冷雨欣

中國科學院上海光學精密機械研究所，上海 201800

1960年，美國休斯飛機公司的科學家梅曼(T.Maiman)博士研制出世界上第一臺紅寶石激光器。從此以后，圍繞提高激光峰值功率的一系列新技術(shù)不斷出現(xiàn)，而追求高峰值功率激光一直是激光技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點。增加脈沖能量和減小脈沖寬度都能有效提高脈沖峰值功率。高峰值功率激光脈沖的發(fā)展至今大體經(jīng)歷調(diào)Q激光技術(shù)階段、鎖模激光技術(shù)階段和啁啾脈沖放大技術(shù)階段。

1962年，調(diào)Q激光技術(shù)誕生，它的發(fā)明使得激光脈沖進入納秒(ns，1 ns=10-9s)量級。調(diào)Q激光技術(shù)也叫Q開關(guān)技術(shù)，它的工作原理可以描述為：在光泵浦初期將諧振腔的Q值調(diào)低(增大損耗)，從而抑制激光振蕩的產(chǎn)生，使增益介質(zhì)中反轉(zhuǎn)粒子數(shù)得到積累；隨著光泵的繼續(xù)激勵，上能級反轉(zhuǎn)粒子數(shù)逐漸積累到最大值；此時突然將諧振腔的Q值調(diào)高(減小損耗)，那么積累在上能級的大量粒子便雪崩式地躍遷到激光下能級，在極短的時間內(nèi)將儲存的能量釋放出來，從而獲得峰值功率極高的巨脈沖。通過調(diào)Q激光技術(shù)獲得的最窄脈沖寬度近似等于光在腔內(nèi)往返一周所需要的時間，即τ=2L/c，其中c為真空中的光速(約3×108m/s)，L為諧振腔的長度。要得到高峰值功率的激光脈沖，則需要壓縮脈沖寬度，也就等效于縮短腔長，而腔長又受到激光器輸出功率的限制。所以，從原理上來說，采用調(diào)Q激光技術(shù)已經(jīng)無法獲得更短的激光脈沖，需要探索一種新的壓縮脈沖寬度的途徑。

1964年，鎖模激光技術(shù)被發(fā)明。鎖模激光技術(shù)的提出和發(fā)展使得脈沖寬度進一步壓縮至皮秒(ps，1 ps=10-12s)甚至飛秒(fs，1 fs=10-15s)量級。鎖模激光技術(shù)的基本原理是：諧振腔中每個模式與其他模式之間保持固定的相位關(guān)系，這時輸出的激光強度由于不同模式間的周期性干涉相長相消，從而形成超短脈沖。目前，自鎖模的摻鈦藍寶石激光器已經(jīng)商品化，最短的輸出脈沖寬度可以達到幾飛秒。然而，脈沖寬度極窄，在振蕩器中脈沖直接提取能量的效率低，放大介質(zhì)會因為自聚焦等非線性效應而容易受到損傷，因此直接從振蕩器輸出的脈沖能量一般為納焦(nJ，1 nJ = 10-9J)量級，需要通過其他途徑增加脈沖能量。然而，長期以來由于沒有新技術(shù)的出現(xiàn)，導致激光能量增長停滯不前，直接限制了激光峰值功率乃至聚焦強度的提升。

1985年，美國的科學家D. Strickland和G.Mourou在《Optics Communications》雜志上，發(fā)表了提出啁啾脈沖放大(chirped pulse amplification,CPA)技術(shù)概念的文章[1]。這是高峰值功率脈沖激光技術(shù)發(fā)展的一個重要里程碑，開辟了超強超短激光和強場激光物理的新研究方向。該技術(shù)的基本原理是：首先利用色散將飛秒激光脈沖通過展寬器在時間上進行展寬，使脈沖寬度達到幾百皮秒甚至納秒量級；展寬后的脈沖在經(jīng)過激光增益介質(zhì)放大后，充分提取了激光介質(zhì)的儲能；最后經(jīng)過與展寬器具有相反色散的壓縮器將脈沖寬度壓縮至接近最初的脈寬值(圖1)。啁啾脈沖放大技術(shù)可以保證放大前后脈沖的寬度基本一致，而脈沖的能量卻可以提高若干數(shù)量級，從而大幅度地提升了激光脈沖的峰值功率。它解決了高峰值功率條件下，由于介質(zhì)的非線性效應造成的光學元件損傷、脈沖光斑質(zhì)量下降等問題，使超短激光脈沖獲得了較為理想的放大效果。利用CPA技術(shù)已經(jīng)可以獲得峰值功率達到拍瓦乃至10拍瓦量級的激光脈沖放大輸出。目前，全世界的超強超短激光系統(tǒng)都是基于CPA技術(shù)而建立的。

