從啁啾脈沖放大到強(qiáng)場(chǎng)激光物理
——2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)解讀

冷雨欣

中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所，上海 201800

1960年，美國(guó)休斯飛機(jī)公司的科學(xué)家梅曼(T.Maiman)博士研制出世界上第一臺(tái)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(diǎn)。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(jìn)入納秒(ns，1 ns=10-9s)量級(jí)。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(lì)，上能級(jí)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)逐漸積累到最大值；此時(shí)突然將諧振腔的Q值調(diào)高(減小損耗)，那么積累在上能級(jí)的大量粒子便雪崩式地躍遷到激光下能級(jí)，在極短的時(shí)間內(nèi)將儲(chǔ)存的能量釋放出來(lái)，從而獲得峰值功率極高的巨脈沖。通過(guò)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(shí)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(zhǎng)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(zhǎng)，而腔長(zhǎng)又受到激光器輸出功率的限制。所以，從原理上來(lái)說(shuō)，采用調(diào)Q激光技術(shù)已經(jīng)無(wú)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(jìn)一步壓縮至皮秒(ps，1 ps=10-12s)甚至飛秒(fs，1 fs=10-15s)量級(jí)。鎖模激光技術(shù)的基本原理是：諧振腔中每個(gè)模式與其他模式之間保持固定的相位關(guān)系，這時(shí)輸出的激光強(qiáng)度由于不同模式間的周期性干涉相長(zhǎng)相消，從而形成超短脈沖。目前，自鎖模的摻鈦藍(lán)寶石激光器已經(jīng)商品化，最短的輸出脈沖寬度可以達(dá)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(huì)因?yàn)樽跃劢沟确蔷€性效應(yīng)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(jí)，需要通過(guò)其他途徑增加脈沖能量。然而，長(zhǎng)期以來(lái)由于沒(méi)有新技術(shù)的出現(xiàn)，導(dǎo)致激光能量增長(zhǎng)停滯不前，直接限制了激光峰值功率乃至聚焦強(qiáng)度的提升。

1985年，美國(guó)的科學(xué)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(gè)重要里程碑，開辟了超強(qiáng)超短激光和強(qiáng)場(chǎng)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(guò)展寬器在時(shí)間上進(jìn)行展寬，使脈沖寬度達(dá)到幾百皮秒甚至納秒量級(jí)；展寬后的脈沖在經(jīng)過(guò)激光增益介質(zhì)放大后，充分提取了激光介質(zhì)的儲(chǔ)能；最后經(jīng)過(guò)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(jí)，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(yīng)造成的光學(xué)元件損傷、脈沖光斑質(zhì)量下降等問(wèn)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(dá)到拍瓦乃至10拍瓦量級(jí)的激光脈沖放大輸出。目前，全世界的超強(qiáng)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(guó)科學(xué)家Gérard Mourou和加拿大科學(xué)家Donna Strickland 獲得了2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，獲獎(jiǎng)原因正是他們發(fā)明了產(chǎn)生超強(qiáng)超短光學(xué)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(jìn)了該技術(shù)在更多新研究領(lǐng)域的應(yīng)用[2]。

圖1 超強(qiáng)超短激光：啁啾脈沖放大

1 背景[3]

超強(qiáng)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?xiàng)l件與全新實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室內(nèi)創(chuàng)造。目前實(shí)驗(yàn)室內(nèi)臺(tái)式激光系統(tǒng)已經(jīng)可產(chǎn)生高重復(fù)頻率的超短脈沖(從100 fs到10 fs級(jí))且超高功率(從100 TW到1 000 TW級(jí))的激光輸出[6-9]。目前，超強(qiáng)超短激光經(jīng)聚焦的最高光強(qiáng)已達(dá)到1022～23W/cm2量級(jí)[10]。這么高的光強(qiáng)到底是什么概念呢？光強(qiáng)1021W/cm2約等于地球接收到的太陽(yáng)總輻射聚焦到頭發(fā)絲粗細(xì)的尺度。自然界中已知的最高光強(qiáng)是達(dá)到1020W/cm2量級(jí)的宇宙伽瑪射線暴的強(qiáng)度，所以超強(qiáng)超短激光被認(rèn)為是已知的最亮光源。

目前，超強(qiáng)超短激光正處于取得重大科學(xué)技術(shù)突破和開拓重大應(yīng)用的關(guān)鍵階段，未來(lái)5年激光的聚焦強(qiáng)度可能達(dá)到甚至突破1023W/cm2。此外，這種超強(qiáng)光場(chǎng)在時(shí)間范疇又是極端超快的。超強(qiáng)超短激光的中心波長(zhǎng)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(chǎng)的振蕩周期(如中心波長(zhǎng)為800 nm的激光脈沖其光場(chǎng)振蕩周期為2.67 fs)可以比擬；而利用超強(qiáng)超短激光驅(qū)動(dòng)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(jí)進(jìn)入阿秒(as，1 as =10-18s)量級(jí)的新范疇，未來(lái)有可能進(jìn)入到仄秒(zs，1 zs =10-21s)量級(jí)。這種極端超快時(shí)間尺度的強(qiáng)光場(chǎng)的產(chǎn)生和應(yīng)用，開拓與發(fā)展了阿秒科學(xué)全新領(lǐng)域(圖2)。

