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。在如此短的時間內產生的脈沖波，我們可以預料到一定有著許多有趣的性質，內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”，產生的物理基礎是原子的受激輻射，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)現只有借助于分子、原子這樣的圍觀體系才能實現短波長的相干電磁波放大，愛因斯坦的受激輻射正是實現這種想干放大的物理機制。

要產生激光，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多于高能級上的原子數，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，結果是將導致光信號的衰減。因此，產生激光的一個基本條件就是要實現體系中粒子數的反轉。已處于粒子數反轉的戒指叫做激活介質貨增益介質，它具有對光信號的放大能力。為使粒子數反轉，需一外界能源以適當的方式對原子體系產生作用（泵浦），此能源被稱為泵浦源。產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。為產生激光，需使受激輻射處于優(yōu)勢地位。為此，需選擇合適結構的光腔（或足夠長的激活介質），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，在各種性質加強后經歷了量變到質變的過程，有著更為奇特的性質。

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域的縱深發(fā)展，也將為相關重要高技術領域的創(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)產生的帶有大量內殼層空穴的電子組態(tài)反轉的“空心”原子，這將為實現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量級的相對論能量；非線性湯姆孫散射及其所產生的約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－光子散射產生正負電子對的強場量子電動力學現象。

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生的尾波場實驗中，也觀察到比傳統的高能粒子加速器的極限加速電場高出三個數量級以上的超高梯度加速場，從而為實現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象、新規(guī)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象，但涉及到1018～1020瓦/厘米數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、超熱電子的產生、能譜控制與輸運等基礎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域的重要研究內容之一，而且還有可能為激光核聚變等相關高技術領域的發(fā)展提供基礎。

超快激光場激勵的高次諧波現象的發(fā)現與不斷深入的研究，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，并開創(chuàng)出阿秒光譜學、阿秒物理學乃至阿秒科學技術的全新學科與未來高技術領域。

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，產生亞飛秒乃至阿秒數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，現有的X射線激光機制無法實現波長小于2納米的突破，超快激光的出現為實現基于內殼層躍遷等新機制的超短波長相干輻射提供了可能性。目前超快激光驅動的內殼層光電離超短波長相干輻射新機制研究也已成為本領域的新熱點。

超快激光技術為交叉學科的發(fā)展提供了創(chuàng)新手段與方法。超快激光技術也為超快化學動力學、微結構材料科學、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相互作用產生的飛秒甚至可能是亞飛秒、阿秒數量級的XUV和 X射線波段的極端超快相干光源技術，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內部的能量轉移和信息傳遞過程，進而可能實現人工控制某些物理、化學和生物過程，促進微結構材料科學、超快化學動力學等交叉學科領域的研究與發(fā)展，產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，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。超快強激光技術與近場光學顯微技術相結合，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”。

超快強激光在物質微結構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應用于單晶的超快晶格動力學研究已經實現了皮秒－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, 在三維高密度數據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，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代物理學乃至現代科學活躍的前沿領域中，做出重要建樹。這既是挑戰(zhàn)，更是難得的機遇。

轉自：光行天下

注：文章版權歸原作者所有，本文僅供交流學習之用，如涉及版權等問題，請您告知，我們將及時處理。