發(fā)明啁啾脈沖放大技術(shù)使法國科學家Gérard Mourou和加拿大科學家Donna Strickland 獲得了2018年諾貝爾物理學獎，獲獎原因正是他們發(fā)明了產(chǎn)生超強超短光學脈沖的方法，且他們的發(fā)明革命性地改變了激光物理，特別是促進了該技術(shù)在更多新研究領(lǐng)域的應用[2]。

圖1 超強超短激光：啁啾脈沖放大

1 背景[3]

超強超短激光(峰值功率＞1 TW (1 TW=1012W)，脈沖寬度＜100 fs)的出現(xiàn)與迅猛發(fā)展，為人類提供了前所未有的極端物理條件與全新實驗手段[4-5]。自然界中只有在恒星內(nèi)部或是黑洞邊緣才能找到的高能量密度，甚至超高能量密度的極端條件已能在實驗室內(nèi)創(chuàng)造。目前實驗室內(nèi)臺式激光系統(tǒng)已經(jīng)可產(chǎn)生高重復頻率的超短脈沖(從100 fs到10 fs級)且超高功率(從100 TW到1 000 TW級)的激光輸出[6-9]。目前，超強超短激光經(jīng)聚焦的最高光強已達到1022～23W/cm2量級[10]。這么高的光強到底是什么概念呢？光強1021W/cm2約等于地球接收到的太陽總輻射聚焦到頭發(fā)絲粗細的尺度。自然界中已知的最高光強是達到1020W/cm2量級的宇宙伽瑪射線暴的強度，所以超強超短激光被認為是已知的最亮光源。

目前，超強超短激光正處于取得重大科學技術(shù)突破和開拓重大應用的關(guān)鍵階段，未來5年激光的聚焦強度可能達到甚至突破1023W/cm2。此外，這種超強光場在時間范疇又是極端超快的。超強超短激光的中心波長一般是在近紅外波段，其脈沖寬度已可壓縮至數(shù)飛秒，與激光場的振蕩周期(如中心波長為800 nm的激光脈沖其光場振蕩周期為2.67 fs)可以比擬；而利用超強超短激光驅(qū)動產(chǎn)生的極紫外乃至X射線波段相干輻射，其脈沖寬度已經(jīng)突破飛秒量級進入阿秒(as，1 as =10-18s)量級的新范疇，未來有可能進入到仄秒(zs，1 zs =10-21s)量級。這種極端超快時間尺度的強光場的產(chǎn)生和應用，開拓與發(fā)展了阿秒科學全新領(lǐng)域(圖2)。

超強超短激光的發(fā)展與應用是國際激光科技的最新前沿與競爭重點領(lǐng)域，正如《Science》雜志專欄文章指出“這項工作將影響從聚變到天體物理的每一項研究”[11]。

