激光科技的最新前沿之一是超強(qiáng)超快激光。超強(qiáng)即超高的功率和功率密度(指單位面積上的功率)，目前一個(gè)激光系統(tǒng)甚至可產(chǎn)生高達(dá)10¹⁵瓦的峰值功率，而全世界電網(wǎng)的平均功率只不過(guò)10¹²瓦數(shù)量級(jí);超快即極短的時(shí)間尺度，目前激光脈沖最短不過(guò)幾個(gè)飛秒(10^-15秒)，光在1飛秒內(nèi)僅僅傳播0.3微米。

近年來(lái)新型小型化超強(qiáng)超快激光技術(shù)的迅猛發(fā)展，為人類提供了全新的實(shí)驗(yàn)手段與極端的物理?xiàng)l件。這種在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造的極端物理?xiàng)l件，目前還只有在核爆中心、恒星內(nèi)部、或是黑洞邊緣才能找到。在當(dāng)今超強(qiáng)超快激光技術(shù)已經(jīng)提供并將由于其進(jìn)一步發(fā)展而能提供的越來(lái)越強(qiáng)并越來(lái)越快的光場(chǎng)條件下，激光與各種形態(tài)物質(zhì)之間的相互作用，將進(jìn)入到前所未有的高度非線性與相對(duì)論性起主導(dǎo)作用的強(qiáng)場(chǎng)超快范圍，并將進(jìn)一步把光與物質(zhì)的相互作用研究深入到更深的物質(zhì)層次，甚至光與真空的相互作用，由此開(kāi)創(chuàng)了超強(qiáng)超快激光這一全新的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)前沿領(lǐng)域。

輸出功率大于1太瓦，脈寬小于1皮秒，可聚焦激光功率密度大于10¹⁷瓦/厘米²的小型化超強(qiáng)超快激光的發(fā)展研究，是超強(qiáng)超快激光研究廣泛深入開(kāi)展的基礎(chǔ)和推動(dòng)力。

近十幾年來(lái)，由于啁啾脈沖放大(chirped pulse amplification,簡(jiǎn)稱CPA)技術(shù)的提出和應(yīng)用，寬帶激光晶體材料(如摻鈦藍(lán)寶石)的出現(xiàn)，以及克爾透鏡鎖模技術(shù)的發(fā)明，使超強(qiáng)超快激光技術(shù)得到迅猛發(fā)展。小型化飛秒太瓦(10¹²瓦)甚至更高數(shù)量級(jí)的超強(qiáng)超快激光系統(tǒng)已在各國(guó)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)建成并發(fā)揮重要作用。最近，更短脈沖和更高功率的激光輸出，如直接由激光振蕩器產(chǎn)生的短于5飛秒的激光脈沖，小型化飛秒100太瓦級(jí)超強(qiáng)超快激光系統(tǒng)，以及CPA技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)大型釹玻璃激光裝置上獲得1拍瓦(10¹⁵瓦)級(jí)激光輸出已有報(bào)道，激光功率密度達(dá)到10¹⁹～10²⁰瓦/厘米²的超強(qiáng)超快激光與物質(zhì)相互作用研究也已開(kāi)始進(jìn)行。

傳統(tǒng)的激光放大采用直接的行波放大，而對(duì)超短激光脈沖來(lái)說(shuō)，隨著能量的提高，其峰值功率將很快增加，并出現(xiàn)各種非線性效應(yīng)及增益飽和效應(yīng)，從而限制了能量的進(jìn)一步放大。

CPA技術(shù)的原理是，在維持光譜寬度不變的情況下通過(guò)色散元件將脈沖展寬好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，形成所謂的啁啾脈沖。這樣，在放大過(guò)程中，即使激光脈沖的能量增加很快，其峰值功率也可以維持在較低水平，從而避免出現(xiàn)非線性效應(yīng)及增益飽和效應(yīng)，保證激光脈沖能量的穩(wěn)定增長(zhǎng)。當(dāng)能量達(dá)到飽和放大可獲得的能量之后，借助與脈沖展寬時(shí)色散相反的元件將脈沖壓縮到接近原來(lái)的寬度，即可使峰值功率大大提高。

