国家重点基础研究发展计划（973计划）项目申报书-极端强场超快科学重要前沿与应用开拓

项目名称：极端强场超快科学重要前沿与应用开拓首席科学家：李儒新 中国科学院上海光学精密机械研究所起止年限：2011.1至2015.8依托部门：中国科学院二、预期目标本项目的总体目标：开拓极端强场超快科学重要前沿与应用，选择极端强场超快激光创新发展、极端强场超快激光与物质相互作用的新效应新物理、阿秒科学前沿开拓与强场量子相干控制、超强光场驱动的高性能高能粒子束的产生及其应用开拓、以及基于强场超快激光的精密测量与精密光谱学等中的重大科学问题进行重点研究，取得具有重要国际影响的系统并重大的原创性研究成果，为这一新兴学科领域的形成与发展作出中国学者的重要贡献，在国际上占有重要一席之地并推动国家相关战略高技术与交叉学科领域的创新发展。通过本项目的实施，要在队伍建设和人才培养方面取得显著业绩。凝聚与组织我国在本领域中的人才队伍，并全力培养优秀年轻人才，形成创新能力强、结构合理、团结协作、相对稳定的研究队伍。通过本项目的实施，也要在我国建立具有自主创新特色和国际一流水平的极端强场超快科学研究基地，成为开展极端强场超快科学高水平研究的基地，开展高层次国际交流与合作研究的基地、以及吸引与培养优秀人才的基地，进入国际上本领域的最前列。五年预期目标：(1) 瞄准极端强场超快科学前沿与应用开拓需求，探索解决创建极端强光场(1023W/cm2)、超高对比度 (109-12)、极端超快（近单周期）、可调谐与新波段（如1-5mm中红外新波段）、时空特性（如载波包络相位）稳定可控等全新极端强场超快物理条件中的关键科学技术问题；进一步提升PW（拍瓦, 1015W）级超强超短激光系统整体性能，解决应用于科学实验研究等中涉及的科学技术问题，建立具有自主创新特色和国际一流水平的极端强场超快科学实验基地。(2) 揭示强场甚至极端强场、超快乃至极端超快等全新强场超快极端物理条件下的光与物质相互作用（重点如：极端强场驱动的强相对论性激光与物质相互作用、周期量级乃至单周期的超快强场激光与物质的极端非线性相互作用、中红外新波段强场激光与物质相互作用等）的新效应新物理，建立并发展相关的新概念新理论。(3) 实现“水窗”波段和光子能量大于1keV的高亮度阿秒相干光源；实现亚飞秒时间尺度和原子级空间尺度内实时观测和控制电子动力学行为；多电子弛豫过程，电子重排，电子-电子碰撞动力学等多电子复杂动力学研究取得若干突破；揭示有重要意义的化学反应的电子动力学物理本质。探索阿秒脉冲作用下电子动力学新规律及其应用。(4) 研究并解决超强光场驱动的高性能高能电子与离子束及其重要应用涉及的基础科学问题。获得高性能高能电子束，并将超大电荷量、超短脉宽的高能电子束转换为优质强X光源；利用TNSA等加速机制获得10MeV量级的高性能质子束，探索产生能量200MeV以上准单能质子束的加速新机制，演示质子束在成像、聚变、产生医用同位素等方面的重要应用。理论上探索100GeV以上、甚至TeV能量的质子加速。开拓光核物理、强场QED效应等新前沿新方向。(5) 发展光场时-频域精密控制拓展到强场超快、超短波段、极端超快与高度非线性过程等范畴的新机制；基于强场超快精密控制，发展强场超快精密光谱学新概念与新原理以及超短波段精密测量的新方法与新技术，提高分辨率、精度和灵敏度法；开拓强场超快精密光谱学的新学科前沿，如超短波长与非线性光梳精密光谱学，并探索其重要应用；发展分子振转指纹光谱灵敏检测新技术方法。人才培养计划：本项目将依托于各承担单位的有关国家或部委级重点实验室与研究基地，将培养和凝聚本研究领域国际一流人才作为项目人才培养计划的重点，有针对性地培养与造就一流人才，形成一批年龄和专业结构合理，创新能力强、有团队精神和凝聚力，有活力的创新群体，并强调专业的交叉与融合, 形成合力攻关的优势。培养出若干名在国际同行学术界有较大学术影响的年轻科学家与优秀学术带头人。在研究生培养方面，本项目将积极培养高质量青年人才，为我国极端强场超快科学重要前沿与应用开拓领域的可持续发展提供人才基础。三、研究方案学术思路和技术途径：极端强场超快科学重要前沿与应用开拓是现代物理学乃至现代科学中的重要前沿研究领域，具有很强的基础性与探索性，实验研究与理论研究必须紧密结合并同时布局。极端强场超快科学研究的核心是探索与揭示极端强光场、极端超快等极端物理条件下的相互作用新现象、新规律，并建立相关的新概念、新理论。同时，将这些新概念、新原理及由此发展起来的新技术与新方法运用到阿秒科学前沿开拓与强场量子相干控制、超强光场驱动的高性能高能粒子束的产生及其应用开拓、基于强场超快激光的精密测量与精密光谱学中的前沿科学问题等前沿研究中去。而作为极端强场超快科学研究的前提，又必须持续促进极端强场超快激光自身的创新发展，为实现越来越高层次的强场、超快等极端物理条件提供可能。本建议项目拟开展的上述几方面的研究内容，构成了一个相辅相成、互相联系的有机整体。