“率先行动”成果展展项之超强超短激光究竟是个啥？
作者：王文鹏（中国科学院上海光学精密机械研究所）
编者按
中国科学院是伴随着新中国成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做出了不可替代的重要贡献：
从“两弹一星”到载人航天，从成功研制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信，从北京正负电子对撞机到建成一系列大科学装置……
在实施创新驱动发展战略、建设创新型国家的新时期，中国科学院启动实施了"率先行动"计划，目前已经取得了一系列不错的成果。
今年下半年，这些成果将以实体展项形式呈现在大家面前，在开展之前，让我们先以文为媒，在大院里提前了解一下这些高大上的科学成果吧。
许多人知道X光，也听说过红外光，有人使用过激光治疗，也有人担心紫外光的灼烧，但是，你知道什么是超强超短激光吗？它是一种什么光？从哪儿来？有多亮？超强超短激光可以像医学激光一样为我们提供服务吗？
下面就让我们一起来了解一下。
超强超短激光是什么？
超强超短激光其实就是峰值功率大于1太瓦 (10^12瓦），脉冲宽度小于100 飞秒 (10^-15秒 )的激光，它的出现为人类提供了前所未有的极端物理条件与全新实验手段[1,2]。
至此，自然界中只有在恒星内部或是黑洞边缘才能找到的高能量密度、甚至超高能量密度的极端条件已经能在实验室内被制造出来。
目前，激光经聚焦达到的最高光强已达到了10^22瓦/平方厘米 量级[7]。此外，这种超强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已经突破飞秒（fs，10^-15秒）进入了阿秒（as，10^-18秒）新范畴。
这么大的光强到底是什么概念呢？
要知道，自然界最强的光强，如宇宙中伽玛射线暴，其对应的光强才10^20瓦/平方厘米 量级，而光强10^21瓦/平方厘米 约等于地球接收到的太阳总辐射聚焦到头发丝粗细的尺度。
除此之外更为重要的是，目前超强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，未来五年左右激光的聚焦强度可能超过10^23 瓦/平方厘米 甚至更高的超高量级，同时激光脉冲的时域对比度可能达到10^9-12。
超强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《Science》专文指出，“这项工作将影响每一项研究，从聚变到天体物理。”[8]
超强超短激光的国际发展趋势
超强超短激光领域如今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激光光源以及依托其的前沿科技创新平台。
欧盟10多个国家的近40个研究院所和科研机构联合提出Extreme Light Infrastructure（ELI），目标是发展峰值功率200拍瓦（PW，10^15瓦）级超强超短激光装置，并计划于2017年建成10拍瓦超强超短激光用户装置，开创激光与物质相互作用研究与应用的新时代，该计划已被纳入欧盟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100GeV的激光加速、面向Schwinger场的真空结构研究、1-10keV相干X射线产生与阿秒科学研究以及光核物理研究，发展10拍瓦乃至更高量级的大型超强超短激光装置。
ELI下设四大研究装置，分别为捷克布拉格ELI-Beamlines Facility，匈牙利赛格德ELI-Attosecond Facility，罗马尼亚默古雷莱的 ELI-Nuclear Physics Facility，以及尚未定址的ELI-Ultrra High Field Facility。
2012年以来，ELI计划陆续启动了3个子项目的研究，投入经费8.5亿欧元，计划于2017年研制数台10拍瓦超强超短激光并建成用户装置，同时为下一步研制200拍瓦级超强激光大科学装置打下基础。
除了欧盟的ELI计划外，英国和法国也正紧锣密鼓地开展各自10拍瓦级超强超短激光装置的研制工作，俄、美、德等国也纷纷提出了各自的拍瓦、10拍瓦乃至100拍瓦级超强超短激光装置研究计划。
英国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英国卢瑟福实验室Vulcan激光装置，计划在6年内投入2500万英镑，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，脉宽30飞秒，聚焦光强达到10^23瓦/平方厘米 [15]。
法国的apollon装置位于巴黎郊区，由法国国家科学研究中心（CNRS）、巴黎综合理工大学和法国高等科技学院设计建造，计划于2015至2016年间建成[16]。该装置基于OPCPA前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飞秒、10拍瓦激光脉冲，聚焦光强超过2×10^22瓦/平方厘米，时间对比度大于10^12。
俄罗斯应用物理研究所主导规划的Exawatt Center for Extreme Light Studies (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飞秒超强超短激光，利用相干合成技术实现180拍瓦输出，最高可能达到200拍瓦[17]。同时，装置还设计有一束100MeV（兆伏特）电子直线加速器和一束1拍瓦、1赫兹-10千赫兹重复频率的探针光，拟开展高能物理强场物理相关未知现象和真空时空结构探索的研究工作
