一、前言
激(ji)光出(chu)現后，依托鎖模技術(shu)進(jin)入了飛秒(miao)（10–15 s）超快(kuai)時(shi)代(dai)，并(bing)迅速應(ying)用到物理、生(sheng)物、化學(xue)和(he)材(cai)料(liao)等前沿基礎科學(xue)研究。Zewail教授因飛(fei)秒(miao)化學(xue)方面的開創性研究榮獲1999年諾貝爾化學獎。啁啾脈沖放大技術（CPA）進(jin)一步將(jiang)激光推進(jin)到了超(chao)強時代，相關科學家(jia)榮獲2018年諾貝爾物理(li)學獎。
超快(kuai)超強激光(guang)是(shi)指(zhi)同(tong)時具(ju)有超快(kuai)時域特性和超高(gao)峰值功率特性的(de)(de)特殊光(guang)場(chang)，為(wei)人類在實驗室中創造出了前(qian)所未有的(de)(de)超快(kuai)時間、超高(gao)強場(chang)、超高(gao)溫度(du)和超高(gao)壓力等極(ji)端(duan)物理(li)條件，極(ji)大地(di)促進了物理(li)、化學、生物、材料、醫學以及交(jiao)叉學科(ke)等前(qian)沿科(ke)學的(de)(de)發展(zhan)與(yu)進步。可以認為(wei)，超快(kuai)超強激光(guang)是(shi)用(yong)于拓展(zhan)人類認知的(de)(de)前(qian)沿基(ji)礎科(ke)學研(yan)究(jiu)最(zui)重要的(de)(de)工具(ju)之一，在某些方(fang)面甚至是(shi)獨一無(wu)二、不(bu)可替代的(de)(de)研(yan)究(jiu)手段。
超(chao)快(kuai)超(chao)強(qiang)(qiang)激(ji)光(guang)技術(shu)在(zai)推動前沿(yan)基礎(chu)(chu)科(ke)學(xue)研究持續拓展(zhan)的同時，又面臨(lin)著前沿(yan)基礎(chu)(chu)科(ke)學(xue)研究因(yin)自身深化探(tan)索而新增的能力支撐需(xu)(xu)求，這為激(ji)光(guang)技術(shu)體系(xi)發(fa)(fa)(fa)展(zhan)賦予了強(qiang)(qiang)勁的牽(qian)引力。本文著重(zhong)梳理超(chao)快(kuai)超(chao)強(qiang)(qiang)激(ji)光(guang)的發(fa)(fa)(fa)展(zhan)與科(ke)學(xue)應用需(xu)(xu)求以(yi)及國(guo)內外技術(shu)發(fa)(fa)(fa)展(zhan)情況，在(zai)此(ci)基礎(chu)(chu)上就我(wo)(wo)國(guo)的領域發(fa)(fa)(fa)展(zhan)目標和重(zhong)點方(fang)向(xiang)開展(zhan)論證分析，以(yi)期(qi)為我(wo)(wo)國(guo)激(ji)光(guang)技術(shu)的穩步發(fa)(fa)(fa)展(zhan)提供方(fang)向(xiang)參照。
二、超快超強激光應用與發(fa)展需求分析
超快(kuai)(kuai)超強激(ji)(ji)光在相關前(qian)沿(yan)(yan)(yan)基礎(chu)科(ke)學(xue)(xue)(xue)研(yan)究中(zhong)的(de)應(ying)(ying)用拓展，亟需進一步提(ti)升(sheng)激(ji)(ji)光參數(shu)，探(tan)索利(li)用激(ji)(ji)光脈沖的(de)其他參量來(lai)將超快(kuai)(kuai)和超強前(qian)沿(yan)(yan)(yan)基礎(chu)科(ke)學(xue)(xue)(xue)研(yan)究推進到更為深入的(de)物質層次。根據前(qian)沿(yan)(yan)(yan)科(ke)學(xue)(xue)(xue)研(yan)究目標的(de)差異，未來(lai)領(ling)域應(ying)(ying)用與發展的(de)需求集中(zhong)在以下兩部分(fen)。
（一）超快激(ji)光及其科學應(ying)用(yong)
這一方向(xiang)的未(wei)來發展需求可細分為(wei)阿秒激光(guang)乃至(zhi)仄(ze)秒激光(guang)、極紫外–太赫茲全(quan)波段多維度參量精(jing)密(mi)可控的飛(fei)秒超快激光。
阿(a)秒(miao)(miao)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)乃(nai)至仄秒(miao)(miao)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)追(zhui)求采用更短(duan)脈(mo)沖(chong)寬度(du)的(de)(de)超(chao)快(kuai)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)來研究(jiu)物質(zhi)內(nei)部更快(kuai)的(de)(de)超(chao)快(kuai)過程，需要(yao)發(fa)展(zhan)更高(gao)脈(mo)沖(chong)能量(liang)、更短(duan)脈(mo)沖(chong)寬度(du)、更高(gao)光(guang)(guang)子(zi)能量(liang)的(de)(de)高(gao)性能阿(a)秒(miao)(miao)（10–18 s）激光。將(jiang)阿秒脈沖的(de)光子能量(liang)推進(jin)到硬X射線波段和伽馬(ma)射線波段，將脈沖寬(kuan)度推(tui)進到仄秒（10–21 s）的時間尺度，從(cong)而將(jiang)人類能夠探索的物質層次從(cong)原子/分子水平(ping)推進到原(yuan)子核尺度 。