超強(qiáng)超短激光的發(fā)展與應(yīng)用是國(guó)際激光科技的最新前沿與競(jìng)爭(zhēng)重點(diǎn)領(lǐng)域，正如《Science》雜志專欄文章指出“這項(xiàng)工作將影響從聚變到天體物理的每一項(xiàng)研究”[11]。

光強(qiáng)1021W/cm2能夠產(chǎn)生的極端條件主要包括：

(1)超強(qiáng)電場(chǎng)：～1012V/cm，氫原子庫(kù)侖場(chǎng)強(qiáng)的170倍；

(2)超高磁場(chǎng)：～105T的超強(qiáng)范圍；

(3)超高能量密度：達(dá)到3×1010J/cm3(相當(dāng)于20 t/m3TNT爆炸釋放的能量)；

(4)巨大光壓：接近1017Pa量級(jí)；

(5)相對(duì)論效應(yīng)主導(dǎo)：電子動(dòng)能10 MeV，遠(yuǎn)超電子靜能(0.5 MeV)。

如超強(qiáng)超短激光可以驅(qū)動(dòng)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(lái)重要補(bǔ)充。與高能粒子加速器等相比，超強(qiáng)超短激光驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的超快電子、質(zhì)子和重離子粒子束時(shí)間尺度短(可達(dá)到數(shù)飛秒)，峰值流強(qiáng)大，這是傳統(tǒng)加速器難以提供的，為高能粒子束的應(yīng)用提供了獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，使超快瞬態(tài)檢測(cè)等成為可能。與傳統(tǒng)的基于反應(yīng)堆的中子源相比，超強(qiáng)超短激光驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的超快中子束，不僅具有脈沖寬度可以達(dá)到皮秒量級(jí)的優(yōu)點(diǎn)，而且具有安全可控等優(yōu)勢(shì)，為特殊材料的動(dòng)力學(xué)檢測(cè)提供了獨(dú)一無(wú)二的技術(shù)手段。超強(qiáng)超短激光裝置與現(xiàn)有的高能粒子加速器和反應(yīng)堆等大科學(xué)裝置產(chǎn)生的高流強(qiáng)粒子束互補(bǔ)，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(qiáng)超短激光的發(fā)展歷程與科學(xué)新領(lǐng)域的開拓

此外，超強(qiáng)超短激光可以驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生超快、多光譜、高亮度光源(圖3)，波長(zhǎng)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(yuǎn)超過(guò)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(shì)互補(bǔ)。

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(dá)到傳統(tǒng)加工方式無(wú)法達(dá)到的精密度和質(zhì)量，已成為當(dāng)前激光加工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于微電子、半導(dǎo)體制造、顯示、消費(fèi)類電子、醫(yī)療精密設(shè)備、太陽(yáng)能制造等行業(yè)，并將開辟精細(xì)加工的新市場(chǎng)。

圖3 超強(qiáng)超短激光驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生超快、多光譜、高亮度光源

2 國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)

目前，超強(qiáng)超短激光領(lǐng)域處于取得重大突破與開拓應(yīng)用的關(guān)鍵階段，國(guó)際上正在大力發(fā)展超強(qiáng)超短激光光源以及依托其產(chǎn)生前沿科技創(chuàng)新平臺(tái)。例如，在Gérard Mourou教授的倡議和推動(dòng)下，2006年歐盟10多個(gè)國(guó)家的近40家研究院所和科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合提出的極端光設(shè)施(extreme light infrastructure，ELI)計(jì)劃，擬發(fā)展峰值功率200 PW級(jí)超強(qiáng)超短激光裝置，開創(chuàng)激光與物質(zhì)相互作用研究與應(yīng)用的新時(shí)代。ELI計(jì)劃被納入歐盟未來(lái)大科學(xué)裝置發(fā)展路線圖[3,12-13]。ELI計(jì)劃的主要科學(xué)目標(biāo)是面向100 GeV的激光加速、面向Schwinger場(chǎng)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(xué)研究和光核物理研究。ELI計(jì)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(qiáng)場(chǎng)裝置(ELI-ultra high field facility)。