而美国的Lawrence Berkeley National Laboratory正在实行BELLA计划，其内容是首先与法国公司合作，通过购置商品化的40焦耳、40飞秒、1赫兹的拍瓦级重复频率超强超短激光系统[18]，拟开展激光等离子体加速电子研究。
其目标是产生小型化（米级）的10 GeV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超强超短激光的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。
德国Helmholtz-Zentrum Dresden Rossendorf研究中心建立的ELBE装置除了电子加速器束线以外，同时设立了超强超短激光、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]。
捷克首都布拉格的ELI-Beamlines Facility
超强超短激光在我国的发展现状
这么厉害的一项前沿科技，我们中国当然不会甘于人后，上海光机所强场激光物理国家重点实验室在2007年就成功研制的创当时世界最高功率（0.89拍瓦）并最短脉宽（29.0飞秒）飞秒拍瓦级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，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)的世界性技术难题，实现2.0PW的超高对比度激光脉冲输出。
2014年年底，通过优化注入等方法，团队进一步发展抑制寄生振荡的新方法，基于直径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，上海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制目标奠定了坚实的技术基础。
为了攻克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参量啁啾脉冲终端放大器相结合的混合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混合放大器方案实现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混合放大器作为10拍瓦级超强超短激光装置总体技术路线的可行性。
上海超强超短激光实验装置
超强超短激光有什么用？
超强超短激光研究推动着激光科学、原子分子物理、等离子体物理、高能物理与核物理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，如高亮度新波段相干光源，超高梯度高能粒子加速器、强场激光核医学、聚变能源、精密测量等提供原理依据与科学基础，对其有着不可替代的强大推动作用。
这里，给您举几个例子吧：
研究反物质
每一种粒子都有一个与之相对的反粒子。
理论认为，反物质只要和正物质相遇就会湮灭。因此难以产生和保存，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，这也成为物理学领域的热点和难点。
2016年，中科院上海光机所在国内首次成功利用超强超短激光产生一种反物质——超快正电子源，这一发现未来将在材料的无损探测、激光驱动正负电子对撞机、癌症诊断技术研发等领域得到重大应用，并入选两院院士评选的2016年度“中国十大科技进展新闻”。[23]
微型自由电子激光器
超强超短激光驱动的小型化自由电子激光新概念：
超强超短激光与一根“头发丝”尺寸的微金属丝相互作用，在产生高能电子束的同时，巧妙地利用电荷分离效应构建了微型、瞬态的电子波荡器，获得了效率优于传统方案10倍以上的强太赫兹辐射，也为小型化、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
中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室于2011年7月15日首次利用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物理过程的分离与控制。
该实验获得了能量近GeV的准单能电子束和 187 GV/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10 GeV量级甚至更高能的单能电子束的可行方案，特别是对台式化X射线自由电子激光等领域的发展具有重要的推动意义。
尾波场电子加速实验装置
质子成像
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场的数据。
中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室升级的拍瓦激光系统已经可以成功产生10MeV以上的质子束，成功利用飞秒拍瓦激光系统对蜻蜓进行了质子成像。
这也是拍瓦激光系统第一次通过缩小物距实现了蜻蜓的清晰成像[26]，获得了蜻蜓的等比例整体成像，同时分辨率达到微米量级。
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
寻找暗物质
“暗物质”被比作“笼罩在21世纪物理学天空中的乌云”。它由万有引力定律证实存在，却从未被直接探测到。科学家估算，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。揭开暗物质之谜将推动人类解释宇宙的存在和演化。