飛(fei)秒(miao)時間(jian)尺度對(dui)應著原子/分子、材料、生(sheng)物(wu)蛋白(bai)、化學反應(ying)等(deng)豐(feng)富物(wu)質體(ti)系的(de)超(chao)快過(guo)程，有著廣(guang)泛(fan)而重(zhong)要(yao)的(de)應(ying)用。隨著研究的(de)進(jin)一步(bu)拓展(zhan)與深入(ru)，需(xu)要(yao)探索(suo)更加豐(feng)富和復雜的(de)超(chao)快動力(li)學過(guo)程，以致控制(zhi)(zhi)這些超(chao)快過(guo)程。為了對(dui)超(chao)快激光更多維度的(de)參量特(te)性進(jin)行調制(zhi)(zhi)和利用，不僅需(xu)要(yao)將(jiang)飛秒激光的(de)光譜拓展(zhan)到紅(hong)外–太(tai)赫茲波段(duan)、真空紫外–極紫外(wai)波段，還需要發展(zhan)包括時域、振(zhen)(zhen)幅、相位、光譜、偏振(zhen)(zhen)、空間模式等多維度參量在(zai)內的精(jing)密調控飛秒超快激光，以極紫外(wai)–太赫茲全(quan)波段多(duo)維度(du)參(can)量精密可控的飛(fei)秒超快激光為(wei)代表。
（二）超強激光(guang)及其科(ke)學(xue)應用
根據定位和應用目標的(de)差(cha)異，這一方向可(ke)分為低重(zhong)(zhong)復(fu)頻率(lv)(lv)超高峰值(zhi)功率(lv)(lv)超強激光、高重(zhong)(zhong)復(fu)頻率(lv)(lv)高平均功率(lv)(lv)超強激光。其(qi)中，低重(zhong)(zhong)復(fu)頻率(lv)(lv)是指激光脈沖重(zhong)(zhong)復(fu)頻率(lv)(lv)在(zai)10 Hz及以(yi)下，高(gao)重復(fu)頻率(lv)是(shi)指激光脈沖(chong)重復(fu)頻率(lv)在1 kHz及(ji)以上。
唯有(you)利用超(chao)強(qiang)激(ji)光(guang)，人類(lei)方可在實驗(yan)室中產生(sheng)宇(yu)宙星(xing)體內(nei)部和原子(zi)核(he)(he)內(nei)部才有(you)的(de)極端物理條件。利用低重復(fu)頻率(lv)超(chao)高峰值功率(lv)超(chao)強(qiang)激(ji)光(guang)，可在實驗(yan)室中研究激(ji)光(guang)粒子(zi)加速、光(guang)核(he)(he)物理、伽馬(ma)光(guang)–光(guang)(guang)對(dui)撞等微觀尺度的前(qian)沿物(wu)理(li)(li)問題，也可在宏觀尺度上研(yan)究(jiu)超(chao)新星爆發、太陽耀斑、黑洞吸積盤噴流等天(tian)體(ti)物(wu)理(li)(li)現象，還可研(yan)究(jiu)引力波(bo)、暗物(wu)質(zhi)、真空物(wu)理(li)(li)等拓展人類未知的前(qian)沿基礎科學(xue)。針(zhen)對(dui)國家重(zhong)(zhong)大理(li)(li)論與實驗研(yan)究(jiu)的需求(qiu)，如激(ji)光(guang)(guang)粒子加速器、核(he)(he)嬗變(bian)等核(he)(he)物(wu)理(li)(li)、高(gao)能物(wu)理(li)(li)、激(ji)光(guang)(guang)聚變(bian)能源(yuan)新途徑、激(ji)光(guang)(guang)核(he)(he)醫(yi)學(xue)等，低重(zhong)(zhong)復頻率(lv)超(chao)高(gao)峰(feng)值功率(lv)超(chao)強(qiang)激(ji)光(guang)(guang)提(ti)供了重(zhong)(zhong)要的科學(xue)研(yan)究(jiu)工具。
在(zai)與國家(jia)戰略需求相關的(de)應(ying)用(yong)領域，如空天(tian)(tian)安全、空天(tian)(tian)環境物理等方面，高平(ping)均功率(lv)的(de)超強(qiang)激光(guang)是重要的(de)驅(qu)動工具，以(yi)能夠(gou)適(shi)應(ying)空天(tian)(tian)特殊環境的(de)高重復頻率(lv)超強(qiang)激光(guang)為典型。高重復頻率(lv)高平(ping)均功率(lv)的(de)超強(qiang)激光(guang)產(chan)生超強(qiang)質子(zi)(zi)束、電(dian)子(zi)(zi)束、中子(zi)(zi)束、X 射(she)線(xian)、伽馬射(she)線(xian)，以致超強太赫茲脈(mo)沖(chong)等次級超強光(guang)源作(zuo)為(wei)新型工具(ju)，可以拓(tuo)展到光(guang)核(he)反應(ying)、激光(guang)推(tui)進、核(he)聚變能源和(he)核(he)廢料處(chu)理(li)、疾病治療等更為(wei)前沿的重大基礎科學(xue)研究和(he)實(shi)際(ji)應(ying)用中(zhong)。
圖1 超快超強激(ji)光的應用(yong)
三(san)、超快超強激光(guang)國(guo)內(nei)外研究現狀
（一）超快激光(guang)及其科學應用
1. 阿秒超快激光
近20年(nian)的(de)發展歷程表明，寬帶高次諧(xie)波產(chan)生阿(a)秒脈沖來拓展應用的(de)根(gen)本局限在于單脈沖能量偏低，國(guo)際主流(liu)的(de)解(jie)決途徑(jing)是建立(li)高功(gong)率和(he)長(chang)波長(chang)的(de)飛(fei)秒超快激光(guang)系統。歐盟投(tou)資(zi)數億歐元，在匈牙利建立(li)了極端光(guang)裝置–阿(a)秒(miao)脈沖源（ELI-ALPS），通過兩個(ge)拍瓦激(ji)(ji)光(guang)(guang)系(xi)統(tong)產(chan)(chan)生(sheng)高(gao)峰值功率(lv)和高(gao)平均(jun)功率(lv)的阿秒(miao)(miao)脈沖(chong)。長波長的中紅外飛秒(miao)(miao)激(ji)(ji)光(guang)(guang)脈沖(chong)系(xi)統(tong)可產(chan)(chan)生(sheng)更(geng)高(gao)光(guang)(guang)子(zi)能量和更(geng)短脈沖(chong)寬度的阿秒(miao)(miao)脈沖(chong)，因(yin)此眾多研(yan)究機構均(jun)在(zai)這(zhe)方(fang)面開展(zhan)工作(zuo)。高(gao)重復(fu)頻率(lv)阿秒(miao)(miao)激(ji)(ji)光(guang)(guang)研(yan)究也取(qu)得重要進展(zhan)。另外，通過X射(she)線自由電子激光（XFEL）產生阿秒脈沖也獲得了初(chu)步驗證，XFEL在(zai)產生高光子能量（硬(ying)X射(she)線(xian)和伽馬射(she)線(xian)波段(duan)）的高(gao)功率阿秒(miao)脈(mo)沖(chong)方面(mian)具有一定優勢。