本建议项目第一阶段的实验研究，主要是利用已经或将建立的多种量级的具有国际先进水平的小型化强场超快激光系列实验装置，重点进行强场超快极端物理条件下激光与物质相互作用中的新现象、新规律的探索研究以及在相关高技术领域与交叉学科中的前沿基础研究；本建议项目的第二阶段，将在极端强场超快激光创新发展基础上，创造更高量级的极端强场超快、脉宽接近单个光周期以及新波段可调谐的强场超快条件，从而在更高层次上进行极端强场超快激光与物质的高度非线性和相对论性、甚至强相对论性相互作用的实验及相应理论研究。同时，本建议项目也将积极发挥各个承担单位建立或计划建立的各种量级或具有特殊性能的强场超快激光装置在基础实验与交叉学科前沿研究中的重要作用。本建议项目将组织激光科学、原子分子物理、等离子体物理、核物理、化学、材料科学等多学科的交叉综合研究，由中科院上海光机所为主持单位，充分发挥华东师范大学、中国原子能科学研究院、北京大学、天津大学、上海交通大学、南开大学、中国科学院武汉物理与数学研究所、北京应用物理与计算数学研究所、华中科技大学、山东师范大学等参加单位的学术优势(特别是有关单位的交叉学科优势)，充分利用已有的工作基础及国家级或部委级重点实验室的条件，分工协作，共同完成。取得重大突破的可行性分析本项目的依托单位中科院上海光机所主持并中国原子能科学研究院、华东师范大学、北京大学、天津大学、中物院等参加共同承担的国家973计划项目“超强超短激光科学中若干重要前沿问题”和“超强超短激光与强场超快科学中若干重大挑战性问题”，以及本项目各承担单位在“十五”、“十一五”期间承担的与本项目领域有关的其他各种类型国家级与部委、中科院级的一系列重要科研项目，都已按计划圆满完成或即将完成，取得了显著的研究进展与重要突破。上述项目的成功实施，为本项目的立项与实施奠定了优良的工作基础。例如，已优秀完成的1999年首批立项的国家973计划重要科学前沿项目“超强超短激光科学中若干重要前沿问题”（项目首席科学家：徐至展，首席科学家助理：李儒新，项目执行期限：1999.12 - 2005.9），以及正在顺利实施，已取得重大突破性进展并即将成功完成的2006年立项的国家973计划重要科学前沿项目（项目首席科学家：徐至展，首席科学家助理：李儒新，项目执行期限：2006.9- 2010.8），经过十年多的研究，取得了系统性并重大创新研究成果，建立了先进的研究基地，形成了很强的研究队伍。本项目的依托单位中科院上海光机所还成功实现基础性原理探索与工程性技术实施的结合，在OPCPA新原理的实验验证并开拓发展，以及基于OPCPA的小型化超强超短激光系统的基础研究、关键单元技术与总体集成等方面，取得了创国际最高水平并具有自主知识产权的系列重大创新性成果，建立了国际首台16.7太瓦/120飞秒级OPCPA超强超短激光系统，获得2004年度国家科技进步一等奖。在基于CPA原理的小型化超强超短激光的持续创新发展方面，上海光机所也成功解决了一系列关键科学技术问题，先后建成了达到国际一流水平的16太瓦/33.9飞秒级、23太瓦/33.9飞秒级、120太瓦/36飞秒级等小型化CPA超强超短激光系列装置并发展了一系列相关的实验测试创新技术。上述激光装置能为实验研究提供聚焦光强达到10181021W/cm2量级、具有优秀光束质量或特殊时空轮廓的超强超短激光输出，创建了相对论性强场超快极端条件。近年在上述创新成果基础上，上海光机所通过进一步创新，精心设计，建成国际最高峰值功率和最短脉宽的飞秒拍瓦级（0.89PW/29.0fs）钛宝石超强超短脉冲激光系统。应用该激光系统，在台式化激光聚变和高亮度中子源产生方面已取得具有国际领先水平的重要物理实验成果。另外，华东师范大学、中国原子能科学研究院、北京大学、天津大学、上海交通大学、南开大学、山东师范大学、中国科学院武汉物理与数学研究所、北京应用物理与计算数学研究所和华中科技大学等单位在极端强场超快科学重要前沿与应用开拓研究或有关的交叉学科领域研究方面，也分别具有各自突出的学术优势和雄厚的工作基础。上述不少单位相继建立或计划建立的各种量级与层次或具有特殊性能特征的极端强场超快激光装置，同样为本项目的研究提供了有力的基础。总之，本项目无论是从研究内容与方案的选择还是已具备的实验条件与工作基础，都表明具有很强的可行性。创新点与特色：本项目拟研究的主要内容是国际上近年提出并刚开始探索或者是我们首先提出的极端强场超快科学重要前沿与应用开拓中最具挑战性的关键科学技术问题，具有显著的创新性与特色。主要创新点叙述如下：(1) 在极端强场超快激光持续创新发展中的重大科学技术问题研究方面，本项目将主要探索解决在提供超强光场(1023W/cm2)、超高对比度(109-12)等全新极端强场物理条件，开拓与发展极端强场超快激光的时域、频域和空间特性等精密操控的新方法新技术，并进一步提升PW（拍瓦, 1015W）级超强超短激光系统整体性能，建立具有自主创新特色和国际一流水平的极端强场超快科学实验基地。