超快超强激光的发展趋势及其科学应用研究
激光出现后，借助锁模技术进入飞秒(10–15s)超快时代，并迅速应用于物理、生物、化学、材料等前沿基础科学研究。泽瓦尔教授因在飞秒化学领域的开创性研究获得了1999诺贝尔化学奖。啁啾脉冲放大技术(CPA)将激光进一步推向了超强时代[1]，相关科学家获得了2018年诺贝尔物理学奖。
超快超强激光是指具有超快时域特性和超高峰值功率特性的特殊光场，在实验室中为人类创造了前所未有的超快时间、超高强度场、超高温、超高压等极端物理条件，极大地推动了物理、化学、生物、材料、医学等前沿科学和交叉学科的发展与进步。可以认为，超快超强激光是拓展人类认知前沿基础科学研究的最重要工具之一，甚至在某些方面是一种独特的、不可替代的研究手段。
超快超强激光技术在推动前沿基础科学研究不断拓展的同时，也因自身的不断深化探索而面临前沿基础科学研究新的产能支撑需求，给激光技术体系的发展以强大的牵引力。本文重点梳理了超快超强激光的发展和科学应用需求以及国内外的技术发展状况，并在此基础上，对我国该领域的发展目标和重点方向进行了论证和分析，以期为我国激光技术的稳步发展提供方向参考。
二、超快超强激光的应用及发展需求分析
超快超强激光在相关前沿基础科学研究中的应用和拓展，需要进一步完善激光参数，探索激光脉冲的其他参数，将超快超强前沿基础科学研究推向更深的物质层面。根据前沿科研目标的不同，该领域未来的应用和发展需求集中在以下两个部分。
(1)超快激光及其科学应用
该方向未来的发展需求可以细分为阿秒激光乃至飞秒激光，多维参数精确可控的紫外-太赫兹全波段飞秒超快激光。
阿秒激光乃至飞秒激光追求脉冲宽度更短的超快激光，以研究物质中更快的超快过程，因此有必要发展脉冲能量更高、脉冲宽度更短、光子能量更高的高性能阿秒(10–18s)激光。阿秒脉冲的光子能量被推至硬X射线带和γ射线带，脉冲宽度被推至秒的时间尺度(10–21s)，从而将人类可探索的物质层面从原子/分子层面推至核尺度[2]。
飞秒时间尺度对应于原子/分子、材料、生物蛋白质、化学反应等丰富物质体系的超快过程，有着广泛而重要的应用。随着研究的进一步发展和深入，有必要探索更丰富、更复杂的超快动态过程，以便控制这些超快过程。为了调制和利用超快激光的多维参量特性，不仅需要将飞秒激光的光谱扩展到红外-太赫兹波段和真空紫外-极紫外波段，而且需要发展包括时域、振幅、相位、光谱、偏振和空间模式在内的多维参量精确控制的飞秒超快激光，以极紫外-太赫兹全波段多维参量精确控制的飞秒超快激光为代表。
(2)超强激光及其科学应用
根据定位和应用目标的不同，该方向可分为低重复率的超高峰值功率超高激光和高重复率的超高平均功率超高激光。其中，低重复频率是指激光脉冲重复频率为10 Hz及以下，高重复频率是指激光脉冲重复频率为1 kHz及以上。
只有利用超强激光，人类才能在实验室里制造出宇宙恒星和原子核内部独有的极端物理条件。利用低重复率的超高峰值功率激光，可以研究激光粒子加速、光核物理、γ射线碰撞等前沿物理问题。在实验室里，还研究天体物理现象，如超新星爆发、太阳耀斑、黑洞吸积盘喷流等。宏观上，而且我们还可以研究引力波、暗物质、真空物理等人类不知道的前沿基础科学。为了满足国家重要理论和实验研究的需要，如激光粒子加速器、核嬗变等核物理、高能物理、激光聚变能源新途径、激光核医学等，低重复率超高峰值功率激光器提供了重要的科学研究工具。
