一、前言
激光出(chu)現后，依托鎖模技術進入了(le)飛(fei)秒（10–15 s）超(chao)快(kuai)時代(dai)，并迅(xun)速(su)應(ying)用到(dao)物理(li)、生物、化學(xue)和材料(liao)等前沿基礎科學(xue)研究。Zewail教授因飛秒化學方面的(de)開創性研究榮獲1999年(nian)諾貝爾化學獎。啁啾脈沖放大技(ji)術（CPA）進一步將激光(guang)推進到了超強(qiang)時代，相關科學家榮獲2018年(nian)諾貝爾物理學獎。
超(chao)(chao)(chao)快超(chao)(chao)(chao)強(qiang)激光是(shi)指同時(shi)具有超(chao)(chao)(chao)快時(shi)域(yu)特性(xing)(xing)和(he)超(chao)(chao)(chao)高(gao)(gao)峰值功率特性(xing)(xing)的(de)特殊光場，為(wei)人類(lei)(lei)在實驗室中創造出了前所未有的(de)超(chao)(chao)(chao)快時(shi)間、超(chao)(chao)(chao)高(gao)(gao)強(qiang)場、超(chao)(chao)(chao)高(gao)(gao)溫度和(he)超(chao)(chao)(chao)高(gao)(gao)壓力(li)等(deng)極端物理條件，極大(da)地促進了物理、化學(xue)、生物、材料(liao)、醫學(xue)以及交(jiao)叉學(xue)科(ke)等(deng)前沿科(ke)學(xue)的(de)發展與進步。可以認為(wei)，超(chao)(chao)(chao)快超(chao)(chao)(chao)強(qiang)激光是(shi)用于(yu)拓展人類(lei)(lei)認知(zhi)的(de)前沿基礎科(ke)學(xue)研究最(zui)重要的(de)工具之一(yi)，在某(mou)些方面甚至是(shi)獨一(yi)無二、不可替代的(de)研究手段。
超(chao)(chao)快超(chao)(chao)強(qiang)激(ji)光技術(shu)在(zai)推動前(qian)沿(yan)(yan)基(ji)礎(chu)科(ke)學研究(jiu)持續拓展的同(tong)時，又面臨著(zhu)前(qian)沿(yan)(yan)基(ji)礎(chu)科(ke)學研究(jiu)因自身深化探索而(er)新增的能力支撐(cheng)需(xu)求(qiu)，這為(wei)激(ji)光技術(shu)體系發展賦予了強(qiang)勁的牽引(yin)力。本文(wen)著(zhu)重(zhong)梳理(li)超(chao)(chao)快超(chao)(chao)強(qiang)激(ji)光的發展與科(ke)學應用需(xu)求(qiu)以(yi)及(ji)國(guo)內外技術(shu)發展情況，在(zai)此基(ji)礎(chu)上就我國(guo)的領(ling)域(yu)發展目標和重(zhong)點(dian)方(fang)向開(kai)展論(lun)證分析，以(yi)期為(wei)我國(guo)激(ji)光技術(shu)的穩步發展提供方(fang)向參照。
二(er)、超快超強激光應用與發展需求分析
超(chao)快超(chao)強激(ji)光(guang)在相關前沿(yan)(yan)基(ji)礎科(ke)學研究中的(de)(de)應用拓(tuo)展，亟需進(jin)一步提升激(ji)光(guang)參數，探索利用激(ji)光(guang)脈沖的(de)(de)其他參量(liang)來(lai)將超(chao)快和超(chao)強前沿(yan)(yan)基(ji)礎科(ke)學研究推(tui)進(jin)到更為深入(ru)的(de)(de)物質(zhi)層次。根據前沿(yan)(yan)科(ke)學研究目標的(de)(de)差異，未(wei)來(lai)領域(yu)應用與發展的(de)(de)需求集(ji)中在以(yi)下兩部(bu)分(fen)。
（一）超快(kuai)激光及其科學應用
這一方(fang)向(xiang)的未來發展需求可(ke)細(xi)分(fen)為阿秒(miao)激(ji)光乃(nai)至仄秒(miao)激(ji)光、極紫外–太赫茲全(quan)波段多維度參量精密可控的飛秒超(chao)快激光。
阿秒(miao)激(ji)光(guang)(guang)乃(nai)至仄(ze)秒(miao)激(ji)光(guang)(guang)追求采用更(geng)短脈(mo)沖(chong)寬度的超(chao)快(kuai)激(ji)光(guang)(guang)來研究物(wu)質內部更(geng)快(kuai)的超(chao)快(kuai)過程(cheng)，需(xu)要(yao)發展更(geng)高(gao)脈(mo)沖(chong)能(neng)量(liang)、更(geng)短脈(mo)沖(chong)寬度、更(geng)高(gao)光(guang)(guang)子能(neng)量(liang)的高(gao)性能(neng)阿秒(miao)（10–18 s）激光。將阿秒(miao)脈沖的光子(zi)能(neng)量推(tui)進到硬(ying)X射(she)線(xian)波段和伽馬射(she)線(xian)波段，將(jiang)脈(mo)沖寬度推(tui)進到仄秒（10–21 s）的時間尺度，從而將人類(lei)能夠探索的物質層次從原(yuan)子/分子水平(ping)推進到(dao)原子核尺度 。
