9家单位31位专家合力撰写！快速发展的中国超快超强激光装置

多束激光自神州大地破空而起，激光束分别源自北京、上海、绵阳等科研机构。万千光束以“中”字为魂，在苍穹汇聚成东方印记。寄予中国的激光团队齐心共聚，共同托举中国强激光科学的快速发展，共筑属于这个时代的"追光者联盟"。
高强度激光

激光作为自然界和人造光源之中品质最好的光源，具有方向性好、亮度高、相干性好等特点，已经广泛应用于众多的科学和技术领域。尤其是快速发展的强激光装置，已经成为人们认识世界、改造世界的强大工具，为现代科学技术的发展、人类认知的扩充带来了巨大机遇。

按照脉冲能量和时间宽度（脉宽）的不同，可以将强激光装置分成“大能量”和“超快超强”两类。对于大能量激光装置，脉宽一般在数纳秒，输出的脉冲能量巨大，在千焦耳（kJ）到兆焦耳（MJ）量级。其典型代表是美国劳伦斯·利弗莫尔实验室（LLNL）2009年建成的国家点火装置（NIF），可以输出约2 MJ脉冲能量。中国也建设了神光系列高能量激光装置。由于脉宽较长，这种大能量激光的聚焦功率密度（单位时间单位面积的激光脉冲能量）一般在1012-16 W/cm2。

为了获得更高的峰值功率，1985年G. Mourou和D. Strickland发明了啁啾脉冲放大技术（chirped pulseamplification，CPA），这种革命性的技术将激光脉冲宽度压缩到了飞秒量级，从而大幅度提高了激光的峰值功率，由此他们俩人共同分享了2018年的诺贝尔物理学奖。和第一类大能量激光装置相比，虽然这种激光能量不是很高，但是因为脉宽短，所以聚焦后功率密度目前已超过1023 W/cm2。在如此高的光强下，电子的运动速度接近光速，进入全新的相对论物理研究范畴，所以这类激光常被称为超快超强激光。超快超强激光装置又可以细分为两类，一类是基于Nd-glass放大介质的皮秒、百-千焦耳激光器；一类是基于CPA或者OPCPA（Optical Parametric Chirped-pulse Amplification）技术的飞秒激光器。后者的脉冲宽度一般在几十飞秒，目前峰值功率已经超过10 PW。

中国>100太瓦的超快超强激光装置和高能量密度物理研究

利用强激光装置，人们能够在数微米空间以及极短的时间内，创造出一系列实验室中前所未有的极端条件，比如高温(>109 K)、高密度（>100g/cm3）、超强磁场(>109G)、超高压(>109大气压），这样的高能量密度条件前所未有，为人们研究极端条件下的新物理、新现象、新应用提供了新手段。因此各国都非常重视高强度激光技术的发展和装置建设。

中国的超快超强激光近些年来获得了快速发展。目前，已经建成了10余个峰值功率超过100太瓦（TW）的高强度激光装置。这些装置分布在中国科学院上海光学精密机械研究所、中国工程物理研究院激光聚变研究中心、中国科学院物理研究所、上海交通大学、北京大学、清华大学、中国原子能科学研究院、国防科技大学和深圳技术大学等机构。

中国科学院物理所

中国科学院物理所开发了一系列高功率激光系统，包括XL-I、XL-II和XL-III，峰值功率从1.4 TW提升至1.16 PW。最近在北京怀柔建成的拍瓦激光系统及阿秒激光系统为综合极端条件用户设施（SECUF）提供超强光场和超快X射线及极紫外阿秒脉冲，支持高能量密度物理和物质超快动力学研究。研究重点包括新型惯性约束聚变（ICF）的点火方案、太赫兹辐射产生及实验室天体物理等前沿问题。

图1 北京怀柔拍瓦激光系统

中国原子能科学研究院

中国原子能科学研究院团队开发了100 TW激光系统，输出能量3.5 J，脉宽30 fs，时间对比度达6.5×1010。系统采用双CPA和交叉偏振波技术（Cross Polarized Wave, XPW）优化性能。研究聚焦激光尾波场电子加速、质子加速、快中子生成及太赫兹辐射。

北京大学

北京大学建成首台基于200 TW/1 Hz钛宝石激光的CLAPA-I加速器装置，可以产生1-15 MeV、<1%能散准单能超快质子束流。目前在怀柔科学城北京激光加速创新中心建设拍瓦激光质子加速器装置CLAPA-II，驱动激光功率最高可以达到2  PW（@1 Hz，30 fs），已经在500 TW功率下完成整机调试并顺利出束。