為了突破CPA技術(shù)的一些局限性，目前國(guó)際上正在積極探索發(fā)展新一代超強(qiáng)超快激光的新原理與新方法，如啁啾脈沖光學(xué)參量放大(OPCPA)原理，目標(biāo)是創(chuàng)造更強(qiáng)更快的強(qiáng)場(chǎng)超快極端物理?xiàng)l件，特別是獲得大于(等于)10²¹瓦/厘米²的可聚焦激光光強(qiáng)。OPCPA充分發(fā)揮了啁啾脈沖放大與光學(xué)參量放大各自的優(yōu)點(diǎn)，是國(guó)際上近年來(lái)提出的發(fā)展超強(qiáng)超快激光的全新技術(shù)途徑。

OPCPA原理目前還處于中等功率層次上的預(yù)研階段，但卻蘊(yùn)涵著強(qiáng)大的生命力。此外，超強(qiáng)超快激光光束質(zhì)量的優(yōu)化、時(shí)空輪廓的整形與控制，周期脈寬小于10飛秒的超短激光脈沖的產(chǎn)生、有效放大與性能優(yōu)化，也是今后持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展的主要方向。

超強(qiáng)超快激光不僅具有重大的前沿學(xué)科意義，將創(chuàng)造出全新的實(shí)驗(yàn)室尺度，即所謂臺(tái)式的綜合性極端條件的科學(xué)技術(shù)，從而直接推動(dòng)激光科學(xué)與現(xiàn)代光學(xué)、原子分子物理、等離子體物理、高能物理與核物理、凝聚態(tài)物理、天體物理、理論物理以及非線性科學(xué)等一大批基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展，而且在當(dāng)代一些重要高技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展中，如突破飛秒壁壘的亞飛秒乃至阿秒(10^-18秒)科學(xué)新原理、激光核聚變快點(diǎn)火新概念、激光引發(fā)的臺(tái)式化聚變中子源新方案、小型化超高梯度粒子加速器新機(jī)制、臺(tái)式超短波長(zhǎng)超快相干輻射新途徑等方面，也有著不可替代的推動(dòng)作用。

目前，在遠(yuǎn)比傳統(tǒng)裝置小型化的臺(tái)式激光系統(tǒng)上已經(jīng)產(chǎn)生了高重復(fù)頻率的超短脈沖(通常是10^-13秒甚至更短)太瓦甚至更高數(shù)量級(jí)的激光輸出。激光經(jīng)聚焦達(dá)到的光強(qiáng)在過(guò)去的十年里已提高了五六個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到了10¹⁹～10²⁰瓦/厘米²。不久，將會(huì)達(dá)到創(chuàng)記錄的10²¹瓦/厘米²，從而創(chuàng)造出實(shí)驗(yàn)室尺度的極端物理?xiàng)l件。10²¹瓦/厘米²的光強(qiáng),產(chǎn)生的局域電場(chǎng)將高達(dá)10¹²伏/厘米，相當(dāng)于氫原子第一玻爾軌道處庫(kù)侖場(chǎng)強(qiáng)的170倍;相應(yīng)的磁場(chǎng)將達(dá)到10⁵特的超強(qiáng)范圍;相應(yīng)的能量密度已在3×10¹⁰焦/厘米³以上，與溫度為10千電子伏的黑體的能量密度相當(dāng);同時(shí)，將產(chǎn)生巨大的光壓，接近10¹⁷帕。在如此高的激光場(chǎng)中，電子的振蕩動(dòng)能將高于10兆電子伏(對(duì)于波長(zhǎng)為1.06微米激光)，大大超過(guò)電子自身靜止質(zhì)量(0.5兆電子伏)，而電子的加速度也將達(dá)到10²²米/秒²，即10²¹g(重力加速度)的數(shù)量級(jí)，高度非線性與相對(duì)論效應(yīng)已成為主導(dǎo)。