在与国家战略需求相关的应用领域，如航天安全、航天环境物理等。高平均功率的超强激光是一种重要的驱动工具，特别是能适应航天特殊环境的高重复率超强激光。高重复率、高平均功率的超强激光产生超强质子束、电子束、中子束、X射线和γ射线，使超强太赫兹脉冲等二次超强光源作为新的工具，可以扩展到光核反应、激光推进、核聚变能源和核废料处理、疾病治疗等更先进的重大基础科学研究和实际应用。
三、国内外超快超强激光的研究现状
(1)超快激光及其科学应用
1.阿秒超快激光器
近20年的发展历程表明，阿秒脉冲宽带谐波产生拓展应用的根本限制在于单脉冲能量低，国际主流解决方案是建立高功率、长波长的飞秒超快激光系统。欧盟投资数亿欧元在匈牙利建立了一个极端光学装置——阿秒脉冲源(ELI-ALPS)，通过两个拍瓦激光系统产生高峰值功率和高平均功率的阿秒脉冲[3]。长波长中红外飞秒激光脉冲系统可以产生光子能量更高、脉冲宽度更短的阿秒脉冲[4]，因此很多研究机构都在从事这方面的工作。高重复率阿秒激光的研究也取得了重要进展[5]。此外，X射线自由电子激光(XFEL)产生阿秒脉冲也得到了初步验证。XFEL在产生高光子能量(硬X射线和γ射线波段)的高功率阿秒脉冲方面具有一定的优势。
国内阿秒激光研究主要集中在中国科学院所属的上海光学精密机械研究所、上海物理研究所和Xi安光学精密机械研究所。由于整体布局较晚，目前的研究水平还比较落后。2009年，上海光学精密机械研究所测量了阿秒脉冲链的脉冲宽度，在傅里叶变换极限附近获得了阿秒脉冲激光。2013年，物理所产生并测量了单个阿秒脉冲，获得了脉宽为160 as的脉冲激光。Xi光学精密机械研究所在阿秒脉冲激光的研究中承担了许多任务。国内的高等院校，如华中科技大学、华东师范大学、北京大学、国防科技大学等也在进行阿秒激光的研究。此外，一些研究机构还在加速高功率激光产生高能电子和γ射线方面开展了一系列工作。
2.飞秒超快激光器
利用非线性光学方法，国际上已将飞秒激光的波长从可见-近红外波段扩展到深紫外-紫外和红外-太赫兹波段。自由电子激光也获得了真空紫外和极紫外波段以及太赫兹超快飞秒激光，具有能量高、波长可调谐等优点，但相关器件较为复杂。为了研究更加复杂和丰富的超快动力学过程，多参量光场精确调控和多波长飞秒超快激光器也被开发出来。
国内很多研究团队直接使用商业进口的飞秒激光，叠加非线性效应来扩展波长等参数。上海光机所、上海科技大学、Xi交通大学等机构完成了一系列光场精确控制和多波长飞秒超快激光的研究。2019年，中科院大连化物所建设的自由电子激光器已投入运行，在50~200 nm真空紫外和极紫外波段实现了波长连续可调的超快激光输出，对飞秒超快激光在基础科学研究中起到了支撑和拓展作用[6]。中国工程物理研究院利用自由电子激光器实现了太赫兹波段的超快激光输出。
(2)超强激光及其科学应用
该领域的国际研究进展迅速，竞争激烈。世界上已经建成了50多套拍瓦激光装置。
1.低重复率超高峰值功率激光器
欧盟、美国、日本、韩国、俄罗斯等国家或地区都在建设十瓦激光重大科学装置。最近，许多国家或地区提出了100~200 PW重大激光科学装置的发展计划。欧盟10多个国家的近40个科研机构联合提出了超强光学基础设施(ELI)计划，旨在研制200 PW超强激光装置，已列入欧盟未来科学仪器发展路线图；2019年实现了10 PW的超强激光输出[8]。法国阿波龙激光装置[9]在2017年实现了5 PW激光输出，在2018年实现了10 PW激光输出，更高的指标输出目前延迟。英国Vulcan激光装置[10]计划采用光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)技术，将峰值输出功率从千兆瓦级提高到十千兆瓦级。