子刀研究取得重要進展，是超強超快激光應用的又一項突破）

超強超短激光技術的研究以拍瓦級 (10^15 W) 激光技術為前沿熱點。這種激光光源被認為是人類已知的最亮光源, 經過近十多年的快速發展, 超強超短激光技術目前正處于取得重大突破的前夜。未來5年左右, 激光脈沖的峰值功率可望突破20拍瓦乃至艾瓦 (10^18 W) 量級, 聚焦強度可能超過10^23 W/cm^2, 甚至達到 10^26 W/cm^2以上的超高量級, 這樣的激光條件下激光與物質的相互作用首次進入到了一個前所未有的強相對論性與高度非線性的范疇, 能在實驗室內創造出前所未有的超高能量密度, 超強電磁場和超快時間尺度綜合性極端物理條件, 在激光加速、激光聚變、等離子體物理、核物理、天體物理、高能物理、材料科學、核醫學等領域具有重大應用價值,

例如: 

超強超短激光驅動的小型化高能電子加速器、高亮度 γ 射線源及高能質子加速器, 有望為基于加速器的新光源、核材料探測與處理、核醫學等重大應用帶來變革性推動。

超強超短激光領域正處于取得重大突破與開拓應用的關鍵階段，國際上正在大力發展超強超短激光光源以及依托其的前沿科技創新平臺。2006年歐盟10多個國家的近40個研究院所和科研機構聯合提出的 Extreme Light Infrastructure (ELI) 計劃，目標是發展峰值功率數百拍瓦甚至艾瓦級超強超短激光裝置，開創激光與物質相互作用研究與應用的新時代，ELI計劃被納入歐盟未來大科學裝置發展路線圖。除此之外, 英國和法國也正在開展各自10拍瓦級超強超短激光裝置的研制工作，美國、俄羅斯、日本、韓國等也提出了類似的超強超短激光裝置研究計劃。

ELI 計劃的主要科學目標是: 

面向 100 GeV 的激光加速, 面向 Schwinger 場的真空結構研究,，1～10 keV 相干 X 射線產生與阿秒科學研究和光核物理研究。ELI 計劃下設 4 大研究裝置, 分別為位于捷克 Prague 的 ELI 束線裝置 (ELI-Beamlines Facility)、位于匈牙利 Szeged 的 ELI阿秒裝置 (ELI-Attosecond Facility)、位于羅馬尼亞 M?agurele 的 ELI 核物理裝置 (ELI-Nuclear Physics Facility), 以及目前尚未定址的 ELI 超強場裝置 (ELI-Ultra High Field Facility)。

捷克首都布拉格的ELI-Beamlines Facilities

俄羅斯科學院應用物理研究所(Institute of Applied Physics)提出的Exawatt Center for Extreme Light Studies(XCELS)計劃瞄準200拍瓦峰值功率的實現，設計中的激光裝置包含12束15拍瓦,25fs超強超短激光，利用相干合成技術實現180拍瓦輸出，最高可能達到200拍瓦)。同時, 裝置還設計有一束100MeV電子直線加速器和一束1拍瓦,1 Hz～10 kHz重復頻率的探針光。擬開展高能物理、強場物理和真空的時空結構探索研究，以及實驗室天體物理和宇宙學、核光學、中子物理、真空、阿秒仄秒物理和基礎計量等研究。

激光束線和研究單位

XCELS設計圖

美國勞倫斯伯克利國家實驗室 (Lawrence Berkeley National Laboratory, LBNL)正在實施 Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) 計劃。該計劃主要是利用輸出參數為40 J, 40 fs, 1 Hz 重復頻率的拍瓦級超強超短激光系統開展激光等離子體加速電子研究, 目標是實現小型化的10GeV量級的高性能電子加速器用于材料科學等前沿研究, 并為未來發展基于多級級聯激光等離子體加速器的1TeV級電子-正電子對撞機提供研究基礎。

