來(lái)源：中國(guó)工程院院刊

作者：劉軍，曾志男，梁曉燕，冷雨欣，李儒新

編者按：超快超強(qiáng)激光兼具超快時(shí)域特性和超高峰值功率特性，為人類在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造出了前所未有的超快時(shí)間、超高強(qiáng)場(chǎng)、超高溫度和超高壓力等極端物理?xiàng)l件，成為用于拓展人類認(rèn)知的前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究最重要的工具之一。文章從超快激光和超強(qiáng)激光的應(yīng)用與發(fā)展需求出發(fā)，系統(tǒng)調(diào)研了國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究和科學(xué)應(yīng)用的現(xiàn)狀，提出了我國(guó)超快激光和超強(qiáng)激光的發(fā)展思路與目標(biāo)以及為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)需要重點(diǎn)發(fā)展的相關(guān)方法和技術(shù)。針對(duì)超高峰值功率和高重復(fù)頻率超強(qiáng)激光面向未來(lái)的重要方向，分析了我國(guó)分階段發(fā)展的重點(diǎn)內(nèi)容，突出了相關(guān)技術(shù)與配套元器件研究的重要性。此外，在注重基礎(chǔ)研究、多方面吸引和培育人才、加強(qiáng)國(guó)際合作、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)化等方面提出了超快超強(qiáng)激光發(fā)展的措施建議，以期為我國(guó)激光技術(shù)與科學(xué)應(yīng)用的穩(wěn)步發(fā)展提供方向參照。

一、前言

激光出現(xiàn)后，依托鎖模技術(shù)進(jìn)入了飛秒（10–15 s）超快時(shí)代，并迅速應(yīng)用到物理、生物、化學(xué)和材料等前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究。Zewail教授因飛秒化學(xué)方面的開創(chuàng)性研究榮獲1999年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。啁啾脈沖放大技術(shù)（CPA）進(jìn)一步將激光推進(jìn)到了超強(qiáng)時(shí)代，相關(guān)科學(xué)家榮獲2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

超快超強(qiáng)激光是指同時(shí)具有超快時(shí)域特性和超高峰值功率特性的特殊光場(chǎng)，為人類在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造出了前所未有的超快時(shí)間、超高強(qiáng)場(chǎng)、超高溫度和超高壓力等極端物理?xiàng)l件，極大地促進(jìn)了物理、化學(xué)、生物、材料、醫(yī)學(xué)以及交叉學(xué)科等前沿科學(xué)的發(fā)展與進(jìn)步?？梢哉J(rèn)為，超快超強(qiáng)激光是用于拓展人類認(rèn)知的前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究最重要的工具之一，在某些方面甚至是獨(dú)一無(wú)二、不可替代的研究手段。

超快超強(qiáng)激光技術(shù)在推動(dòng)前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究持續(xù)拓展的同時(shí)，又面臨著前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究因自身深化探索而新增的能力支撐需求，這為激光技術(shù)體系發(fā)展賦予了強(qiáng)勁的牽引力。本文著重梳理超快超強(qiáng)激光的發(fā)展與科學(xué)應(yīng)用需求以及國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展情況，在此基礎(chǔ)上就我國(guó)的領(lǐng)域發(fā)展目標(biāo)和重點(diǎn)方向開展論證分析，以期為我國(guó)激光技術(shù)的穩(wěn)步發(fā)展提供方向參照。

二、超快超強(qiáng)激光應(yīng)用與發(fā)展需求分析

超快超強(qiáng)激光在相關(guān)前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究中的應(yīng)用拓展，亟需進(jìn)一步提升激光參數(shù)，探索利用激光脈沖的其他參量來(lái)將超快和超強(qiáng)前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究推進(jìn)到更為深入的物質(zhì)層次。根據(jù)前沿科學(xué)研究目標(biāo)的差異，未來(lái)領(lǐng)域應(yīng)用與發(fā)展的需求集中在以下兩部分。