光強1021W/cm2能夠產(chǎn)生的極端條件主要包括：

(1)超強電場：～1012V/cm，氫原子庫侖場強的170倍；

(2)超高磁場：～105T的超強范圍；

(3)超高能量密度：達到3×1010J/cm3(相當于20 t/m3TNT爆炸釋放的能量)；

(4)巨大光壓：接近1017Pa量級；

(5)相對論效應主導：電子動能10 MeV，遠超電子靜能(0.5 MeV)。

如超強超短激光可以驅(qū)動產(chǎn)生超快高性能粒子束，為高能粒子加速器的發(fā)展帶來重要補充。與高能粒子加速器等相比，超強超短激光驅(qū)動產(chǎn)生的超快電子、質(zhì)子和重離子粒子束時間尺度短(可達到數(shù)飛秒)，峰值流強大，這是傳統(tǒng)加速器難以提供的，為高能粒子束的應用提供了獨特優(yōu)勢，使超快瞬態(tài)檢測等成為可能。與傳統(tǒng)的基于反應堆的中子源相比，超強超短激光驅(qū)動產(chǎn)生的超快中子束，不僅具有脈沖寬度可以達到皮秒量級的優(yōu)點，而且具有安全可控等優(yōu)勢，為特殊材料的動力學檢測提供了獨一無二的技術(shù)手段。超強超短激光裝置與現(xiàn)有的高能粒子加速器和反應堆等大科學裝置產(chǎn)生的高流強粒子束互補，不僅可為用戶提供新的研究條件，也可催生出新研究方向與新用戶。

圖2 超強超短激光的發(fā)展歷程與科學新領(lǐng)域的開拓

此外，超強超短激光可以驅(qū)動產(chǎn)生超快、多光譜、高亮度光源(圖3)，波長覆蓋從THz、紅外、紫外、X射線到 γ 射線波段，具有極端超快的脈沖寬度。盡管光子平均通量低，但峰值亮度在某些波段上遠超過其他大型光源，而在某些波段又是相干的，與同步輻射光源等可以提供的高通量光子束線等相比，各自既有不可替代性，又優(yōu)勢互補。

在工業(yè)加工領(lǐng)域，皮秒或飛秒短脈沖激光由于具有極高的峰值功率，可瞬間氣化或熔化材料，達到傳統(tǒng)加工方式無法達到的精密度和質(zhì)量，已成為當前激光加工業(yè)的發(fā)展趨勢，被廣泛應用于微電子、半導體制造、顯示、消費類電子、醫(yī)療精密設(shè)備、太陽能制造等行業(yè)，并將開辟精細加工的新市場。

圖3 超強超短激光驅(qū)動產(chǎn)生超快、多光譜、高亮度光源

2 國際發(fā)展趨勢

目前，超強超短激光領(lǐng)域處于取得重大突破與開拓應用的關(guān)鍵階段，國際上正在大力發(fā)展超強超短激光光源以及依托其產(chǎn)生前沿科技創(chuàng)新平臺。例如，在Gérard Mourou教授的倡議和推動下，2006年歐盟10多個國家的近40家研究院所和科研機構(gòu)聯(lián)合提出的極端光設(shè)施(extreme light infrastructure，ELI)計劃，擬發(fā)展峰值功率200 PW級超強超短激光裝置，開創(chuàng)激光與物質(zhì)相互作用研究與應用的新時代。ELI計劃被納入歐盟未來大科學裝置發(fā)展路線圖[3,12-13]。ELI計劃的主要科學目標是面向100 GeV的激光加速、面向Schwinger場的真空結(jié)構(gòu)研究、1～10 keV相干X射線產(chǎn)生與阿秒科學研究和光核物理研究。ELI計劃下設(shè)4大研究裝置，分別為位于捷克布拉格的ELI束線裝置(ELI-beamlines facility)、位于匈牙利賽格德的ELI阿秒裝置(ELI-attosecond light pulse source， ELI-ALPS)、位于羅馬尼亞默古雷萊的 ELI核物理裝置(ELI-nuclear physics facility，ELI-NP)，以及目前尚未定址的ELI超強場裝置(ELI-ultra high field facility)。

2012年以來，ELI計劃陸續(xù)啟動了前3個裝置的建設(shè)，投入經(jīng)費共8.5億歐元，計劃于近年陸續(xù)研制完成10 PW級超強超短激光系統(tǒng)并建成用戶裝置，為下一步研制200 PW級超強超短激光大科學裝置打下基礎(chǔ)[3]。