2012年以來(lái)，ELI計(jì)劃陸續(xù)啟動(dòng)了前3個(gè)裝置的建設(shè)，投入經(jīng)費(fèi)共8.5億歐元，計(jì)劃于近年陸續(xù)研制完成10 PW級(jí)超強(qiáng)超短激光系統(tǒng)并建成用戶裝置，為下一步研制200 PW級(jí)超強(qiáng)超短激光大科學(xué)裝置打下基礎(chǔ)[3]。

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

3 我國(guó)開展相關(guān)研究的主要情況[3]

中國(guó)科學(xué)院組織專家編寫的《中國(guó)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(qiáng)超短激光，建立極端條件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建議。我國(guó)開展拍瓦級(jí)超強(qiáng)超短激光及其應(yīng)用研究的主要機(jī)構(gòu)包括中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所、中國(guó)工程物理研究院激光聚變中心和中國(guó)科學(xué)院物理研究所等。中國(guó)工程物理研究院激光聚變中心研制了5 PW級(jí)超強(qiáng)超短激光裝置，該裝置的特色是基于全光學(xué)參量啁啾脈沖放大(OPCPA)技術(shù)路線，并與現(xiàn)有強(qiáng)激光裝置結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)飛秒級(jí)超強(qiáng)超短激光與納秒級(jí)、皮秒級(jí)高功率激光的多束同步輸出[15]。中國(guó)科學(xué)院物理研究所也成功研制了拍瓦級(jí)超強(qiáng)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(guó)原子能科學(xué)研究院在基于準(zhǔn)分子激光放大的短波長(zhǎng)超強(qiáng)超短激光研究方面很有特色，也已建立了10 TW量級(jí)超強(qiáng)超短激光和質(zhì)子加速研究平臺(tái)。上海交通大學(xué)正在通過(guò)OPCPA技術(shù)方案建立100 TW量級(jí)的中紅外波段的超強(qiáng)超短激光系統(tǒng)[17]。

在CPA技術(shù)提出后不久，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)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(guó)超強(qiáng)超短激光與強(qiáng)場(chǎng)物理研究領(lǐng)域，并開展了其重大的應(yīng)用研究。在徐至展院士和李儒新院士帶領(lǐng)下，2007年強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制成功當(dāng)時(shí)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(jìn)一步發(fā)展了寄生振蕩抑制、精密時(shí)空操控和級(jí)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(shí)間對(duì)比度等關(guān)鍵的科學(xué)技術(shù)問(wèn)題，研制成功當(dāng)時(shí)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(dá)到超高時(shí)間信噪比(1011)的關(guān)鍵技術(shù)難題。2014年他們又進(jìn)一步發(fā)展了泵浦/信號(hào)時(shí)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(shí)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(dāng)時(shí)國(guó)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(shí)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(qiáng)超短激光研究提供了先進(jìn)的技術(shù)儲(chǔ)備。利用上述激光裝置，我國(guó)在激光驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生高亮度超短波長(zhǎng)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(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所承擔(dān)了國(guó)家和上海市發(fā)改委共同投資的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目“上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置”(Shanghai superintense ultrafast laser facility，SULF)的建設(shè)。

4 上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置(SULF)

上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)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(jí)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施集群”的首批重大項(xiàng)目。該裝置主要包括一臺(tái)重復(fù)頻率的10 PW超強(qiáng)超短激光系統(tǒng)，同時(shí)具備高重復(fù)頻率的1 PW級(jí)激光輸出束線，利用該激光系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)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(xué)研究平臺(tái)(dynamic of materials under extreme conditions，DMEC)、超快亞原子物理研究平臺(tái)(ultrafast sub-atomic physics，USAP)和超快化學(xué)與大分子動(dòng)力學(xué)研究平臺(tái)(big molecule dynamics and extreme-fast chemistry，MODEC)3個(gè)用戶實(shí)驗(yàn)終端，面向國(guó)內(nèi)外高校、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)全面開放，提供先進(jìn)的物質(zhì)科學(xué)與生命科學(xué)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(guó)家科學(xué)中心打造“高度集聚的世界級(jí)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(xiàng)目法人單位為中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所，項(xiàng)目共建單位為上?？萍即髮W(xué)。

該項(xiàng)目的目標(biāo)是建成世界首套10 PW超強(qiáng)超短激光系統(tǒng)(圖4)。該激光系統(tǒng)選擇高對(duì)比度多級(jí)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(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率10 PW、峰值功率30 fs級(jí)激光脈沖輸出能力，激光中心波長(zhǎng)800 nm，額定脈沖寬度30 fs，最高激光聚焦強(qiáng)度超過(guò)1022W/cm2，同時(shí)具備高重復(fù)頻率(0.1 Hz)1 PW激光脈沖輸出?；诩す馐€建成如下3個(gè)用戶實(shí)驗(yàn)終端：