國(guo)內阿秒激(ji)光研(yan)究(jiu)集中在中國(guo)科學(xue)院(yuan)所(suo)屬的上海(hai)光學(xue)精(jing)密機(ji)(ji)械研(yan)究(jiu)所(suo)、物理研(yan)究(jiu)所(suo)、西安光學(xue)精(jing)密機(ji)(ji)械研(yan)究(jiu)所(suo)等科研(yan)機(ji)(ji)構。由(you)于總體布(bu)局較晚(wan)，當(dang)前研(yan)究(jiu)水平仍(reng)然相對(dui)落后。2009年，上海光學精密(mi)機(ji)械研究所測量了(le)(le)阿秒脈沖鏈的(de)脈沖寬度，獲得了(le)(le)近(jin)傅里葉變(bian)換極限的(de)阿秒脈沖激光。2013年，物理研究所產生(sheng)并測量了單個阿秒脈沖，獲得了脈沖寬度為160 as的脈(mo)沖激光(guang)。西安光(guang)學精(jing)密機械研(yan)究(jiu)(jiu)所在(zai)(zai)阿秒(miao)脈(mo)沖激光(guang)研(yan)究(jiu)(jiu)方(fang)面承(cheng)擔了(le)較(jiao)多任務。國內高等院(yuan)校，如(ru)華中科技(ji)大(da)(da)學、華東師(shi)范大(da)(da)學、北京(jing)大(da)(da)學、國防(fang)科技(ji)大(da)(da)學等也在(zai)(zai)開展阿秒(miao)激光(guang)的相關研(yan)究(jiu)(jiu)。此外，一些研(yan)究(jiu)(jiu)機構還(huan)在(zai)(zai)高功率(lv)激光(guang)加速產生高能電子(zi)和(he)伽馬射線等方(fang)面開展了(le)系(xi)列工作。
2.飛秒超快激光
利(li)用(yong)非(fei)線(xian)性光學方法(fa)，國際上早已將飛秒激光的波長從可(ke)見–近紅外波段拓展(zhan)到深紫外–紫外(wai)、紅(hong)外(wai)–太赫茲波(bo)(bo)段。自(zi)由電子激光(guang)器也(ye)已(yi)獲(huo)得(de)(de)真空紫(zi)(zi)外(wai)和(he)極紫(zi)(zi)外(wai)波(bo)(bo)段以及太赫茲超(chao)快(kuai)飛秒激光(guang)，具有高能量和(he)波(bo)(bo)長可(ke)調諧(xie)的優(you)勢，但相關(guan)裝置較為(wei)復雜。為(wei)了研究更(geng)復雜豐富的超(chao)快(kuai)動力學過(guo)程，多參(can)量光(guang)場(chang)精密調控和(he)多波(bo)(bo)長飛秒超(chao)快(kuai)激光(guang)也(ye)獲(huo)得(de)(de)了發展。
國內較多研(yan)究團隊直接采用商用進口的飛秒(miao)激光(guang)(guang)器，疊加非線性效應來拓展波(bo)長(chang)等參量。在光(guang)(guang)場精密調控和多波(bo)長(chang)飛秒(miao)超快激光(guang)(guang)方面，上(shang)海光(guang)(guang)學精密機(ji)械研(yan)究所(suo)、上(shang)海科技大(da)學、西安交(jiao)通大(da)學等機(ji)構完成(cheng)了(le)系列研(yan)究。2019年，中國科學院(yuan)大連化學物理研究(jiu)所構(gou)建的(de)自由電子激光器已經(jing)投入運行，在50~200 nm 真空紫(zi)外與極(ji)紫(zi)外波段實(shi)(shi)現了波長連(lian)續可調的超(chao)快激(ji)光(guang)輸出，發揮了飛秒超(chao)快激(ji)光(guang)對(dui)基(ji)礎科學研(yan)究的支撐和拓展作用。中國(guo)工程物理研(yan)究院利用自由電(dian)子激(ji)光(guang)實(shi)(shi)現了太赫茲波段超(chao)快激(ji)光(guang)輸出。
（二）超強(qiang)激光(guang)及其科學應(ying)用
這(zhe)一(yi)方向的國際研究進展(zhan)快速且(qie)競爭激(ji)烈，世界上已建(jian)成50多套拍瓦級激光裝置。
1. 低重復頻率(lv)超高峰值功率(lv)超強激光(guang)
歐盟、美國、日(ri)本、韓國、俄羅斯等國家或地區均在(zai)建設(she)十拍瓦級(ji)激光重大(da)科(ke)學(xue)裝置。近(jin)期(qi)多個(ge)國家或地區提出了100~200 PW重大(da)激光科學裝置的(de)發(fa)展計劃。
歐盟10多個(ge)國(guo)家的近(jin)40個科研機(ji)構聯合提出超強光基礎(chu)設施（ELI）計劃，旨在發展200PW超強激(ji)光裝置，已(yi)被納入歐盟未(wei)來大科學裝置發展路線圖(tu)；2019年實現了10 PW超強激(ji)光輸出(chu)。法國 Apollon 激光裝(zhuang)置2017 年實現了(le)5 PW激光輸出，2018 年實現了(le)10 PW激光輸(shu)出(chu)(chu)，更高指標輸(shu)出(chu)(chu)目前有所延遲。英(ying)國(guo) Vulcan 激光裝置計劃采用光參量啁(zhou)啾脈沖放大（OPCPA）技(ji)術，將輸(shu)出脈(mo)沖峰值功率由拍(pai)瓦級提升至十拍(pai)瓦級。俄羅斯規劃用(yong)于(yu)極端光學研究(jiu)的艾(ai)瓦中心（XCELS）擬實(shi)現200 PW峰值功率，待(dai)建激光裝(zhuang)置包(bao)含12束功(gong)率為(wei)15 PW、脈沖寬度(du)為25 fs超(chao)強激(ji)光，利用相干合成技(ji)術來輸出激(ji)光。