超快强光物理是利用激光脉冲的超短和超强特性,研究光与物质相互作用的内在机制及应用,涉及物理、化学、生命科学、材料科学以及能源科学等领域。

随着激光技术的不断进步,激光脉宽不断缩短且峰值功率不断提高,使得光与物质的相互作用进入到超快及高度非线性区域,产生了很多新奇的物理现象。利用超快光的短脉冲特性,加上脉冲整形等技术,人们可以利用光谱学的手段来研究物质随时间演化的动力学过程并进行人工操控。在原子分子层次上来看,当外加激光场对电子的相互作用强度变得与电子与原子分子内的库仑场可比时,许多基于隧穿电离和重碰撞的高度非线性物理现象就会应运而生。其中,高次谐波的产生使得人们能够获得百阿秒量级的超短光脉冲,开启了人们在电子运动的时间尺度上去研究物理和化学过程的新时代。随着激光强度达到相对论光强,使得电子在激光场中可以被加速到接近光速,此时,相对论非线性效应开始起重要作用,激光等离子体、电子和质子的激光加速,及其在新型光源、医学和能源领域的潜在应用成为重要研究课题。

超快强光物理当前主要前沿研究领域包括超快强场中的原子分子物理、相干控制及超快时间分辨光谱、激光等离子体与粒子加速等。各领域近10年的重要研究热点如下。

（1）超强超快原子分子物理

在原子分子层次上,近10年主要围绕以下重要热点展开研究。（ⅰ）与电子在强激光场中隧穿动力学相关的基础性问题,例如隧穿入口和出口的位置和动量坐标、隧穿是否需要时间以及如何测量、隧穿过程的非绝热效应、光场的线动量效应等。（ⅱ）利用高次谐波谱或者高能散射电子谱对原子与分子的结构或动力学过程进行成像。（ⅲ）运用高次谐波获得脉冲更短、脉冲能量更高及重复频率更高的阿秒脉冲。（ⅳ）利用阿秒条纹相机技术,通过电子谱或者阿秒瞬态吸收光谱的测量去探测原子与分子中,以及固体中的动力学过程,研究不同介质中光学性质和导电性的改变及其应用。（ⅴ）发展多光束相干合成产生亚飞秒强脉冲的技术,拓展强中红外激光产生技术,并探究这些新光源在强场原子分子物理中的重要应用。

（2）相干控制及超快时间分辨光谱

利用超短脉冲的高时间分辨特性,开展超快动力学研究是近10年来超快超强光物理领域的重要学科方向。利用飞秒光脉冲对生物化学反应中的动力学过程进行测量和表征,使得对光合作用这一影响生命进程重要机理的动力学理解不断推进。利用超快光谱的泵浦探测技术,生物学家对弱荧光的单个染色基团实现了成像探测。在界面材料化学以及催化科学中,超快光谱研究表面化学动力学深化了人们对机理的了解以及优化界面反应过程。在材料科学领域,近年来涌现的低维体系,例如石墨烯等新颖材料及其相关器件中的电子转移及自旋动力学过程,也是近年来超快光谱研究的热点问题。超快光谱技术和扫描隧道显微技术相结合,实现了对固体材料中电子自旋弛豫时间的实验探测。这些基于超快光谱技术的重大科学发现,为我们在新型光电材料器件、高效率能源利用以及化学、生命科学和材料科学研究提供了关键的科学原理和创新源头。

（3）激光等离子体与粒子加速

当激光强度进一步提高到相对论非线性效应不可忽略时,激光与稀薄或者稠密等离子体以及固体靶的复杂相互作用成为重要研究课题,近10年重要研究热点集中在强激光驱动等离子体中新型辐射光源、粒子束流的产生及其应用方面。空泡加速机制的研究表明,人们能够获得高品质的高能电子束（激光电子加速通常采用稀薄等离子体）,能量可达几百MeV甚至GeV。利用固体密度的薄膜靶或者欠稠密的等离子体,通过强激光场中的巨大加速梯度,有望获得小型台式化的高能质子或离子加速器。新的激光离子加速的机制靶后鞘层法向加速、尾场加速、激波加速以及光压加速也不断被发现;研究的目标是提高离子束的能量,增强能量转换效率,减小能散度等。超强超短激光的快速点火核聚变以及与之相关的许多基础问题也一直是多年来研究的热点。