这是当前极端强场超快激光持续创新发展与应用开拓领域的重大前沿。我们将进一步开拓与创新发展OPA/OPCPA等新原理、新方法，立足中国已具有的特色和优势，重点研究可定标放大的实现激光脉冲超高对比度的新原理、新技术；OPA/OPCPA涉及的空间色散管理、相位、时空与光谱匹配效应；在高功率下获得聚焦能力接近理论极限的超高强度超短脉冲激光光束的新方法；创新发展对强场超快激光的时域、频域和空间特性的整形控制新方法，探索极端强场超快激光持续创新发展和性能突破的新途径。同时探索解决创建极端超快（近单周期）、可调谐与新波段（如1-5mm中红外新波段等）等全新强场超快极端物理条件中的关键科学技术问题， 重点开展新波段宽带脉冲放大新原理新技术；高效率宽带频率变换技术和基于新型激光增益介质的全固态激光新技术研究；研究新波段、特别是1-5mm中红外新波段可调谐飞秒激光脉冲产生、放大与压缩的新原理、新技术；宽带较大能量近单周期极端超快脉冲压缩和色散补偿的新技术新方法；发展CEP稳定的超短脉冲高效率放大和压缩的新原理新技术；稳定、测量与控制载波包络位相(CEP)等时域、频域和空间特性的操控新方法；基于光子晶体光纤的飞秒强激光研究；紫外波段亚飞秒激光脉冲产生研究等。(2) 在极端强场超快激光与物质的高度非线性与相对论性相互作用研究方面，尽管目前对高度非线性与相对论性已起主导作用的超强超短激光与物质的相互作用得到了许多重要研究结果，但很多新现象、新规律还有待发现，至于系统的理论更远未建立。特别是国际上仅有很少量研究推进到光强达到102122W/cm2的强相对论相互作用的全新范畴，真正的超高强度相互作用的系统实验研究更少，该领域总体上仍处于学科发展的初期阶段。其次，脉宽为周期量级甚至接近单周期的超快强场激光与物质极端非线性相互作用的研究也是当前的科学前沿与热点，即使是脉宽接近单周期的极端超快强场激光产生及其载波包络位相的稳定与控制都还是国际上公认的难点热点研究课题。此外，近年来可调谐中红外波段的强场超快激光源的出现，开辟了强场物理领域中迄今仍很少探索过的参量空间，为开拓强场相互作用新效应、新物理及新应用提供了新机遇。强场超快激光非线性成丝以及强场超快激光操控与表征凝聚态物质微纳结构也是目前国际上的重要科学前沿，并已交叉渗透到一系列科学领域，如太赫兹科学、纳米科学、生命科学、材料科学等，产生了不可忽视的重要推动。本项目拟进行的上述领域的实验与理论研究，显然孕育着突破传统物理学、特别是传统非线性光学框架的原始创新。(3) 在阿秒科学前沿开拓与强场量子相干控制等研究方面，虽然人类已由飞秒时代迈向阿秒时代，但已实现的阿秒相干光源脉冲宽度基本上还属于亚飞秒级，光源强度还要提高以满足非线性过程研究的需要，一些关键物理问题和应用开拓亟待突破。本项目将研究产生更短脉宽、更高光子能量与更高亮度的阿秒相干光源中的关键科学问题与亚周期时间尺度内的强场量子相干控制，如小于100阿秒的脉冲，“水窗”波段和光子能量大于1keV的高亮度阿秒脉冲的产生、表征，阿秒时间尺度的分子结构演化与电子运动过程等。重点是探索更短时间尺度与更高光子能量的阿秒相干光源的产生以及原子分子中电子的亚飞秒乃至阿秒时间尺度的量子相干控制等。实现亚飞秒时间尺度和原子级空间尺度内实时观测和控制电子动力学行为；在多电子弛豫，电子重排，电子-电子碰撞动力学等多电子复杂动力学研究取得突破；揭示有重要意义的化学反应的电子动力学物理本质。(4) 在相位空间超高密度高能电子与离子束的产生及其应用开拓方面，本项目拟研究并解决超强光场产生相位空间超高密度高性能高能粒子束及其重要应用涉及的基础科学问题，获得高性能高能电子束并实现超大电荷量、超短脉宽高能电子束到优质强X光源的转换，探索产生200MeV以上准单能质子束的加速新机制及其应用等。虽然国际上已在厘米级的加速长度上获得了GeV量级的方向性好、能散度小的具有较高相位空间密度的高性能高能电子束；在离子加速方面，也已成功实现了准单能几十MeV量级的质子加速，并利用光压加速机制获得了几百MeV的高能碳离子。但在获得相位空间超高密度高能电子与离子束以及开拓应用到聚变能源、核医学等方面仍有许多亟待解决的关键科学问题。本项目拟开展的上述研究，可能实现重大自主创新。另外超高对比度、近衍射极限聚焦的紫外、近红外超强超短脉冲激光在粒子加速等方面有着重要的应用。(5) 在基于强场超快激光的精密测量与精密光谱学的开拓等研究方面，本项目拟开拓与发展强场超快、超短波长与极端超快等全新极端物理条件下光场时-频域精密控制的新技术新机制，发展强场超快精密光谱学新概念以及超短波段精密测量的新方法，探索非线性光梳精密光谱学等新前沿。光场精密控制拓展到强场超快范畴必须解决一系列在弱场精密控制中前所未见的关键科学问题，强场超快激光与物质高度非线性相互作用，表现出一系列新的物理效应和物理规律。精密光谱与精密测量拓展到强场超快、超短波段、极端超快与高度非线性过程等范畴，将为精密光谱学和精密测量提供新概念与新方法，开辟出新学科前沿。