同時，英國和法國正緊鑼密鼓地開展各自10 PW級超強超短激光裝置的研制工作[3,14]。俄、美、德等國也紛紛提出了各自的10 PW級乃至100 PW級超強超短激光裝置研究計劃，如美國75 PW的光參量放大束線(optical parametric amplifier line，OPAL)計劃、俄羅斯180 PW的艾瓦中心極端光學研究(Exawatt Center for extreme light studies，XCELS)計劃等。

3 我國開展相關(guān)研究的主要情況[3]

中國科學院組織專家編寫的《中國至2050年重大科技基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展路線圖》提出了發(fā)展超強超短激光，建立極端條件實驗平臺的建議。我國開展拍瓦級超強超短激光及其應用研究的主要機構(gòu)包括中國科學院上海光學精密機械研究所、中國工程物理研究院激光聚變中心和中國科學院物理研究所等。中國工程物理研究院激光聚變中心研制了5 PW級超強超短激光裝置，該裝置的特色是基于全光學參量啁啾脈沖放大(OPCPA)技術(shù)路線，并與現(xiàn)有強激光裝置結(jié)合，可實現(xiàn)飛秒級超強超短激光與納秒級、皮秒級高功率激光的多束同步輸出[15]。中國科學院物理研究所也成功研制了拍瓦級超強超短激光裝置并發(fā)展了超高信噪比激光脈沖的產(chǎn)生技術(shù)研究[16]。此外，中國原子能科學研究院在基于準分子激光放大的短波長超強超短激光研究方面很有特色，也已建立了10 TW量級超強超短激光和質(zhì)子加速研究平臺。上海交通大學正在通過OPCPA技術(shù)方案建立100 TW量級的中紅外波段的超強超短激光系統(tǒng)[17]。

在CPA技術(shù)提出后不久，中國科學院上海光學精密機械研究所迅速跟蹤了這一技術(shù)潮流。徐至展院士開拓了我國超強超短激光與強場物理研究領(lǐng)域，并開展了其重大的應用研究。在徐至展院士和李儒新院士帶領(lǐng)下，2007年強場激光物理國家重點實驗室研制成功當時世界上最高功率(0.89 PW/29.0 fs)的飛秒激光系統(tǒng)[18]。在此基礎(chǔ)上，2013年他們進一步發(fā)展了寄生振蕩抑制、精密時空操控和級聯(lián)脈沖凈化等新技術(shù)，有效解決了獲得高增益放大和超高時間對比度等關(guān)鍵的科學技術(shù)問題，研制成功當時世界最高激光峰值功率的2.0 PW激光放大系統(tǒng)[9]，攻克了輸出激光脈沖達到超高時間信噪比(1011)的關(guān)鍵技術(shù)難題。2014年他們又進一步發(fā)展了泵浦/信號時序控制和注入優(yōu)化抑制大口徑放大器寄生振蕩的新方法，基于150 mm鈦寶石晶體，實現(xiàn)了192.3 J放大輸出，可壓縮脈寬27.0 fs，支持5.13 PW的峰值功率，這是當時國際最高峰值功率的激光放大系統(tǒng)[19]。他們還創(chuàng)新性地提出時域雙脈沖泵浦抑制大口徑CPA放大器寄生振蕩的新技術(shù)，為后續(xù)開展10 PW超強超短激光研究提供了先進的技術(shù)儲備。利用上述激光裝置，我國在激光驅(qū)動產(chǎn)生高亮度超短波長光源與超快高性能粒子束等方面取得重要研究成果。

基于上述研究，2016年中國科學院上海光學精密機械研究所承擔了國家和上海市發(fā)改委共同投資的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項目“上海超強超短激光實驗裝置”(Shanghai superintense ultrafast laser facility，SULF)的建設(shè)。

4 上海超強超短激光實驗裝置(SULF)