XCELS计划用于俄罗斯的极端光学研究，目标是实现200 PW的峰值功率。待建激光装置包括12台超强激光，功率为15 PW，脉宽为25 fs，采用相干合成技术输出激光[11]。日本的激光快点火实验项目(LFEX)已经实现了皮秒量级、脉冲能量为2 kJ的拍瓦激光输出，主要用于支持快点火激光核聚变和天体物理的研究。韩国光州科学技术院(GIST)基于钛宝石CPA方案，实现了重复率为0.1 Hz的4.2 PW激光输出。美国罗切斯特大学的OMEGA EP装置，激光输出能力为1 kJ/1 ps/1 PW，同步提出了百瓦级超级激光器的研制思路。
我国低重复率超高峰值功率激光器研究方向起步较早，已形成一支实力雄厚、梯队合理的研究队伍。自1996以来，1全国强场激光物理学术会议每两年召开一次，显著促进了相关领域的学术交流和研究进展。近年来，我国在该方向取得了一些重要的研究成果，其中一些已经处于国际领先水平。2017年，中国工程物理研究院基于大口径三硼酸锂(LBO)晶体和OPCPA技术路线[13]获得了近5 PW的超强激光输出。上海光机所于2016年在国际上率先实现5 PW激光输出，于2017年[14]实现10 PW放大输出。还利用OPCPA技术实现了1 PW的激光输出[15]；2018年在国际上率先立项，开工建设100瓦超强激光装置。此外，一些高校最近也提出了建设几十个拍瓦激光装置的规划设想。
2.高重复率和高平均功率的超级激光器。
这个方向的技术方法主要分为圆盘超快激光和光纤超快激光。在解决了增益介质的热效应管理问题后，圆盘激光器获得了平均功率为kW的输出。光纤飞秒激光器具有散热好、集成方便灵活、光束质量好、转换效率高的优点，可以实现重复频率在1 MHz以上的激光放大，近年来发展迅速。受非线性效应的限制，光纤中的CPA输出能量和功率都不高。
2012年，国际知名学者Mourou教授在欧盟启动了“国际放大相干网络”(ICAN)项目[16]，旨在推动基于光纤的飞秒激光及其合束技术的发展，实现高重复率、高平均功率、高峰值功率的超强激光脉冲，探索新一代粒子加速器的驱动源。在ICAN计划(10J/100 FS/10 kHz超强激光)的框架下，德国耶拿大学牵头开展了多项光纤飞秒激光时空组束的研究。例如，16光纤飞秒激光器已经组合起来获得平均功率为kW的高重复率激光输出。空间相干组束(16 32)与时间相干组束或脉冲叠加相结合的新技术方案，有望更经济地实现300 fs/100 TW超强激光输出[17]。
国内还缺乏高重复率、高平均功率超强激光的系统研究布局。只有上海光机所、北京大学、国防科技大学、天津大学等少数科研院所在高性能增益光纤研制、圆盘激光放大技术、光纤飞秒振荡器、光纤CPA技术、空间激光合束、脉冲时间积累、脉冲压缩等单独的核心技术方面进行了研究和探索。一些科研机构和高等院校不断研究大模场面积增益光纤、高能高功率飞秒激光等技术方向。鉴于在微加工领域的良好前景，国内许多企业开发了功率数十瓦的光纤飞秒激光产品，也有企业推出了功率50 W及以上的飞秒超快激光产品。尽管发展很快，但大部分产品需要使用国外的关键器件，具有自主知识产权的关键器件很少。总体来看，这方面的研究比较分散，产业链上尚未形成系统规划和分工合作的局面。
四、我国超快超强激光的发展思路和目标
(1)超快激光及其科学应用
1.阿秒超快激光器