日本激(ji)光快速點燃實驗項(xiang)目（LFEX）裝置已經(jing)實現了皮秒(miao)量(liang)級、脈沖能量(liang)達2 kJ的拍瓦(wa)激光(guang)(guang)輸出，主(zhu)要(yao)用于支(zhi)持快點火(huo)激光(guang)(guang)核聚變、天體物理方面的研究。韓國光(guang)(guang)州科學(xue)技術(shu)院（GIST）基于鈦寶石(shi)CPA方案，在(zai)0.1 Hz重(zhong)復頻率(lv)下實現(xian)了4.2 PW激光輸出。美(mei)國羅徹(che)斯特大學OMEGA EP裝置(zhi)具有1 kJ/1 ps/1 PW的激(ji)(ji)光(guang)輸出(chu)能力，同(tong)步提出(chu)了百(bai)拍瓦級(ji)超強激(ji)(ji)光(guang)的發展構想。
國內低重復頻率超(chao)高峰值功率超(chao)強(qiang)激光研究方向起步較早，已經形成了實(shi)力較強(qiang)、梯隊合(he)理的研究隊伍。自(zi)1996年起，每兩(liang)年召開1次的“全國(guo)強場激光物理會議”顯著促進了(le)相關領域的學術交流和研究進展。近(jin)年來，我國在此方向取得了(le)一些(xie)重要(yao)研究成果，部分成果已經(jing)處于國際領先水平(ping)。2017年，中國工程物理研究院基于大口(kou)徑三硼酸鋰（LBO）晶體和OPCPA技術路線獲得(de)了近5 PW超強激光(guang)輸出。上海光(guang)學精密機械(xie)研究所利(li)用鈦寶石CPA 方案，2016年(nian)在國際上率先實現5 PW激光輸出，2017年在國際上(shang)率先實現10 PW放大輸出；利用OPCPA技術也實現了1 PW激光輸出；2018年在國際上率先立項并啟動建設(she)(she)百拍瓦級(ji)超(chao)強激光(guang)裝置(zhi)。此外(wai)，一些高(gao)等院校近期也提(ti)出了建設(she)(she)數十拍瓦級(ji)激光(guang)裝置(zhi)的規劃設(she)(she)想。
2. 高(gao)重復頻率(lv)高(gao)平均功率(lv)超強激光
這(zhe)一方向的技術方法主要分為(wei)碟片(pian)超(chao)快(kuai)(kuai)激光和光纖(xian)超(chao)快(kuai)(kuai)激光。碟片(pian)激光器在解決增益(yi)介質的熱(re)效應管理問題之后，實現(xian)了平均功率為(wei)千瓦級的輸出。光纖(xian)飛秒激光具有散熱(re)好、集成方便靈(ling)活(huo)、光束質量(liang)好、轉換(huan)效率高(gao)等優勢，且可實現(xian)1 MHz以(yi)上(shang)重復頻率(lv)的激光放(fang)大，近年來獲得(de)迅速發展。受限于(yu)非(fei)線性(xing)效應，光纖(xian)中(zhong)的CPA輸出(chu)能量和功率還不高。
2012年，國際知名學者Mourou教授(shou)在歐盟組織啟動(dong)了(le)“國際(ji)放大相干網絡”（ICAN）計劃，旨在(zai)推動基于(yu)(yu)光纖飛(fei)秒(miao)激光及其組(zu)束技術的發(fa)展，實現高重復(fu)頻率、高平均功(gong)率和高峰(feng)值功(gong)率的超強激光脈沖(chong)，探索應(ying)用于(yu)(yu)新一代粒子加速器的驅(qu)動源。在(zai)ICAN計劃（10J/100 fs/10 kHz超強(qiang)激(ji)光(guang)）框架(jia)下，德國耶拿大學牽頭完成了光(guang)纖(xian)飛秒激(ji)光(guang)時間與空(kong)間組束的眾多研究。例如，已經采用16束光(guang)纖飛秒激光(guang)合(he)束獲得了(le)平均功率為千瓦級的(de)高重復頻率激光(guang)輸出；提出的(de)空間相干組束（16×32）與時間相干組束(shu)或脈(mo)沖堆積(ji)相結合(he)的新技術方案(an)，有(you)望更加(jia)經濟地實現300 fs/100 TW超強激光(guang)輸出。
國(guo)內高(gao)重復頻率(lv)(lv)高(gao)平均功率(lv)(lv)超強激(ji)光(guang)(guang)(guang)還缺乏系統的(de)研(yan)究布局，僅有上(shang)(shang)海光(guang)(guang)(guang)學精密機械研(yan)究所、北京大學、國(guo)防(fang)科技大學、天(tian)津(jin)大學等少量研(yan)究單(dan)位各自(zi)在分立的(de)核心技術方向上(shang)(shang)開展研(yan)究和(he)探索，如高(gao)性能增益光(guang)(guang)(guang)纖研(yan)制、碟片激(ji)光(guang)(guang)(guang)放大技術、光(guang)(guang)(guang)纖飛秒振蕩器、光(guang)(guang)(guang)纖CPA技術、空間(jian)激光(guang)組束(shu)、脈沖時間(jian)堆積和脈沖壓縮(suo)等(deng)(deng)。一些科(ke)研機構和高(gao)等(deng)(deng)院校(xiao)對大模場面積增益光(guang)纖(xian)、高(gao)能量(liang)高(gao)功(gong)率飛(fei)秒(miao)激光(guang)等(deng)(deng)技術方向進行了持續(xu)研究(jiu)。鑒于(yu)在微加工領域(yu)應用的良(liang)好前(qian)景，國內諸多企業開展了數十瓦功(gong)率的光(guang)纖(xian)飛(fei)秒(miao)激光(guang)產品研制，部分企業已經推(tui)出(chu)了功(gong)率為50 W及以上的(de)(de)(de)飛(fei)秒超快激光產(chan)品(pin)。盡管發展迅(xun)速，但(dan)大多數產(chan)品(pin)需(xu)要采用國(guo)外的(de)(de)(de)關鍵器件，而(er)具有自(zi)主(zhu)知識產(chan)權的(de)(de)(de)關鍵器件還較少。整體來看，這方面的(de)(de)(de)研(yan)究較為(wei)分(fen)散，尚未在產(chan)業(ye)鏈條上形成系統規(gui)劃(hua)和分(fen)工協作的(de)(de)(de)局面。