（一）超快激光及其科學(xué)應(yīng)用

這一方向的未來(lái)發(fā)展需求可細(xì)分為阿秒激光乃至仄秒激光、極紫外–太赫茲全波段多維度參量精密可控的飛秒超快激光。

阿秒激光乃至仄秒激光追求采用更短脈沖寬度的超快激光來(lái)研究物質(zhì)內(nèi)部更快的超快過(guò)程，需要發(fā)展更高脈沖能量、更短脈沖寬度、更高光子能量的高性能阿秒（10–18 s）激光。將阿秒脈沖的光子能量推進(jìn)到硬X射線波段和伽馬射線波段，將脈沖寬度推進(jìn)到仄秒（10–21 s）的時(shí)間尺度，從而將人類能夠探索的物質(zhì)層次從原子/分子水平推進(jìn)到原子核尺度 。

飛秒時(shí)間尺度對(duì)應(yīng)著原子/分子、材料、生物蛋白、化學(xué)反應(yīng)等豐富物質(zhì)體系的超快過(guò)程，有著廣泛而重要的應(yīng)用。隨著研究的進(jìn)一步拓展與深入，需要探索更加豐富和復(fù)雜的超快動(dòng)力學(xué)過(guò)程，以致控制這些超快過(guò)程。為了對(duì)超快激光更多維度的參量特性進(jìn)行調(diào)制和利用，不僅需要將飛秒激光的光譜拓展到紅外–太赫茲波段、真空紫外–極紫外波段，還需要發(fā)展包括時(shí)域、振幅、相位、光譜、偏振、空間模式等多維度參量在內(nèi)的精密調(diào)控飛秒超快激光，以極紫外–太赫茲全波段多維度參量精密可控的飛秒超快激光為代表。

（二）超強(qiáng)激光及其科學(xué)應(yīng)用

根據(jù)定位和應(yīng)用目標(biāo)的差異，這一方向可分為低重復(fù)頻率超高峰值功率超強(qiáng)激光、高重復(fù)頻率高平均功率超強(qiáng)激光。其中，低重復(fù)頻率是指激光脈沖重復(fù)頻率在10 Hz及以下，高重復(fù)頻率是指激光脈沖重復(fù)頻率在1 kHz及以上。

唯有利用超強(qiáng)激光，人類方可在實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生宇宙星體內(nèi)部和原子核內(nèi)部才有的極端物理?xiàng)l件。利用低重復(fù)頻率超高峰值功率超強(qiáng)激光，可在實(shí)驗(yàn)室中研究激光粒子加速、光核物理、伽馬光–光對(duì)撞等微觀尺度的前沿物理問(wèn)題，也可在宏觀尺度上研究超新星爆發(fā)、太陽(yáng)耀斑、黑洞吸積盤噴流等天體物理現(xiàn)象，還可研究引力波、暗物質(zhì)、真空物理等拓展人類未知的前沿基礎(chǔ)科學(xué)。針對(duì)國(guó)家重大理論與實(shí)驗(yàn)研究的需求，如激光粒子加速器、核嬗變等核物理、高能物理、激光聚變能源新途徑、激光核醫(yī)學(xué)等，低重復(fù)頻率超高峰值功率超強(qiáng)激光提供了重要的科學(xué)研究工具。

在與國(guó)家戰(zhàn)略需求相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域，如空天安全、空天環(huán)境物理等方面，高平均功率的超強(qiáng)激光是重要的驅(qū)動(dòng)工具，以能夠適應(yīng)空天特殊環(huán)境的高重復(fù)頻率超強(qiáng)激光為典型。高重復(fù)頻率高平均功率的超強(qiáng)激光產(chǎn)生超強(qiáng)質(zhì)子束、電子束、中子束、X 射線、伽馬射線，以致超強(qiáng)太赫茲脈沖等次級(jí)超強(qiáng)光源作為新型工具，可以拓展到光核反應(yīng)、激光推進(jìn)、核聚變能源和核廢料處理、疾病治療等更為前沿的重大基礎(chǔ)科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用中。

