（中国科学院上海光机所）

1 引 言

激光器诞生30多年来，激发技术的发展极为迅速。目前激光器的种类有固体激光、气体激光、半导体激光、染料激光、化学激光、准分子激光、自由电子激光、X光激光等；激光波长的覆盖范围从nm到mm量级；激光的时间特性从连续波运转到6 fc（1 fs=10^-15秒）的激光脉冲；激光的功率范围从10^-6 W到10¹⁴ W。激光的这些性质加之它固有的单色性、相干性、方向性，使激光在科学、工业、农业、生物学、医学、通信、国防等各个领域获得了极为广泛的应用。激光除了开辟全息摄影、非线性光学等应用研究领域外，当代许多科学技术几乎都可以冠以“激光”两字，从而构成许多新的学科，例如激光光谱学、激光光化学、激光加工、激光通信、激光医疗等。激光技术的发展开拓了激光的应用，而激光的应用又推动了激光技术的迅速发展。

激光之所以有如此巨大的力量，重要原因之一是激光有很好的聚焦性能，可产生极高的功率密度。高功率密度的激光作用在物质上，能使被照射的物质很快升温、溶化、气化，甚至形成高温、高密度的等离子体。激光的这种特性是以前任何一种光源所没有的。激光束聚焦能产生高功率密度是激光用于材料加工、外科手术、眼科治疗的基础，也是许多军事人员想用激光作武器（例如用激光打飞机、坦克、摧毁来袭核导弹）的依据。许多科学家也正基于激光的这一特性，提出了用激光来实现可控的惯性约束核聚变。正是因为研究强激光与物质的相互作用不但在人类认识自然，而且在改造自然等各方面都具有十分重要而深远的意义，因此，它受到了各国政府及科技界的广泛重视，并形成了强光物理这样一门专门研究强激光场中物质行为的新兴的前沿学科。

2 强激光与物质的相互作用

激光与物质相互作用的物理、性质与激光波长、强度及波形的时间结构密切相关，它是光学、凝聚态物理、原子分子物理、流体力学、固体力学、材料科学、等离子体物理等许多学科交叉的领域。在强光物理所主要感兴趣的范围内，激光强度极高，受激光照射的靶材料处于极高的温度和压力状态下，靶材料不仅气化，而且处于强电离的等离子体状态。粗略地说，等离子体就是电离气体。物质的三种状态，即固态、液态和气态，是通常条件下的物质存在形式，物质的第四态，即等离子体，则是在特殊条件下的物质存在形式，其实，等离子体对于我们来说并不罕见，宇宙中90%以上的物质存在于等离子体状态，太阳就是一个十分巨大的等离子体“火球”。因为等离子体是一个由库仑长程力起支配作用的物质状态，结果在强激光与物质的相互作用中就出现了许多与所谓集体相互作用有关的波-波相互作用和反常机制。

近来，超短脉冲激光技术的发展，使我们已经能够获得的激光强度大于10¹⁸ W/cm²这样强度的激光，将在原子、等离子体与核物理方面开创新的研究领域。当激光强度为3.5×10¹⁶ W/cm²时，其电场强度已到达5×10⁹伏/厘米的原子场强，即氢原子第一玻尔半径处的场强。在如此强的电场作用上，传统的微扰理论将会被全新的非微扰理论所取代，并发生一系列新的物理现象。

电场强度的下一个界标是真空电离强度。根据量子电动力学，真空可以看作是虚的正负电子对构成的海。电子对可因涨落而分离至康普顿长度人=2.43×10^-10厘米。如果静电场的强度已达到在康普顿长度内其势差为电子静止质量所对应能量的两倍，则它就能把真空电离或击穿。该电场强度所对应的激光强度为10³⁰ W/cm。两束这样强的激光将发生互相作用。虽然目前我们还不可能获得这样强的激光，但已有人设计了一些方案以进行类似的实验。