课题设置本项目选择极端强场超快科学重要前沿与应用开拓进行研究，拟设置的5项研究课题如下：(1) 极端强场超快激光创新发展中的关键科学技术问题；(2) 极端强场超快激光与物质相互作用的新效应新物理；(3) 阿秒科学前沿开拓与强场量子相干控制；(4) 超强光场驱动的高性能高能粒子束的产生及其应用开拓；(5) 基于强场超快激光的精密测量与精密光谱学中的前沿科学问题。各课题的主要研究内容、目标、承担单位、课题负责人及课题在整个项目经费中所占比例等分述如下：课题1、极端强场超快激光创新发展中的关键科学技术问题预期目标：瞄准极端强场超快科学前沿与应用开拓需求，探索解决创建极端强场(1023W/cm2)、超高对比度 (109-12)、极端超快（近单周期）、可调谐与新波段（如1-5mm中红外新波段）、时空特性（如载波包络相位）稳定可控等全新极端强场超快物理条件中的关键科学技术问题；进一步提升PW（拍瓦, 1015W）级超强超短激光系统整体性能，解决应用于科学实验研究等中涉及的科学技术问题，建立具有自主创新特色和国际一流水平的极端强场超快科学实验基地。研究内容：瞄准极端强场超快科学重要前沿应用的需求，探索解决创建极端强光场(1023W/cm2)、超高对比度(109-12)等全新极端强场超快物理条件中的关键科学技术问题，重点研究极端强场超快激光主要性能（包括聚焦特性与时间对比度等）提升中的关键科学技术问题，如在高功率下获得聚焦能力接近理论极限的超高强度超短脉冲激光光束的新方法，创新发展与应用基于OPCPA/OPA等原理的可定标放大的激光脉冲超高对比度提升的新原理、新技术，并研究涉及的空间色散管理、相位、时空与光谱匹配效应；创新发展对强场超快激光的时域、频域和空间特性等精密操控的新方法新技术，探索极端强场超快激光持续发展和性能突破的新途径，为极端强场超快科学尖端实验研究的需要创造先进的实验平台。 进一步创新发展PW（1015W）级超强超短激光的关键单元与总体技术，提升系统整体性能，解决应用于科学实验研究等中涉及的科学技术问题，以及相关的激光性能诊断测试新技术等，促进极端强场超快激光的持续创新发展与应用。探索解决创建极端超快（周期量级乃至近单周期量级）、可调谐与新波段（重点是1-5mm中红外新波段等）等全新强场超快极端物理条件中的关键科学技术问题，重点研究新波段宽带极短脉冲源新原理新技术；高效率宽带频率变换技术和基于新型激光增益介质的全固态激光新技术研究；研究新波段、特别是1-5mm中红外新波段可调谐飞秒激光脉冲产生、放大与压缩的新原理、新技术；较大能量近单周期极端超快脉冲压缩和色散补偿的新技术新方法；发展CEP稳定的超短脉冲高效率放大和压缩的新原理新技术；稳定、测量与控制载波包络位相(CEP)等时域、频域和空间特性的操控新方法；基于光子晶体光纤的飞秒强激光研究；紫外波段亚飞秒激光脉冲产生研究等。经费比例：22%承担单位：中国科学院上海光学精密机械研究所、天津大学、上海交通大学课题负责人：冷雨欣学术骨干：梁晓燕、陆海鹤、王清月、陈险峰课题2、极端强场超快激光与物质相互作用的新效应新物理预期目标：揭示极端强场超快激光与物质相互作用新效应新物理，重点是更强光场条件的高度非线性与相对论效应起主导作用的极端强场超快激光与重要形态物质的相互作用新现象与新规律；进一步开拓超强光场极端条件下的强相对论性相互作用新物理并周期量级乃至脉宽接近单周期的超快强场条件下的极端非线性相互作用新领域；开拓与发展中红外新波段强场物理新效应新机制; 建立相关的新概念、新理论。研究内容：深入开展极端强场超快激光与物质相互作用新效应新物理的实验与理论研究，重点是在更强光场条件揭示高度非线性与相对论性起主导作用的强场超快相互作用新效应新规律，开拓极端强场超快激光与原子、分子、团簇、固体和等离子体等重要形态物质的相互作用新现象与新规律，如探索极端强场超快条件下原子和分子的动力学行为及集体效应；深入研究极端强场超快激光与大尺寸团簇、固体、等离子体等的相对论性甚至强相对论性相互作用新现象新物理，为探索产生台式化核聚变高亮度中子源以及激光核聚变快（超快）点火新机制提供科学基础；系统研究超快强场激光非线性成丝新效应新应用；开拓强场超快激光操控与表征凝聚态物质微纳结构交叉前沿等。利用持续发展并建立的极端超快强场激光及其实验研究平台，通过精密操控激光的时域、频域、空间特性以及载波包络位相（CEP）等，深入进行周期量级甚至脉宽接近单周期的激光与物质的极端非线性相互作用的实验与相应理论研究，发现新现象新机制。开拓与发展长波长（如1-5mm中红外）新波段并可调谐强场超快激光与物质相互作用中的新效应新物理，如揭示相互作用波长定标律；驱动产生超短波长超快相干辐射及开拓新应用等。