圖1 超快超強(qiáng)激光的應(yīng)用

三、超快超強(qiáng)激光國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

（一）超快激光及其科學(xué)應(yīng)用

1. 阿秒超快激光

近20年的發(fā)展歷程表明，寬帶高次諧波產(chǎn)生阿秒脈沖來(lái)拓展應(yīng)用的根本局限在于單脈沖能量偏低，國(guó)際主流的解決途徑是建立高功率和長(zhǎng)波長(zhǎng)的飛秒超快激光系統(tǒng)。歐盟投資數(shù)億歐元，在匈牙利建立了極端光裝置–阿秒脈沖源（ELI-ALPS），通過(guò)兩個(gè)拍瓦激光系統(tǒng)產(chǎn)生高峰值功率和高平均功率的阿秒脈沖。長(zhǎng)波長(zhǎng)的中紅外飛秒激光脈沖系統(tǒng)可產(chǎn)生更高光子能量和更短脈沖寬度的阿秒脈沖，因此眾多研究機(jī)構(gòu)均在這方面開展工作。高重復(fù)頻率阿秒激光研究也取得重要進(jìn)展。另外，通過(guò)X射線自由電子激光（XFEL）產(chǎn)生阿秒脈沖也獲得了初步驗(yàn)證，XFEL在產(chǎn)生高光子能量（硬X射線和伽馬射線波段）的高功率阿秒脈沖方面具有一定優(yōu)勢(shì)。

國(guó)內(nèi)阿秒激光研究集中在中國(guó)科學(xué)院所屬的上海光學(xué)精密機(jī)械研究所、物理研究所、西安光學(xué)精密機(jī)械研究所等科研機(jī)構(gòu)。由于總體布局較晚，當(dāng)前研究水平仍然相對(duì)落后。2009年，上海光學(xué)精密機(jī)械研究所測(cè)量了阿秒脈沖鏈的脈沖寬度，獲得了近傅里葉變換極限的阿秒脈沖激光。2013年，物理研究所產(chǎn)生并測(cè)量了單個(gè)阿秒脈沖，獲得了脈沖寬度為160 as的脈沖激光。西安光學(xué)精密機(jī)械研究所在阿秒脈沖激光研究方面承擔(dān)了較多任務(wù)。國(guó)內(nèi)高等院校，如華中科技大學(xué)、華東師范大學(xué)、北京大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)等也在開展阿秒激光的相關(guān)研究。此外，一些研究機(jī)構(gòu)還在高功率激光加速產(chǎn)生高能電子和伽馬射線等方面開展了系列工作。

2.飛秒超快激光

利用非線性光學(xué)方法，國(guó)際上早已將飛秒激光的波長(zhǎng)從可見(jiàn)–近紅外波段拓展到深紫外–紫外、紅外–太赫茲波段。自由電子激光器也已獲得真空紫外和極紫外波段以及太赫茲超快飛秒激光，具有高能量和波長(zhǎng)可調(diào)諧的優(yōu)勢(shì)，但相關(guān)裝置較為復(fù)雜。為了研究更復(fù)雜豐富的超快動(dòng)力學(xué)過(guò)程，多參量光場(chǎng)精密調(diào)控和多波長(zhǎng)飛秒超快激光也獲得了發(fā)展。

國(guó)內(nèi)較多研究團(tuán)隊(duì)直接采用商用進(jìn)口的飛秒激光器，疊加非線性效應(yīng)來(lái)拓展波長(zhǎng)等參量。在光場(chǎng)精密調(diào)控和多波長(zhǎng)飛秒超快激光方面，上海光學(xué)精密機(jī)械研究所、上?？萍即髮W(xué)、西安交通大學(xué)等機(jī)構(gòu)完成了系列研究。2019年，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所構(gòu)建的自由電子激光器已經(jīng)投入運(yùn)行，在50~200 nm 真空紫外與極紫外波段實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)的超快激光輸出，發(fā)揮了飛秒超快激光對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)研究的支撐和拓展作用。中國(guó)工程物理研究院利用自由電子激光實(shí)現(xiàn)了太赫茲波段超快激光輸出。

（二）超強(qiáng)激光及其科學(xué)應(yīng)用

這一方向的國(guó)際研究進(jìn)展快速且競(jìng)爭(zhēng)激烈，世界上已建成50多套拍瓦級(jí)激光裝置。

1. 低重復(fù)頻率超高峰值功率超強(qiáng)激光

歐盟、美國(guó)、日本、韓國(guó)、俄羅斯等國(guó)家或地區(qū)均在建設(shè)十拍瓦級(jí)激光重大科學(xué)裝置。近期多個(gè)國(guó)家或地區(qū)提出了100~200 PW重大激光科學(xué)裝置的發(fā)展計(jì)劃。