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

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

(3)超快化學(xué)與大分子動(dòng)力學(xué)研究平臺(tái)：基于超強(qiáng)超短激光驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的飛秒X射線源、超快電子束及太赫茲強(qiáng)場(chǎng)，利用散射和衍射相干成像等技術(shù)開展有機(jī)大分子的結(jié)構(gòu)測(cè)定、化學(xué)鍵瞬時(shí)誕生與化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、人工光合反應(yīng)等基礎(chǔ)研究。

項(xiàng)目執(zhí)行以來(lái)，在國(guó)家發(fā)改委、上海市和中國(guó)科學(xué)院的共同支持下，SULF的研制工作取得重要階段性進(jìn)展。2016年8月，國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了200 J以上能量水平的寬帶(70 nm)激光放大輸出，驗(yàn)證了時(shí)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(shí)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(píng)述為“中國(guó)科學(xué)家打破了最高激光脈沖峰值功率的世界紀(jì)錄”[23]，并入選中國(guó)科學(xué)院2016年度重大科技成果(12 項(xiàng))之一，以及國(guó)家“十二五”科技創(chuàng)新成就展。

2017年10月，得益于中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(B類)的支持，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步解決了國(guó)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(xué)技術(shù)問(wèn)題。上海光學(xué)精密機(jī)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(xué)技術(shù)問(wèn)題，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了300 J以上能量水平的寬帶(半高全寬達(dá)到70 nm)激光放大輸出。輸出的納秒級(jí)啁啾脈沖最高能量達(dá)到339 J，激光脈沖寬度經(jīng)過(guò)脈沖壓縮器壓縮后可達(dá)到21 fs，成功實(shí)現(xiàn)了10 PW激光放大輸出，達(dá)到國(guó)際同類研究的領(lǐng)先水平。SULF立項(xiàng)和建設(shè)的過(guò)程中，Gérard Mourou教授作為國(guó)際同行專家給予了本項(xiàng)目重要的支持和幫助，并多次訪問(wèn)本項(xiàng)目，也是上海光學(xué)精密機(jī)械研究所聘請(qǐng)的中國(guó)科學(xué)院愛因斯坦講席教授。

2018年1月26日《Science》雜志出版標(biāo)題為《神奇的光》的新聞評(píng)論文章，高度評(píng)價(jià)了SULF的研究成果，稱其為1960年第一臺(tái)激光器發(fā)明以來(lái)，在激光脈沖功率提升方面的第5個(gè)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(jí)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施集群”的首批重大項(xiàng)目，也將是上海張江綜合性國(guó)家科學(xué)中心的核心平臺(tái)之一，預(yù)期2019年建成并開放運(yùn)行，帶動(dòng)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(qiáng)激光技術(shù)和強(qiáng)激光相關(guān)材料科學(xué)等的創(chuàng)新發(fā)展。

圖4 上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置(SULF)

SULF未來(lái)可以根據(jù)用戶需求，進(jìn)一步提升裝置性能指標(biāo)，擴(kuò)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(dú)具特色的世界級(jí)大科學(xué)裝置集群。

最近，基于SULF裝置的研究基礎(chǔ)，上海光學(xué)精密機(jī)械研究所還進(jìn)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(qiáng)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(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目“硬X射線自由電子激光裝置”，并已獲國(guó)家發(fā)改委批準(zhǔn)。

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(qiáng)超短激光和強(qiáng)場(chǎng)激光物理的新方向。目前超強(qiáng)超短激光的發(fā)展與應(yīng)用是國(guó)際激光科技的最新前沿與競(jìng)爭(zhēng)的重點(diǎn)領(lǐng)域，具有重大應(yīng)用價(jià)值，是國(guó)際科技競(jìng)爭(zhēng)重大前沿領(lǐng)域之一。當(dāng)前，超強(qiáng)超短激光正處于取得重大科技突破和開拓重大應(yīng)用的關(guān)鍵階段。

以SULF為代表，中國(guó)科學(xué)家在該重大科學(xué)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(guó)際領(lǐng)先水平的綜合性科學(xué)研究試驗(yàn)基地作出重要貢獻(xiàn)。

基于啁啾脈沖放大技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)場(chǎng)激光物理?xiàng)l件，可以為開展極端物理?xiàng)l件下物質(zhì)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)和相互作用的研究提供前所未有的研究條件，使得人類對(duì)客觀世界規(guī)律的認(rèn)識(shí)將更加深入和系統(tǒng)化。這不僅將推動(dòng)強(qiáng)場(chǎng)物理、材料科學(xué)、原子分子物理、化學(xué)、生命科學(xué)、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(xué)科的開拓和發(fā)展，也將強(qiáng)力推動(dòng)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(zhǎng)新光源、核能、核醫(yī)學(xué)等提供原理依據(jù)與科學(xué)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(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助，感謝王雪培、彭宇杰、楊彥麗對(duì)本文撰寫的幫助。

(2018年11月28日收稿)■