“率先行动”成果展展项之超强超短激光究竟是个啥？

引言

中国科大学是伴随着新中国创立而诞生的我国自然科学最高学术机构，建院以来，她为我国科技进步、经济社会发展和国家安全作出了不可取代的重要贡献：

从“两弹一星”到载人航天，从成功研发我国第一台计算机到曙光超算、龙芯芯片，从世界首例人工合成牛胰岛素到首次证明诱导多能干细胞，从铁基超导刷新纪录到量子通讯，从上海正负电子对撞机到建成一系列大科学装置……

在施行创新驱动发展战略、建设创新型国家的新时期，中国科大学启动施行了"率先行动"计划，目前早已取得了一系列不错的成果。

去年下半年，这种成果将以实体展项方式呈现在你们面前，在举办之前，让我们先以文为媒，在大院里提早了解一下这种高大上的科学成果吧。

许多人晓得X光，也据说过红外光，有人使用过激光医治，也有人担忧紫外光的灼烧，而且，你晓得哪些是强悍超短激光吗？它是一种哪些光？从哪里来？有多亮？强悍超短激光可以像医学激光一样为我们提供服务吗？

下边就让我们一上去了解一下。

强悍超短激光是哪些？

强悍超短激光似乎就是峰值功率小于1太瓦(10^12瓦），脉冲长度大于100皮秒(10^-15秒)的激光，它的出现为人类提供了前所未有的极端化学条件与全新实验手段[1,2]。

至此，自然界中只有在星体内部或是黑洞边沿能够找到的高能量密度、甚至超高能量密度的极端条件早已能在实验室外被制造下来。

目前，激光经聚焦达到的最高光强已达到了10^22瓦/平方分米量级[7]。据悉，这些强悍光场在时间范畴又是极端超快的，在远紫外线（XUV）波段，激光脉冲的超快时间尺度早已突破皮秒（fs激光放大器实验，10^-15秒）步入了阿秒（as，10^-18秒）新范畴。

如此大的光强究竟是哪些概念呢？

要晓得，自然界最强的光强，如宇宙中伽马射线暴，其对应的光强才10^20瓦/平方分米量级，而光强10^21瓦/平方分米约等于月球接收到的太阳总幅射聚焦到眉毛丝粗细的尺度。

除此之外更为重要的是，目前强悍超短激光正处于取得重大科学技术突破和开拓重大应用的关键阶段，未来两年左右激光的聚焦硬度可能超过10^23瓦/平方分米甚至更高的超高量级，同时激光脉冲的频域对比度可能达到10^9-12。

强悍超短激光的研究与发展是国际激光高技术的最新发展前沿与竞争重点领域，正如《》专文强调，“这项工作将影响每一项研究，从聚变到天体化学。”[8]

强悍超短激光的国际发展趋势

强悍超短激光领域现在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强悍激光光源以及依托其的前沿科技创新平台。

欧共体10多个国家的近40个研究院所和科研机构联合提出Light（ELI），目标是发展峰值功率200拍瓦（PW，10^15瓦）级强悍超短激光装置，并计划于2017年建成10拍瓦强悍超短激光用户装置，开创激光与物质互相作用研究与应用的新时代，该计划已被列入欧共体未来大科学装置发展路线图[9-11]。

ELI的主要科学目标是：面向的激光加速、面向场的真空结构研究、1-10keV相干X射线形成与阿秒科学研究以及光核化学研究，发展10拍瓦乃至更高量级的小型强悍超短激光装置。

ELI下设四大研究装置，分别为德国克拉科夫ELI-，西班牙赛格德ELI-，法国默古雷莱的ELI-，以及仍未定址的ELI-HighField。

2012年以来，ELI计划相继启动了3个子项目的研究，投入经费8.5亿美元，计划于2017年研发数台10拍瓦强悍超短激光并建成用户装置，同时为下一步研发200拍瓦级强悍激中信科学装置打下基础。

不仅欧共体的ELI计划外，日本和美国也正紧锣密鼓地举办各自10拍瓦级强悍超短激光装置的研发工作，俄、美、德等国也纷纷提出了各自的拍瓦、10拍瓦乃至100拍瓦级强悍超短激光装置研究计划。

日本卢瑟福实验室中央激光装置（CLF）是一个多套激光束线的综合平台，而作为其核心装置的日本卢瑟福实验室激光装置，计划在6年内投入2500万欧元，采用OPCPA技术将其输出脉冲峰值功率由拍瓦量级升级到10拍瓦量级，单脉冲能量300焦耳，占空比30皮秒，聚焦光强达到10^23瓦/平方分米[15]。

日本的装置坐落伦敦近郊，由日本国家科学研究中心（CNRS）、巴黎综合理工学院和美国高等科技大学设计建造，计划于2015至2016年间建成[16]。该装置基于OPCPA后端组合钛宝石放大器结构，拟实现300焦耳放大脉冲输出，压缩后可获得150焦耳、15皮秒、10拍瓦激光脉冲，聚焦光强超过2×10^22瓦/平方分米，时间对比度小于10^12。