BELLA Laser裝置圖

上海光機所強光光學開放實驗室成功建立了當前我國最為先進并達到國際一流水平的15太瓦、35飛秒級小型化超強超快激光裝置。該激光系統具有優良的光束質量，具備了提供10^18~10^19 W/cm^2的超高激光功率密度的強場超快極端條件的能力，是進行相對論性強場與物質相互作用研究不可缺少的實驗工具。

天津大學開展飛秒激光的研究工作近20年，積累了豐富的理論和實驗經驗。在飛秒固體激光研究中，首次觀察到自鎖模自調Q、飛秒脈沖分裂、脈沖碰撞、脈沖序列周期性調制，以及飛秒太瓦激光脈沖在液體傳輸中的平臺超連續光譜等多種新現象。

中科院物理所進行了外靜電場和磁場存在條件下高次諧波發射的半經典理論研究，超強超快激光與原子、分子相互作用的全量子非微擾理論研究，以及超強超快激光與固體相互作用中的高能粒子發射研究并取得重要進展。

復旦大學物理系在強激光場非線性康普頓效應與電子加速的研究中，獲得重要進展，尤其是發現了當激光強度超過某一閾值，電子與光束的相互作用將表現出全新的特性，電子有可能被激光束俘獲并被猛烈加速到吉電子伏以上。

上海超強超短激光裝置

超強超短激光驅動的尾波場電子加速器相比于傳統的高能粒子加速器而言,極限加速電場高出3個量級以上,為實現小型化的高能粒子加速器提供了新原理和新方法,也將對未來的同步輻射裝置、自由電子激光以及高能粒子物理等的研究與發展產生重要影響。國際上激光尾波場電子加速研究在2004年取得突破,實現了100MeV級的準單能電子束,2006年實現了GeV級的準單能電子加速。中國科學院上海光學精密機械研究所2010年獲得了最高能量達到1.8GeV的當時國際最高能量的激光電子加速實驗結果。

尾波場電子加速實驗裝置

質子照相作為一種密度診斷手段,可利用微分截止和散射來顯示樣本靜態或動態的密度變化,是目前探測等離子體中電磁場的唯一方法。在過去的幾年中,質子照相技術已經得到廣泛應用,在實驗中成功探測到瞬時電磁場的數據。中國科學院上海光學精密機械研究所利用拍瓦超強超短激光驅動產生了能量達到10MeV以上的高能質子束,并利用該質子束成功開展了對蜻蜓樣品的質子照相實驗,通過縮小物距實現了蜻蜓的清晰成像。此項研究不僅有助于物理動力學分析研究,在醫學癌癥細胞的早期特征探測方面也有重要應用。

質子成像實驗(a）蜻蜓樣本，（b）PW激光，（c）第一層（d）第二層RCF上蜻蜓成像

成像結果，蜻蜓（a）腳部、（b）尾巴、（c）頭部和（d）翅膀的細微成像，（e）尾巴放大

澤韋爾（A.H.Zewail）由于在發展飛秒光譜技術，并研究化學反應過程中壽命極短的過渡態方面的成就，被授予1999年度諾貝爾化學獎。上述進展也為利用超快強激光控制化學反應帶來了新的希望。有選擇地斷裂或形成一些小分子化學鍵已經成功，但是對大分子復雜體系卻一直未能突破。超快強激光技術與近場光學顯微技術相結合，可以對激光與分子的相互作用進行多維控制，這是研究'單分子物理學'或'單分子化學'的有力手段，并有可能用以對生物大分子進行'剪裁'。

如光泵-超快X射線衍射探針測量技術應用于單晶的超快晶格動力學研究已經實現了皮秒-毫埃的超高時空分辨率；微爆炸和微聚合已使得人們有可能用超快強激光得到優于衍射極限、小于光波長的材料處理精度，在三維高密度數據存儲中帶來了新的應用。最近的實驗也已證實，利用飛秒強激光按微米的間隔，斷續照射含稀土元素釤微粒子的玻璃，加上多重波長重疊記錄技術，記錄密度可提高到1014比特/cm^3等。

1 超快光學與超強激光技術前沿研究，李儒新等，中國科學院上海光學精密機械研究所。

2 超快激光技術及其應用進展，of week激光網