激光科技的最新前沿之一是超強超快激光。超強即超高的功率和功率密度(指單位麵積上的功率)，目前一個(ge) 激光係統甚至可產(chan) 生高達10¹⁵瓦的峰值功率，而全世界電網的平均功率隻不過10¹²瓦數量級;超快即極短的時間尺度，目前激光脈衝(chong) 最短不過幾個(ge) 飛秒(10^-15秒)，光在1飛秒內(nei) 僅(jin) 僅(jin) 傳(chuan) 播0.3微米。

近年來新型小型化超強超快激光技術的迅猛發展，為(wei) 人類提供了全新的實驗手段與(yu) 極端的物理條件。這種在實驗室中創造的極端物理條件，目前還隻有在核爆中心、恒星內(nei) 部、或是黑洞邊緣才能找到。在當今超強超快激光技術已經提供並將由於(yu) 其進一步發展而能提供的越來越強並越來越快的光場條件下，激光與(yu) 各種形態物質之間的相互作用，將進入到前所未有的高度非線性與(yu) 相對論性起主導作用的強場超快範圍，並將進一步把光與(yu) 物質的相互作用研究深入到更深的物質層次，甚至光與(yu) 真空的相互作用，由此開創了超強超快激光這一全新的現代科學技術前沿領域。

輸出功率大於(yu) 1太瓦，脈寬小於(yu) 1皮秒，可聚焦激光功率密度大於(yu) 10¹⁷瓦/厘米²的小型化超強超快激光的發展研究，是超強超快激光研究廣泛深入開展的基礎和推動力。

近十幾年來，由於(yu) 啁啾脈衝(chong) 放大(chirped pulse amplification,簡稱CPA)技術的提出和應用，寬帶激光晶體(ti) 材料(如摻鈦藍寶石)的出現，以及克爾透鏡鎖模技術的發明，使超強超快激光技術得到迅猛發展。小型化飛秒太瓦(10¹²瓦)甚至更高數量級的超強超快激光係統已在各國實驗室內(nei) 建成並發揮重要作用。最近，更短脈衝(chong) 和更高功率的激光輸出，如直接由激光振蕩器產(chan) 生的短於(yu) 5飛秒的激光脈衝(chong) ，小型化飛秒100太瓦級超強超快激光係統，以及CPA技術應用到傳(chuan) 統大型釹玻璃激光裝置上獲得1拍瓦(10¹⁵瓦)級激光輸出已有報道，激光功率密度達到10¹⁹～10²⁰瓦/厘米²的超強超快激光與(yu) 物質相互作用研究也已開始進行。

傳(chuan) 統的激光放大采用直接的行波放大，而對超短激光脈衝(chong) 來說，隨著能量的提高，其峰值功率將很快增加，並出現各種非線性效應及增益飽和效應，從(cong) 而限製了能量的進一步放大。

CPA技術的原理是，在維持光譜寬度不變的情況下通過色散元件將脈衝(chong) 展寬好幾個(ge) 數量級，形成所謂的啁啾脈衝(chong) 。這樣，在放大過程中，即使激光脈衝(chong) 的能量增加很快，其峰值功率也可以維持在較低水平，從(cong) 而避免出現非線性效應及增益飽和效應，保證激光脈衝(chong) 能量的穩定增長。當能量達到飽和放大可獲得的能量之後，借助與(yu) 脈衝(chong) 展寬時色散相反的元件將脈衝(chong) 壓縮到接近原來的寬度，即可使峰值功率大大提高。

為(wei) 了突破CPA技術的一些局限性，目前國際上正在積極探索發展新一代超強超快激光的新原理與(yu) 新方法，如啁啾脈衝(chong) 光學參量放大(OPCPA)原理，目標是創造更強更快的強場超快極端物理條件，特別是獲得大於(yu) (等於(yu) )10²¹瓦/厘米²的可聚焦激光光強。OPCPA充分發揮了啁啾脈衝(chong) 放大與(yu) 光學參量放大各自的優(you) 點，是國際上近年來提出的發展超強超快激光的全新技術途徑。

OPCPA原理目前還處於(yu) 中等功率層次上的預研階段，但卻蘊涵著強大的生命力。此外，超強超快激光光束質量的優(you) 化、時空輪廓的整形與(yu) 控製，周期脈寬小於(yu) 10飛秒的超短激光脈衝(chong) 的產(chan) 生、有效放大與(yu) 性能優(you) 化，也是今後持續創新發展的主要方向。

超強超快激光不僅(jin) 具有重大的前沿學科意義(yi) ，將創造出全新的實驗室尺度，即所謂台式的綜合性極端條件的科學技術，從(cong) 而直接推動激光科學與(yu) 現代光學、原子分子物理、等離子體(ti) 物理、高能物理與(yu) 核物理、凝聚態物理、天體(ti) 物理、理論物理以及非線性科學等一大批基礎學科的發展，而且在當代一些重要高技術領域的創新發展中，如突破飛秒壁壘的亞(ya) 飛秒乃至阿秒(10^-18秒)科學新原理、激光核聚變快點火新概念、激光引發的台式化聚變中子源新方案、小型化超高梯度粒子加速器新機製、台式超短波長超快相幹輻射新途徑等方麵，也有著不可替代的推動作用。