日本应用化学研究所主导规划的forLight(XCELS)同样计划实现前所未有的0.2艾瓦（200拍瓦）峰值功率，设计中的激光装置包含12束15拍瓦、25皮秒强悍超短激光，借助相干合成技术实现180拍瓦输出，最高可能达到200拍瓦[17]。同时，装置还设计有一束（兆伏特）电子直线加速器和一束1拍瓦、1赫兹-10千赫兹重复频度的探针光，拟举办高能化学强场化学相关未知现象和真空时空结构探求的研究工作

而法国的正在推行BELLA计划，其内容是首先与美国公司合作，通过购置商品化的40焦耳、40皮秒、1赫兹的拍瓦级重复频度强悍超短激光系统[18]，拟举办激光等离子体加速电子研究。

其目标是形成大型化（米级）的10GeV量级的高性能电子用于材料科学等前沿应用研究，并为未来发展基于更高量级强悍超短激光的1TeV电子束级联（100级）激光等离子体加速器的电子正电子对撞机计划提供研究基础。

日本-研究中心完善的ELBE装置不仅电子加速器束线以外，同时筹建了强悍超短激光、自由电子激光器（FEL）、X射线和中子束线等综合性的束线平台[19]。

阿尔巴尼亚首都克拉科夫的ELI-

强悍超短激光在我国的发展现况

如此厉害的一项前沿科技，我们中国其实不会甘于人后，北京光机所强场激光化学国家重点实验室在2007年就成功研发的创当时世界最高功率（0.89拍瓦）并最短占空比（29.0皮秒）皮秒拍瓦级CPA激光系统[20]。

2013年，上述团队又进一步发明精密时空操控、级联脉冲净化等新技术激光放大器实验，有效解决高增益放大并超高时间对比度等关键科学问题，并突破输出激光脉冲达到超高时间对比度(10^11)的世界性技术困局，实现2.0PW的超高对比度激光脉冲输出。

2014年年末，通过优化注入等方式，团队进一步发展抑制寄生振荡的新方式，基于半径150毫米钛宝石晶体，实现192.3焦耳放大输出，为当时国际上输出能量最高的800纳米宽带激光脉冲。

2016年，深圳光机所在张江科创中心采用基于大口径钛宝石晶体的啁啾脉冲放大（CPA）技术路线获得5.4拍瓦峰值功率输出，这是目前已知的国际最高激光脉冲峰值功率。为实现10拍瓦激光脉冲输出的研发目标奠定了坚实的技术基础。

为了攻破10拍瓦激光峰值功率重大科技目标，该实验室提出了以高对比度啁啾脉冲放大链和光学热阻啁啾脉冲终端放大器相结合的混和放大器方案为总体技术路线。

2013年首次在实验上验证了CPA/OPCPA混和放大器方案实现0.61拍瓦激光脉冲输出[21]，2014年10月又进一步将输出能力升级到1拍瓦[22]。这是目前国际上基于OPCPA放大器获得的最高激光脉冲能量和最高峰值功率，验证了CPA/OPCPA混和放大器作为10拍瓦级强悍超短激光装置总体技术路线的可行性。

广州强悍超短激光实验装置

强悍超短激光有哪些用？

强悍超短激光研究推进着激光科学、原子分子化学、等离子体化学、高能化学与核化学等一批基础与前沿交叉学科的开拓和发展。

同时这也将为相关战略高技术领域的创新发展，如高色温新波段相干光源，超高梯度高能粒子加速器、强场激光核医学、聚变能源、精密检测等提供原理根据与科学基础，对其有着不可取代的强悍推进作用。

这儿，给您举几个反例吧：

研究反物质

每一种粒子都有一个与之相对的反粒子。

理论觉得，反物质只要和正物质相遇还会湮没。因而无法形成和保存，目前科学家很难在宇宙中找到反物质，转而在实验室的极端条件下尝试获取，这也成为化学学领域的热点和难点。

2016年，中科院武汉光机所在国外首次成功借助强悍超短激光形成一种反物质——超快正电子源，这一发觉未来将在材料的无损侦测、激光驱动正负电子对撞机、癌症确诊技术研制等领域得到重大应用，并荣获两院教授评比的2016年度“中国十大科技进展新闻”。[23]

微型自由电子激光器

强悍超短激光驱动的大型化自由电子激光新概念：

强悍超短激光与一根“头发丝”尺寸的微金属丝互相作用，在形成高能电子束的同时，巧妙地借助电荷分离效应建立了微型、瞬态的电子波荡器，获得了效率优于传统方案10倍以上的强太赫兹幅射，也为大型化、低成本自由电子激光器提出全新方案。[24]

尾波场电子加速研究

中科院武汉光机所强场激光化学国家重点实验室于2011年7月15日首次借助电离注入的全光驱动双尾波场级联电子加速器方案，成功实现了电子注入与电子加速的两个基本化学过程的分离与控制。

