超快激光是激光中的一種，是脈沖波在fs量級上的激光。飛秒（fs）是極短的時間單位，即10-15s ,僅僅是1千萬億分之一秒，如果將10fs作為幾何平均來衡量宇宙，其壽命僅不過1min而已。在如此短的時間內(nèi)產(chǎn)生的脈沖波，我們可以預料到一定有著許多有趣的性質(zhì)，內(nèi)為我們的科學實驗帶來許多幫助。

激光，顧名思義是“激發(fā)出來的光”，產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)是原子的受激輻射，這個過程是由愛因斯坦最早在1916年在理論上發(fā)現(xiàn)的。受激輻射概念剛提出時沒有收到應有的重視，雖然1924年就有一位德國的科學家在實驗上簡介地證實了受激輻射的存在。但真正導致熱門重新發(fā)掘受激輻射概念所隱含的巨大潛力是在二次世界大戰(zhàn)之后，當人們企圖將想干滇西波段從長波擴展到微波乃至光波是，發(fā)現(xiàn)只有借助于分子、原子這樣的圍觀體系才能實現(xiàn)短波長的相干電磁波放大，愛因斯坦的受激輻射正是實現(xiàn)這種想干放大的物理機制。

要產(chǎn)生激光，需要解決兩個矛盾。首先是受激輻射與受激吸收的矛盾。根據(jù)玻爾茲曼分布，熱平衡的原子體系中總有低能級上的原子數(shù)多于高能級上的原子數(shù)，當光與體系發(fā)生相互作用時，由于吸收比受激發(fā)輻射顯著，結(jié)果是將導致光信號的衰減。因此，產(chǎn)生激光的一個基本條件就是要實現(xiàn)體系中粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)。已處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的戒指叫做激活介質(zhì)貨增益介質(zhì)，它具有對光信號的放大能力。為使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，需一外界能源以適當?shù)姆绞綄υ�子體系產(chǎn)生作用（泵浦），此能源被稱為泵浦源。產(chǎn)生激光所要解決的另外一個矛盾就是受激輻射與自發(fā)輻射的矛盾。在原子體系中，這兩種過程同時存在，相互競爭。為產(chǎn)生激光，需使受激輻射處于優(yōu)勢地位。為此，需選擇合適結(jié)構(gòu)的光腔（或足夠長的激活介質(zhì)），在軸線方向的自發(fā)輻射通過反復增益獲得較高的光場能量密度，從而得以受激輻射為主的輸出。

激光與普通光源又極大的不同，它具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性等特征。在加工、存儲、醫(yī)療、通信、雷達、科研、國防等領(lǐng)域有著極為廣泛的應用。而飛秒激光作為一種特殊的激光，在各種性質(zhì)加強后經(jīng)歷了量變到質(zhì)變的過程，有著更為奇特的性質(zhì)。

超快激光與團簇、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，實驗研究已觀察到多光子激發(fā)產(chǎn)生的帶有大量內(nèi)殼層空穴的電子組態(tài)反轉(zhuǎn)的“空心”原子，這將為實現(xiàn)超短波長相干輻射開辟全新途徑；超快激光與大尺寸原子團簇的相互作用首次成功引發(fā)了臺式聚變，從而為“臺式化”聚變新概念指明了前景。此外，超快激光與團簇的相互作用研究，有可能作為一種橋梁，幫助人們更加完整地認識光與物質(zhì)的相互作用。

當光強大于（等于）1018瓦/厘米2時，激光與電子的相互作用進入超相對論性強場范圍。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(shù)量級的相對論能量；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到非彈性光子－光子散射產(chǎn)生正負電子對的強場量子電動力學現(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)生與應用，以及真空中亞周期脈寬超強超快激光場對電子的加速等，也是超快激光與自由電子相互作用研究中的熱點課題。此外，在超快激光與稀薄等離子體相互作用中產(chǎn)生的尾波場實驗中，也觀察到比傳統(tǒng)的高能粒子加速器的極限加速電場高出三個數(shù)量級以上的超高梯度加速場，從而為實現(xiàn)小型化的高能粒子加速器提出了新方案。

近年來，超快激光與高溫高密度等離子體的相互作用，特別是相對論效應引起的高度非線性新現(xiàn)象、新規(guī)律的研究，也已引起國際學術(shù)界的高度重視。雖然目前已觀測到超強超快激光產(chǎn)生巨大光壓，推動臨界密度面向前移動，從而形成等離子體通道等新現(xiàn)象，但涉及到1018～1020瓦/厘米數(shù)量級的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、超熱電子的產(chǎn)生、能譜控制與輸運等基礎(chǔ)性物理問題還有待于深入研究。顯然，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)域的重要研究內(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)。