经费比例：24%承担单位：中国科学院上海光学精密机械研究所、北京应用物理与计算数学研究所、中国科学院武汉物理与数学研究所、华南理工大学课题负责人：徐至展学术骨干：程亚、刘建胜、邱建荣、雷安乐、徐晗、陈京、柳晓军课题3、阿秒科学前沿开拓与强场量子相干控制预期目标：实现 “水窗”波段和光子能量大于1keV的高亮度阿秒光源；实现亚飞秒时间尺度和原子级空间尺度内实时观测和控制电子动力学行为；多电子弛豫过程，电子重排，电子-电子碰撞动力学等多电子复杂动力学研究取得若干突破；揭示有重要意义的化学反应的电子动力学物理本质。探索阿秒脉冲作用下物质的电子动力学新规律及其应用。研究内容：获得更高强度、更高光子能量和更短脉宽的阿秒脉冲，如采用较长波长驱动源、多周期双色场驱动技术、准相位匹配技术等。开拓高亮度短波长阿秒相干光源的重要应用，如阿秒光谱学和阿秒电子谱学、阿秒非线性光学等。探索强场量子相干控制的新原理新机制，发展亚周期时间尺度的激光脉冲整形技术，通过实时控制超宽带光谱中每个光谱分量的相位、振幅甚至偏振，获得亚周期时间尺度可精密操控的超快强场。实现阿秒电子波包运动的相干控制，以及原子与亚原子时空尺度的电子动力学过程（如电子态的弛豫，演化与反应等）的实时观测与强场量子相干控制等。研究多电子弛豫过程，电子重排，电子-电子碰撞动力学等原子分子中多电子复杂动力学过程。开展超快强场中原子分子的X射线发射和相关的电子和离子三维动量的探测的研究，以阿秒时间尺度和原子级空间尺度分辨能力探测电子波包的空间结构和演化过程。基于强场和阿秒脉冲光场中电子波包的相干控制研究分子不同的反应通道在超快强场作用下的不同特征，以及不同通道间的相干特性，实现亚飞秒时间尺度内分子演化过程的探测，揭示有重要意义的化学反应的电子动力学物理本质，并进而实现对分子的特定反应通道的选择和控制。经费比例：16%承担单位：中国科学院上海光学精密机械研究所、华中科技大学课题负责人：李儒新学术骨干：陆培祥、曾志男、刘鹏、张敬涛、赵全忠、郑颖辉课题4、超强光场驱动的高性能高能粒子束的产生及其应用开拓预期目标：研究并解决超强光场场产生高性能高能电子与离子束及其重要应用中涉及的基础科学问题。实验上获得高性能高能电子束并将超大电荷量、超短脉宽的高能电子束转换为优质的强X光源；利用TNSA和光压加速在实验上获得10MeV量级的高性能质子束，探索产生能量在200MeV以上准单能质子束的加速新机制，探索质子束在成像、聚变能源、核医学等方面的重要应用。理论上探索100GeV以上的质子加速。同时开拓强场超快科学的新前沿新方向，特别是相关的光核物理、强场QED效应等。研究内容：研究超强光场产生相位空间超高密度高能电子束涉及的基础物理问题。主要是超大电荷量、超高电荷密度、超窄能谱宽度、超优准直性的高性能高能电子束的产生。重点研究超大焦斑激光、多组束激光产生超高电荷量高能电子束，利用毛细管通道来增大加速距离等新设想。研究强场激光加速产生高性能离子束涉及的基础物理问题。主要是加速过程中的横向不稳定性问题、激光能量到高能离子的能量转换效率问题、靶设计与制备问题、如何有效增加加速距离的问题。重点研究超高对比度激光对纳米薄膜靶的整体光压稳相加速，利用超强尾场或多级加速等来提高超高加速梯度下的有效加速长度。研究高性能高能电子、离子束应用中涉及的基础物理问题，主要是高能电子到X光的转换、高能电子与质子在稠密物质中的传输与沉积特性、光核物理与QED效应。重点研究高能质子束在制备放射性同位素，癌症治疗和聚变能源方面（如点火方式、靶丸诊断等）的应用，超强g射线和夸克胶子等离子体的相互作用等。研究超高对比度紫外与近红外等波段超强超短激光在驱动产生高性能高能粒子束等重要应用中的关键科学技术问题。重点是探索紫外与近红外超短脉冲的超高对比度与聚焦性能的优化。经费比例：22%承担单位：中国原子能科学研究院、北京大学、中国科学院上海光学精密机械研究所课题负责人：王乃彦学术骨干：汤秀章、陆元荣、沈百飞、余玮课题5、基于强场超快激光的精密测量与精密光谱学中的前沿科学问题预期目标：开拓与发展强场超快、超短波段、极端超快与高度非线性等全新极端物理条件下光场时-频域精密控制的新机制；基于强场超快精密控制，发展强场超快精密光谱学新概念新原理以及超短波段精密测量的新方法新技术，提高分辨率、精度和灵敏度法；开拓强场超快精密光谱学的新学科前沿，如超短波长与非线性光梳精密光谱学，并探索其重要应用；发展分子振转指纹光谱灵敏检测新技术方法。研究内容：光场精密控制对于研究光与物质相互作用以及提高精密光谱的分辨率、精度和灵敏度具有重要意义。本课题拟探索强场超快激光精密控制的新机制，研究精密操控超强超短激光与物质高度非线性相互作用的新物理效应及其在精密光谱与精密测量中的应用。具体包括：（1）发展高功率飞秒光梳放大新技术，探索高功率光梳放大过程中高精度是否能够保持，深入研究在高功率放大、传递过程中载波包络相位附加噪声的影响，并对其进行操控，实现飞秒光梳高功率放大中相位噪声抑制，获得高重复频率、高平均功率、时频域精密控制的近红外波段飞秒光学频率梳；（2）基于高功率飞秒光梳，实现光梳精密光谱科学与技术从线性到非线性以至于高阶非线性的光梳精密光谱学的跨代发展；实现高精度与高灵敏度的联合测控，解决光场精密控制的物理限制以及进一步提高光场控制精度的物理极限等关键科学问题。