强激光场的另一个重要概念是电子的颤动能量或有质动力势。这是电子随光场波动而振动的能量。对于强度为10¹⁹瓦/厘米²、波长为1053纳米的激光脉冲，其电子的颤动能量可到达兆电子伏。这种电子如果与原子核碰撞，就可产生正负电子对与核激发。我们若在比光波周期长得多的时间尺度上观察现象，则可以把颤动运动平均掉。平均的颤动能量表现为一种势能，它驱使电子由高势区向低势区运动，称之为有质动力势。有质动力势的概念，使我们对强激光与物质相互作用的认识较弱激光有了根本的变化。

在通常的光电离中，原子中的电子只能吸收一个光子，而且只当这个光子的能量超过电离能时才能发生电离。而在强激光场中，原子中的电子能吸收许多光子，但只当吸收光子的总能量超过电离能与有质动力势之和时才发生电离。电子吸收的总能量（总光子数）可以超过这个阈值很多，因此把这种电离称为多光子电离或阈上电离。相对于原子过程，光电场可以看作一种准静态场，它与原子库仑场可形成一个束缚电子运动的势垒。当势垒的最低点比电子能级还高时，电子只有穿透势垒才能电离，这种电离称为隧穿电离。激光与原子作用时，还能引起原子的极化。随光场变动的极化原子，实际上是一个辐射源。在强激光场下，原子的极化是高度非线性的，因而能产生_阶谐波。实验发现，谐波的相干性非常好，如同是一个原子辐射的。它集中在入射激光光轴附近的一个很小角度内，是一种高谱亮度的短波光源。

在强激光场中的自由电子，由于相对论效应，其运动也是非线性的，因此也会辐射高阶谐波。相对论的程度可用比值eA/mc²表示，如果eA/mc²=10，则可发射1000阶的谐波。这个过程实际上是一种康普顿散射，散射出来的光子能量可达入射光子的1000倍，波长小于1纳米。

3 强光物理的应用研究

3.1激光核聚变

自激光问世以来，许多物理学家根据激光可提供极高功率的特性，相继提出用激光驱动核聚变的设想。美国、原苏联、日本、英国、法国、中国等国家的实验室研制了各种形式的用于热核聚变研究的激光器进行激光核聚变的实验研究。激光核聚变是惯性约束聚变。所谓惯性约束就是利用惯性力来保持氘氚等离子体核聚变反应的物理条件。多束激光从各个方向同时聚焦在氘氚靶丸上，激光被吸收，靶丸表面被加热形成离子体。就像火箭喷射气体推动火箭向前飞行一样，等离子体向外膨胀过程中也给靶丸内层一个压力，这就是所谓烧蚀压。这个压力使靶丸产生向心内爆，将靶丸中心部分的氘氚燃料压缩到高密度，例如为液态氘氚密度的1000倍，并加热到几千万度，点燃芯部的热核聚变反应。激光驱动内爆有两种方式：一种是直接驱动，一种是间接驱动。所谓直接驱动就是靶丸外表面吸收激光，产生烧蚀压直接驱动内爆。而间接驱动是被吸收的激光首先转变成X光，再由X光传热压缩球形靶丸产生内爆。间接驱动与直接驱动比较，间接驱动对激光的对称性、均匀性要求低一些，但需要较高的激光能量。到目前为止，世界各国开展激光聚变研究主要关心的是激光聚变的物理问题。激光聚变研究虽然取得了一些重要进展，但是实现聚变发电还有相当远的距离，激光聚变物理课题的研究将继续到下一个世纪。有人估计，实现激光聚变发电将是下一个世纪中叶的事。其实，激光聚变研究除了可获得廉价的、干净的电能这一长远目标外，另有近期的现实的军事应用价值。高功率激光的焦斑上可产生高达10¹⁵~10¹⁸ W/cm²的功率密度，这是除核武器外的其他方法所达不到的。激光照射靶丸创造了热核武器物理研究所需要的高温、高压、高密度条件。因此，可利用激光在实验室条件下，对热核武器物理进行深入系统的研究，这在有限的地下核试验中是无法实现的。