飛秒時間(jian)尺度對(dui)應著原子/分子、材料、生物(wu)蛋白(bai)、化學反應等豐富物(wu)質體(ti)系(xi)的(de)超快過程(cheng)，有著廣(guang)泛而(er)重要的(de)應用。隨著研(yan)究(jiu)的(de)進一步拓展(zhan)(zhan)與深(shen)入(ru)，需要探索更加豐富和復雜的(de)超快動(dong)力學過程(cheng)，以致控制(zhi)這些超快過程(cheng)。為了(le)對超快激(ji)光更多維度的(de)參量特性進行調制(zhi)和利用，不僅需要將飛(fei)秒激(ji)光的(de)光譜(pu)拓展(zhan)(zhan)到紅外–太赫茲波(bo)段(duan)、真(zhen)空紫外–極(ji)紫外波段，還需(xu)要發展包括時域、振(zhen)幅(fu)、相(xiang)位、光譜、偏(pian)振(zhen)、空間(jian)模式(shi)等多維度(du)參(can)量在(zai)內(nei)的精密調控飛秒超快激光，以極(ji)紫外–太(tai)赫茲全波段多維度參(can)量精密可控的飛秒超(chao)快激光(guang)為代表。
（二）超強激光及其科學應用
根據定位和應用目標(biao)的差(cha)異，這一方向(xiang)可分為(wei)低(di)重(zhong)復(fu)頻(pin)率(lv)(lv)超(chao)高(gao)(gao)峰值功(gong)率(lv)(lv)超(chao)強激(ji)光(guang)、高(gao)(gao)重(zhong)復(fu)頻(pin)率(lv)(lv)高(gao)(gao)平(ping)均功(gong)率(lv)(lv)超(chao)強激(ji)光(guang)。其中，低(di)重(zhong)復(fu)頻(pin)率(lv)(lv)是指(zhi)激(ji)光(guang)脈(mo)沖重(zhong)復(fu)頻(pin)率(lv)(lv)在10 Hz及以下，高(gao)重復頻(pin)率是指激光(guang)脈沖重復頻(pin)率在1 kHz及以(yi)上。
唯有利用超強激光，人(ren)類方可在實(shi)驗(yan)室(shi)中(zhong)產生宇宙星體內(nei)部(bu)和原子(zi)核(he)內(nei)部(bu)才(cai)有的極端物(wu)理條件。利用低重復頻率超高峰值功率超強激光，可在實(shi)驗(yan)室(shi)中(zhong)研究激光粒子(zi)加速、光核(he)物(wu)理、伽馬光–光(guang)對(dui)撞等微觀尺度的(de)前沿物理問(wen)題，也可在宏觀尺度上研(yan)究(jiu)超新星爆發、太陽(yang)耀斑、黑洞吸積盤(pan)噴(pen)流等天體物理現象，還可研(yan)究(jiu)引力波、暗物質、真空物理等拓展人類(lei)未知的(de)前沿基(ji)礎(chu)科(ke)學。針對(dui)國家重大理論與(yu)實驗(yan)研(yan)究(jiu)的(de)需求(qiu)，如激光(guang)粒子(zi)加速(su)器、核嬗變等核物理、高能物理、激光(guang)聚(ju)變能源(yuan)新途徑(jing)、激光(guang)核醫學等，低重復頻率(lv)超高峰值功率(lv)超強激光(guang)提供(gong)了重要(yao)的(de)科(ke)學研(yan)究(jiu)工具(ju)。
在與國家(jia)戰(zhan)略(lve)需求相關的(de)(de)應(ying)用領域，如空天安全、空天環境(jing)物(wu)理等方面(mian)，高(gao)平(ping)均功(gong)率(lv)(lv)的(de)(de)超強激光是重要(yao)的(de)(de)驅動工(gong)具，以能夠適(shi)應(ying)空天特殊環境(jing)的(de)(de)高(gao)重復頻(pin)率(lv)(lv)超強激光為典型。高(gao)重復頻(pin)率(lv)(lv)高(gao)平(ping)均功(gong)率(lv)(lv)的(de)(de)超強激光產生超強質(zhi)子束(shu)、電子束(shu)、中(zhong)子束(shu)、X 射線(xian)、伽馬射線(xian)，以(yi)致超(chao)強(qiang)太赫茲脈沖等次級超(chao)強(qiang)光(guang)(guang)源(yuan)作為新(xin)型工(gong)具(ju)，可(ke)以(yi)拓(tuo)展到(dao)光(guang)(guang)核(he)反應(ying)、激(ji)光(guang)(guang)推進、核(he)聚變能源(yuan)和核(he)廢料處理、疾(ji)病治療等更為前沿(yan)的重大基礎科(ke)學研究和實際應(ying)用中。
圖(tu)1 超(chao)快超(chao)強激光的應(ying)用
三、超(chao)快超(chao)強激光國內(nei)外研究現狀(zhuang)
（一(yi)）超(chao)快激(ji)光及其科(ke)學應用
1. 阿秒超快(kuai)激光
近20年的(de)發展(zhan)歷程表明，寬帶高次諧(xie)波(bo)產生阿秒(miao)脈沖來拓展(zhan)應用(yong)的(de)根本(ben)局限(xian)在于單(dan)脈沖能量偏低，國際主流的(de)解決途徑是建(jian)立(li)(li)高功率和(he)長波(bo)長的(de)飛秒(miao)超(chao)快激光系統。歐盟投資(zi)數(shu)億(yi)歐元，在匈牙利(li)建(jian)立(li)(li)了極端光裝置–阿秒脈沖(chong)源（ELI-ALPS），通過兩個拍瓦(wa)激(ji)光系(xi)統產生高峰值功率(lv)(lv)和高平(ping)均(jun)功率(lv)(lv)的(de)阿(a)秒(miao)脈(mo)沖。長(chang)波長(chang)的(de)中紅外飛秒(miao)激(ji)光脈(mo)沖系(xi)統可產生更高光子能量和更短脈(mo)沖寬度的(de)阿(a)秒(miao)脈(mo)沖，因此眾(zhong)多研(yan)究(jiu)機(ji)構均(jun)在這(zhe)方面開(kai)展工(gong)作(zuo)。高重(zhong)復頻率(lv)(lv)阿(a)秒(miao)激(ji)光研(yan)究(jiu)也取得重(zhong)要進展。另外，通過X射線(xian)自由電子(zi)激(ji)光（XFEL）產生阿秒脈沖也獲得(de)了(le)初步(bu)驗證，XFEL在產生高光子能量（硬(ying)X射線和伽馬射線波段(duan)）的(de)高功率阿秒脈沖方面具有一定優勢。