阿秒脉冲的光子能量突破到1 keV甚至10 keV的水平，支撑了阿秒超快内壳层电子动力学、电子自旋轨道动力学等基础物理过程的研究，以及大分子甚至生物大分子等复杂结构的超快电子动力学和结构变化的研究。涉及的关键技术包括:高功率、短周期、稳定的载流子包络相位中红外激光系统，高亮度千电子伏阿秒激光脉冲产生，高分辨率电子和多电子动量测量，康普顿散射法将光子能量推向硬X射线波段和γ射线波段。
超快脉冲的脉宽突破到秒级，支持了深内壳层电子动力学乃至原子核动力学的研究。阿秒脉冲的光子能量达到10 keV甚至γ射线波段的水平，阿秒脉冲宽度有进入阿秒时间尺度的可能。涉及的关键技术包括:与提高发电效率相关的技术、与实际应用相关的超快速测量技术、一秒钟的脉冲宽度测量。
2.飞秒超快激光器
随着飞秒超快光谱基础科学研究的发展，除了脉冲的时域特性，光谱和偏振特性也是可以利用的重要特性。主要研究思路如下:发展兆赫重复率的紫外-太赫兹宽带飞秒激光，发展高性能、多波长飞秒激光脉冲和多波长飞秒光频梳，实现脉冲形状和空间径向偏振(或涡旋)同时发生、精确调控的特殊时空结构飞秒激光；发展千兆赫重复率超快激光器，突破单光子、量子纠缠等超快光谱新技术，提高超快光谱的稳定性和探测效率，支持更纯粹的微观系统和更复杂的多体超快动力学过程研究；利用多参数精密控制的超快激光，研究脑科学、肿瘤、生物发育和再生等生物过程的精密光学控制。
(2)超强激光及其科学应用
1.低重复率超高峰值功率激光器
需求牵引在于研究重大前沿物理科学问题，以拓展人类认知。后续发展方向仍是继续提高激光峰值功率(从100 PW到1 EW)，抢占最高聚焦功率密度(1025 W/cm2)的技术高地，为科学前沿研究提供最先进的极端物理条件。为提高这类前沿实验的效率和可靠性，应适当提高超强激光的重复频率，开展涡旋光等特殊光场的超强激光输出及其应用研究；时空电场精确控制和波长调谐的超强激光将进一步扩大其应用范围。随着激光聚焦功率密度的不断提高，对激光脉冲的时间对比度要求越来越高，因此需要对输出和测量进行创新性研究。此外，大口径激光聚焦的创新研究和设计已成为发展的迫切需要，可以有效提高聚焦功率密度，缓解与放大输出激光能量相关的成本问题。
峰值功率和重复率是未来研发的突破口。预计2025年、2030年、2035年将分别实现峰值功率为100 PW、500 PW、1000 PW(1 EW)的激光输出，重复频率也将得到提高。(1)实现100 PW的单次峰值功率输出和10 PW重复频率的激光输出需要5年左右的时间；激光装置进行真空偏振处理，支持天体物理、反物质等基础研究，初步获得突破性科研成果。②约10年，通过提高泵浦激光能量，突破了大尺寸光栅等关键部件的研制和延寿，利用空间激光束组束等方法实现了500 PW激光输出，支撑了引力波、暗物质等前沿重大研究的发展。③在更高功率的泵浦激光方面，通过提高大尺寸光栅等关键器件的尺寸和损伤阈值，结合空间相干组束方法，实现艾娃级激光的输出，大约需要15年；开发新的聚焦系统，将聚焦功率密度提高到1025 W/cm2；探索基于光与物质相互作用实现艾娃级激光输出的新原理和新方法，为激光发展开辟新的技术解决方案；获得了到达近量子电动力学(QED)区的超强激光，支持了强场激光物理的研究。
2.高重复率和高平均功率的超级激光器。