清华大学/北京量子信息科学研究院/中国科学院高能物理研究所

团队开发了1 Hz、30 fs、1 PW紧凑型钛宝石激光系统，采用XPW技术提升对比度。系统模块化设计，占地面积小，稳定性高。与高能物理研究所合作，建立了等离子体尾波加速研究平台，结合2 GeV电子/正电子直线加速器，研究电子/正电子束加速。此外，还开发了300 TW激光系统，用于逆康普顿散射光源研究。

上海交通大学

上海交通大学激光等离子体教育部重点实验室和李政道研究所分别拥有300 TW&200 TW双束激光系统和2.5 PW激光系统。双束激光系统通过XPW和等离子体镜技术提升对比度，支持电子加速和太赫兹辐射研究。李政道研究所的2.5 PW系统聚焦量子电动力学（Quantum Electrodynamics, QED）效应，研究宇宙高能粒子加速和核合成过程。

中国科学院上海光学精密机械研究所

位于上海光学精密机械研究所的中国科学院中国工程物理研究院高功率激光物理联合实验室SG-II系列高功率激光装置具备纳秒、皮秒、飞秒结合的多波长多脉宽激光输出打靶能力。SG-II升级装置中高能皮秒拍瓦激光系统，基于OPCPA与钕玻璃CPA混合放大技术，输出能量1 kJ，脉冲宽度1 ps，峰值功率1 PW，支持直接驱动双锥对撞快点火实验。SG-II飞秒拍瓦激光系统，基于全OPCPA放大技术，输出能量37 J，脉冲宽度21 fs，峰值功率1.76 PW，研究包括激光质子加速、电子加速及超快时空诊断等。

图2 (a) SG-II UP 激光装置的激光间； (b) SG-II UP 激光装置靶室

中国科学院上海光学精密机械研究所/上海科技大学

中国科学院上海光学精密机械研究所超强激光科学与技术全国重点实验室、上海科技大学先后参与研发200 TW激光项目，到建成含10 PW、1 PW、100 TW光束线的上海超强超短激光实验装置（SULF，又称羲和激光装置），在建的极端光设施（SEL）计划2027年实现100 PW。这些激光系统在粒子加速、物质极端条件等多领域开展应用研究，为探索QED等前沿物理现象、模拟宇宙极端环境提供有力工具。

深圳技术大学

深圳技术大学超强激光应用技术研究中心已成功组建深圳市超强激光与先进材料技术重点实验室。其主要激光装置包含200 TW激光系统（5 J，25 fs，时间对比度优于1010）、千赫兹太瓦激光系统（20 mJ, 20 fs, 时间对比度优于1010， 载波包络相位CEP单发稳定性优于350 mrad）、80 W光纤激光系统（400 uJ@200 kHz，1030 nm）等。其中，千赫兹太瓦激光装置已搭载6米长充气空芯光纤的脉冲腔外再压缩模块，目标输出参数为12 mJ/3 fs的千赫兹CEP锁定的近单周期激光脉冲。目前，200 TW激光系统将于2025年底完成安装调试，千赫兹太瓦激光系统和光纤激光系统已成功投入使用，并已完成超高亮度超快相干极紫外光源综合实验线路的搭建。该实验团队已在相干极紫外光源的光谱调控、时域-频域精密诊断、波前优化及传输聚焦等关键技术领域取得系列突破，正基于千赫兹高重频实验平台开展高亮度相对论等离子体高次谐波阿秒光源的研发。结合其在激光等离子体理论团队的建设，深圳技术大学的超强激光综合实验平台将为国内激光等离子体物理、原子分子物理、凝聚态物理等重要研究领域提供技术支撑。

国防科技大学

国防科技大学正在建设200 TW激光系统，同步高能（6 J, 5 Hz）和高重频率（26 mJ, 1 kHz）脉冲，用于强场太赫兹、高亮度X射线和阿秒脉冲研究。系统支持温稠密物质的超快诊断，通过太赫兹时域电导率测量改进高能材料理论模型，和利用阿秒脉冲研究超快电子动力学。

中国工程物理研究院激光聚变研究中心

中国工程物理研究院激光聚变研究中心的XG-III激光设施输出飞秒（20.1 J, 26.8 fs）、皮秒（370.2 J, 0.48 ps）和纳秒（575.4 J, 1 ns）光束，支持质子加速和稠密等离子体研究。SILEX-II系统基于全OPCPA架构，峰值功率4.9 PW，可稳定输出3 PW激光。研究包括质子束在稠密等离子体中的阻止本领及实验室天体物理等。

图3 XG-III激光装置

在这些装置上，人们主要从事激光电子加速、离子加速、超快X射线发射、太赫兹辐射、激光核物理、激光核聚变等领域的物理和应用研究。此外国内还有约10台大于百太瓦的装置正在建设中。