做家：盛政明1，2陈民1翁苏明1远晓辉1陈破晓3张杰1，3

(1上海交通大学物理与天文学院)

(2李政道研讨所)

(3华夏科学院物理研讨所)

撮要年诺贝尔物理学奖赋予了因首创“光学镊子”和“啁啾激光脉冲强调”两项宏大本领的3位科学家。此中啁啾激光脉冲强调本领使得人们在实行室获患了亘古未有的超短超强激光脉冲。文章扼要引见了由超短超强激光开辟的新兴科学前沿，尤其是这类强激光本领鞭策下的新式粒子加快器研讨的进展、机会和挑战。

关键词啁啾激光脉冲强调本领，超短超强激光脉冲，新式粒子加快器，激光尾波加快，激光加快离子，诺贝尔物理学奖

年诺贝尔物理学奖赋予了美国科学家亚瑟·阿斯金(ArthurAshkin)、法国科学家杰哈·莫罗(GérardMourou)和加拿大科学家唐娜·斯特里克兰(DonnaStrickland)，以表扬他们在激光物理研讨周围做出的创始性进献(图1)。此中阿斯金的进献是首创了一种“光学镊子”，做为一种崭新的操控东西也许在不损伤生物系统的前提下挪移细胞、细菌等微生物，因此对微生物系统的研讨形成了革新性的影响。而莫罗和斯特里克兰则首创了一种形成“高强度、超短时光光脉冲”的法子，即啁啾激光脉冲强调本领(简称CPA本领)[1]。CPA本领为底子科学和运用科学研讨开辟了一片崭新的周围，它也许让激光以极高的详细度在百般材料长停止切割、钻洞等操纵，因此在产业和疗养等方面具备宽广的运用。在底子科学周围，CPA本领的运用则是更为宽广而深入，开辟了超快非线性光谱、阿秒科学、新式粒子加快器、高能量密度科学、新式激光核聚变，甚至实行室天体物理学等诸多新研讨周围和新研讨前沿[2，3]。

图1年诺贝尔物理学奖得到者：ArthurAshkin(左)，GérardMourou(中)，DonnaStrickland(右)

激光强度表征的是单元面积上辐照的激光功率，而激光功率即是激光能量除以激光脉冲宽度。在CPA本领首创往日，百般形成超短脉冲的本领曾经涌现，然而由于受激光强调介质强度摧残阈值的束缚，超短脉冲激光没有法子得到充足的强调。莫罗和斯特里克兰在年首创的CPA本领，高明地行使了短脉冲激光具备很宽频谱的特征。在CPA本领中，可先行使一双光栅将短脉冲激光在时光上展宽数万倍，而后将其经过晶体等强调介质停止能量强调至晶体摧残阈值的上限，接着在真地面经过另一双光栅将能量强调后的展宽激光脉冲在时光上紧缩至从来的超短脉冲宽度，进而大幅度提升了超短激光脉冲的强度。从该本领首创于今，人们曾经将激光脉冲的强度和功率极限提升了7—8个数目级，由此将激光与物资互相影响研讨促成到往日不可思议的相对论强激光物理新周围(图2)。当前采纳CPA强调本领的激光器曾经也许形成脉宽短至数飞秒(1fs=10-15s)、峰值功率高到数拍瓦(1PW=W)的激光脉冲。但关于更高功率的激光安设，人们还在拓展CPA本领的本领极限，并进展其余新本领，比如光参量强调(OPCPA)本领[4]和准参量强调本领(QPCPA)[5]。

图2实行室得到激光强度随年头变动示用意(左上)，跟着莫罗和斯特里克兰首创的CPA本领的涌现使得人们也许将激光强度促成到所谓的相对论激光强度(约W/cm2)。当激光强度从非相对论提升到相对论前提时，电子在光场中的疏通从主借使横向振动变为纵向疏通主宰(右上)

早在年，《科学》杂志报导了美国、英国、日本等多个强激光实行室停止的一场建筑拍瓦级高功率激光器的竞争[6]。不到10年间，不光有十多个实行室建成拍瓦量级激光[7]，再有多个激光公司也许供应商品化的拍瓦级激光器。但就像全国T最快策画机的排名竞争同样，人们对激光岑岭值功率的探求竞争连续没有闭幕。年起，莫罗回到他的母校巴黎综正当工学院，鞭策在欧盟建筑10—PW的超强激光摆设，即极度光底子设备(ExtremeLightInfrastructure，ELI)[8]。该计区分两步走，分阶段建筑10PW级和PW级超强激光设备。在莫罗等人的发奋下，欧盟于年启动了ELI极度光场激光设备建筑，在捷克、罗马尼亚、匈牙利建筑用于不同科学目方向10PW量级的超强激光实行安设，离别称为ELI-Beamlines安设、ELI-NP安设、ELI-ALPS安设，总投资范围超出8.5亿欧元，瞻望在年后渐渐着手运转。对象是在最高的激光强度下和最短的时光法式里研讨光与物资互相影响。除了ELI设备外，法国也在建筑10PW(J/15fs)强激光实行安设Apollo。美国和俄罗斯偕行也提议PW量级强激光安设摆设，但当前还没有投入实践。

在亚洲列国中，中日韩印四国在强激光安设建筑及其运用研讨的进展也尤其飞快。此中日本大阪大学年建成了那时峰值功率最高的2PW激光安设LFEX，日本关西光子科学研讨所(KPSI)建成有反复频次的近拍瓦激光安设。韩国底子科学研讨所(IBS)的相对论激光科学核心年建成了双束拍瓦激光系统，当前正摆设将此中一束晋级至4PW。印度紧要采纳商用的高功率激光系统开展关系运用研讨。华夏科学院上海光学精湛板滞研讨所、华夏科学院物理研讨所、华夏工程物理研讨院激光聚变核心多年前已建成了拍瓦级激光系统。此中华夏科学院上海光学精湛板滞研讨住址年报导形成了超出5PW激光[9]，近期10PW激光安设(SULF)马上投入行使。做为上海解放电子激光线站的一部份，年启动了PW激光安设(SEL)建筑，希望在国际上建成第一台百拍瓦级超高功率激光安设。

另一方面，峰值功率在几十太瓦(1TW=W)量级的激光系统曾经也许开展许多极度场强前提下的非线性科知识题研讨。这类激光系统所需实行空间在m2以内，这是中袖珍范围的大学实行室也许肩负得起的实行室系统。正因如斯，当前全国上除了一些国度级实行室以外，再有几十此中等范围的实行室均建有这类激光安设(图3)。上海交通大学、北京大学、清华大学等单元则建有峰值功率在TW级的强激光实行室。典范的TW级的激光系统和实行靶场如图4所示。

图3寰球强激光实行室散布(引自

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