歐盟10多個(gè)國(guó)家的近40個(gè)科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合提出超強(qiáng)光基礎(chǔ)設(shè)施（ELI）計(jì)劃，旨在發(fā)展200PW超強(qiáng)激光裝置，已被納入歐盟未來(lái)大科學(xué)裝置發(fā)展路線圖；2019年實(shí)現(xiàn)了10 PW超強(qiáng)激光輸出。法國(guó) Apollon 激光裝置2017 年實(shí)現(xiàn)了5 PW激光輸出，2018 年實(shí)現(xiàn)了10 PW激光輸出，更高指標(biāo)輸出目前有所延遲。英國(guó) Vulcan 激光裝置計(jì)劃采用光參量啁啾脈沖放大（OPCPA）技術(shù)，將輸出脈沖峰值功率由拍瓦級(jí)提升至十拍瓦級(jí)。俄羅斯規(guī)劃用于極端光學(xué)研究的艾瓦中心（XCELS）擬實(shí)現(xiàn)200 PW峰值功率，待建激光裝置包含12束功率為15 PW、脈沖寬度為25 fs超強(qiáng)激光，利用相干合成技術(shù)來(lái)輸出激光。日本激光快速點(diǎn)燃實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（LFEX）裝置已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了皮秒量級(jí)、脈沖能量達(dá)2 kJ的拍瓦激光輸出，主要用于支持快點(diǎn)火激光核聚變、天體物理方面的研究。韓國(guó)光州科學(xué)技術(shù)院（GIST）基于鈦寶石CPA方案，在0.1 Hz重復(fù)頻率下實(shí)現(xiàn)了4.2 PW激光輸出。美國(guó)羅徹斯特大學(xué)OMEGA EP裝置具有1 kJ/1 ps/1 PW的激光輸出能力，同步提出了百拍瓦級(jí)超強(qiáng)激光的發(fā)展構(gòu)想。

國(guó)內(nèi)低重復(fù)頻率超高峰值功率超強(qiáng)激光研究方向起步較早，已經(jīng)形成了實(shí)力較強(qiáng)、梯隊(duì)合理的研究隊(duì)伍。自1996年起，每?jī)赡暾匍_1次的“全國(guó)強(qiáng)場(chǎng)激光物理會(huì)議”顯著促進(jìn)了相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)交流和研究進(jìn)展。近年來(lái)，我國(guó)在此方向取得了一些重要研究成果，部分成果已經(jīng)處于國(guó)際領(lǐng)先水平。2017年，中國(guó)工程物理研究院基于大口徑三硼酸鋰（LBO）晶體和OPCPA技術(shù)路線獲得了近5 PW超強(qiáng)激光輸出。上海光學(xué)精密機(jī)械研究所利用鈦寶石CPA 方案，2016年在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)5 PW激光輸出，2017年在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)10 PW放大輸出；利用OPCPA技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了1 PW激光輸出；2018年在國(guó)際上率先立項(xiàng)并啟動(dòng)建設(shè)百拍瓦級(jí)超強(qiáng)激光裝置。此外，一些高等院校近期也提出了建設(shè)數(shù)十拍瓦級(jí)激光裝置的規(guī)劃設(shè)想。

2. 高重復(fù)頻率高平均功率超強(qiáng)激光

這一方向的技術(shù)方法主要分為碟片超快激光和光纖超快激光。碟片激光器在解決增益介質(zhì)的熱效應(yīng)管理問(wèn)題之后，實(shí)現(xiàn)了平均功率為千瓦級(jí)的輸出。光纖飛秒激光具有散熱好、集成方便靈活、光束質(zhì)量好、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)勢(shì)，且可實(shí)現(xiàn)1 MHz以上重復(fù)頻率的激光放大，近年來(lái)獲得迅速發(fā)展。受限于非線性效應(yīng)，光纖中的CPA輸出能量和功率還不高。