近10年,中国在超快强光物理领域的研究得到了长足的发展,从统计数据（见表1）来看,研究体量和质量均处于快速上升阶段。例如,2012–2014年,中国的相关研究论文达到5 008篇,已跃居世界第1位,显著高于第2位的美国（4 482篇）和第3位的德国（1 796篇）;但是,相同时间段内,中国在相关领域里的论文的总被引频次为24 410次,居于世界第2位,远低于位居第1位的美国（43 984次）。这说明,我国的重大、引领性的研究成果仍然偏少。

但是,近年来,我国在本领域里的研究总体处于快速上升态势,为未来实质性和原创性研究成果的涌现打下了坚实的基础。特别是在仪器设备、人才储备和研究经验等方面有了较好的积累。另外,国家在科学研究资金支持和政策上更加看重科研人才的待遇和软环境的改善,考评时更加注重考察研究成果本身的创新性和重要性,而不是盲目追求量化指标。这些软硬条件的改善,必将使得一大批优秀研究人员“坐得稳、看得远”,在不久的将来做出重大原创性成果,领跑超快强光物理的部分领域。

在国家自然科学基金委员会以及科技部等部门的资助下,国内强场原子分子物理领域的研究队伍得到发展壮大,如北京大学、吉林大学、华中科技大学、国防科技大学、华东师范大学、上海交通大学、中国科学院武汉物理与数学研究所、中国科学院上海光学精密机械研究所、中国科学院物理研究所、北京应用物理与计算数学研究所等都建立了各有特色和侧重的理论和实验研究平台,而且各个单位间更加注重实质性的合作,特别是理论和实验紧密结合,形成了协同作战的可喜局面,做出了许多重要原创性成果,在国际上形成了一定的影响。总体来说,国内成功搭建了多套先进飞秒电子离子动量成像谱仪和光谱测量平台,发展了具有鲜明特色的处理强场物理的半经典方法和量子散射矩阵方法,开发了多套直接数值求解含时薛定谔方程的大型程序。运用这些实验和理论工具,近10年在以下几个方面取得了突出的进展。

（1）首次对原子分子在中红外作用下隧道电离低能以及超低能电子进行测量,揭示了库仑相互作用对电离电子动力学的重要影响。

（2）通过调控激光电场,以及对谐波光谱、荧光光谱、太赫兹谱以及电子和离子动量谱的精确测量,实现对分子结构成像以及反应通道或者产物出射方向的控制,这些研究对化学反应通道的选控具有重要科学意义。特别值得一提的是,中国研究人员首次实现高次谐波和太赫兹的联合测量;另外在研究飞秒激光空气传输方面,中国学者首次在激光传输方向上观察到“氮气离子激光”,并揭示其形成机理,该项研究可为远程探测提供相干光源。

（3）在惰性气体原子单电离和双电离方面,发展了描述隧穿和双电离的半经典方法以及量子散射矩阵方法,从实验和理论两个方面揭示了不同激光参数和不同原子时电离动力学的不同物理机制,包括原子或分子隧穿电离的库伦非对称性、隧穿动力学的非绝热效应、双电离阈值光强附近的双电离机制和反关联动力学、椭偏光作用下单电离中长轨道的贡献、分子中电离的抑制效应以及分子结构效应等等。

（4）观测和阐释了复杂分子体系中电子和离子的联合能谱以及它们对光场能量的分配机制,包括多电子分子单电离过程中电子和离子对光子能量的分配、复杂乙炔分子通道分辨的阈上双电离过程、氢分子解离电离中质子的二维动量分布、范德瓦尔团簇分子的单重和多重电离、分子共振增强电离的隧穿电离机制、一氧化碳分子多重轨道的隧穿电离。

（5）高次谐波是阿秒脉冲产生的重要方法,在高次谐波（包括电离阈值以下的谐波）的产生、调控以及时空特性研究等方面,中国学者取得了系列进展,包括提出利用奇偶次谐波对非对称分子轨道进行成像的方法;在实验上对少周期脉冲产生的高次谐波实现量子轨道分辨;阐明低于电离阈值谐波产生的物理机制;利用激光波形调控实现了单次谐波的选择性增强;少周期激光在激化分子介质中传播的载波包络相位依赖、理论上提出利用双色场产生极紫外的超连续谱、提出如何对谐波和阿秒产生过程实现啁啾的动态调控以压缩脉冲长度等等。