3.2 X射线激光

自1960年激光问世以来，人们就设想把激光作用推伸到X光波段，获得新型的X光光源。但X光激光与一般激光相比，它的波长短（光子能量高），而泵浦功能率密度与X光激光波长的9/2次方成反比，X光激光的波长愈短，所需要的泵浦功率密度愈高。为获得X光激光首先需要高功率密度的泵浦光源，20世纪70年代起世界各国为了进行激光核聚变的研究，先后建立了一些高功率激光器，也为软X光激光的研究提供了必要的泵浦源。自从1984年，美国劳伦斯 · 利弗莫尔实验室和普林斯顿大学分别演示了软X光激光之后，经过十多年的努力，X光激光研究已取得了引人注目的进展，主要表现在：电子碰撞激光X光激光放大已经接近增益饱和，而它的波长也成功地跨进了“水窗区”（2.3~4.4 nm）。我国的科学家们也进行了许多与X光激光有关的研究，在国际上占有相当重要的一席之地。

X光激光有许多重要的应用。我们称光波波长为2.3~4.4 nm范围为“水窗”区，在这个波长范围内，水和生物组织结构之间反差最大，约为10倍左右，这将使高分辨率成像成为可能。用“水窗”波段的短脉冲高亮度X光激光作为辐射源，可以使运动中的物体“冻结”，从而则获得生物细胞活组织微结构高分辨率的三维全息图。这正是人们在生命科学和医学研究中梦寐以求的目标。X光激光的化学分析电子能谱学（ESCA）可广泛应用于原子物理、化学和固体物理等基础研究中，能对各种各样的样品，包括化学态在内进行清晰的非破坏性分析。X光激光的产生和传播包括各种原子物理过程，用X光激光照射原子样品，通过原子内壳层电子激光跃迁，可精确地测定各类原子内壳层能级的光吸收截面、跃迁速率、能级寿命等重要参数。也可利用X光激光作泵浦源，驱动其他波长的激光跃迁，并由此来研究原子的动力学过程。

X光激光在光刻方面有重要的应用，可使半导体器件微型化提高几个数量级，可使微型电路的线宽缩小到0.1 nm以下，线宽及间隔的缩小，允许引入新的物理过程，诸如约瑟夫逊结。在约瑟夫逊结中，应用自组织量子效应来模拟晶体管功能，可以使运转速度和次数大大提高。X%激光还可以用来制造透射光栅和反射光栅。一个相干性好的X光激光可以生产高分辨率的衍射光栅，光栅周期大大低于现有的光栅周期。

3.3激光等离子体加速器

强激光脉冲的第三个可能应用前景是制作激光等离子体加速器。等离子体波是一种纵波，产生的电场或指向或背向传播方向，其相速可接近光速，于是可利用等离子体波的电场把接近光速的粒子持续地加速。一个大幅的等离子体波能产生几十京电子伏/米的电场，因而在几个厘米内就可将粒子加速到京电子伏的能量（一京等于10⁹）。等离子体波可用两个频率不同的激光在等离子体中拍频产生，其频率是两个激光频率之差，现在有的实验已能达到一京电子伏/米的电场强度。另一种可能的方案是利用等离子体中激光脉冲的尾流场。与我们在水上乐园中常见的高速快艇后拖着的长长的波浪类似，激光脉冲的有质动力势将赋予电子以纵向动量，从而将产生跟随在脉冲后面的纵向振荡。理论研究表明，半径为几十微米，功率为临界功率的激光脉冲的尾流静电场强可达30京电子伏/米。

从以上的简单介绍可以看出，强光物理是一门正在发展的新兴的综合性前沿学科，是一个国家高科技综合国力的体现。她的发展必将对人类认识和改造自然起到极大的推动作用。