國(guo)內阿秒激光研(yan)(yan)(yan)究(jiu)集(ji)中(zhong)在(zai)中(zhong)國(guo)科(ke)學院(yuan)所屬(shu)的上海光學精密機械研(yan)(yan)(yan)究(jiu)所、物(wu)理研(yan)(yan)(yan)究(jiu)所、西安光學精密機械研(yan)(yan)(yan)究(jiu)所等科(ke)研(yan)(yan)(yan)機構。由于總(zong)體布(bu)局(ju)較晚(wan)，當(dang)前研(yan)(yan)(yan)究(jiu)水(shui)平(ping)仍然相對落后。2009年，上海光(guang)學精密(mi)機械(xie)研(yan)究所測量了阿秒脈(mo)沖鏈(lian)的脈(mo)沖寬度，獲得(de)了近傅(fu)里葉(xie)變(bian)換極限的阿秒脈(mo)沖激光(guang)。2013年，物理(li)研究所產生并測量了單(dan)個阿秒脈沖，獲(huo)得了脈沖寬(kuan)度為160 as的脈(mo)沖(chong)激(ji)光(guang)。西安光(guang)學(xue)精密機械(xie)研究(jiu)(jiu)所在阿(a)秒脈(mo)沖(chong)激(ji)光(guang)研究(jiu)(jiu)方(fang)面承(cheng)擔了(le)較多任(ren)務。國內高(gao)等院校，如華中科(ke)技大(da)(da)學(xue)、華東(dong)師范大(da)(da)學(xue)、北京大(da)(da)學(xue)、國防科(ke)技大(da)(da)學(xue)等也(ye)在開展阿(a)秒激(ji)光(guang)的相關(guan)研究(jiu)(jiu)。此外，一些研究(jiu)(jiu)機構(gou)還在高(gao)功(gong)率激(ji)光(guang)加(jia)速(su)產(chan)生高(gao)能電子和(he)伽馬射線等方(fang)面開展了(le)系列(lie)工(gong)作(zuo)。
2.飛秒超快激光
利用非線性光學方法，國際上早已將飛秒激光的波(bo)長從可(ke)見–近紅外(wai)波(bo)段(duan)拓展到深紫外(wai)–紫外、紅外–太(tai)赫(he)茲波(bo)段(duan)。自由(you)電子激(ji)光(guang)器(qi)也已獲得(de)(de)真(zhen)空(kong)紫(zi)外和極紫(zi)外波(bo)段(duan)以及太(tai)赫(he)茲超(chao)快(kuai)飛秒激(ji)光(guang)，具有高能量和波(bo)長可調(diao)諧的優勢，但相關裝置較為(wei)復雜。為(wei)了研究更(geng)復雜豐富(fu)的超(chao)快(kuai)動力學過程，多(duo)參量光(guang)場(chang)精密調(diao)控(kong)和多(duo)波(bo)長飛秒超(chao)快(kuai)激(ji)光(guang)也獲得(de)(de)了發展。
國內較多(duo)研(yan)究團隊直(zhi)接采用商用進口的(de)飛秒激光器，疊(die)加非線(xian)性(xing)效(xiao)應來拓(tuo)展波長等(deng)(deng)參量。在光場精(jing)密(mi)(mi)調控和多(duo)波長飛秒超(chao)快激光方(fang)面(mian)，上海(hai)光學精(jing)密(mi)(mi)機械研(yan)究所、上海(hai)科技(ji)大學、西(xi)安交通大學等(deng)(deng)機構完成了系(xi)列研(yan)究。2019年，中國(guo)科學院大連化(hua)學物(wu)理(li)研究所構建(jian)的自由電子激(ji)光器已經投入運行，在50~200 nm 真空紫(zi)(zi)外(wai)與(yu)極(ji)紫(zi)(zi)外(wai)波段實(shi)現(xian)了(le)波長連續(xu)可調的(de)超快激光(guang)輸(shu)出，發揮(hui)了(le)飛秒超快激光(guang)對基礎科學研究的(de)支(zhi)撐和拓展(zhan)作用。中國工程物理研究院利用自由電子激光(guang)實(shi)現(xian)了(le)太赫茲波段超快激光(guang)輸(shu)出。
（二）超強激光及(ji)其科(ke)學應用
這一方(fang)向的國際(ji)研究進展快(kuai)速且競爭激烈，世界上已建成50多(duo)套(tao)拍瓦級激光(guang)裝置。
1. 低重(zhong)復頻(pin)率超高峰值功率超強(qiang)激光
歐(ou)盟(meng)、美國(guo)、日本、韓國(guo)、俄羅斯等國(guo)家或地區均在建(jian)設十(shi)拍瓦級(ji)激光(guang)重大科(ke)學裝(zhuang)置。近期多個國(guo)家或地區提(ti)出了100~200 PW重大激光科學(xue)裝置的發(fa)展計(ji)劃。
歐盟10多個(ge)國家的(de)近40個科研機構聯合提出超(chao)強光(guang)基礎(chu)設施（ELI）計劃，旨在(zai)發展200PW超強激光裝(zhuang)置(zhi)，已被納入歐盟未來大科學裝(zhuang)置(zhi)發(fa)展路線圖；2019年實現了10 PW超強激光(guang)輸出(chu)。法國 Apollon 激光裝置2017 年實現了5 PW激光輸出，2018 年實(shi)現了10 PW激光輸出(chu)，更高指標輸出(chu)目前有(you)所延遲。英(ying)國 Vulcan 激光(guang)裝置計劃(hua)采用光(guang)參量啁啾(jiu)脈沖放大(da)（OPCPA）技術，將輸出脈沖(chong)峰(feng)值功率由拍(pai)瓦(wa)級(ji)提升至十拍(pai)瓦(wa)級(ji)。俄羅斯規劃(hua)用于極(ji)端光學(xue)研究的艾瓦(wa)中(zhong)心（XCELS）擬實現(xian)200 PW峰值功(gong)率(lv)，待建激(ji)光裝置包(bao)含12束(shu)功(gong)率為15 PW、脈沖寬度為(wei)25 fs超(chao)強激光(guang)(guang)，利用相干(gan)合成技術來輸出激光(guang)(guang)。日本激光(guang)(guang)快速點燃實驗項目（LFEX）裝置已經實現(xian)了皮秒(miao)量級、脈(mo)沖能(neng)量達2 kJ的拍(pai)瓦激(ji)(ji)光輸出，主(zhu)要用于支持快點火激(ji)(ji)光核聚變、天體(ti)(ti)物理方面的研究(jiu)。韓國光州(zhou)科(ke)學技(ji)術院（GIST）基于鈦寶石CPA方案，在0.1 Hz重復頻率下實現了(le)4.2 PW激光輸出。美國羅(luo)徹斯特大學OMEGA EP裝置具有1 kJ/1 ps/1 PW的激光輸出(chu)能力，同步(bu)提出(chu)了百拍瓦(wa)級超強激光的發展(zhan)構想。
