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一、引言 超快光学与超强激光技术研究以超快激光技术和超高强度超短脉冲 (简称“超强超短”) 激光技术，超快激光或者超强超短激光与物质的相互作用以及交叉学科与相关高新技术领域中的应用相关的科学技术问题为研究对象。超快激光技术在分子动力学、化学反应控制、电子微观动力学、分子生物学等方面有着重要应用前景, 也形成了阿秒脉冲的产生与测量、新波段超快激光、超快非线性光学、超快激光微纳制备、宽带光学频率梳等研究方向。  圆偏振拍瓦超强超短激光驱动的无碰撞激波加速高品质质子束的示意图（上海光机所激光质子刀研究取得重要进展，是超强超快激光应用的又一项突破） 超强超短激光技术的研究以拍瓦级 (10^15 W) 激光技术为前沿热点。这种激光光源被认为是人类已知的最亮光源, 经过近十多年的快速发展, 超强超短激光技术目前正处于取得重大突破的前夜。未来5年左右, 激光脉冲的峰值功率可望突破20拍瓦乃至艾瓦 (10^18 W) 量级, 聚焦强度可能超过10^23 W/cm^2, 甚至达到 10^26 W/cm^2以上的超高量级, 这样的激光条件下激光与物质的相互作用首次进入到了一个前所未有的强相对论性与高度非线性的范畴, 能在实验室内创造出前所未有的超高能量密度, 超强电磁场和超快时间尺度综合性极端物理条件, 在激光加速、激光聚变、等离子体物理、核物理、天体物理、高能物理、材料科学、核医学等领域具有重大应用价值, 例如: 超强超短激光驱动的小型化高能电子加速器、高亮度 γ 射线源及高能质子加速器, 有望为基于加速器的新光源、核材料探测与处理、核医学等重大应用带来变革性推动。   二、国际发展趋势 超强超短激光领域正处于取得重大突破与开拓应用的关键阶段，国际上正在大力发展超强超短激光光源以及依托其的前沿科技创新平台。2006年欧盟10多个国家的近40个研究院所和科研机构联合提出的 Extreme Light Infrastructure (ELI) 计划，目标是发展峰值功率数百拍瓦甚至艾瓦级超强超短激光装置，开创激光与物质相互作用研究与应用的新时代，ELI计划被纳入欧盟未来大科学装置发展路线图。除此之外, 英国和法国也正在开展各自10拍瓦级超强超短激光装置的研制工作，美国、俄罗斯、日本、韩国等也提出了类似的超强超短激光装置研究计划。 01 欧盟ELI计划 ELI 计划的主要科学目标是: 面向 100 GeV 的激光加速, 面向 Schwinger 场的真空结构研究,，1∼10 keV 相干 X 射线产生与阿秒科学研究和光核物理研究。ELI 计划下设 4 大研究装置, 分别为位于捷克 Prague 的 ELI 束线装置 (ELI-Beamlines Facility)、位于匈牙利 Szeged 的 ELI阿秒装置 (ELI-Attosecond Facility)、位于罗马尼亚 M˘agurele 的 ELI 核物理装置 (ELI-Nuclear Physics Facility), 以及目前尚未定址的 ELI 超强场装置 (ELI-Ultra High Field Facility)。  捷克首都布拉格的ELI-Beamlines Facilities 02 俄罗斯XCELS计划 俄罗斯科学院应用物理研究所(Institute of Applied Physics)提出的Exawatt Center for Extreme Light Studies(XCELS)计划瞄准200拍瓦峰值功率的实现，设计中的激光装置包含12束15拍瓦,25fs超强超短激光，利用相干合成技术实现180拍瓦输出，最高可能达到200拍瓦)。同时, 装置还设计有一束100MeV电子直线加速器和一束1拍瓦,1 Hz∼10 kHz重复频率的探针光。拟开展高能物理、强场物理和真空的时空结构探索研究，以及实验室天体物理和宇宙学、核光学、中子物理、真空、阿秒仄秒物理和基础计量等研究。  激光束线和研究单位  XCELS设计图 03 美国的相关研究计划 美国劳伦斯伯克利国家实验室 (Lawrence Berkeley National Laboratory, LBNL)正在实施 Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) 计划。