2012年，國(guó)際知名學(xué)者M(jìn)ourou教授在歐盟組織啟動(dòng)了“國(guó)際放大相干網(wǎng)絡(luò)”（ICAN）計(jì)劃，旨在推動(dòng)基于光纖飛秒激光及其組束技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)高重復(fù)頻率、高平均功率和高峰值功率的超強(qiáng)激光脈沖，探索應(yīng)用于新一代粒子加速器的驅(qū)動(dòng)源。在ICAN計(jì)劃（10J/100 fs/10 kHz超強(qiáng)激光）框架下，德國(guó)耶拿大學(xué)牽頭完成了光纖飛秒激光時(shí)間與空間組束的眾多研究。例如，已經(jīng)采用16束光纖飛秒激光合束獲得了平均功率為千瓦級(jí)的高重復(fù)頻率激光輸出；提出的空間相干組束（16×32）與時(shí)間相干組束或脈沖堆積相結(jié)合的新技術(shù)方案，有望更加經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)300 fs/100 TW超強(qiáng)激光輸出。

國(guó)內(nèi)高重復(fù)頻率高平均功率超強(qiáng)激光還缺乏系統(tǒng)的研究布局，僅有上海光學(xué)精密機(jī)械研究所、北京大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、天津大學(xué)等少量研究單位各自在分立的核心技術(shù)方向上開展研究和探索，如高性能增益光纖研制、碟片激光放大技術(shù)、光纖飛秒振蕩器、光纖CPA技術(shù)、空間激光組束、脈沖時(shí)間堆積和脈沖壓縮等。一些科研機(jī)構(gòu)和高等院校對(duì)大模場(chǎng)面積增益光纖、高能量高功率飛秒激光等技術(shù)方向進(jìn)行了持續(xù)研究。鑒于在微加工領(lǐng)域應(yīng)用的良好前景，國(guó)內(nèi)諸多企業(yè)開展了數(shù)十瓦功率的光纖飛秒激光產(chǎn)品研制，部分企業(yè)已經(jīng)推出了功率為50 W及以上的飛秒超快激光產(chǎn)品。盡管發(fā)展迅速，但大多數(shù)產(chǎn)品需要采用國(guó)外的關(guān)鍵器件，而具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵器件還較少。整體來(lái)看，這方面的研究較為分散，尚未在產(chǎn)業(yè)鏈條上形成系統(tǒng)規(guī)劃和分工協(xié)作的局面。

圖2 超強(qiáng)超快激光的應(yīng)用

四、我國(guó)超快超強(qiáng)激光發(fā)展思路與目標(biāo)

（一）超快激光及其科學(xué)應(yīng)用

1. 阿秒超快激光

阿秒脈沖的光子能量突破至1 keV乃至10 keV水平，支持開展阿秒超快內(nèi)殼層電子動(dòng)力學(xué)、電子自旋–軌道動(dòng)力學(xué)等基礎(chǔ)物理過(guò)程、大分子乃至生物大分子等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的超快電子動(dòng)力學(xué)與結(jié)構(gòu)變化等研究。涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括：高功率、少周期、載波包絡(luò)相位穩(wěn)定的中紅外激光系統(tǒng)，高亮度千電子伏特級(jí)阿秒激光脈沖產(chǎn)生，高分辨電子與多電子動(dòng)量測(cè)量，通過(guò)康普頓散射方法將光子能量推進(jìn)到硬X射線波段和伽馬射線波段。

超快脈沖的脈沖寬度突破至仄秒水平，支持開展深內(nèi)殼層電子動(dòng)力學(xué)乃至原子核的動(dòng)力學(xué)研究。阿秒脈沖的光子能量達(dá)到10 keV水平乃至伽馬射線波段，阿秒脈沖寬度具備進(jìn)入仄秒時(shí)間尺度的可能性。涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括：與提高產(chǎn)生效率相關(guān)的技術(shù)，與實(shí)際應(yīng)用相關(guān)的超快測(cè)量技術(shù)，仄秒脈沖寬度測(cè)量等。

2. 飛秒超快激光

隨著飛秒超快光譜基礎(chǔ)科學(xué)研究的發(fā)展，除了利用脈沖時(shí)域特性以外，光譜和偏振特性也是可以利用的重要特性。后續(xù)主要研究思路為：發(fā)展兆赫茲重復(fù)頻率極紫外–太赫茲波段寬帶飛秒激光，發(fā)展高性能、多波長(zhǎng)的飛秒激光脈沖和多波長(zhǎng)飛秒光頻梳，實(shí)現(xiàn)同時(shí)脈沖形狀和空間徑向偏振（或渦旋）的、精密調(diào)控的特殊時(shí)空結(jié)構(gòu)飛秒激光；發(fā)展吉赫茲重復(fù)頻率超快激光，突破單光子和量子糾纏等新型超快光譜技術(shù)，提升超快光譜的穩(wěn)定性和探測(cè)效率，支持更加純粹的微觀體系和更加復(fù)雜的多體超快動(dòng)力學(xué)過(guò)程研究；利用多參量精密可控的超快激光，研究腦科學(xué)、腫瘤、生物發(fā)育與再生等方面的生物過(guò)程精密光控制。