國內低(di)重(zhong)復頻(pin)率超高(gao)峰(feng)值功(gong)率超強(qiang)激光(guang)研(yan)究(jiu)方向起步(bu)較(jiao)早，已經形(xing)成了實力較(jiao)強(qiang)、梯隊(dui)合(he)理的研(yan)究(jiu)隊(dui)伍(wu)。自1996年起，每兩(liang)年召(zhao)開1次的“全(quan)國(guo)強場激光物理(li)會議”顯著促進(jin)(jin)了(le)相關領域的學術交流和研(yan)究進(jin)(jin)展(zhan)。近年(nian)來，我國在此(ci)方向取得(de)了(le)一些(xie)重要研(yan)究成果，部分成果已(yi)經(jing)處(chu)于國際(ji)領先水平。2017年，中國工程物理研究(jiu)院基于大(da)口徑三硼(peng)酸鋰（LBO）晶體和OPCPA技術路線獲得了近5 PW超強激光輸出。上海光學精密機械研究(jiu)所利用鈦寶石CPA 方案，2016年在國際上(shang)率先實現5 PW激光輸出，2017年在國際(ji)上率先實現10 PW放大輸(shu)出；利用OPCPA技術(shu)也實(shi)現了1 PW激光輸出；2018年在國(guo)際(ji)上率(lv)先立項(xiang)并啟動(dong)建設(she)百拍(pai)(pai)瓦(wa)級超強激(ji)光(guang)裝置。此外，一(yi)些高等院(yuan)校(xiao)近期也提出了建設(she)數十拍(pai)(pai)瓦(wa)級激(ji)光(guang)裝置的規劃(hua)設(she)想。
2. 高重復(fu)頻(pin)率(lv)高平(ping)均功率(lv)超(chao)強激光
這一方向的技術方法(fa)主要分為(wei)碟片(pian)超快激(ji)光(guang)和光(guang)纖超快激(ji)光(guang)。碟片(pian)激(ji)光(guang)器在解(jie)決增益介質的熱效應管理問(wen)題之后，實(shi)現(xian)了平均(jun)功率為(wei)千瓦級的輸出。光(guang)纖飛(fei)秒激(ji)光(guang)具有散熱好、集成方便靈活、光(guang)束質量好、轉換效率高等優勢(shi)，且可實(shi)現(xian)1 MHz以上重復頻率的激光(guang)放大(da)，近年來獲得迅速(su)發展。受限于(yu)非線性效應，光(guang)纖(xian)中的CPA輸(shu)出(chu)能量(liang)和功率還不高。
2012年，國際知名學(xue)者Mourou教(jiao)授在歐盟組織(zhi)啟動(dong)了“國(guo)際放大相干網絡”（ICAN）計劃，旨在(zai)推(tui)動(dong)基于光纖飛(fei)秒激(ji)光及其(qi)組束(shu)技術的(de)發(fa)展(zhan)，實(shi)現高重復頻率(lv)、高平均功率(lv)和高峰值功率(lv)的(de)超強激(ji)光脈沖(chong)，探索應(ying)用于新(xin)一(yi)代粒子加速器的(de)驅動(dong)源。在(zai)ICAN計劃（10J/100 fs/10 kHz超強激(ji)光）框架(jia)下，德國(guo)耶(ye)拿(na)大學(xue)牽頭(tou)完成了光纖飛(fei)秒激(ji)光時間與(yu)空間組束的眾(zhong)多研究。例(li)如，已經采用16束(shu)光纖飛秒(miao)激光合束(shu)獲得了平均功率為(wei)千瓦級(ji)的高重復頻(pin)率激光輸(shu)出；提出的空間相干組束(shu)（16×32）與時間相干組(zu)束或脈沖堆(dui)積相結合的新(xin)技(ji)術方案，有望更加經濟地實現300 fs/100 TW超強激(ji)光輸出。
國內高重復頻率高平均功率超(chao)強激光(guang)(guang)還缺乏系(xi)統的研(yan)(yan)究布局，僅(jin)有上海(hai)光(guang)(guang)學精密機械研(yan)(yan)究所、北(bei)京大(da)學、國防科技(ji)大(da)學、天津大(da)學等少(shao)量研(yan)(yan)究單位各自(zi)在分立的核心(xin)技(ji)術(shu)方向上開展(zhan)研(yan)(yan)究和(he)探索，如高性能增益(yi)光(guang)(guang)纖研(yan)(yan)制、碟片激光(guang)(guang)放大(da)技(ji)術(shu)、光(guang)(guang)纖飛秒振蕩器(qi)、光(guang)(guang)纖CPA技(ji)術、空間(jian)激光組束、脈沖時間(jian)堆(dui)積和脈沖壓縮(suo)等(deng)(deng)。一些科研(yan)(yan)機構和高(gao)等(deng)(deng)院校對大模場面積增益光纖(xian)、高(gao)能量高(gao)功率飛(fei)秒激光等(deng)(deng)技(ji)術方向進行了持續研(yan)(yan)究。鑒于在(zai)微(wei)加工領域(yu)應(ying)用(yong)的良好前景，國內諸多企業開展了數十(shi)瓦(wa)功率的光纖(xian)飛(fei)秒激光產品研(yan)(yan)制(zhi)，部(bu)分企業已經推出(chu)了功率為50 W及以上的(de)(de)飛秒超快激光產品。盡管發(fa)展迅速，但大多(duo)數產品需要采(cai)用國外的(de)(de)關鍵器(qi)件(jian)，而具有自主知識產權的(de)(de)關鍵器(qi)件(jian)還較少。整體來看，這方面的(de)(de)研究較為分散，尚(shang)未在產業鏈條上形成系(xi)統規劃和分工協作(zuo)的(de)(de)局面。