探索非线性光梳精密光谱学获得更高精度的原理和方法；（3）解决不同波段光场时-频域精密控制的相干传递、高阶非线性过程中相干传递等关键科学问题，深入探讨产生XUV光学频率梳的新概念与新机制，优化高次谐波提高效率及XUV光梳的控制精度，控制高次谐波相位匹配增强紫外光梳产生；（4）发展新波段飞秒激光频率梳新技术及应用，在中远红外和极紫外波段，基于f-2f或0-f的超短脉冲载波包络相位的常规测量方法不再适用，发展新方法实现全波段的载波包络位相测量和精确控制。（5）基于紫外光梳，实现分子中电子波包控制，开拓分子光梳光谱学等新的学科前沿，基于新波段飞秒光梳的控制，实现分子的精密测控。 经费比例：16%承担单位：华东师范大学、山东师范大学、南开大学课题负责人：曾和平学术骨干：徐建华、贾天卿、王传奎、刘伟伟课题设置的思路、各课题间的有机联系以及与项目预期目标的关系本项目拟设置的第一项课题既是极端强场超快科学重要前沿与应用开拓的研究前沿与热点,也是开展高水平的极端强场超快科学重要前沿实验研究的前提和基础。课题的研究将促进极端强场超快激光自身的持续创新发展并为创建我国具有国际一流水平的极端强场超快科学前沿与应用开拓研究基地做出重要贡献；该课题研究也旨在提供前沿实验需要的极端强场超快等极端物理条件，因此也是本项目其余课题开展研究并完成总体目标的科学技术基础与必要条件。本项目的第二课题则着重于深入开展极端强场超快激光与物质相互作用新效应新物理的实验与理论研究，揭示强场甚至极端强场、超快乃至极端超快等全新强场超快极端物理条件下的新现象新规律，是当前极端强场超快科学重要前沿研究的主体内容，也是本项目选择设置的重要课题。本项目的第三、第四和第五课题则着重于开拓极端强场超快物理新前沿新方向, 并为一些重要战略高技术领域的开拓与发展提供原理依据与科学基础,如:开拓与发展更短时间尺度、更高亮度阿秒相干光源的产生、表征与应用及其量子相干控制中的关键科学技术问题；创新解决超强光场驱动的高性能高能粒子（电子、质子与重离子）束的产生及其重要应用中涉及的关键基础科学问题，并探索极端强场光核物理、QED效应等新前沿；开拓与发展基于强场超快激光的精密测量与精密光谱学前沿科学技术及其重要应用中的新技术新方法等。上述每项课题均包括理论和实验研究两部分工作。作为基础研究或交叉前沿研究，本项目的五项课题是有机联系并相辅相成的，并且紧密围绕项目总体目标，突出重点，形成不可分割的整体。四、年度计划年度研究内容预期目标第一年对创建全新极端强场超快物理条件涉及的关键科学技术问题进行相关理论分析和实验预研；发展可调谐与新波段强场超快激光产生和放大技术。物理实验方案的设计与优化，以及实验系统的建立与改进；开展高度非线性与相对论性光强条件下的激光与物质相互作用实验研究；开展高度非线性与相对论性，特别是探索强相对论性相互作用的理论研究。开展中红外激光与气体介质相互作用产生高次谐波的实验和理论研究；调试电子离子三维动量检测装置并初步开展相关测量研究。完善强场激光驱动产生高性能高能电子束、离子束的实验平台；理论研究超高电荷量高能电子束产生和高能离子束加速中涉及的横向不稳定性问题。发展高重复频率、高功率飞秒脉冲载波包络位相操控的新原理与新技术；开展强场超快激光精密操控的传递与远程控制研究等。整个项目顺利启动并实施，完成有关实验方案设计，建立相关诊断与测试手段；在强场超快激光波前演变特性和激光脉冲对比度等研究方面取得前期进展；在近单周期、红外和紫外新波段可调谐的飞秒强激光研究方面取得进展。在高度非线性与相对论性光强条件下的强场超快激光与物质的相互作用实验研究中取得一定进展，为进一步实验提供方案与优化的参数；获得高次谐波连续谱；完成三维动量检测装置的调试。完善相关粒子探测设备，建立超强光场驱动产生高性能电子束、离子束的物理实验平台，掌握多种薄膜靶的制备和分析技术；获取超高电荷量高能电子束的理论基础；获取大能量紫外激光脉冲输出；完善一维模拟软件。实现高重复频率、高功率超短飞秒激光脉冲光场时域-频域精密操控传递，和不同波段超短激光频率梳之间的精确同步控制。第二年开展有效提升高量级激光聚焦性能的实验研究；研究激光脉冲超高对比度提升的新原理、新技术；对红外可调谐新波段超快强激光脉冲进行压缩；优化紫外宽带光输出；发展载波包络位相(CEP)稳定的强场超快光源。重点开展周期量级极端超快强场激光与物质的极端非线性相互作用的实验与相应理论研究；研究超快强场激光非线性成丝新效应新应用；开拓强场超快激光操控与表征凝聚态物质微纳结构交叉前沿等；发展极端强场超快条件下的相对论性相互作用非微扰理论与计算方法，揭示相关的新机制与新物理。开展阿秒脉冲宽度测量研究，优化高次谐波相位和阿秒脉冲宽度；开展分子高次谐波实验研究。研究强场激光驱动产生高性能高能电子束和质子束的关键技术手段；扩展PIC软件。