圖(tu)2 超(chao)強超(chao)快激光(guang)的應用
四、我國(guo)超(chao)快超(chao)強激光發展思路與目標(biao)
（一）超(chao)快激(ji)光及(ji)其科學應用
1. 阿秒超快激光
阿秒脈(mo)沖的光子能量突破至1 keV乃至10 keV水平，支持開展阿秒超快(kuai)內殼層電(dian)子動力學、電(dian)子自(zi)旋–軌道動(dong)力學等(deng)基礎(chu)物理過程、大(da)分子(zi)(zi)乃至生物大(da)分子(zi)(zi)等(deng)復雜結構(gou)的(de)超(chao)快電(dian)子(zi)(zi)動(dong)力學與(yu)結構(gou)變化等(deng)研(yan)究。涉及的(de)關鍵技(ji)術包括：高(gao)功率、少周期、載波包絡相(xiang)位穩定的(de)中(zhong)紅外激(ji)光(guang)系(xi)統，高(gao)亮度千(qian)電(dian)子(zi)(zi)伏特級阿秒激(ji)光(guang)脈沖產生，高(gao)分辨電(dian)子(zi)(zi)與(yu)多(duo)電(dian)子(zi)(zi)動(dong)量測量，通過康普頓散射(she)方法(fa)將(jiang)光(guang)子(zi)(zi)能量推進(jin)到(dao)硬(ying)X射線波(bo)段和伽馬(ma)射線波(bo)段。
超(chao)快(kuai)脈(mo)沖的脈(mo)沖寬度突破至仄秒水(shui)平，支(zhi)持開展深內殼層(ceng)電子動(dong)(dong)力學(xue)乃至原子核的動(dong)(dong)力學(xue)研究。阿秒脈(mo)沖的光子能(neng)量達到10 keV水平乃至伽馬射線(xian)波段，阿秒脈沖寬度具備進入仄秒時間尺度的(de)可能(neng)性。涉及的(de)關鍵技術包括：與(yu)提高產(chan)生效率相關的(de)技術，與(yu)實(shi)際應用相關的(de)超快測(ce)量技術，仄秒脈沖寬度測(ce)量等。
2. 飛(fei)秒(miao)超(chao)快(kuai)激光
隨著飛秒超快光譜基(ji)礎科學研(yan)究的發(fa)展(zhan)，除了利用(yong)脈(mo)沖時(shi)域(yu)特性(xing)以(yi)外(wai)，光譜和偏振特性(xing)也是可以(yi)利用(yong)的重要特性(xing)。后續主要研(yan)究思(si)路(lu)為：發(fa)展(zhan)兆赫茲重復頻(pin)率(lv)極紫外(wai)–太赫茲波段寬帶(dai)飛(fei)秒激(ji)光(guang)(guang)，發(fa)展(zhan)高(gao)性能、多(duo)波長的(de)(de)飛(fei)秒激(ji)光(guang)(guang)脈(mo)(mo)沖和多(duo)波長飛(fei)秒光(guang)(guang)頻梳，實現(xian)同時脈(mo)(mo)沖形狀和空間徑(jing)向偏振（或渦旋）的(de)(de)、精(jing)密(mi)(mi)調控的(de)(de)特殊時空結構飛(fei)秒激(ji)光(guang)(guang)；發(fa)展(zhan)吉赫茲重(zhong)復(fu)頻率超(chao)快(kuai)激(ji)光(guang)(guang)，突破單光(guang)(guang)子和量子糾纏等新型超(chao)快(kuai)光(guang)(guang)譜技術(shu)，提(ti)升(sheng)超(chao)快(kuai)光(guang)(guang)譜的(de)(de)穩定性和探測效率，支持(chi)更(geng)加(jia)純(chun)粹的(de)(de)微觀體系和更(geng)加(jia)復(fu)雜(za)的(de)(de)多(duo)體超(chao)快(kuai)動力學過程研(yan)究；利用(yong)多(duo)參量精(jing)密(mi)(mi)可控的(de)(de)超(chao)快(kuai)激(ji)光(guang)(guang)，研(yan)究腦科學、腫(zhong)瘤、生(sheng)物(wu)(wu)發(fa)育與再(zai)生(sheng)等方面的(de)(de)生(sheng)物(wu)(wu)過程精(jing)密(mi)(mi)光(guang)(guang)控制。
（二）超強激光及其科學應用(yong)
1. 低重復頻率超(chao)高峰值(zhi)功率超(chao)強激(ji)光
需求牽(qian)引在于(yu)重(zhong)大(da)前(qian)沿物(wu)理(li)科(ke)學問題研究，以(yi)期拓展(zhan)人類認知(zhi)。后續發展(zhan)方向依然是繼續提升激光的峰值功率(lv)（從(cong)100 PW到(dao)1 EW），搶占最高聚(ju)焦(jiao)功率密(mi)度（1025 W/cm2）的(de)(de)技(ji)術高地，為科學前沿(yan)研究(jiu)提(ti)供最先(xian)進的(de)(de)極端物理條(tiao)件(jian)。為了提(ti)升這(zhe)類前沿(yan)實驗的(de)(de)效率和可靠性，還應(ying)(ying)適當提(ti)升超(chao)強激(ji)光(guang)(guang)的(de)(de)重(zhong)復頻率，開展(zhan)(zhan)渦旋光(guang)(guang)等特殊光(guang)(guang)場的(de)(de)超(chao)強激(ji)光(guang)(guang)輸出(chu)及其應(ying)(ying)用研究(jiu)；時(shi)空電場精密控制與(yu)波長(chang)調諧的(de)(de)超(chao)強激(ji)光(guang)(guang)將進一步(bu)拓展(zhan)(zhan)應(ying)(ying)用范圍(wei)。隨著激(ji)光(guang)(guang)聚(ju)焦(jiao)功率密度(du)的(de)(de)不斷提(ti)升，激(ji)光(guang)(guang)脈沖的(de)(de)時(shi)間對比(bi)度(du)要(yao)求越(yue)來越(yue)高，應(ying)(ying)針對性開展(zhan)(zhan)有(you)(you)關輸出(chu)與(yu)測量的(de)(de)創新研究(jiu)。此(ci)外，大口徑激(ji)光(guang)(guang)聚(ju)焦(jiao)的(de)(de)創新研究(jiu)和設計成(cheng)(cheng)為發展(zhan)(zhan)亟需(xu)，在(zai)有(you)(you)效提(ti)升聚(ju)焦(jiao)功率密度(du)的(de)(de)同時(shi)，可緩解放大輸出(chu)激(ji)光(guang)(guang)能量伴生的(de)(de)成(cheng)(cheng)本問題。