（二）超強(qiáng)激光及其科學(xué)應(yīng)用

1. 低重復(fù)頻率超高峰值功率超強(qiáng)激光

需求牽引在于重大前沿物理科學(xué)問(wèn)題研究，以期拓展人類認(rèn)知。后續(xù)發(fā)展方向依然是繼續(xù)提升激光的峰值功率（從100 PW到1 EW），搶占最高聚焦功率密度（1025 W/cm2）的技術(shù)高地，為科學(xué)前沿研究提供最先進(jìn)的極端物理?xiàng)l件。為了提升這類前沿實(shí)驗(yàn)的效率和可靠性，還應(yīng)適當(dāng)提升超強(qiáng)激光的重復(fù)頻率，開展渦旋光等特殊光場(chǎng)的超強(qiáng)激光輸出及其應(yīng)用研究；時(shí)空電場(chǎng)精密控制與波長(zhǎng)調(diào)諧的超強(qiáng)激光將進(jìn)一步拓展應(yīng)用范圍。隨著激光聚焦功率密度的不斷提升，激光脈沖的時(shí)間對(duì)比度要求越來(lái)越高，應(yīng)針對(duì)性開展有關(guān)輸出與測(cè)量的創(chuàng)新研究。此外，大口徑激光聚焦的創(chuàng)新研究和設(shè)計(jì)成為發(fā)展亟需，在有效提升聚焦功率密度的同時(shí)，可緩解放大輸出激光能量伴生的成本問(wèn)題。

峰值功率和重復(fù)頻率是未來(lái)研究發(fā)展的突破口。預(yù)計(jì)在2025年、2030年和2035年，將分別實(shí)現(xiàn)100 PW、500 PW和 1000 PW（1 EW）峰值功率的激光輸出，在重復(fù)頻率方面也將取得突破性提升。

①利用5年左右的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)單發(fā)100 PW峰值功率輸出、重復(fù)頻率10 PW 激光輸出；激光裝置進(jìn)行真空極化處理，支持天體物理、反物質(zhì)等基礎(chǔ)研究初步取得開創(chuàng)性科研成果。

②利用10年左右的時(shí)間，通過(guò)提升泵浦激光能量來(lái)突破大尺寸光柵等關(guān)鍵元器件的研制和延壽問(wèn)題，利用空間激光合束等方法實(shí)現(xiàn)500 PW激光輸出，支持開展引力波、暗物質(zhì)等前沿重大研究。

③利用15年左右的時(shí)間，在更高功率泵浦激光方面，通過(guò)提升大尺寸光柵等關(guān)鍵元器件的尺寸和損傷閾值，結(jié)合空間相干組束方法來(lái)實(shí)現(xiàn)艾瓦級(jí)激光輸出；發(fā)展新型聚焦系統(tǒng)，將聚焦功率密度提升至1025 W/cm2；探索基于光和物質(zhì)相互作用的新原理、新方法來(lái)實(shí)現(xiàn)艾瓦級(jí)激光輸出，為激光發(fā)展開拓新的技術(shù)方案；獲得達(dá)到近量子電動(dòng)力學(xué)（QED）區(qū)域的超強(qiáng)激光，支持開展更加前沿的強(qiáng)場(chǎng)激光物理研究。

2. 高重復(fù)頻率高平均功率超強(qiáng)激光

根據(jù)我國(guó)的現(xiàn)有技術(shù)水平、技術(shù)發(fā)展預(yù)期和國(guó)家重大需求，高重復(fù)頻率高平均功率超強(qiáng)激光發(fā)展具有以下發(fā)展趨勢(shì)。

①利用5年左右的時(shí)間，重點(diǎn)掌握飛秒光纖CPA、空間相干組束、脈沖時(shí)間堆積、大能量脈沖壓縮等核心技術(shù)，通過(guò)路徑和設(shè)計(jì)創(chuàng)新，降低這類激光的復(fù)雜性、難度和成本。