上海超強超短激光實驗裝置(SULF)，是上?！敖ㄔO(shè)具有全球影響力的科創(chuàng)中心、打造世界級重大科技基礎(chǔ)設(shè)施集群”的首批重大項目。該裝置主要包括一臺重復頻率的10 PW超強超短激光系統(tǒng)，同時具備高重復頻率的1 PW級激光輸出束線，利用該激光系統(tǒng)驅(qū)動產(chǎn)生的高亮度超短脈沖高能光子與粒子束，建立極端條件材料科學研究平臺(dynamic of materials under extreme conditions，DMEC)、超快亞原子物理研究平臺(ultrafast sub-atomic physics，USAP)和超快化學與大分子動力學研究平臺(big molecule dynamics and extreme-fast chemistry，MODEC)3個用戶實驗終端，面向國內(nèi)外高校、科研機構(gòu)和企業(yè)全面開放，提供先進的物質(zhì)科學與生命科學研究手段。按照上海市建設(shè)“具有全球影響力的科技創(chuàng)新中心”的戰(zhàn)略部署，在上海張江綜合性國家科學中心打造“高度集聚的世界級重大科技基礎(chǔ)設(shè)施群”，SULF將成為其中重要的組成部分。項目法人單位為中國科學院上海光學精密機械研究所，項目共建單位為上?？萍即髮W。

該項目的目標是建成世界首套10 PW超強超短激光系統(tǒng)(圖4)。該激光系統(tǒng)選擇高對比度多級啁啾脈沖放大器鏈和終端大口徑啁啾脈沖放大器的技術(shù)方案，實現(xiàn)重復頻率10 PW、峰值功率30 fs級激光脈沖輸出能力，激光中心波長800 nm，額定脈沖寬度30 fs，最高激光聚焦強度超過1022W/cm2，同時具備高重復頻率(0.1 Hz)1 PW激光脈沖輸出?；诩す馐€建成如下3個用戶實驗終端：

(1)極端條件材料科學研究平臺：基于高功率激光脈沖產(chǎn)生極端物理條件，開展極端物理條件下材料的超高時間分辨動力學研究。在高溫高壓等極端物理條件下，重要材料動態(tài)特性研究等方面具有不可替代的應用需求。

(2)超快亞原子物理研究平臺：基于超強超短激光驅(qū)動產(chǎn)生的飛秒至皮秒級高強度高能質(zhì)子束等超快高能粒子束流以及超快高強度高能光子束流等，開展等離子體狀態(tài)反應截面、低宇宙環(huán)境噪聲下小截面反應、高能光子巨共振、點質(zhì)子源探測介觀物理、正電子無損探測研究等方面的創(chuàng)新研究。

(3)超快化學與大分子動力學研究平臺：基于超強超短激光驅(qū)動產(chǎn)生的飛秒X射線源、超快電子束及太赫茲強場，利用散射和衍射相干成像等技術(shù)開展有機大分子的結(jié)構(gòu)測定、化學鍵瞬時誕生與化學反應機理、人工光合反應等基礎(chǔ)研究。

項目執(zhí)行以來，在國家發(fā)改委、上海市和中國科學院的共同支持下，SULF的研制工作取得重要階段性進展。2016年8月，國際上首次實現(xiàn)了200 J以上能量水平的寬帶(70 nm)激光放大輸出，驗證了時域雙脈沖泵浦技術(shù)在抑制大口徑鈦寶石放大器中的可行性。采用大口徑光柵的脈沖壓縮器壓縮脈沖寬度至24 fs脈沖，成功實現(xiàn)了5 PW激光脈沖輸出[20-22]，該成果被2017年2月出版的《Science》雜志評述為“中國科學家打破了最高激光脈沖峰值功率的世界紀錄”[23]，并入選中國科學院2016年度重大科技成果(12 項)之一，以及國家“十二五”科技創(chuàng)新成就展。