圖(tu)2 超(chao)強超(chao)快激光的應用
四、我國超快超強激光發展(zhan)思路與目(mu)標
（一）超快激光及(ji)其科學應用
1. 阿秒超(chao)快激(ji)光
阿秒脈(mo)沖的(de)光子能量突破至(zhi)1 keV乃至10 keV水平，支持開展阿秒超(chao)快內殼層(ceng)電(dian)子動(dong)力學、電(dian)子自旋–軌道動(dong)(dong)力(li)學等基(ji)礎物理過程、大分(fen)子(zi)(zi)乃(nai)至生物大分(fen)子(zi)(zi)等復雜結構的(de)(de)超快電(dian)子(zi)(zi)動(dong)(dong)力(li)學與結構變化等研究。涉及的(de)(de)關鍵(jian)技術(shu)包括(kuo)：高(gao)功率、少(shao)周期、載(zai)波包絡相位(wei)穩定的(de)(de)中紅外激光(guang)(guang)系統，高(gao)亮度千(qian)電(dian)子(zi)(zi)伏特級阿(a)秒激光(guang)(guang)脈沖產生，高(gao)分(fen)辨(bian)電(dian)子(zi)(zi)與多電(dian)子(zi)(zi)動(dong)(dong)量(liang)測量(liang)，通過康(kang)普頓散射方法將光(guang)(guang)子(zi)(zi)能量(liang)推進(jin)到硬X射線波段和伽(jia)馬(ma)射線波段。
超快脈(mo)沖(chong)的脈(mo)沖(chong)寬(kuan)度突破至仄秒水(shui)平(ping)，支持(chi)開展深內(nei)殼層電子(zi)(zi)動力(li)學乃至原子(zi)(zi)核的動力(li)學研究。阿秒脈(mo)沖(chong)的光(guang)子(zi)(zi)能量達到10 keV水(shui)平(ping)乃(nai)至(zhi)伽馬射線波段，阿秒(miao)脈(mo)沖寬(kuan)度(du)具備進入仄秒(miao)時(shi)間(jian)尺度(du)的(de)可能性(xing)。涉及的(de)關鍵(jian)技術包括：與(yu)提高產生效率相(xiang)關的(de)技術，與(yu)實際應用相(xiang)關的(de)超快測量技術，仄秒(miao)脈(mo)沖寬(kuan)度(du)測量等。
2. 飛秒超快激光
隨著(zhu)飛秒超(chao)快光譜基礎科學研究的發展(zhan)，除了(le)利用脈(mo)沖時域特(te)(te)性以(yi)外(wai)，光譜和偏振特(te)(te)性也是可以(yi)利用的重要(yao)特(te)(te)性。后續主要(yao)研究思路為：發展(zhan)兆赫茲重復頻率極紫外(wai)–太赫茲波段寬帶飛秒激(ji)光(guang)，發展高性(xing)能、多(duo)波長的(de)飛秒激(ji)光(guang)脈沖和多(duo)波長飛秒光(guang)頻梳，實現同時脈沖形狀(zhuang)和空間(jian)徑向偏振（或(huo)渦旋）的(de)、精密調控(kong)的(de)特殊時空結構飛秒激(ji)光(guang)；發展吉赫茲重復(fu)頻率(lv)超(chao)(chao)快(kuai)激(ji)光(guang)，突破(po)單光(guang)子(zi)和量子(zi)糾(jiu)纏等(deng)新型超(chao)(chao)快(kuai)光(guang)譜技術，提升(sheng)超(chao)(chao)快(kuai)光(guang)譜的(de)穩定性(xing)和探測效(xiao)率(lv)，支持更(geng)加純(chun)粹的(de)微(wei)觀(guan)體(ti)系和更(geng)加復(fu)雜的(de)多(duo)體(ti)超(chao)(chao)快(kuai)動(dong)力學過程研究；利用多(duo)參量精密可控(kong)的(de)超(chao)(chao)快(kuai)激(ji)光(guang)，研究腦科學、腫瘤、生物發育與再(zai)生等(deng)方面(mian)的(de)生物過程精密光(guang)控(kong)制。
（二）超強激光及其科學應(ying)用(yong)
1. 低重復(fu)頻率超高峰(feng)值功率超強激(ji)光
需求(qiu)牽引在于重大(da)前沿物理科學問題研究，以(yi)期拓展(zhan)人類認知(zhi)。后續發展(zhan)方向依(yi)然是繼續提升激光的峰(feng)值功(gong)率（從100 PW到1 EW），搶占最高聚(ju)焦功率密度（1025 W/cm2）的(de)(de)(de)技術高地，為(wei)科(ke)學前沿研究(jiu)提(ti)供最先進的(de)(de)(de)極端物理條(tiao)件。為(wei)了提(ti)升這類前沿實驗的(de)(de)(de)效(xiao)率和(he)可(ke)靠性，還應(ying)(ying)適當(dang)提(ti)升超強激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)重復頻率，開(kai)展(zhan)(zhan)渦旋光(guang)(guang)(guang)等特殊光(guang)(guang)(guang)場的(de)(de)(de)超強激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)輸出(chu)及(ji)其應(ying)(ying)用(yong)研究(jiu)；時空電場精密控制與(yu)波長調諧的(de)(de)(de)超強激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)將進一步拓(tuo)展(zhan)(zhan)應(ying)(ying)用(yong)范圍。