超快激光場激勵的高次諧波現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與不斷深入的研究，不僅為獲得真空紫外區(qū)(VUV)與極端紫外區(qū)(XUV）波段全相干光源提供了一種有效途徑，也為亞飛秒甚至阿秒級極端超快短波長相干輻射的產(chǎn)生提出了全新的思想與方法，從而有可能突破飛秒的壁壘，為人類創(chuàng)建極端超快的阿秒光子技術(shù)，并開創(chuàng)出阿秒光譜學、阿秒物理學乃至阿秒科學技術(shù)的全新學科與未來高技術(shù)領(lǐng)域。

超快激光場中高次諧波發(fā)射研究已取得重大突破，高次諧波已進入“水窗”波段。當前，產(chǎn)生亞飛秒乃至阿秒數(shù)量級極端超快相干輻射的新概念、新方法的研究，正日趨活躍。在短波長X射線波段激光研究方面，現(xiàn)有的X射線激光機制無法實現(xiàn)波長小于2納米的突破，超快激光的出現(xiàn)為實現(xiàn)基于內(nèi)殼層躍遷等新機制的超短波長相干輻射提供了可能性。目前超快激光驅(qū)動的內(nèi)殼層光電離超短波長相干輻射新機制研究也已成為本領(lǐng)域的新熱點。

超快激光技術(shù)為交叉學科的發(fā)展提供了創(chuàng)新手段與方法。超快激光技術(shù)也為超快化學動力學、微結(jié)構(gòu)材料科學、超快信息光子學與生命科學等前沿交叉學科的發(fā)展提供了創(chuàng)新手段與方法。例如，超快激光自身及其與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的飛秒甚至可能是亞飛秒、阿秒數(shù)量級的XUV和 X射線波段的極端超快相干光源技術(shù)，為人類研究并應用各種超快過程提供了強有力的手段，將使人類在更深的層次上進一步認識微觀世界物質(zhì)內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)移和信息傳遞過程，進而可能實現(xiàn)人工控制某些物理、化學和生物過程，促進微結(jié)構(gòu)材料科學、超快化學動力學等交叉學科領(lǐng)域的研究與發(fā)展，產(chǎn)生具有重大影響的突破性交叉前沿研究成果。

近年，在飛秒激光應用于化學反應動力學方面的研究進展格外引人注目。澤韋爾（A.H.Zewail）由于在發(fā)展飛秒光譜技術(shù)，并研究化學反應過程中壽命極短的過渡態(tài)方面的成就，被授予1999年度諾貝爾化學獎。上述進展也為利用超快強激光控制化學反應帶來了新的希望。有選擇地斷裂或形成一些小分子化學鍵已經(jīng)成功，但是對大分子復雜體系卻一直未能突破。超快強激光技術(shù)與近場光學顯微技術(shù)相結(jié)合，可以對激光與分子的相互作用進行多維控制，這是研究“單分子物理學”或“單分子化學”的有力手段，并有可能用以對生物大分子進行“剪裁”。

超快強激光在物質(zhì)微結(jié)構(gòu)的制備與超快動力學行為的研究方面，包括超高時空光譜分辨新探測手段的開拓與應用也取得了顯著進展。如光泵－超快X射線衍射探針測量技術(shù)應用于單晶的超快晶格動力學研究已經(jīng)實現(xiàn)了皮秒－毫埃的超高時空分辨率；微爆炸和微聚合已使得人們有可能用超快強激光得到優(yōu)于衍射極限、小于光波長的材料處理精度, 在三維高密度數(shù)據(jù)存儲中帶來了新的應用。最近的實驗也已證實，利用飛秒強激光按微米的間隔，斷續(xù)照射含稀土元素釤微粒子的玻璃，加上多重波長重疊記錄技術(shù)，記錄密度可提高到1014比特/厘米3等。

相對而言，超快激光科學是一門非常年輕的新學科，正處在出現(xiàn)重大突破的前夜，其重要作用與潛力遠不止本文所述。展望未來，中國科學家可望在這一現(xiàn)代物理學乃至現(xiàn)代科學活躍的前沿領(lǐng)域中，做出重要建樹。這既是挑戰(zhàn)，更是難得的機遇。

轉(zhuǎn)自：光行天下

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