在激光等离子和粒子加速等领域里,中国科学家也取得了众多的成果,例如：相对论激光与固体靶相互作用时的相干太赫兹辐射;基于电子离子碰撞的对热密物质和理想等离子体的统一理论描述;热密物质中复杂离子团簇结构的动力学机制;具有轨道角动量相对论光束的产生机制;强涡旋激光与等离子相互作用下的一种新的光反射效应。实验上观察到激光驱动的表面等离子波产生稳定准直的准单能电子束;利用轻核和重核混合结构理论上预测激光等离子冲击波能产生单能的高能重离子束;利用圆偏振光产生高密度的单能质子束;提出利用等离子体透镜来产生高强度高对比度的激光脉冲;利用量子分子动力学对热密氦等离子热物理性质进行第一性原理模拟;临界以上热密相对论电子束的产生;激光等离子体相互作用时等离子粒团发射和次级流层产生等。

在超快光谱及光场相干调控领域,国内多个单位,例如北京大学、中国科学院化学研究所、中国科学院大连化学物理研究所、华中科技大学以及复旦大学等单位都建立了相关研究系统,并在物理、化学、生命和材料等领域,超快光动力学过程及其人工调控方面取得了不少的成果,特别是在表面化学以及超快化学动力学前沿做出了重要的贡献。

随着研究的不断深入,超快强光物理领域的研究正向着极端超短时间、极小空间、极窄或极宽频谱、极高强度等极端条件下发展,探讨这些极端条件下光与物质相互作用机理,通过光场调控来探测和控制物质的性质和动力学过程,寻求基础理论创新和重大应用是未来发展的重要内容。超快强光物理的深入研究能够发现新现象、新效应和新物理,促进新概念和新原理提出,带动新技术、新方法的开拓。这不仅具有重大基础科学研究的意义,而且也符合国家在材料、器件、医学和能源等方面的重大需求。

未来,“超快强场光技术与物理”“原子分子极端光学”“极端光场多维度调控”“超极限光学成像及光谱技术”“激光等离子体物理以及粒子加速”等课题将仍然是国际国内的前沿研究领域。

目前,国际上通过高次谐波的产生已实现了最短达67 as的脉冲（不足基态氢原子的电子绕核运动周期约为150 as的一半）。在时域方面,极短强光物理研究一方面需要进一步探索发展新一代的原理与方法,创造更极端超短脉冲;另一方面,极短激光提供了一种新的超短时间（阿秒）分辨下光与物质相互作用的手段来探索全新的物理和应用,将对众多学科领域产生重要影响。

光谱科学与技术的发展一直推进着精密测量原理与技术的突破,基于光场时-频域精密控制的现代精密光谱和测量技术的发展,提供了其他研究手段与技术平台尚无法达到的超高精度和超高分辨率,极大地提高了人类探索自然规律的能力。不断突破现有水平,挑战时间高分辨、频率高精度、探测高灵敏度已成为科学家追求的目标,也成为重大科学发现的新起点。超快X光源和自由电子激光技术将快速发展,为超快光谱在材料体系中更广泛的应用提供关键的技术支撑。同时,超快光谱在生命科学、物理材料研究尤其是低维材料物理和化学动力学中将继续发挥重要的高时间分辨研究支撑平台能力。结合脉冲整形、近场扫描光学以及光电子能谱,超快光谱将进一步拓展超高时空分辨能力,促进微纳尺度下光与物质相互作用研究的不断深入。

在生物医学领域,人类正面临如何真正在分子尺度水平上理解生物过程的分子机制,揭示生命的规律与重大疾病产生机理的关键时期。发展超极限光学成像及光谱技术可以使人们有可能真正在分子尺度层面和活体状态下观察和分析细胞这一生命的动态行为,有望发现各种亚细胞结构的行为。研究这些生命活动的发生与发展,我们将面临纳米尺度下极微弱信号、快速变化、特异性微小等极限的挑战。传统的单一参数的研究已经无法满足生命科学探索的要求,只有发展超快激光,超高分辨成像、超精密光谱以及超精密探测技术等,并结合新原理、新方法,才有可能真正推进人类在生物与医学领域的创新研究。

随着激光加速器的发展,可以将常规加速器的尺寸缩小3个量级,让应用加速器变成“台面大小”,使得加速器不再“昂贵”和“庞大”。它们将在未来医学的诊治中发挥重要的作用。激光加速器可以同时产生高能质子或重离子、电子和高亮度X和伽马光子,可以广泛用于生物、化学、医药、材料空间辐射环境模拟、惯性约束聚变、热核聚变和高能量密度物理等多个领域和学科,特别是在人类癌症治疗中发挥重要的作用。通过人工调控化学反应过程和生物分子反应等光物理和光化学反应动力学过程,可望为超高灵敏度癌症诊断和治疗等生物医学领域需求提供科学基础和技术保障。