②利用10年左右的時(shí)間，在實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生太瓦級(jí)千赫茲重復(fù)頻率的超強(qiáng)激光輸出；重點(diǎn)開展強(qiáng)場(chǎng)激光物理中的高次諧波產(chǎn)生阿秒激光脈沖、激光電子加速等研究，獲得高通量的阿秒激光脈沖，促進(jìn)原子/分子和材料中阿秒動(dòng)力學(xué)研究的發(fā)展；通過(guò)激光技術(shù)突破來(lái)帶動(dòng)工業(yè)應(yīng)用的大發(fā)展，降低光纖飛秒激光的功率成本。

③利用15年左右的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)十太瓦級(jí)千赫茲以上重復(fù)頻率的超強(qiáng)激光輸出；通過(guò)工業(yè)領(lǐng)域的批量應(yīng)用來(lái)驅(qū)動(dòng)光纖飛秒激光功率成本的顯著降低；對(duì)太瓦級(jí)激光進(jìn)行空間合束，在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)十太瓦級(jí)高重復(fù)頻率的超強(qiáng)激光；重點(diǎn)開展小型化粒子加速器研究，促進(jìn)高重復(fù)頻率、高能量質(zhì)子束在醫(yī)療領(lǐng)域的拓展應(yīng)用；利用激光產(chǎn)生的高能中子源，探索激光聚變能源和核廢料處理等重要方面的應(yīng)用。

五、超快超強(qiáng)激光的重點(diǎn)技術(shù)方向

1. 阿秒超快激光

未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展方向主要包括：高能量單個(gè)阿秒激光脈沖，高平均功率（高重復(fù)頻率）阿秒激光，高光子能量阿秒脈沖，拓展阿秒脈沖應(yīng)用的小型化高重復(fù)頻率阿秒脈沖。相關(guān)的技術(shù)發(fā)展方向?yàn)椋焊咂焚|(zhì)的少周期（含中紅外）激光脈沖技術(shù)，簡(jiǎn)單便捷的阿秒激光脈沖測(cè)量技術(shù)、新型阿秒激光應(yīng)用技術(shù)，高品質(zhì)高亮度硬X射線和伽馬射線產(chǎn)生技術(shù)、仄秒激光技術(shù)等。

2.飛秒超快激光

未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展方向主要包括：多波長(zhǎng)高性能飛秒激光技術(shù)，寬帶雙頻/多頻梳飛秒激光技術(shù)，兆赫茲高重復(fù)頻率高性能真空紫外–極紫外、紅外–太赫茲超快激光技術(shù)，徑向偏振和渦旋等特殊偏振與空間模式的飛秒激光技術(shù)，吉赫茲高重復(fù)頻率小型化量子點(diǎn)超快激光技術(shù)，垂直腔面發(fā)射（VCSEL）超快激光技術(shù)，涉及時(shí)域、光譜、偏振、空間、相位和振幅等多維度光場(chǎng)精密調(diào)控的飛秒激光技術(shù)等。

3.低重復(fù)頻率超高峰值功率超強(qiáng)激光

聚焦功率密度、對(duì)比度是最重要的參數(shù)指標(biāo)，應(yīng)進(jìn)一步發(fā)展放大技術(shù)、脈沖壓縮技術(shù)、空間聚焦技術(shù)、對(duì)比度提升與測(cè)量技術(shù)。未來(lái)重點(diǎn)技術(shù)方向具體包括：高通量放大技術(shù)（即超大能量的CPA或OPCPA技術(shù)以及對(duì)應(yīng)的超大口徑激光晶體或非線性晶體研制），等離子體拉曼放大和準(zhǔn)參量啁啾脈沖放大（QPCPA）等新型放大技術(shù)，新型壓縮器設(shè)計(jì)及大口徑、高損傷閾值壓縮光柵的研制，大口徑超強(qiáng)激光組束技術(shù)，激光脈沖對(duì)比度提升與單發(fā)測(cè)量技術(shù)，大口徑超強(qiáng)激光時(shí)空特性在線測(cè)量技術(shù)，大口徑超強(qiáng)激光波前整形與新型高性能聚焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)，超強(qiáng)激光時(shí)空電場(chǎng)精密控制與波長(zhǎng)調(diào)諧技術(shù)，超強(qiáng)激光脈沖的腔外脈沖壓縮技術(shù)，渦旋、徑向偏振等特殊光場(chǎng)的超強(qiáng)激光產(chǎn)生及其應(yīng)用等。