根据我国现有技术水平、技术发展预期和主要国家需求，高重复率、高平均功率超强激光的发展有以下发展趋势。①用5年左右的时间，重点掌握飞秒光纤CPA、空间相干组束、脉冲时间积累、高能脉冲压缩等核心技术，通过路径和设计创新降低该类激光器的复杂度、难度和成本。②在实验室产生太赫兹重复率的超强激光输出大约需要10年；重点研究高场激光物理和激光电子加速中高次谐波产生的阿秒激光脉冲，获得高通量级的阿秒激光脉冲，推动原子/分子和材料中阿秒动力学研究的发展；激光技术的突破将推动工业应用的大发展，降低光纤飞秒激光器的功率成本。(3)实现重复频率在10太瓦千赫以上的超强激光输出大约需要15年；通过在工业领域的批量应用，驱动光纤飞秒激光器的功率成本显著降低；进行太瓦激光的空间组束，在实验室实现高重复率的10太瓦激光；重点开展小型化粒子加速器研究，推动高重复率、高能量质子束在医学领域的拓展和应用；利用激光产生的高能中子源，探索激光聚变能和核废料处理的应用。
五、超快和超强激光的关键技术方向
1.阿秒超快激光器
未来的重点发展方向主要包括:高能量单个阿秒激光脉冲、高平均功率(高重复率)阿秒激光、高光子能量阿秒脉冲和小型化高重复率阿秒脉冲。相关技术发展方向为:高质量短周期(含中红外)激光脉冲技术、简便的阿秒激光脉冲测量技术、新型阿秒激光应用技术、高质量高亮度硬X射线和γ射线产生技术、毫秒激光技术。
2.飞秒超快激光器
未来重点发展方向主要包括:多波长高性能飞秒激光技术、宽带双频/多频梳状飞秒激光技术、兆赫级高重复率高性能真空紫外-极紫外、红外-太赫兹超快激光技术、径向偏振、涡旋等特殊偏振和空间模式的飞秒激光技术、千兆赫级高重复率小型化量子点超快激光技术、垂直腔面发射(VCSEL)超快激光技术，涉及时域、光谱、偏振和空间。
3.低重复率超高峰值功率激光器
聚焦功率密度和对比度是最重要的参数，应进一步发展放大技术、脉冲压缩技术、空间聚焦技术、对比度增强和测量技术。未来的重点技术方向具体包括:高通放大技术(即超高能量的CPA或OPCPA技术及相应超大口径激光晶体或非线性晶体的研制)，等离子体拉曼放大、准参量啁啾脉冲放大(QPCPA)等新型放大技术，大口径高损伤阈值压缩光栅的新型压缩器设计与研制，大口径超强激光合束技术。激光脉冲对比度增强及单次测量技术、大口径超强激光时空特性在线测量技术、大口径超强激光波前整形及新型高性能聚焦系统设计、超强激光时空电场精确控制及波长调谐技术、超强激光脉冲腔外脉冲压缩技术、涡旋和径向偏振等特殊光场超强激光的产生及应用等。
4.高重复率和高平均功率的超级激光器
未来重点发展方向主要包括:新型飞秒光纤放大、新型盘片激光放大技术、高重复率飞秒激光脉冲时间积累与空间相干组束技术及其衍生创新技术、空间相干组束中多束激光的相位测量与主动反馈控制技术、新型飞秒激光放大的特种光纤设计与加工技术、脉冲压缩与色散管理技术、高重复率激光泵浦源技术、 高重复率放大过程中的热效应管理技术，高性能增益光纤、高性能啁啾光纤光栅和透射光栅等核心器件的研制，时空光场的精确控制和波长调谐技术等。
不及物动词对策和建议
(3)改善人类认知的基础科学研究，不仅需要国内科研人员的创新创造，更需要全球科学家的聪明智慧。加强国际交流与合作，吸引国际人才开展联合研究，进一步加快和提升相关科学研究。在国内已经处于领先地位的超强激光领域，以及一些具有领先性、颠覆性创新的研究方向，可以考虑在“一带一路”框架下建设重大基础科学装置，以中国为重点，吸引其他国家(如亚洲国家、俄罗斯)开展联合研究和技术攻关。通过基础科研成果共享(类似于ELI计划、黑洞探索计划)提升中国科技创新的国际影响力。
(4)为了更好更快地实现基础研究成果服务于国民经济和社会发展的目标，建议科研机构和高等院校加强与企业的合作，促进超快超强激光实用科技成果的高效转化。同时，加强知识产权保护和管理，做好技术风险防范。