本領(lǐng)域的早期研究已經(jīng)表明，強(qiáng)場(chǎng)激光與原子、分子的相互作用導(dǎo)致隧道電離、勢(shì)壘抑制電離、高階奇次諧波、穩(wěn)定化及分子的相位控制與庫(kù)侖爆炸等相關(guān)新現(xiàn)象。應(yīng)用于非線性問(wèn)題的常規(guī)微擾方法已被非微擾理論所取代。目前，超強(qiáng)超快激光與原子的相互作用已進(jìn)入到相對(duì)論效應(yīng)起主導(dǎo)作用的新階段，以至必須采用狄拉克方程才能正確處理相互作用的動(dòng)力學(xué)行為。另一方面，現(xiàn)今獲得的激光脈寬已小于10飛秒，最短達(dá)4飛秒，僅包含了1.5個(gè)光周期(對(duì)波長(zhǎng)為800納米的激光)。嚴(yán)格說(shuō)，此時(shí)的光脈沖已不成為”光波”，失去了波動(dòng)現(xiàn)象所特有的周期性特征。傳統(tǒng)的適用于較長(zhǎng)脈寬光與物質(zhì)相互作用的理論已不再適用，從而開(kāi)創(chuàng)出極端非線性相互作用的新理論。周期乃至亞周期量級(jí)脈沖的超強(qiáng)超快激光與各種形態(tài)物質(zhì)的相互作用也將會(huì)導(dǎo)致一系列全新的物理現(xiàn)象與規(guī)律。尋求這些新現(xiàn)象、新規(guī)律，建立相關(guān)的新概念、新理論成為迫在眉睫的研究任務(wù)，是國(guó)際上超強(qiáng)超快激光科學(xué)研究領(lǐng)域爭(zhēng)奪的重點(diǎn)。

超強(qiáng)超快激光與團(tuán)簇、高溫高密度等離子體、自由電子等特殊形態(tài)物質(zhì)的相互作用也已成為新的研究方向，它不僅大大拓寬本學(xué)科領(lǐng)域的縱深發(fā)展，也將為相關(guān)重要高技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展提供新方案與新途徑。

最近，實(shí)驗(yàn)研究已觀察到多光子激發(fā)產(chǎn)生的帶有大量?jī)?nèi)殼層空穴的電子組態(tài)反轉(zhuǎn)的”空心”原子，這將為實(shí)現(xiàn)超短波長(zhǎng)相干輻射開(kāi)辟全新途徑;超強(qiáng)超快激光與大尺寸原子團(tuán)簇的相互作用首次成功引發(fā)了臺(tái)式聚變，從而為”臺(tái)式化”聚變新概念指明了前景。此外，超強(qiáng)超快激光與團(tuán)簇的相互作用研究，有可能作為一種橋梁，幫助人們更加完整地認(rèn)識(shí)光與物質(zhì)的相互作用。

當(dāng)光強(qiáng)大于(等于)10¹⁸瓦/厘米²時(shí)，激光與電子的相互作用進(jìn)入超相對(duì)論性強(qiáng)場(chǎng)范圍。實(shí)驗(yàn)上已首次觀察到：自由電子在真空中被加速到兆電子伏數(shù)量級(jí)的相對(duì)論能量;非線性湯姆孫散射及其所產(chǎn)生的約300飛秒、0.05納米的超快硬X射線脈沖;多光子非線性康普頓散射。尤其引人注目的是首次觀測(cè)到非彈性光子-光子散射產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)的強(qiáng)場(chǎng)量子電動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。

基于非線性湯姆孫散射與康普頓散射的X光、γ光源的產(chǎn)生與應(yīng)用，以及真空中亞周期脈寬超強(qiáng)超快激光場(chǎng)對(duì)電子的加速等，也是超強(qiáng)超快激光與自由電子相互作用研究中的熱點(diǎn)課題。此外，在超強(qiáng)超快激光與稀薄等離子體相互作用中產(chǎn)生的尾波場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中，也觀察到比傳統(tǒng)的高能粒子加速器的極限加速電場(chǎng)高出三個(gè)數(shù)量級(jí)以上的超高梯度加速場(chǎng)，從而為實(shí)現(xiàn)小型化的高能粒子加速器提出了新方案。

近年來(lái)，超強(qiáng)超快激光與高溫高密度等離子體的相互作用，特別是相對(duì)論效應(yīng)引起的高度非線性新現(xiàn)象、新規(guī)律的研究，也已引起國(guó)際學(xué)術(shù)界的高度重視。雖然目前已觀測(cè)到超強(qiáng)超快激光產(chǎn)生巨大光壓，推動(dòng)臨界密度面向前移動(dòng)，從而形成等離子體通道等新現(xiàn)象，但涉及到10¹⁸～10²⁰瓦/厘米²數(shù)量級(jí)的超強(qiáng)超快激光與高溫高密度等離子體的相互作用，如”等離子體中鑿孔”效應(yīng)、超熱電子的產(chǎn)生、能譜控制與輸運(yùn)等基礎(chǔ)性物理問(wèn)題還有待于深入研究。顯然，超強(qiáng)超快激光與高溫高密度等離子體相互作用的研究不僅是本領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容之一，而且還有可能為激光核聚變等相關(guān)高技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展提供基礎(chǔ)。