超强超快激光的特点与发展

推动基础学科和高技术领域的发展

超强超快激光不仅具有重大的前沿学科意义，将创造出全新的实验室尺度，即所谓台式的综合性极端条件的科学技术，从而直接推动激光科学与现代光学、原子分子物理、等离子体物理、高能物理与核物理、凝聚态物理、天体物理、理论物理以及非线性科学等一大批基础学科的发展，而且在当代一些重要高技术领域的创新发展中，如突破飞秒壁垒的亚飞秒乃至阿秒（10^-18秒）科学新原理、激光核聚变快点火新概念、激光引发的台式化聚变中子源新方案、小型化超高梯度粒子加速器新机制、台式超短波长超快相干辐射新途径等方面，也有着不可替代的推动作用。

目前，在远比传统装置小型化的台式激光系统上已经产生了高重复频率的超短脉冲（通常是10^-13秒甚至更短）太瓦甚至更高数量级的激光输出。激光经聚焦达到的光强在过去的十年里已提高了五六个数量级，达到了1019～1020瓦/厘米²。不久，将会达到创记录的1021瓦/厘米2，从而创造出实验室尺度的极端物理条件。1021瓦/厘米²的光强,产生的局域电场将高达1012伏/厘米，相当于氢原子第一玻尔轨道处库仑场强的170倍；相应的磁场将达到105特的超强范围；相应的能量密度已在3×1010焦/厘米³以上，与温度为10千电子伏的黑体的能量密度相当；同时，将产生巨大的光压，接近1017帕。在如此高的激光场中，电子的振荡动能将高于10兆电子伏（对于波长为1.06微米激光），大大超过电子自身静止质量(0.5兆电子伏)，而电子的加速度也将达到1022米/秒²，即1021g(重力加速度)的数量级，高度非线性与相对论效应已成为主导。

本领域的早期研究已经表明，强场激光与原子、分子的相互作用导致隧道电离、势垒抑制电离、高阶奇次谐波、稳定化及分子的相位控制与库仑爆炸等相关新现象。应用于非线性问题的常规微扰方法已被非微扰理论所取代。目前，超强超快激光与原子的相互作用已进入到相对论效应起主导作用的新阶段，以至必须采用狄拉克方程才能正确处理相互作用的动力学行为。另一方面，现今获得的激光脉宽已小于10飞秒，最短达4飞秒，仅包含了1.5个光周期（对波长为800纳米的激光）。严格说，此时的光脉冲已不成为“光波”，失去了波动现象所特有的周期性特征。传统的适用于较长脉宽光与物质相互作用的理论已不再适用，从而开创出极端非线性相互作用的新理论。周期乃至亚周期量级脉冲的超强超快激光与各种形态物质的相互作用也将会导致一系列全新的物理现象与规律。寻求这些新现象、新规律，建立相关的新概念、新理论成为迫在眉睫的研究任务，是国际上超强超快激光科学研究领域争夺的重点。

超强超快激光与团簇、高温高密度等离子体、自由电子等特殊形态物质的相互作用也已成为新的研究方向，它不仅大大拓宽本学科领域的纵深发展，也将为相关重要高技术领域的创新发展提供新方案与新途径。

最近，实验研究已观察到多光子激发产生的带有大量内壳层空穴的电子组态反转的“空心”原子，这将为实现超短波长相干辐射开辟全新途径；超强超快激光与大尺寸原子团簇的相互作用首次成功引发了台式聚变，从而为“台式化”聚变新概念指明了前景。此外，超强超快激光与团簇的相互作用研究，有可能作为一种桥梁，帮助人们更加完整地认识光与物质的相互作用。

当光强大于（等于）1018瓦/厘米²时，激光与电子的相互作用进入超相对论性强场范围。实验上已首次观察到：自由电子在真空中被加速到兆电子伏数量级的相对论能量；非线性汤姆孙散射及其所产生的约300飞秒、0.05纳米的超快硬X射线脉冲；多光子非线性康普顿散射。尤其引人注目的是首次观测到非弹性光子－光子散射产生正负电子对的强场量子电动力学现象。

基于非线性汤姆孙散射与康普顿散射的X光、γ光源的产生与应用，以及真空中亚周期脉宽超强超快激光场对电子的加速等，也是超强超快激光与自由电子相互作用研究中的热点课题。此外，在超强超快激光与稀薄等离子体相互作用中产生的尾波场实验中，也观察到比传统的高能粒子加速器的极限加速电场高出三个数量级以上的超高梯度加速场，从而为实现小型化的高能粒子加速器提出了新方案。