隨著激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)聚(ju)(ju)焦(jiao)功率密度的(de)(de)(de)不斷提(ti)升，激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)脈沖的(de)(de)(de)時間(jian)對比度要求越(yue)來越(yue)高，應(ying)(ying)針對性開(kai)展(zhan)(zhan)有(you)關輸出(chu)與(yu)測量(liang)的(de)(de)(de)創(chuang)新(xin)(xin)研究(jiu)。此外，大口徑激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)聚(ju)(ju)焦(jiao)的(de)(de)(de)創(chuang)新(xin)(xin)研究(jiu)和(he)設(she)計成為(wei)發展(zhan)(zhan)亟需，在有(you)效(xiao)提(ti)升聚(ju)(ju)焦(jiao)功率密度的(de)(de)(de)同時，可(ke)緩解放大輸出(chu)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)能量(liang)伴生的(de)(de)(de)成本問(wen)題(ti)。
峰值(zhi)功(gong)率和(he)重復頻(pin)率是未來研(yan)究(jiu)發展的突破(po)口。預計(ji)在2025年、2030年和2035年，將分(fen)別實現(xian)100 PW、500 PW和 1000 PW（1 EW）峰(feng)值(zhi)功率的激(ji)光(guang)輸出(chu)，在重復頻率方面(mian)也將(jiang)取得(de)突(tu)破性提(ti)升。
①利用5年左右的(de)時間，實現單發100 PW峰(feng)值功率(lv)輸出、重復(fu)頻率(lv)10 PW 激光輸出(chu)；激光裝置進行真空極化處理(li)，支持(chi)天體物理(li)、反物質等(deng)基礎(chu)研(yan)(yan)究初步(bu)取得開創(chuang)性科研(yan)(yan)成(cheng)果。
②利用10年左(zuo)右的時(shi)間，通過提升泵浦(pu)激光能量來(lai)突破大尺(chi)寸光柵等關(guan)鍵(jian)元器件的研制和延壽問題(ti)，利用空間激光合束等方法實現500 PW激光(guang)輸出，支持開展引力波、暗物質等前沿重大研究。
③利用15年左(zuo)右的時間(jian)，在更(geng)高功率(lv)泵浦激光方面，通過(guo)提(ti)(ti)升大尺寸光柵等(deng)關(guan)鍵元器件(jian)的尺寸和損傷閾值，結合空間(jian)相干(gan)組束方法來實現艾瓦級激光輸出；發展新型聚(ju)焦系統，將(jiang)聚(ju)焦功率(lv)密度提(ti)(ti)升至(zhi)1025 W/cm2；探索(suo)基于光和物質(zhi)相互作用(yong)的新原理、新方(fang)法來實現艾瓦級激光輸出，為激光發展開拓新的技術方(fang)案；獲得達到(dao)近量(liang)子(zi)電動力學（QED）區(qu)域的超(chao)強激光(guang)，支持開展更加前沿的強場激光(guang)物理研究。
2. 高重復頻率高平均功率超強激(ji)光
根據(ju)我國(guo)的現有技術水平、技術發展預(yu)期(qi)和國(guo)家重(zhong)大需(xu)求(qiu)，高重(zhong)復頻(pin)率高平均功率超強激光發展具有以(yi)下發展趨(qu)勢。
①利用5年左(zuo)右(you)的時間，重點掌握飛秒光纖CPA、空(kong)間(jian)相干組(zu)束、脈沖(chong)時間(jian)堆積、大能量脈沖(chong)壓縮等核(he)心技術(shu)，通(tong)過(guo)路徑(jing)和(he)設計(ji)創新(xin)，降低這類激光(guang)的復雜性(xing)、難度和(he)成本(ben)。
②利用10年左右的(de)時間(jian)，在實驗(yan)室中(zhong)產生(sheng)太(tai)瓦級千赫茲重復頻率的(de)超強激(ji)光(guang)輸出；重點開展強場(chang)激(ji)光(guang)物理中(zhong)的(de)高次諧波(bo)產生(sheng)阿秒(miao)激(ji)光(guang)脈(mo)沖、激(ji)光(guang)電(dian)子加速(su)等研究，獲得高通量的(de)阿秒(miao)激(ji)光(guang)脈(mo)沖，促(cu)進原子/分子和材料中阿秒(miao)動力(li)學研究的(de)發展(zhan)；通過激(ji)光技術突破來帶動工業應用的(de)大發展(zhan)，降低光纖飛秒(miao)激(ji)光的(de)功率(lv)成本。
③利(li)用15年左右(you)的(de)(de)時間，實現十(shi)(shi)太(tai)瓦級千(qian)赫茲(zi)以上重(zhong)(zhong)復(fu)頻率的(de)(de)超強(qiang)(qiang)激(ji)光輸(shu)出；通(tong)過工業領(ling)域的(de)(de)批量(liang)(liang)應用(yong)來(lai)驅動光纖飛秒激(ji)光功(gong)率成本的(de)(de)顯(xian)著降低；對太(tai)瓦級激(ji)光進(jin)行空間合束(shu)，在(zai)實驗室中(zhong)實現十(shi)(shi)太(tai)瓦級高重(zhong)(zhong)復(fu)頻率的(de)(de)超強(qiang)(qiang)激(ji)光；重(zhong)(zhong)點(dian)開展小型化粒子加速器研究，促(cu)進(jin)高重(zhong)(zhong)復(fu)頻率、高能(neng)量(liang)(liang)質(zhi)子束(shu)在(zai)醫療領(ling)域的(de)(de)拓(tuo)展應用(yong)；利用(yong)激(ji)光產生的(de)(de)高能(neng)中(zhong)子源(yuan)，探索(suo)激(ji)光聚變能(neng)源(yuan)和核廢料處理(li)等(deng)重(zhong)(zhong)要(yao)方面的(de)(de)應用(yong)。
