原子和分子是如何与光发生相互作用的？人们也许会认为业已成熟的现代激光光谱学已经回答了这一基本问题，今后只需应用好我们的知识资源就可以了。然而，超短、超强脉冲激光器的发展已使人们认识到在光与物质相互作用方面尚有许多问题需要研究。

众所周知，超短脉冲激光器使人们能够在飞秒尺度上对分子过程进行实时探测。然而最新的进展并不是出自于脉冲的超短时间宽度，而是起源于光脉冲的极高光强。线性调频脉冲放大器的出现，大大地增加了超短脉冲激光器的输出能量。现在，即使是在大学的实验室中也可利用实验台上的高功率线性调频脉冲放大器例行地产生高达10¹⁵ W/cm²（1 PW/cm²）[10¹⁵瓦每平方厘米（1拍瓦每平方厘米）]的激光光场。这一光场在强度上可与原子核的库仑场相比。而在诸如日本原子能研究所和法国LOA实验室的大型设备上，已能获得强度为10²⁰ W/cm²[100 EW/cm²（100艾瓦每平方厘米）]的激光光场。

当光强远低于10¹² W/cm²（微扰范围）时，原子或分子通过与光场的弱相互作用吸收一个或多个光子。当光强处于10¹²～10¹⁷ W/cm²（库仑场范围）时，将观察到根本不同的情况。现在已经有许多研究者的目光集中到这种光强下分子的特殊动态行为。当激光场强度达到10¹² W/cm²[1 TW/cm²（1太瓦每平方厘米）]时，分子将在非共振光场与分子感应偶极矩之间相互作用所产生的转动力矩的作用下，沿激光偏振方向排列成直线。这种取向过程可通过把具有相对长的脉冲持续时间（10纳秒量级）的强光场聚焦来实现。最近，人们通过脉冲——气体电子衍射测量实验，直接观测到了气体分子沿一个太瓦（TW）激光场偏振方向的取向排列。

当激光场的强度增大到0.1～1 PW/cm²时，分子的电子态将发生剧烈的扰动。这意味着由电子组态所决定的分子的势能面将在强激光场中改变形状。如果势能面的形状可在强激光场中发生可观的形变，那么就可以利用光人为地控制分子的命运。

在光场中形成的新势能面被称为光缀饰势能面，即指披着光“外套”的势能面。势能面的形状依赖于激光场强度的变化，通过控制原子核在势能面上的运动方向，可使原子核的运动导致分子的特定化学键断裂。最近，人们采用“遗传算法”实现了利用合适形状的强激光脉冲对多原子分子化学键的有选择性分裂。这一过程可根据光缀饰势能面的形成来解释。

当光强达到1 PW/cm²时，分子的几何结构可在仅100飞秒的时间内改变形状。直线形的二氧化碳和二硫化碳分子将发生弯曲，而弯曲形的水分子和二氧化氮分子却将被拉直。这些现象都起因于缀饰态的形成。

图1在强激光场作用下，分子和团簇的奇特行为

图2一光缀饰势能面

在结构变形期间，分子将发生隧道电离作用，电子穿过变形库仑势垒脱离分子，形成单电荷、双电荷和多电荷分子离子。带有多电荷的分子形成之后，在强库仑排斥力的作用下，将会发生强烈的化学键断裂（库仑爆炸）过程，放射出具有高能量[10～100 eV（电子伏）]的原子和分子碎片离子。通过探测这些碎片离子并利用诸如质量分析、动量成像及符合动量成像等新的探测手段测量它们的动量矢量分布，可表征出小的多原子分子的结构形变。

当激光强度达到1 EW/cm²时，在激光聚焦区域内的原子和分子物质中会产生等离子体，此时光场的磁场分量对电子的作用将变得和电场分量的作用一样大。在这种超强激光场中，电子的速度增加得如此之大，以至于相对论修正变得必不可少。另外，电子还将在洛仑兹力的作用下沿着“8”字形运动，而不是沿着平行于激光的偏振方向运动。

在相对论范围内（大约1 EW/cm²），在等离子体中传播的脉冲激光会诱发一个尾流场，该场可把等离子体中的电子加速到Gev（吉电子伏）。这种激光尾流场加速作用被认为是加速器物理中的一项新技术。研究者还发现，在超强激光场中原子团簇可被有效地电离，形成包含高度电离的原子离子的等离子体。人们已经以高的入射激光能量转换效率（高达10%）在稀有气体团簇中产生了能量范围为0.1～10 keV（千电子伏）的X射线。从团簇中放射出的离子具有高的动能，例如，人们已经在Xen（n>1000）团簇中探测到了具有1 Mev（兆电子伏）能量的Xe（氙）离子。

在超强激光场中还可发生另一个重要现象——核聚变。D₂（氘分子）团簇在超强短脉冲激光的照射下会有能量为2.45 Mev的近单能中子产生，这表明发生了聚变反应：D+D→n+He³。上述观测结果被认为是焦点附近激光加热区内不同氘D₂团簇放射出的高能氘核间的碰撞造成的。激光核聚变产生的短脉冲中子可作为固体材料中子衍射结构分析方面的有效中子源。

上述进展描绘出了利用强激光场所发现的与原子、分子、团簇、等离子体、核子及基本粒子有关的多种特有现象。在化学家、物理学家和激光工程技术人员的共同努力下，一个新的多学科交叉领域诞生了。现在人们正在努力把激光场的强度提高到比10²⁸ W/cm²更高的水平，在这一强度下，激光可在真空中产生电子——正电子对。

[Science，2002年3月1日]