激光科技的最新前沿之一是超強超快激光。超強即超高的功率和功率密度(指單位面積上的功率)，目前一個激光系統(tǒng)甚至可產(chǎn)生高達1015瓦的峰值功率，而全世界電網(wǎng)的平均功率只不過1012瓦數(shù)量級;超快即極短的時間尺度，目前激光脈沖最短不過幾個飛秒(10-15秒)，光在1飛秒內(nèi)僅僅傳播0.3微米。
近年來新型小型化超強超快激光技術(shù)的迅猛發(fā)展，為人類提供了全新的實驗手段與極端的物理條件。這種在實驗室中創(chuàng)造的極端物理條件，目前還只有在核爆中心、恒星內(nèi)部、或是黑洞邊緣才能找到。在當今超強超快激光技術(shù)已經(jīng)提供并將由于其進一步發(fā)展而能提供的越來越強并越來越快的光場條件下，激光與各種形態(tài)物質(zhì)之間的相互作用，將進入到前所未有的高度非線性與相對論性起主導作用的強場超快范圍，并將進一步把光與物質(zhì)的相互作用研究深入到更深的物質(zhì)層次，甚至光與真空的相互作用，由此開創(chuàng)了超強超快激光這一全新的現(xiàn)代科學技術(shù)前沿領域。
輸出功率大于1太瓦，脈寬小于1皮秒，可聚焦激光功率密度大于1017瓦/厘米2的小型化超強超快激光的發(fā)展研究，是超強超快激光研究廣泛深入開展的基礎和推動力。
近十幾年來，由于啁啾脈沖放大(chirped pulse amplification,簡稱CPA)技術(shù)的提出和應用，寬帶激光晶體材料(如摻鈦藍寶石)的出現(xiàn)，以及克爾透鏡鎖模技術(shù)的發(fā)明，使超強超快激光技術(shù)得到迅猛發(fā)展。小型化飛秒太瓦(1012瓦)甚至更高數(shù)量級的超強超快激光系統(tǒng)已在各國實驗室內(nèi)建成并發(fā)揮重要作用。最近，更短脈沖和更高功率的激光輸出，如直接由激光振蕩器產(chǎn)生的短于5飛秒的激光脈沖，小型化飛秒100太瓦級超強超快激光系統(tǒng)，以及CPA技術(shù)應用到傳統(tǒng)大型釹玻璃激光裝置上獲得1拍瓦(1015瓦)級激光輸出已有報道，激光功率密度達到1019～1020瓦/厘米2的超強超快激光與物質(zhì)相互作用研究也已開始進行。
傳統(tǒng)的激光放大采用直接的行波放大，而對超短激光脈沖來說，隨著能量的提高，其峰值功率將很快增加，并出現(xiàn)各種非線性效應及增益飽和效應，從而限制了能量的進一步放大。
CPA技術(shù)的原理是，在維持光譜寬度不變的情況下通過色散元件將脈沖展寬好幾個數(shù)量級，形成所謂的啁啾脈沖。這樣，在放大過程中，即使激光脈沖的能量增加很快，其峰值功率也可以維持在較低水平，從而避免出現(xiàn)非線性效應及增益飽和效應，保證激光脈沖能量的穩(wěn)定增長。當能量達到飽和放大可獲得的能量之后，借助與脈沖展寬時色散相反的元件將脈沖壓縮到接近原來的寬度，即可使峰值功率大大提高。
為了突破CPA技術(shù)的一些局限性，目前國際上正在積極探索發(fā)展新一代超強超快激光的新原理與新方法，如啁啾脈沖光學參量放大(OPCPA)原理，目標是創(chuàng)造更強更快的強場超快極端物理條件，特別是獲得大于(等于)1021瓦/厘米2的可聚焦激光光強。OPCPA充分發(fā)揮了啁啾脈沖放大與光學參量放大各自的優(yōu)點，是國際上近年來提出的發(fā)展超強超快激光的全新技術(shù)途徑。
OPCPA原理目前還處于中等功率層次上的預研階段，但卻蘊涵著強大的生命力。此外，超強超快激光光束質(zhì)量的優(yōu)化、時空輪廓的整形與控制，周期脈寬小于10飛秒的超短激光脈沖的產(chǎn)生、有效放大與性能優(yōu)化，也是今后持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展的主要方向。
超強超快激光不僅具有重大的前沿學科意義，將創(chuàng)造出全新的實驗室尺度，即所謂臺式的綜合性極端條件的科學技術(shù)，從而直接推動激光科學與現(xiàn)代光學、原子分子物理、等離子體物理、高能物理與核物理、凝聚態(tài)物理、天體物理、理論物理以及非線性科學等一大批基礎學科的發(fā)展，而且在當代一些重要高技術(shù)領域的創(chuàng)新發(fā)展中，如突破飛秒壁壘的亞飛秒乃至阿秒(10-18秒)科學新原理、激光核聚變快點火新概念、激光引發(fā)的臺式化聚變中子源新方案、小型化超高梯度粒子加速器新機制、臺式超短波長超快相干輻射新途徑等方面，也有著不可替代的推動作用。