轴子，是暗物质的重要候选者之一。由于它几乎不和其他物质相互作用，至今没有被观测到。但超强激光提供的超强电磁场有可能成为探测轴子的科学手段。
探究真空奥秘
真空，真的空无一物吗？
在经典物理概念中，它确实是空的，但量子电动力学(QED)预言，真空不空，量子涨落无处不在，虚粒子对不断产生、消失。
真空的神秘特性是QED最令人激动的预言，未来的激光强度将高达10^23-25瓦/平方厘米，超强的光场可以激发真空的QED特性，使真空具备物质属性！
超强超短激光与高能光子源结合，将使人类第一次拥有窥视真空奥秘的机会，其中任何一个发现，都将是历史性的。
激光引雷研究
利用超强超短激光开展雷电控制应用研究受到世界上许多国家的高度重视，中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室是国内最早开展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以前的研究基础，实验上首次观察到了激光诱导电晕放电现象并对这一发现展开了深入的研究。
这一成果为深入理解高压电场沿着光丝的发展和演化过程以至于最终实现激光控制雷电提供了重要的科学依据。
（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]
超强超短激光光源的建立与发展，及其广泛的前沿应用具有重要意义。
通过在极端物理条件下对物质结构、运动和相互作用进行研究可以使得人类对客观世界规律的认识更加深入和系统。
可见，超强超短激光光源的建立与发展，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，引领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. Mourou. Science, 1994, 264: 917
2.H. Kiriyama, M. Mori et al. IEEE J. Sel. Top. Quant., 2015, 21: 1601118
3.M. Aoyama, K. Yamakawa et al. Opt. Lett., 2003 28:1594
4.Z. Wang, C. Liu et al. Opt. Lett. 2014, 36:3194
5.T. Yu, S. Lee et al. Opt. Express, 2012 20:10807
6.Y. Chu, X. Liang et al. Opt. Express, 2013, 21:29231
7.S.-W. Bahk, P. Rousseau et al. Opt. Lett., 2004, 29:2837-2839; http://cuos.engin.umich.edu/researchgroups/hfs/facilities/hercules-petawatt-laser
8.Robert F. Service. Science, 2003, 301: 154
9.G. Mourou, T. Tajima. Optics and Photonics News, 2011, 22:47
10.D. Powell. Nature, 2013, 500:264
11.http://eli-laser.eu
12.www.eli-beams.eu
13.www.eli-hu.hu
14.www.eli-np.ro
15.C Hernandez-Gomez , S. Blake et al. Journal of Physics: Conference Series, 2010, 244:032006
16.C. Blanc, D. Papadopoulos et al. Report at PAL Laserlab Meeting, 24/09/2013
17.http://www.xcels.iapras.ru
18.http://loasis.lbl.gov
19.http://www.hzdr.de/db/Cms?pNid=145
20.X. Liang, Y. Leng et al. Opt. Express, 2007, 15:15335
21.L. Xu, L. Yu et al. Opt. Lett., 2013, 38:4837
22.L. Yu, X. Liang et al. Opt. Lett., 2015, 40:3412
23.PHYSICS OF PLASMAS 23, 033109 (2016)
24.Nature Photonics Volume:11,242–246 (2017)
25.J. Liu, C. Xia et al. Phys. Rev. Lett., 2011, 107:035001
26.W. Wang, B. Shen, et al. AIP Advances, 2015, 5:107214
27.J. Diels, R. Bernstein et al. Scientific American, 1997, 277: 50
28.Thomas M. Baer, Nicholas P. Bigelow. Nature, 2010, 463:26-32
（文章首发于科学大院，中科院上海光机所供稿，转载请联系cas@cnic.cn）
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