1、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
2、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
3、期）、可调谐与新波段（如 1-5m 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。
4、(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
5、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
6、 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
7、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
8、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
9、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
10、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。
11、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
12、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
13、，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
14、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
15、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 101810 21W/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
16、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
17、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
18、高对比度(10 9-12)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
19、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
20、 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 1-5m 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 1-5m 中 红 外 新 波 段 可 调 谐 飞 秒 激 光 脉 冲 产 生 、放 大 与 压 缩
21、 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
22、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
23、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，
24、“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
25、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
26、。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
27、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
28、 ，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
29、 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(10 23W/cm2)、超高对比度 (109-12)、极端
30、超快（近单周期）、可调谐与新波段（如 1-5m 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
31、 ，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
32、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
33、期 量 级 ）、可 调 谐 与 新 波 段 （重点 是 1-5m 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 1-5m 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
34、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
35、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
36、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
37、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 1-5m 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
38、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，
39、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
40、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