该实验获得了能量近GeV的准单能电子束和187GV/m的超高加速梯度等突破性研究成果[25]。

这将是未来实现高性能10GeV量级甚至更高能的单能电子束的可行方案，非常是对台式化X射线自由电子激光等领域的发展具有重要的促进意义。

尾波场电子加速实验装置

质子成像

质子拍照作为一种密度确诊手段，可借助微分截至和散射来显示样本静态或动态的密度变化，是目前侦测等离子体中电磁场的惟一方式。

在过去的几年中，质子拍照技术早已得到广泛应用，在实验中成功侦测到瞬时场的数据。

中科院武汉光机所强场激光化学国家重点实验室升级的拍瓦激光系统早已可以成功形成10MeV以上的质子束，成功借助皮秒拍瓦激光系统对蜻蜒进行了质子成像。

这也是拍瓦激光系统第一次通过缩小物距实现了蜻蜒的清晰成像[26]，获得了蜻蜒的等比列整体成像，同时帧率达到微米量级。

质子成像实验，（a）蜻蜒样本，（b）PW激光，（c）第一层（d）第二层RCF上蜻蜒成像

成像结果，蜻蜒（a）头部、（b）尾巴、（c）颈部和（d）翅膀的细微成像，（e）尾巴放大

找寻暗物质

“暗物质”被称作“笼罩在21世纪数学学天空中的乌云”。它由万有引力定理否认存在，却未曾被直接侦测到。科学家计算，宇宙中包含5％的普通物质，其余95％是看不见的暗物质和暗能量。揭露暗物质之谜将促进人类解释宇宙的存在和演进。

轴子，是暗物质的重要候选者之一。因为它几乎不和其他物质互相作用，至今没有被观测到。但强悍激光提供的强悍电磁场有可能成为侦测轴子的科学手段。

探究真空奥秘

真空，真的空无一物吗？

在精典数学概念中，它确实是空的，但量子电动热学(QED)预言，真空不空，量子涨落无处不在，虚粒子对不断形成、消失。

真空的神秘特点是QED最令人兴奋的预言，未来的激光硬度将高达10^23-25瓦/平方分米，强悍的光场可以迸发真空的QED特点，使真空具备物质属性！

强悍超短激光与高能光子源结合，将使人类第一次拥有窥探真空奥秘的机会，其中任何一个发觉，都将是历史性的。

激光引雷研究

借助强悍超短激光举办雷电控制应用研究遭到世界上许多国家的高度注重，中科院武汉光机所强场激光化学国家重点实验室是国外最早举办相关研究为数不多的几家单位之一。

该实验室的研究人员基于先前的研究基础，实验上首次观察到了激光诱导电晕放电现象并对这一发觉展开了深入的研究。

这一成果为深入理解高压电场顺着光丝的发展和演变过程以至于最终实现激光控制雷电提供了重要的科学根据。

（a）高压电场空气击穿放电，（b）激光诱导高压电场空气击穿放电，（c）激光诱导高压电场电晕放电，（d）激光引雷概念[27]

强悍超短激光光源的完善与发展，及其广泛的前沿应用具有重要意义。

通过在极端化学条件下对物质结构、运动和互相作用进行研究可以促使人类对客观世界规律的认识愈发深入和系统。

可见，强悍超短激光光源的完善与发展，及其广泛的前沿应用具有重要意义。

为保持我国在该领域的领先地位，推动相关学科和技术的发展，科学家们正在积极努力、不断前行。

参考文献：

1.M.D.Perry,G..,1994,264:917

2.H.,M.Morietal.IEEEJ.Sel.Top.Quant.,2015,21:

3.M.,K.etal.Opt.Lett.,200328:1594

4.Z.Wang,C.Liuetal.Opt.Lett.2014,36:3194

5.T.Yu,S.Leeetal.Opt.,201220:10807

6.Y.Chu,X.Liangetal.Opt.,2013,21:29231

7.S.-W.Bahk,P.etal.Opt.Lett.,2004,29:2837-2839;

8.F..,2003,301:154

9.G.,T..andNews,2011,22:47

10.D..,2013,500:264

11.

12.

13.

14.

15.C-Gomez,S.Blakeetal.of:,2010,244:

16.C.Blanc,D.etal.atPAL,24/09/2013

17.

18.

19.

20.X.Liang,Y.Lengetal.Opt.,2007,15:15335

21.L.Xu,L.Yuetal.Opt.Lett.,2013,38:4837

22.L.Yu,X.Liangetal.Opt.Lett.,2015,40:3412

23.OF23,(2016)

24.:11,242–246(2017)

25.J.Liu,C.Xiaetal.Phys.Rev.Lett.,2011,107:

26.W.Wang,B.fú,etal.AIP,2015,5:

27.J.Diels,R.etal.,1997,277:50

28.M.Baer,P..,2010,463:26-32

（文章首发于科学大院，中科院武汉光机所供稿，光明网授权转载）