峰值功率和重(zhong)復(fu)頻率是未(wei)來(lai)研究發展的突破(po)口(kou)。預計在2025年(nian)、2030年和2035年(nian)，將(jiang)分別(bie)實現100 PW、500 PW和 1000 PW（1 EW）峰值功率的激光輸(shu)出，在重復頻率方面(mian)也將取得(de)突破性提升(sheng)。
①利用5年左(zuo)右的時間，實現單發100 PW峰值功(gong)率輸出、重復頻(pin)率10 PW 激光輸(shu)出；激光裝置進行真空極化處理，支持天(tian)體物(wu)(wu)理、反(fan)物(wu)(wu)質等(deng)基礎研(yan)究(jiu)初(chu)步取(qu)得開創性科研(yan)成(cheng)果。
②利用10年(nian)左右的(de)時(shi)間，通過提升(sheng)泵浦(pu)激(ji)光(guang)能量來突破大尺寸(cun)光(guang)柵等(deng)關鍵元器件的(de)研制和延壽問題，利用空間激(ji)光(guang)合(he)束等(deng)方(fang)法(fa)實現500 PW激光輸出，支(zhi)持開展引力波(bo)、暗物質等前沿重大研究。
③利用(yong)15年左右的時(shi)間，在更高(gao)功率(lv)泵(beng)浦激光方面，通(tong)過提升大尺(chi)(chi)寸(cun)光柵等關鍵元器件(jian)的尺(chi)(chi)寸(cun)和損傷閾值，結合(he)空(kong)間相干組(zu)束(shu)方法來實現艾瓦級(ji)激光輸(shu)出(chu)；發展新型(xing)聚焦系統，將聚焦功率(lv)密度(du)提升至1025 W/cm2；探索基(ji)于光(guang)(guang)和(he)物質相互(hu)作用的新原理、新方(fang)法來實現(xian)艾瓦級激光(guang)(guang)輸(shu)出，為激光(guang)(guang)發(fa)展(zhan)開拓新的技術方(fang)案(an)；獲得(de)達到近量子電動力學（QED）區(qu)域(yu)的超(chao)強激(ji)光，支(zhi)持開展(zhan)更(geng)加前沿(yan)的強場激(ji)光物理研究。
2. 高(gao)重復頻率高(gao)平均功率超強激光
根據我國(guo)的現有(you)(you)技術水平、技術發(fa)展(zhan)(zhan)預期和國(guo)家重大需(xu)求，高重復頻率高平均功率超強激光發(fa)展(zhan)(zhan)具有(you)(you)以下(xia)發(fa)展(zhan)(zhan)趨勢。
①利(li)用(yong)5年左右的時(shi)間，重(zhong)點(dian)掌握飛秒光纖CPA、空間(jian)相干組束、脈沖時間(jian)堆積、大能量脈沖壓縮等(deng)核心技(ji)術，通過路徑(jing)和設計創新，降低這類激光(guang)的復雜性、難度和成本。
②利用(yong)10年左右(you)的時間，在實驗室中(zhong)產(chan)生太(tai)瓦(wa)級千赫(he)茲重復頻率的超強(qiang)(qiang)激(ji)(ji)光輸出；重點開(kai)展強(qiang)(qiang)場(chang)激(ji)(ji)光物理(li)中(zhong)的高次諧(xie)波(bo)產(chan)生阿秒(miao)激(ji)(ji)光脈(mo)沖(chong)、激(ji)(ji)光電子(zi)加速等研究，獲得高通(tong)量的阿秒(miao)激(ji)(ji)光脈(mo)沖(chong)，促進原子(zi)/分子和(he)材料中阿秒動力學研究的(de)發展；通過激光(guang)技術(shu)突(tu)破來帶(dai)動工業應用的(de)大(da)發展，降(jiang)低(di)光(guang)纖飛秒激光(guang)的(de)功率成本。
③利用(yong)15年(nian)左(zuo)右的時間，實現十(shi)太瓦(wa)級千赫茲以上重復頻率的超強激(ji)(ji)(ji)光(guang)輸出；通(tong)過工業(ye)領(ling)域(yu)的批量應用(yong)來驅動(dong)光(guang)纖(xian)飛秒(miao)激(ji)(ji)(ji)光(guang)功(gong)率成本(ben)的顯著(zhu)降(jiang)低；對(dui)太瓦(wa)級激(ji)(ji)(ji)光(guang)進行空間合束(shu)(shu)，在實驗室中實現十(shi)太瓦(wa)級高(gao)(gao)重復頻率的超強激(ji)(ji)(ji)光(guang)；重點(dian)開(kai)展小(xiao)型化粒子(zi)加速器研究(jiu)，促進高(gao)(gao)重復頻率、高(gao)(gao)能量質子(zi)束(shu)(shu)在醫療領(ling)域(yu)的拓(tuo)展應用(yong)；利(li)用(yong)激(ji)(ji)(ji)光(guang)產生的高(gao)(gao)能中子(zi)源(yuan)，探索(suo)激(ji)(ji)(ji)光(guang)聚變能源(yuan)和(he)核(he)廢料處(chu)理等(deng)重要方面(mian)的應用(yong)。
五(wu)、超快超強激光的重點技術方向
1. 阿秒超快激光