深入研究在高功率放大、传递过程中载波包络相位附加噪声的影响，并对其进行操控；探究放大过程中非线性效应对飞秒光学频率梳时频域特性的影响。进一步发展周期量级乃至近单周期量级极端超快强场光源技术，并在可调谐与新波段强场超快激光产生、放大与性能提升中取得重要进展。研究周期量级超快强场、可调谐新波段中时空特性（如载波包络相位）稳定可控等问题。重点揭示周期量级极端超快强场激光与物质的极端非线性相互作用新效应新规律；探索超快强场激光非线性成丝新机制，开拓新应用；建立若干强场超快激光操控与表征凝聚态物质微纳结构新方法新途径；利用极端强场超快条件下的强相对论性相互作用新机制新物理非微扰理论与计算方法，解释并预言若干重要实验新现象。获得阿秒脉冲宽度信息并压缩阿秒脉冲至近傅立叶变换极限；在实验上通过高次谐波实现分子轨道结构的探测。研究并获得产生较低能散、较低横向发散角的高性能高能电子束和质子束的关键技术手段；完成三维的模拟软件，并移植到并行计算机上。实现飞秒光梳高功率放大中相位噪声抑制；实现高重复频率高功率的近红外波段飞秒光学频率梳。第三年发展被动波前校准技术，开展激光脉冲对比度提升新技术研究，并开展综合应用实验研究；开展基于光子晶体光纤和新型激光材料的小型化红外、中红外超快激光调谐、放大实验研究；开展CEP稳定可控的超短脉冲高效率放大、色散补偿和周期量级激光脉冲压缩的新原理新技术研究。将极端强场超快激光与团簇、固体和等离子体等重要形态物质的相对论性相互作用进一步推进到强相对论性相互作用的范畴，发现新现象新机制；系统研究长波长新波段并可调谐强场超快激光与物质相互作用过程中的各类波长定标律；将相对论性强激光场与物质相互作用模型推广到多模激光场模型，并开拓与载波包络位相（CEP）等有关的相对论性相互作用的新现象与新机制。将高次谐波光子能量推进到水窗波段；开展原子分子中电子轨道波函数在阿秒时间尺度和原子级空间尺度上的空间结构和动态演化过程研究；研究分子反应通道和高次谐波之间的联系。优化高性能高能电子束和质子束的产生；完善模拟软件并开展理论模拟。开展基于非共线外腔增强以及表面增强高次谐波的XUV光学频率梳产生的研究；优化高次谐波提高效率及XUV光梳的控制精度，控制高次谐波相位匹配增强紫外光梳产生。波前被动校准技术和脉冲对比度提升技术研究取得进展，拍瓦级强场超快激光聚焦稳定性获得明显改善；在发展极端强场超快激光的时域、频域和空间特性等精密操控的新方法新技术方面取得进展。在超热电子转换效率、输运、能量沉积等方面取得若干重要成果；在长波长（如1-5mm中红外）新波段并可调谐强场超快激光与物质的相互作用研究中取得重要进展，揭示若干重要的波长定标律。建立相对论性强激光场的多模理论并用于具体研究；完善周期量级脉宽强场超快激光与物质相互作用的理论模型，初步揭示载波包络位相（CEP）在相对论性强场激光与物质相互作用中的特征效应。获得水窗波段高次谐波连续谱；获得电子波函数的超快演化信息；在实验上获得分子反应通道的信息。强场激光驱动低密度等离子体获取更窄能谱宽度、更优准直性的高性能高能电子束；利用薄膜靶获得能量接近10MeV的高性能高能质子束；建立完善的模拟程序。实现高精度与高灵敏度的联合测控，解决光场精密控制的物理限制以及进一步提高光场控制精度的物理极限等关键科学问题；有效产生XUV光学频率梳；解决不同波段光场时-频域精密控制的相干传递、高阶非线性过程中相干传递等关键科学问题。第四年提升拍瓦级激光系统聚焦功率密度；在超强超短激光系统中发展应用超高脉冲对比度提升新技术；对红外和紫外激光的放大、频率变换和压缩进行进一步的研究；研究创新发展对强场超快激光的时域、频域和空间特性的整形控制新方法。随着更高层次的光场条件的建立，研究强相对论性条件下超强超短激光与各种形态物质的极端非线性相互作用研究；开展周期量级甚至脉宽接近单周期的激光与物质的极端非线性相互作用的实验与相应理论研究，发现新现象新机制等；完善极端强场超快条件下的强相对论性相互作用非微扰理论与计算方法，并与实验紧密结合，解释新现象，开拓新机制。控制阿秒超快电子运动，并通过三维动量检测技术研究其对分子不同反应通道的影响以及分子演化过程；研究影响分子反应通道的因素及其物理本质。增加强场激光驱动产生高性能高能电子束的加速长度，获得更高能量的电子束；研究利用高对比度的紫外和红外超短脉冲激光驱动nm薄膜靶利用光压稳相加速获得高能离子束，并研究靶厚度、形状、材料等对加速离子的能量、能散和束流品质的影响关系。开展新波段飞秒激光频率梳新技术及应用研究；研究基于XUV光学频率梳的超快精密光谱。拍瓦级强场超快激光的焦场分布和聚焦能量密度取得重要进展；在更高量级下获得超高脉冲对比度的输出。新型紫外（200-300nm）、红外、中红外（1-5mm）激光输出功率、大能量脉冲压缩和调谐能力，以及时空特性（如载波包络相位）稳定可控研究取得突破。