该计划主要是利用输出参数为40 J, 40 fs, 1 Hz 重复频率的拍瓦级超强超短激光系统开展激光等离子体加速电子研究, 目标是实现小型化的10GeV量级的高性能电子加速器用于材料科学等前沿研究, 并为未来发展基于多级级联激光等离子体加速器的1TeV级电子-正电子对撞机提供研究基础。  BELLA Laser装置图 三、中国科学家的研究进展  上海光机所强光光学开放实验室成功建立了当前我国最为先进并达到国际一流水平的15太瓦、35飞秒级小型化超强超快激光装置。该激光系统具有优良的光束质量，具备了提供10^18~10^19 W/cm^2的超高激光功率密度的强场超快极端条件的能力，是进行相对论性强场与物质相互作用研究不可缺少的实验工具。  天津大学开展飞秒激光的研究工作近20年，积累了丰富的理论和实验经验。在飞秒固体激光研究中，首次观察到自锁模自调Q、飞秒脉冲分裂、脉冲碰撞、脉冲序列周期性调制，以及飞秒太瓦激光脉冲在液体传输中的平台超连续光谱等多种新现象。 中科院物理所进行了外静电场和磁场存在条件下高次谐波发射的半经典理论研究，超强超快激光与原子、分子相互作用的全量子非微扰理论研究，以及超强超快激光与固体相互作用中的高能粒子发射研究并取得重要进展。 复旦大学物理系在强激光场非线性康普顿效应与电子加速的研究中，获得重要进展，尤其是发现了当激光强度超过某一阈值，电子与光束的相互作用将表现出全新的特性，电子有可能被激光束俘获并被猛烈加速到吉电子伏以上。 上海超强超短激光装置 四、超强超短激光应用前沿 01 激光尾波场电子加速 超强超短激光驱动的尾波场电子加速器相比于传统的高能粒子加速器而言,极限加速电场高出3个量级以上,为实现小型化的高能粒子加速器提供了新原理和新方法,也将对未来的同步辐射装置、自由电子激光以及高能粒子物理等的研究与发展产生重要影响。国际上激光尾波场电子加速研究在2004年取得突破,实现了100MeV级的准单能电子束,2006年实现了GeV级的准单能电子加速。中国科学院上海光学精密机械研究所2010年获得了最高能量达到1.8GeV的当时国际最高能量的激光电子加速实验结果。 尾波场电子加速实验装置 02 激光质子加速与质子照相 质子照相作为一种密度诊断手段,可利用微分截止和散射来显示样本静态或动态的密度变化,是目前探测等离子体中电磁场的唯一方法。在过去的几年中,质子照相技术已经得到广泛应用,在实验中成功探测到瞬时电磁场的数据。中国科学院上海光学精密机械研究所利用拍瓦超强超短激光驱动产生了能量达到10MeV以上的高能质子束,并利用该质子束成功开展了对蜻蜓样品的质子照相实验,通过缩小物距实现了蜻蜓的清晰成像。此项研究不仅有助于物理动力学分析研究,在医学癌症细胞的早期特征探测方面也有重要应用。 质子成像实验(a）蜻蜓样本，（b）PW激光，（c）第一层（d）第二层RCF上蜻蜓成像 成像结果，蜻蜓（a）脚部、（b）尾巴、（c）头部和（d）翅膀的细微成像，（e）尾巴放大 03 化学反应动力学方面的研究 泽韦尔（A.H.Zewail）由于在发展飞秒光谱技术，并研究化学反应过程中寿命极短的过渡态方面的成就，被授予1999年度诺贝尔化学奖。上述进展也为利用超快强激光控制化学反应带来了新的希望。有选择地断裂或形成一些小分子化学键已经成功，但是对大分子复杂体系却一直未能突破。超快强激光技术与近场光学显微技术相结合，可以对激光与分子的相互作用进行多维控制，这是研究'单分子物理学'或'单分子化学'的有力手段，并有可能用以对生物大分子进行'剪裁'。 04 物质微结构的制备与超快动力学行为的研究 如光泵-超快X射线衍射探针测量技术应用于单晶的超快晶格动力学研究已经实现了皮秒-毫埃的超高时空分辨率；微爆炸和微聚合已使得人们有可能用超快强激光得到优于衍射极限、小于光波长的材料处理精度，在三维高密度数据存储中带来了新的应用。最近的实验也已证实，利用飞秒强激光按微米的间隔，断续照射含稀土元素钐微粒子的玻璃，加上多重波长重叠记录技术，记录密度可提高到1014比特/cm^3等。 引用 1 超快光学与超强激光技术前沿研究，李儒新等，中国科学院上海光学精密机械研究所。 2 超快激光技术及其应用进展，of week激光网 超级萌帅的付老师 生日快乐！ 最最最美全体小编 生日快乐~ |
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