目前，在遠比傳(chuan) 統裝置小型化的台式激光係統上已經產(chan) 生了高重複頻率的超短脈衝(chong) (通常是10^-13秒甚至更短)太瓦甚至更高數量級的激光輸出。激光經聚焦達到的光強在過去的十年裏已提高了五六個(ge) 數量級，達到了10¹⁹～10²⁰瓦/厘米²。不久，將會(hui) 達到創記錄的10²¹瓦/厘米²，從(cong) 而創造出實驗室尺度的極端物理條件。10²¹瓦/厘米²的光強,產(chan) 生的局域電場將高達10¹²伏/厘米，相當於(yu) 氫原子第一玻爾軌道處庫侖(lun) 場強的170倍;相應的磁場將達到10⁵特的超強範圍;相應的能量密度已在3×10¹⁰焦/厘米³以上，與(yu) 溫度為(wei) 10千電子伏的黑體(ti) 的能量密度相當;同時，將產(chan) 生巨大的光壓，接近10¹⁷帕。在如此高的激光場中，電子的振蕩動能將高於(yu) 10兆電子伏(對於(yu) 波長為(wei) 1.06微米激光)，大大超過電子自身靜止質量(0.5兆電子伏)，而電子的加速度也將達到10²²米/秒²，即10²¹g(重力加速度)的數量級，高度非線性與(yu) 相對論效應已成為(wei) 主導。

本領域的早期研究已經表明，強場激光與(yu) 原子、分子的相互作用導致隧道電離、勢壘抑製電離、高階奇次諧波、穩定化及分子的相位控製與(yu) 庫侖(lun) 爆炸等相關(guan) 新現象。應用於(yu) 非線性問題的常規微擾方法已被非微擾理論所取代。目前，超強超快激光與(yu) 原子的相互作用已進入到相對論效應起主導作用的新階段，以至必須采用狄拉克方程才能正確處理相互作用的動力學行為(wei) 。另一方麵，現今獲得的激光脈寬已小於(yu) 10飛秒，最短達4飛秒，僅(jin) 包含了1.5個(ge) 光周期(對波長為(wei) 800納米的激光)。嚴(yan) 格說，此時的光脈衝(chong) 已不成為(wei) ”光波”，失去了波動現象所特有的周期性特征。傳(chuan) 統的適用於(yu) 較長脈寬光與(yu) 物質相互作用的理論已不再適用，從(cong) 而開創出極端非線性相互作用的新理論。周期乃至亞(ya) 周期量級脈衝(chong) 的超強超快激光與(yu) 各種形態物質的相互作用也將會(hui) 導致一係列全新的物理現象與(yu) 規律。尋求這些新現象、新規律，建立相關(guan) 的新概念、新理論成為(wei) 迫在眉睫的研究任務，是國際上超強超快激光科學研究領域爭(zheng) 奪的重點。

超強超快激光與(yu) 團簇、高溫高密度等離子體(ti) 、自由電子等特殊形態物質的相互作用也已成為(wei) 新的研究方向，它不僅(jin) 大大拓寬本學科領域的縱深發展，也將為(wei) 相關(guan) 重要高技術領域的創新發展提供新方案與(yu) 新途徑。

最近，實驗研究已觀察到多光子激發產(chan) 生的帶有大量內(nei) 殼層空穴的電子組態反轉的”空心”原子，這將為(wei) 實現超短波長相幹輻射開辟全新途徑;超強超快激光與(yu) 大尺寸原子團簇的相互作用首次成功引發了台式聚變，從(cong) 而為(wei) ”台式化”聚變新概念指明了前景。此外，超強超快激光與(yu) 團簇的相互作用研究，有可能作為(wei) 一種橋梁，幫助人們(men) 更加完整地認識光與(yu) 物質的相互作用。

當光強大於(yu) (等於(yu) )10¹⁸瓦/厘米²時，激光與(yu) 電子的相互作用進入超相對論性強場範圍。實驗上已首次觀察到：自由電子在真空中被加速到兆電子伏數量級的相對論能量;非線性湯姆孫散射及其所產(chan) 生的約300飛秒、0.05納米的超快硬X射線脈衝(chong) ;多光子非線性康普頓散射。尤其引人注目的是首次觀測到非彈性光子-光子散射產(chan) 生正負電子對的強場量子電動力學現象。

基於(yu) 非線性湯姆孫散射與(yu) 康普頓散射的X光、γ光源的產(chan) 生與(yu) 應用，以及真空中亞(ya) 周期脈寬超強超快激光場對電子的加速等，也是超強超快激光與(yu) 自由電子相互作用研究中的熱點課題。此外，在超強超快激光與(yu) 稀薄等離子體(ti) 相互作用中產(chan) 生的尾波場實驗中，也觀察到比傳(chuan) 統的高能粒子加速器的極限加速電場高出三個(ge) 數量級以上的超高梯度加速場，從(cong) 而為(wei) 實現小型化的高能粒子加速器提出了新方案。

近年來，超強超快激光與(yu) 高溫高密度等離子體(ti) 的相互作用，特別是相對論效應引起的高度非線性新現象、新規律的研究，也已引起國際學術界的高度重視。雖然目前已觀測到超強超快激光產(chan) 生巨大光壓，推動臨(lin) 界密度麵向前移動，從(cong) 而形成等離子體(ti) 通道等新現象，但涉及到10¹⁸～10²⁰瓦/厘米²數量級的超強超快激光與(yu) 高溫高密度等離子體(ti) 的相互作用，如”等離子體(ti) 中鑿孔”效應、超熱電子的產(chan) 生、能譜控製與(yu) 輸運等基礎性物理問題還有待於(yu) 深入研究。顯然，超強超快激光與(yu) 高溫高密度等離子體(ti) 相互作用的研究不僅(jin) 是本領域的重要研究內(nei) 容之一，而且還有可能為(wei) 激光核聚變等相關(guan) 高技術領域的發展提供基礎。