未來重(zhong)點發展方(fang)向主要包(bao)括：高(gao)能量(liang)單(dan)個(ge)阿(a)(a)(a)秒(miao)(miao)激(ji)(ji)光(guang)脈(mo)(mo)沖(chong)，高(gao)平均功(gong)率（高(gao)重(zhong)復(fu)頻率）阿(a)(a)(a)秒(miao)(miao)激(ji)(ji)光(guang)，高(gao)光(guang)子能量(liang)阿(a)(a)(a)秒(miao)(miao)脈(mo)(mo)沖(chong)，拓展阿(a)(a)(a)秒(miao)(miao)脈(mo)(mo)沖(chong)應用(yong)的(de)小型化高(gao)重(zhong)復(fu)頻率阿(a)(a)(a)秒(miao)(miao)脈(mo)(mo)沖(chong)。相關(guan)的(de)技(ji)(ji)術發展方(fang)向為：高(gao)品(pin)質(zhi)的(de)少周期（含中(zhong)紅外）激(ji)(ji)光(guang)脈(mo)(mo)沖(chong)技(ji)(ji)術，簡(jian)單(dan)便捷的(de)阿(a)(a)(a)秒(miao)(miao)激(ji)(ji)光(guang)脈(mo)(mo)沖(chong)測量(liang)技(ji)(ji)術、新型阿(a)(a)(a)秒(miao)(miao)激(ji)(ji)光(guang)應用(yong)技(ji)(ji)術，高(gao)品(pin)質(zhi)高(gao)亮度硬X射線(xian)和伽馬射線(xian)產生(sheng)技(ji)術、仄秒激(ji)光技(ji)術等。
2.飛秒超快激光(guang)
未來重點發(fa)展方向主(zhu)要包括：多波(bo)長高性能飛(fei)秒(miao)激(ji)光技(ji)術，寬帶雙頻/多(duo)頻梳飛秒激光(guang)技術，兆(zhao)赫(he)茲高重復頻率高性能真空紫(zi)外–極紫外、紅外–太赫茲(zi)(zi)超快激(ji)光技(ji)術(shu)(shu)，徑向偏(pian)振和渦旋等特殊偏(pian)振與空間模式的飛秒激(ji)光技(ji)術(shu)(shu)，吉赫茲(zi)(zi)高重(zhong)復(fu)頻率(lv)小型(xing)化量子點超快激(ji)光技(ji)術(shu)(shu)，垂直腔面發射（VCSEL）超快激(ji)(ji)光(guang)技術(shu)，涉及時域(yu)、光(guang)譜、偏振(zhen)、空間、相位和(he)振(zhen)幅等多維度光(guang)場精密調控的飛秒激(ji)(ji)光(guang)技術(shu)等。
3.低重復頻(pin)率超(chao)(chao)高峰值功率超(chao)(chao)強激光
聚焦功率密度、對比度是最重要的(de)參(can)數指標，應進一步發展放大技(ji)術(shu)、脈(mo)沖壓縮技(ji)術(shu)、空(kong)間(jian)聚焦技(ji)術(shu)、對比度提升與測量(liang)技(ji)術(shu)。未來(lai)重點技(ji)術(shu)方向具體(ti)包括：高(gao)通量(liang)放大技(ji)術(shu)（即超(chao)大能量(liang)的(de)CPA或OPCPA技(ji)術以及對應(ying)的超(chao)大(da)口徑激(ji)光晶體或非線性晶體研(yan)制），等離子體拉曼放大(da)和準(zhun)參量啁(zhou)啾脈沖放大(da)（QPCPA）等新型放(fang)大(da)(da)(da)技(ji)術，新型壓(ya)(ya)縮器設計及大(da)(da)(da)口(kou)徑(jing)(jing)、高損(sun)傷閾值(zhi)壓(ya)(ya)縮光(guang)(guang)柵的(de)研制(zhi)，大(da)(da)(da)口(kou)徑(jing)(jing)超(chao)強(qiang)激(ji)(ji)光(guang)(guang)組束(shu)技(ji)術，激(ji)(ji)光(guang)(guang)脈沖對比(bi)度提升與單發測量(liang)技(ji)術，大(da)(da)(da)口(kou)徑(jing)(jing)超(chao)強(qiang)激(ji)(ji)光(guang)(guang)時空特(te)性(xing)在(zai)線測量(liang)技(ji)術，大(da)(da)(da)口(kou)徑(jing)(jing)超(chao)強(qiang)激(ji)(ji)光(guang)(guang)波前整形與新型高性(xing)能聚焦系統設計，超(chao)強(qiang)激(ji)(ji)光(guang)(guang)時空電場精密控(kong)制(zhi)與波長調(diao)諧技(ji)術，超(chao)強(qiang)激(ji)(ji)光(guang)(guang)脈沖的(de)腔外脈沖壓(ya)(ya)縮技(ji)術，渦(wo)旋、徑(jing)(jing)向偏振等特(te)殊光(guang)(guang)場的(de)超(chao)強(qiang)激(ji)(ji)光(guang)(guang)產生及其應用(yong)等。
4.高重復頻率高平均功率超強激(ji)光
未來重(zhong)點發(fa)展方(fang)向(xiang)主要(yao)包括：新(xin)型(xing)飛(fei)秒光(guang)(guang)(guang)纖放大(da)(da)、新(xin)型(xing)碟片激光(guang)(guang)(guang)放大(da)(da)技(ji)(ji)(ji)術(shu)，高(gao)(gao)重(zhong)復(fu)頻(pin)率飛(fei)秒激光(guang)(guang)(guang)脈(mo)沖(chong)時(shi)間堆積與空間相干組束(shu)技(ji)(ji)(ji)術(shu)及其(qi)衍(yan)生創新(xin)技(ji)(ji)(ji)術(shu)，空間相干組束(shu)中(zhong)甚(shen)多束(shu)激光(guang)(guang)(guang)的(de)相位測量與主動反饋控(kong)制技(ji)(ji)(ji)術(shu)，新(xin)型(xing)飛(fei)秒激光(guang)(guang)(guang)放大(da)(da)的(de)特殊光(guang)(guang)(guang)纖設計與加工技(ji)(ji)(ji)術(shu)，脈(mo)沖(chong)壓縮與色散管理技(ji)(ji)(ji)術(shu)，高(gao)(gao)重(zhong)復(fu)頻(pin)率激光(guang)(guang)(guang)泵(beng)浦源技(ji)(ji)(ji)術(shu)，高(gao)(gao)重(zhong)復(fu)頻(pin)率放大(da)(da)過(guo)程中(zhong)熱效應管理技(ji)(ji)(ji)術(shu)，高(gao)(gao)性(xing)能(neng)增益光(guang)(guang)(guang)纖、高(gao)(gao)性(xing)能(neng)啁啾光(guang)(guang)(guang)纖光(guang)(guang)(guang)柵與透射光(guang)(guang)(guang)柵等(deng)核心(xin)元器(qi)件研(yan)制，時(shi)空光(guang)(guang)(guang)場精密控(kong)制與波長(chang)調諧(xie)技(ji)(ji)(ji)術(shu)等(deng)。