在高度非线性与相对论性（特别是强相对论性）条件下超强超短激光与物质的相互作用研究中取得重要进展；在CEP稳定与可操控条件下周期量级甚至单周期极端超快激光与物质的相互作用研究中取得若干重要创新性研究成果。获得电子运动对分子不同反应通道的控制规律，实现对分子特定反应通道的选择和控制；掌握分子反应通道对激光参数的依赖性及其物理本质。获得提高电子加速长度的关键技术手段，并提高电子束的性能参数；获取利用整体光压稳相加速产生高性能离子束的技术手段，并获取靶厚度、形状、材料等对加速离子的能量、能散和束流品质的影响关系。发展可用于实现全波段的载波包络位相测量和精确控制新方法；获得基于XUV光学频率梳的超高精度分子精密光谱。第五年进一步创新发展高功率PW级超强超短激光的关键单元与总体技术，以及相关的激光性能诊断测试新技术等，提升系统整体性能，解决应用于科学实验研究等中涉及的科学技术问题；进一步开拓发展新原理、新方法，在紫外和中红外等新波段开展更高量级的周期乃至单周期量级脉宽，可调谐、时空特性（如载波包络相位）稳定可控等全新极端强场超快激光输出研究。进一步突破到强相对论性条件下的超强超短激光与固体薄膜靶、气体靶以及团簇靶相互作用的研究领域；深入研究周期量级，重点是脉宽接近单周期的激光与物质的极端非线性相互作用新物理新效应；深入探索中红外可调谐新波段强场超快激光驱动产生“水窗”波段甚至keV量级超快相干辐射中的新物理机制，如“水窗”乃至keV波段高次谐波产生中的位相匹配机制等。研究通过改变激光参数调控分子反应通道的手段，并初步开展相关的应用研究的探索；利用高次谐波和阿秒脉冲进一步深入开展亚飞秒时间尺度和原子级空间尺度内实时观测和控制电子动力学行为研究。研究高性能高能电子、离子束应用中涉及的基础物理问题；高能电子、质子在稠密物质中的传输与沉积特性；研究光核物理与QED效应；研究超强激光驱动产生的超强g射线和夸克胶子等离子体的相互作用等。提升强场超快激光系统整体性能，满足极端强场超快科学物理实验研究的需要。探索解决在创建极端强光场(1023W/cm2)、超高对比度(109-12)、极端超快（近单周期），可调谐与新波段、时空特性稳定可控等全新极端强场超快物理条件中的关键科学问题。在强相对论条件下的超强超短激光与固体薄膜靶、气体靶以及团簇靶的相互作用研究中发现一系列重要的新现象、新规律；在周期量级特别是脉宽接近单周期的激光与物质的极端非线性相互作用获得原创性研究成果；揭示“水窗”甚至keV波段高次谐波产生中的位相匹配新机制，获得高亮度的“水窗”甚至keV波段超快相干辐射。实验上实现对分子反应通道的选择和控制，结合实验和理论研究，揭示有重要意义的化学反应的电子动力学物理本质。获取高性能高能电子到X光的转换效率、能谱等；获取高能电子质子在稠密物质传输与沉积的基本特性；利用强场激光驱动产生的高能质子束用于短寿命放射性医用同位素的研究。开拓分子光梳光谱学等新的学科前沿，实现分子的精密测控。全面完成本项目的研究目标。一、研究内容拟解决的关键科学问题：1. 促进极端强场超快激光的持续创新发展，探索解决创建极端强光场、超高对比度、极端超快、可调谐与新波段、时空特性稳定可控等全新极端强场超快物理条件中的关键科学技术问题：l 创建极端强光场(1023W/cm2)、超高对比度(109-12)等全新极端强场超快物理条件中的关键科学技术问题；l 创建极端超快（近单周期）、可调谐与新波段（如1-5mm中红外新波段等）等全新强场超快极端物理条件中的关键科学技术问题；l 开拓与发展极端强场超快激光的时域、频域和空间特性等精密操控的新方法新技术；l 进一步提升PW（拍瓦，1015W）级超强超短激光系统整体性能，解决应用于科学实验研究等中涉及的科学技术问题。2. 极端强场超快激光与物质相互作用新效应新物理的实验与理论研究，深入揭示强场甚至极端强场、超快乃至极端超快等全新强场超快极端物理条件下的新现象与新规律，建立并发展相关的新概念与新理论。如：l 揭示更强光场条件的高度非线性与相对论性起主导作用的强场超快相互作用新效应新规律，探索强相对论性相互作用新机制新物理；l 发现周期量级乃至单周期极端超快强场激光与物质高度非线性相互作用的新机制新物理，发展相关新概念新理论；l 探索长波长（如1-5mm中红外）新波段并可调谐强场超快激光与物质相互作用新效应新物理并开拓新应用。3. 开拓与发展更短时间尺度、更高光子能量、更高亮度阿秒相干光源及强场量子相干控制中的关键科学技术问题。如：l 更短脉宽（1023W/cm2)、超高对比度(109-12)等全新极端强场超快物理条件中的关键科学技术问题，开拓与发展极端强场超快激光的时域、频域和空间特性等精密操控的新方法新技术，重点研究极端强场超快激光主要性能（包括聚焦特性与时间对比度等）提升中的关键科学技术问题，如在高功率下获得聚焦能力接近理论极限的超高强度超短脉冲激光光束的新方法，创新发展与应用基于OPCPA/OPA等原理的可定标放大的激光脉冲超高对比度提升的新原理、新技术，并研究涉及的空间色散管理、相位、时空与光谱匹