五、超快超強激光(guang)的重點技術方向
1. 阿秒超快激光(guang)
未來(lai)重(zhong)點發展方向主(zhu)要包括：高(gao)(gao)(gao)能(neng)量(liang)單(dan)(dan)個(ge)阿(a)(a)(a)(a)秒激(ji)光(guang)(guang)脈(mo)沖(chong)，高(gao)(gao)(gao)平(ping)均(jun)功(gong)率（高(gao)(gao)(gao)重(zhong)復(fu)頻(pin)率）阿(a)(a)(a)(a)秒激(ji)光(guang)(guang)，高(gao)(gao)(gao)光(guang)(guang)子能(neng)量(liang)阿(a)(a)(a)(a)秒脈(mo)沖(chong)，拓展阿(a)(a)(a)(a)秒脈(mo)沖(chong)應(ying)用的小(xiao)型(xing)化高(gao)(gao)(gao)重(zhong)復(fu)頻(pin)率阿(a)(a)(a)(a)秒脈(mo)沖(chong)。相關的技術(shu)發展方向為：高(gao)(gao)(gao)品質的少周期（含中紅(hong)外(wai)）激(ji)光(guang)(guang)脈(mo)沖(chong)技術(shu)，簡單(dan)(dan)便捷(jie)的阿(a)(a)(a)(a)秒激(ji)光(guang)(guang)脈(mo)沖(chong)測量(liang)技術(shu)、新型(xing)阿(a)(a)(a)(a)秒激(ji)光(guang)(guang)應(ying)用技術(shu)，高(gao)(gao)(gao)品質高(gao)(gao)(gao)亮度硬X射(she)線和伽馬射(she)線產(chan)生技術、仄(ze)秒激光技術等。
2.飛秒超快激光
未來重點發展(zhan)方向主要(yao)包括：多(duo)波長高(gao)性能飛秒(miao)激光技術，寬(kuan)帶雙(shuang)頻/多頻(pin)(pin)梳飛(fei)秒激光技術，兆赫茲高重復頻(pin)(pin)率高性能真空紫外–極紫外(wai)、紅(hong)外(wai)–太(tai)赫(he)茲(zi)超(chao)快激(ji)光技術(shu)(shu)，徑向偏振和渦旋等(deng)特殊偏振與空間模式的飛(fei)秒激(ji)光技術(shu)(shu)，吉赫(he)茲(zi)高重復頻率小型化量子點超(chao)快激(ji)光技術(shu)(shu)，垂直腔(qiang)面發射（VCSEL）超(chao)快激(ji)光(guang)技術，涉及時域(yu)、光(guang)譜(pu)、偏振、空間、相(xiang)位和振幅等多(duo)維度光(guang)場精密調控的飛秒(miao)激(ji)光(guang)技術等。
3.低重復頻率超高峰值功(gong)率超強激光
聚焦功率密度(du)、對(dui)比度(du)是最(zui)重要的參數指標(biao)，應進一步發(fa)展(zhan)放(fang)大技(ji)術、脈沖(chong)壓(ya)縮技(ji)術、空間聚焦技(ji)術、對(dui)比度(du)提升與測量(liang)技(ji)術。未來重點技(ji)術方向具體包括：高通(tong)量(liang)放(fang)大技(ji)術（即超大能量(liang)的CPA或OPCPA技術(shu)以及對應的超大口徑激光晶體或非(fei)線性晶體研制），等離子體拉曼放大和準參量(liang)啁啾脈沖放大（QPCPA）等新(xin)型(xing)放大技(ji)術(shu)(shu)，新(xin)型(xing)壓縮器設(she)計及大口徑、高(gao)損傷閾值壓縮光(guang)(guang)柵的研(yan)制，大口徑超(chao)強(qiang)(qiang)(qiang)激光(guang)(guang)組束(shu)技(ji)術(shu)(shu)，激光(guang)(guang)脈(mo)沖(chong)對比度提升(sheng)與單發(fa)測量(liang)技(ji)術(shu)(shu)，大口徑超(chao)強(qiang)(qiang)(qiang)激光(guang)(guang)時空特(te)性在線測量(liang)技(ji)術(shu)(shu)，大口徑超(chao)強(qiang)(qiang)(qiang)激光(guang)(guang)波(bo)前整(zheng)形(xing)與新(xin)型(xing)高(gao)性能聚焦系統設(she)計，超(chao)強(qiang)(qiang)(qiang)激光(guang)(guang)時空電(dian)場精(jing)密控制與波(bo)長調諧技(ji)術(shu)(shu)，超(chao)強(qiang)(qiang)(qiang)激光(guang)(guang)脈(mo)沖(chong)的腔(qiang)外脈(mo)沖(chong)壓縮技(ji)術(shu)(shu)，渦旋(xuan)、徑向偏振等特(te)殊(shu)光(guang)(guang)場的超(chao)強(qiang)(qiang)(qiang)激光(guang)(guang)產生及其應(ying)用等。
4.高(gao)重復(fu)頻率(lv)高(gao)平(ping)均功率(lv)超(chao)強(qiang)激光(guang)