六、對策建議
（1）結合(he)國家在太空(kong)(kong)與深(shen)空(kong)(kong)、醫療、能源、核(he)物(wu)理(li)等領域的(de)遠(yuan)期重(zhong)大需求(qiu)(qiu)，真空(kong)(kong)物(wu)理(li)、暗物(wu)質、引力波(bo)等國際重(zhong)大基(ji)礎(chu)科(ke)學前(qian)沿的(de)探索需要(yao)，盡快(kuai)制定(ding)中長期發展戰略規(gui)劃，成(cheng)立超(chao)快(kuai)超(chao)強激光基(ji)礎(chu)科(ke)學中心或協同創新(xin)中心，為相關(guan)重(zhong)要(yao)研(yan)究方向提供持續穩定(ding)的(de)資源保障。注重(zhong)基(ji)礎(chu)研(yan)究，追求(qiu)(qiu)實現更多“從0到1”的原(yuan)創(chuang)性突破，加強核心技術和“卡脖子”技術的(de)梳理分類，提(ti)前進行科學布局和技術攻關。
（2）基礎科(ke)(ke)學(xue)(xue)的(de)突破發(fa)展(zhan)，重(zhong)在具有原(yuan)(yuan)創(chuang)(chuang)和(he)創(chuang)(chuang)新能力的(de)科(ke)(ke)研(yan)(yan)人員。鼓勵創(chuang)(chuang)造有利于(yu)(yu)創(chuang)(chuang)新的(de)科(ke)(ke)研(yan)(yan)環境氛圍，建立有利于(yu)(yu)創(chuang)(chuang)新的(de)科(ke)(ke)研(yan)(yan)管(guan)理與激勵制度(du)。引進(jin)和(he)培育(yu)更(geng)多數(shu)量的(de)領(ling)(ling)(ling)域科(ke)(ke)研(yan)(yan)人才(cai)(cai)，特別是具有原(yuan)(yuan)創(chuang)(chuang)性科(ke)(ke)研(yan)(yan)思(si)想(xiang)和(he)交叉學(xue)(xue)科(ke)(ke)背(bei)景的(de)領(ling)(ling)(ling)軍人才(cai)(cai)。以人才(cai)(cai)發(fa)展(zhan)保障眾多原(yuan)(yuan)創(chuang)(chuang)性成(cheng)果涌現，從而(er)引領(ling)(ling)(ling)世(shi)界激光領(ling)(ling)(ling)域的(de)科(ke)(ke)學(xue)(xue)和(he)技術研(yan)(yan)究。
（3）提(ti)高人類認知的(de)基礎科學(xue)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)，不(bu)僅需要(yao)本國(guo)(guo)(guo)科研(yan)(yan)人員的(de)創新創造(zao)，還需要(yao)全球(qiu)科學(xue)家的(de)聰明才(cai)智。加(jia)(jia)強(qiang)國(guo)(guo)(guo)際交流(liu)合(he)作，吸引(yin)國(guo)(guo)(guo)際性人才(cai)開展聯合(he)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)，進一步加(jia)(jia)速和(he)提(ti)升相關(guan)科學(xue)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)。在(zai)超強(qiang)激光這些我國(guo)(guo)(guo)已經處于領(ling)先地位的(de)領(ling)域方向(xiang)以(yi)及(ji)一些具有引(yin)領(ling)性、顛覆性創新的(de)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)方向(xiang)，可以(yi)考慮(lv)在(zai)“一(yi)帶一(yi)路”倡議框架下(xia)，開展(zhan)重大基(ji)礎(chu)科學裝(zhuang)置(zhi)建(jian)設，以我國(guo)(guo)為(wei)主并吸引其他國(guo)(guo)家（如亞洲國(guo)(guo)家、俄(e)羅斯(si)等(deng)）開展(zhan)聯合研(yan)究和(he)技術攻(gong)關。通過基(ji)礎(chu)科研(yan)成(cheng)果共享（類(lei)似ELI計劃和黑洞探測計劃等(deng)）來提(ti)升我國(guo)科技(ji)創(chuang)新的國(guo)際影響力。
（4）為了更(geng)好(hao)更(geng)快實現基礎研(yan)究成果服(fu)務于國家經濟社會發展需求(qiu)的(de)(de)目標，建議科(ke)研(yan)機構和高等院校加(jia)強(qiang)與企(qi)業(ye)的(de)(de)合作，促進超快超強(qiang)激光方面實用型科(ke)技(ji)(ji)成果的(de)(de)高效轉化(hua)。同時加(jia)強(qiang)知(zhi)識產權保護(hu)與管理，做好(hao)技(ji)(ji)術風險防范工作。
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