2017年10月，得益于中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項(B類)的支持，研究團隊進一步解決了國際最大口徑鈦寶石激光晶體研制、寬帶高能激光脈沖高增益放大、大能量鈦寶石放大器寄生振蕩抑制和高保真脈沖壓縮等關(guān)鍵科學技術(shù)問題。上海光學精密機械研究所在大口徑鈦寶石晶體等關(guān)鍵單元器件技術(shù)方面取得突破，并解決了大口徑高增益激光放大器等關(guān)鍵科學技術(shù)問題，在國際上首次實現(xiàn)了300 J以上能量水平的寬帶(半高全寬達到70 nm)激光放大輸出。輸出的納秒級啁啾脈沖最高能量達到339 J，激光脈沖寬度經(jīng)過脈沖壓縮器壓縮后可達到21 fs，成功實現(xiàn)了10 PW激光放大輸出，達到國際同類研究的領(lǐng)先水平。SULF立項和建設(shè)的過程中，Gérard Mourou教授作為國際同行專家給予了本項目重要的支持和幫助，并多次訪問本項目，也是上海光學精密機械研究所聘請的中國科學院愛因斯坦講席教授。

2018年1月26日《Science》雜志出版標題為《神奇的光》的新聞評論文章，高度評價了SULF的研究成果，稱其為1960年第一臺激光器發(fā)明以來，在激光脈沖功率提升方面的第5個重大突破[24]。

SULF已被納入上?！敖ㄔO(shè)具有全球影響力的科創(chuàng)中心、打造世界級重大科技基礎(chǔ)設(shè)施集群”的首批重大項目，也將是上海張江綜合性國家科學中心的核心平臺之一，預期2019年建成并開放運行，帶動高能量密度物理、高能物理與核物理、激光高能加速器、新一代超強激光技術(shù)和強激光相關(guān)材料科學等的創(chuàng)新發(fā)展。

圖4 上海超強超短激光實驗裝置(SULF)

SULF未來可以根據(jù)用戶需求，進一步提升裝置性能指標，擴充用戶線站，提升裝置使用效率，也擬與同處上海張江的上海自由電子激光裝置配合使用，形成獨具特色的世界級大科學裝置集群。

最近，基于SULF裝置的研究基礎(chǔ)，上海光學精密機械研究所還進一步創(chuàng)新性地提出了在硬X射線自由電子激光裝置上建設(shè)以100 PW超強超短激光為核心的極端光物理線站的建議。該建議已被納入“十三五”國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項目“硬X射線自由電子激光裝置”，并已獲國家發(fā)改委批準。

5 結(jié)論

1985年D. Strickland和G. Mourou教授提出的啁啾脈沖放大技術(shù)的概念[1]，開辟了超強超短激光和強場激光物理的新方向。目前超強超短激光的發(fā)展與應用是國際激光科技的最新前沿與競爭的重點領(lǐng)域，具有重大應用價值，是國際科技競爭重大前沿領(lǐng)域之一。當前，超強超短激光正處于取得重大科技突破和開拓重大應用的關(guān)鍵階段。

以SULF為代表，中國科學家在該重大科學前沿領(lǐng)域占據(jù)了一席之地，也將為上海市建設(shè)具有全球影響力的科創(chuàng)中心，特別是建成具有國際領(lǐng)先水平的綜合性科學研究試驗基地作出重要貢獻。

基于啁啾脈沖放大技術(shù)發(fā)展的強場激光物理條件，可以為開展極端物理條件下物質(zhì)結(jié)構(gòu)、運動和相互作用的研究提供前所未有的研究條件，使得人類對客觀世界規(guī)律的認識將更加深入和系統(tǒng)化。這不僅將推動強場物理、材料科學、原子分子物理、化學、生命科學、核物理、高能物理、凝聚態(tài)物理和天體物理等一批基礎(chǔ)或前沿交叉學科的開拓和發(fā)展，也將強力推動相關(guān)戰(zhàn)略高技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展，如為超高梯度高能粒子加速器、高亮度超短波長新光源、核能、核醫(yī)學等提供原理依據(jù)與科學基礎(chǔ)，并引發(fā)工業(yè)新技術(shù)變革和創(chuàng)造新產(chǎn)業(yè)。

致謝感謝強場激光物理國家重點實驗室資助，感謝王雪培、彭宇杰、楊彥麗對本文撰寫的幫助。

(2018年11月28日收稿)■