未來重(zhong)點發展(zhan)方向主(zhu)要包(bao)括(kuo)：新型飛(fei)(fei)秒(miao)光(guang)(guang)纖(xian)放(fang)大(da)、新型碟片激光(guang)(guang)放(fang)大(da)技術，高重(zhong)復頻(pin)率(lv)飛(fei)(fei)秒(miao)激光(guang)(guang)脈沖時(shi)間堆積與(yu)空間相(xiang)干組束(shu)技術及(ji)其衍(yan)生創新技術，空間相(xiang)干組束(shu)中(zhong)甚(shen)多束(shu)激光(guang)(guang)的相(xiang)位測量與(yu)主(zhu)動反饋(kui)控制(zhi)技術，新型飛(fei)(fei)秒(miao)激光(guang)(guang)放(fang)大(da)的特殊光(guang)(guang)纖(xian)設(she)計與(yu)加工技術，脈沖壓(ya)縮與(yu)色(se)散管理技術，高重(zhong)復頻(pin)率(lv)激光(guang)(guang)泵浦源技術，高重(zhong)復頻(pin)率(lv)放(fang)大(da)過程中(zhong)熱(re)效應管理技術，高性能增益光(guang)(guang)纖(xian)、高性能啁啾光(guang)(guang)纖(xian)光(guang)(guang)柵(zha)與(yu)透(tou)射光(guang)(guang)柵(zha)等核心元(yuan)器件(jian)研制(zhi)，時(shi)空光(guang)(guang)場精密控制(zhi)與(yu)波(bo)長調(diao)諧技術等。
六、對(dui)策建(jian)議
（1）結合國家在太空(kong)與(yu)深空(kong)、醫療、能源、核物理(li)等領域的遠期重(zhong)大(da)需(xu)求(qiu)，真空(kong)物理(li)、暗物質、引(yin)力波等國際重(zhong)大(da)基礎(chu)(chu)科學前沿的探索需(xu)要(yao)，盡快(kuai)制定(ding)中長期發(fa)展戰(zhan)略(lve)規劃，成立超快(kuai)超強激光基礎(chu)(chu)科學中心(xin)或協同創新中心(xin)，為相關重(zhong)要(yao)研究方向(xiang)提供持續(xu)穩定(ding)的資源保障。注(zhu)重(zhong)基礎(chu)(chu)研究，追(zhui)求(qiu)實現(xian)更多“從0到1”的原創性(xing)突破，加強核心技(ji)術(shu)和“卡脖子”技術的梳(shu)理分類，提(ti)前進行(xing)科學布局和技術攻關(guan)。
（2）基礎(chu)科學(xue)的(de)(de)(de)(de)突破發展(zhan)，重在具有(you)原(yuan)創(chuang)(chuang)(chuang)和創(chuang)(chuang)(chuang)新(xin)能力的(de)(de)(de)(de)科研(yan)(yan)人員。鼓勵創(chuang)(chuang)(chuang)造有(you)利于(yu)創(chuang)(chuang)(chuang)新(xin)的(de)(de)(de)(de)科研(yan)(yan)環(huan)境氛圍，建立有(you)利于(yu)創(chuang)(chuang)(chuang)新(xin)的(de)(de)(de)(de)科研(yan)(yan)管理與激勵制度。引進和培(pei)育(yu)更多數(shu)量(liang)的(de)(de)(de)(de)領域科研(yan)(yan)人才，特別是具有(you)原(yuan)創(chuang)(chuang)(chuang)性(xing)科研(yan)(yan)思想和交叉學(xue)科背景的(de)(de)(de)(de)領軍人才。以人才發展(zhan)保障眾多原(yuan)創(chuang)(chuang)(chuang)性(xing)成(cheng)果涌現，從而引領世界激光領域的(de)(de)(de)(de)科學(xue)和技(ji)術研(yan)(yan)究。
（3）提(ti)高人類認知的基礎科學(xue)(xue)研究，不(bu)僅需要(yao)(yao)本國科研人員(yuan)的創(chuang)新創(chuang)造，還(huan)需要(yao)(yao)全(quan)球(qiu)科學(xue)(xue)家的聰明才(cai)智。加(jia)(jia)強(qiang)國際交流合(he)作，吸引國際性人才(cai)開展(zhan)聯(lian)合(he)研究，進一(yi)步加(jia)(jia)速和(he)提(ti)升(sheng)相關科學(xue)(xue)研究。在超(chao)強(qiang)激光這些我國已經處于領(ling)先地位(wei)的領(ling)域方向以(yi)及一(yi)些具有引領(ling)性、顛(dian)覆性創(chuang)新的研究方向，可以(yi)考慮(lv)在“一(yi)帶一(yi)路”倡議框(kuang)架下(xia)，開(kai)展重大基礎科(ke)學裝置建設，以我(wo)國(guo)為主并吸引其他(ta)國(guo)家（如亞洲國(guo)家、俄羅斯等）開(kai)展聯合研(yan)究(jiu)和技術攻關。通過(guo)基礎科(ke)研(yan)成果(guo)共享(xiang)（類(lei)似ELI計劃(hua)(hua)和黑(hei)洞探測(ce)計劃(hua)(hua)等）來提升我(wo)國科技(ji)創新的國際影響力。
（4）為了(le)更好(hao)更快實現基礎研究成果服(fu)務于國(guo)家經濟社(she)會發展需求的(de)目(mu)標，建議科研機構和(he)高等院校加強(qiang)與企業的(de)合作(zuo)，促進超快超強(qiang)激光方(fang)面實用型科技成果的(de)高效轉化。同時加強(qiang)知識產權(quan)保護與管(guan)理，做(zuo)好(hao)技術(shu)風險防(fang)范(fan)工作(zuo)。
來(lai)源(yuan)：中國工程(cheng)院院刊