4.高重復(fù)頻率高平均功率超強(qiáng)激光

未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展方向主要包括：新型飛秒光纖放大、新型碟片激光放大技術(shù)，高重復(fù)頻率飛秒激光脈沖時(shí)間堆積與空間相干組束技術(shù)及其衍生創(chuàng)新技術(shù)，空間相干組束中甚多束激光的相位測(cè)量與主動(dòng)反饋控制技術(shù)，新型飛秒激光放大的特殊光纖設(shè)計(jì)與加工技術(shù)，脈沖壓縮與色散管理技術(shù)，高重復(fù)頻率激光泵浦源技術(shù)，高重復(fù)頻率放大過(guò)程中熱效應(yīng)管理技術(shù)，高性能增益光纖、高性能啁啾光纖光柵與透射光柵等核心元器件研制，時(shí)空光場(chǎng)精密控制與波長(zhǎng)調(diào)諧技術(shù)等。

六、對(duì)策建議

（1）結(jié)合國(guó)家在太空與深空、醫(yī)療、能源、核物理等領(lǐng)域的遠(yuǎn)期重大需求，真空物理、暗物質(zhì)、引力波等國(guó)際重大基礎(chǔ)科學(xué)前沿的探索需要，盡快制定中長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，成立超快超強(qiáng)激光基礎(chǔ)科學(xué)中心或協(xié)同創(chuàng)新中心，為相關(guān)重要研究方向提供持續(xù)穩(wěn)定的資源保障。注重基礎(chǔ)研究，追求實(shí)現(xiàn)更多“從0到1”的原創(chuàng)性突破，加強(qiáng)核心技術(shù)和“卡脖子”技術(shù)的梳理分類，提前進(jìn)行科學(xué)布局和技術(shù)攻關(guān)。

（2）基礎(chǔ)科學(xué)的突破發(fā)展，重在具有原創(chuàng)和創(chuàng)新能力的科研人員。鼓勵(lì)創(chuàng)造有利于創(chuàng)新的科研環(huán)境氛圍，建立有利于創(chuàng)新的科研管理與激勵(lì)制度。引進(jìn)和培育更多數(shù)量的領(lǐng)域科研人才，特別是具有原創(chuàng)性科研思想和交叉學(xué)科背景的領(lǐng)軍人才。以人才發(fā)展保障眾多原創(chuàng)性成果涌現(xiàn)，從而引領(lǐng)世界激光領(lǐng)域的科學(xué)和技術(shù)研究。

（3）提高人類認(rèn)知的基礎(chǔ)科學(xué)研究，不僅需要本國(guó)科研人員的創(chuàng)新創(chuàng)造，還需要全球科學(xué)家的聰明才智。加強(qiáng)國(guó)際交流合作，吸引國(guó)際性人才開展聯(lián)合研究，進(jìn)一步加速和提升相關(guān)科學(xué)研究。在超強(qiáng)激光這些我國(guó)已經(jīng)處于領(lǐng)先地位的領(lǐng)域方向以及一些具有引領(lǐng)性、顛覆性創(chuàng)新的研究方向，可以考慮在“一帶一路”倡議框架下，開展重大基礎(chǔ)科學(xué)裝置建設(shè)，以我國(guó)為主并吸引其他國(guó)家（如亞洲國(guó)家、俄羅斯等）開展聯(lián)合研究和技術(shù)攻關(guān)。通過(guò)基礎(chǔ)科研成果共享（類似ELI計(jì)劃和黑洞探測(cè)計(jì)劃等）來(lái)提升我國(guó)科技創(chuàng)新的國(guó)際影響力。

（4）為了更好更快實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)研究成果服務(wù)于國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求的目標(biāo)，建議科研機(jī)構(gòu)和高等院校加強(qiáng)與企業(yè)的合作，促進(jìn)超快超強(qiáng)激光方面實(shí)用型科技成果的高效轉(zhuǎn)化。同時(shí)加強(qiáng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)與管理，做好技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)防范工作。