目前，在遠比傳統(tǒng)裝置小型化的臺式激光系統(tǒng)上已經(jīng)產(chǎn)生了高重復頻率的超短脈沖(通常是10-13秒甚至更短)太瓦甚至更高數(shù)量級的激光輸出。激光經(jīng)聚焦達到的光強在過去的十年里已提高了五六個數(shù)量級，達到了1019～1020瓦/厘米2。不久，將會達到創(chuàng)記錄的1021瓦/厘米2，從而創(chuàng)造出實驗室尺度的極端物理條件。1021瓦/厘米2的光強,產(chǎn)生的局域電場將高達1012伏/厘米，相當于氫原子第一玻爾軌道處庫侖場強的170倍;相應的磁場將達到105特的超強范圍;相應的能量密度已在3×1010焦/厘米3以上，與溫度為10千電子伏的黑體的能量密度相當;同時，將產(chǎn)生巨大的光壓，接近1017帕。在如此高的激光場中，電子的振蕩動能將高于10兆電子伏(對于波長為1.06微米激光)，大大超過電子自身靜止質(zhì)量(0.5兆電子伏)，而電子的加速度也將達到1022米/秒2，即1021g(重力加速度)的數(shù)量級，高度非線性與相對論效應已成為主導。
本領域的早期研究已經(jīng)表明，強場激光與原子、分子的相互作用導致隧道電離、勢壘抑制電離、高階奇次諧波、穩(wěn)定化及分子的相位控制與庫侖爆炸等相關(guān)新現(xiàn)象。應用于非線性問題的常規(guī)微擾方法已被非微擾理論所取代。目前，超強超快激光與原子的相互作用已進入到相對論效應起主導作用的新階段，以至必須采用狄拉克方程才能正確處理相互作用的動力學行為。另一方面，現(xiàn)今獲得的激光脈寬已小于10飛秒，最短達4飛秒，僅包含了1.5個光周期(對波長為800納米的激光)。嚴格說，此時的光脈沖已不成為”光波”，失去了波動現(xiàn)象所特有的周期性特征。傳統(tǒng)的適用于較長脈寬光與物質(zhì)相互作用的理論已不再適用，從而開創(chuàng)出極端非線性相互作用的新理論。周期乃至亞周期量級脈沖的超強超快激光與各種形態(tài)物質(zhì)的相互作用也將會導致一系列全新的物理現(xiàn)象與規(guī)律。尋求這些新現(xiàn)象、新規(guī)律，建立相關(guān)的新概念、新理論成為迫在眉睫的研究任務，是國際上超強超快激光科學研究領域爭奪的重點。
超強超快激光與團簇、高溫高密度等離子體、自由電子等特殊形態(tài)物質(zhì)的相互作用也已成為新的研究方向，它不僅大大拓寬本學科領域的縱深發(fā)展，也將為相關(guān)重要高技術(shù)領域的創(chuàng)新發(fā)展提供新方案與新途徑。
最近，實驗研究已觀察到多光子激發(fā)產(chǎn)生的帶有大量內(nèi)殼層空穴的電子組態(tài)反轉(zhuǎn)的”空心”原子，這將為實現(xiàn)超短波長相干輻射開辟全新途徑;超強超快激光與大尺寸原子團簇的相互作用首次成功引發(fā)了臺式聚變，從而為”臺式化”聚變新概念指明了前景。此外，超強超快激光與團簇的相互作用研究，有可能作為一種橋梁，幫助人們更加完整地認識光與物質(zhì)的相互作用。
當光強大于(等于)1018瓦/厘米2時，激光與電子的相互作用進入超相對論性強場范圍。實驗上已首次觀察到：自由電子在真空中被加速到兆電子伏數(shù)量級的相對論能量;非線性湯姆孫散射及其所產(chǎn)生的約300飛秒、0.05納米的超快硬X射線脈沖;多光子非線性康普頓散射。尤其引人注目的是首次觀測到非彈性光子-光子散射產(chǎn)生正負電子對的強場量子電動力學現(xiàn)象。
基于非線性湯姆孫散射與康普頓散射的X光、γ光源的產(chǎn)生與應用，以及真空中亞周期脈寬超強超快激光場對電子的加速等，也是超強超快激光與自由電子相互作用研究中的熱點課題。此外，在超強超快激光與稀薄等離子體相互作用中產(chǎn)生的尾波場實驗中，也觀察到比傳統(tǒng)的高能粒子加速器的極限加速電場高出三個數(shù)量級以上的超高梯度加速場，從而為實現(xiàn)小型化的高能粒子加速器提出了新方案。
近年來，超強超快激光與高溫高密度等離子體的相互作用，特別是相對論效應引起的高度非線性新現(xiàn)象、新規(guī)律的研究，也已引起國際學術(shù)界的高度重視。雖然目前已觀測到超強超快激光產(chǎn)生巨大光壓，推動臨界密度面向前移動，從而形成等離子體通道等新現(xiàn)象，但涉及到1018～1020瓦/厘米2數(shù)量級的超強超快激光與高溫高密度等離子體的相互作用，如”等離子體中鑿孔”效應、超熱電子的產(chǎn)生、能譜控制與輸運等基礎性物理問題還有待于深入研究。顯然，超強超快激光與高溫高密度等離子體相互作用的研究不僅是本領域的重要研究內(nèi)容之一，而且還有可能為激光核聚變等相關(guān)高技術(shù)領域的發(fā)展提供基礎。
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