激光是二十世紀(jì)六十年代初出現(xiàn)的一門新興科學(xué)技術(shù)。由于激光具有任何其它光源所不具備的優(yōu)異特征，所以它的出現(xiàn)大大改變了人類對自然界的認(rèn)知能力。由于它極高的能量密度可以改變物質(zhì)的正常狀態(tài)，為理論工作者提供了一個嶄新的激光與物質(zhì)探索領(lǐng)域。
隨著激光技術(shù)飛速發(fā)展，超快激光出現(xiàn)了人們的視線之中，它具備獨(dú)特的超短脈沖、超強(qiáng)特性，能以較低的脈沖能量獲得極高的峰值光強(qiáng)。超短脈沖啁啾放大技術(shù)(Chirped Pulse Amplification，CPA)的出現(xiàn)使超快激光的強(qiáng)度得到大大提高。與傳統(tǒng)長脈沖激光及連續(xù)激光不同，超快激光有著超短的激光脈沖，這使得激光脈沖的頻譜寬度相當(dāng)大。這樣寬的頻譜在進(jìn)行諸如原子能級研究，激光選鍵化學(xué)等方面都具有重要的應(yīng)用。利用超快激光脈沖短的特點(diǎn)，可以采用泵浦-探測的方式，將激光脈沖與物質(zhì)相互作用現(xiàn)象在不同的時刻照相，以期獲得整個過程的特點(diǎn)。這個方法已經(jīng)被應(yīng)用到各個領(lǐng)域，如在原子與分子反應(yīng)動力學(xué)研究中以及觀察電子的運(yùn)動，利用飛秒激光脈沖甚至阿秒脈沖，通過泵浦-探測的方法觀察到反應(yīng)過程。聚焦后的超快激光，其峰值功率密度超過1013W/cm2時，所產(chǎn)生的電場強(qiáng)度就已經(jīng)大于原子的內(nèi)電場。它提供的極強(qiáng)極高的電場，能夠超過價帶電子的束縛力，使分子、原子的電子體系發(fā)生巨大變化。利用這個特性，人們可以研究由于超快激光導(dǎo)致原子內(nèi)部產(chǎn)生的奇特現(xiàn)象。并且，超快激光還顯示出其它不同的特性，如熱影響區(qū)域小、作用效果能夠超過光學(xué)衍射極限、優(yōu)秀的空間選擇特性。下圖展示了超快超強(qiáng)激光的發(fā)展過程與應(yīng)用范圍。
圖1 超快超強(qiáng)激光的發(fā)展及應(yīng)用
超快超強(qiáng)激光脈沖與物質(zhì)的相互作用是是當(dāng)前最活躍的研究課題之一。它在新型的粒子加速器、超快高能X射線光源等方面，都有著廣泛的應(yīng)用前景。同時，它包含多方面理論和實(shí)驗(yàn)研究內(nèi)容的課題，涉及到物理學(xué)的許多重要分支,如激光物理、原子分子物理、非線性光學(xué)、等離子體物理、熱力學(xué)等。隨著超短激光脈沖技術(shù)的不斷發(fā)展，實(shí)驗(yàn)上己經(jīng)能夠產(chǎn)生高強(qiáng)度的周期量級超短脈沖，為光與物質(zhì)的相互作用研究提供了前所未有的實(shí)驗(yàn)手段和極端的物理?xiàng)l件,開拓了光與物質(zhì)相互作用的嶄新的研究領(lǐng)域，產(chǎn)生了所謂的極端非線性光學(xué)，大大豐富了光學(xué)的研究內(nèi)容，將激光與原子、分子、離子、電子團(tuán)簇以及等離子體等各種形態(tài)的物質(zhì)之間的相互作用研究拓展到高度非線性和相對論的強(qiáng)場范圍。
超快超強(qiáng)激光與物質(zhì)的相互作用過程中，隨著激光強(qiáng)度的不斷提高，各種非線性效應(yīng)不斷增強(qiáng)，出現(xiàn)了高次諧波、閾上電離、隧穿電離等現(xiàn)象，并且周期量級超短激光脈沖失去了波動現(xiàn)象所特有的周期性特征，從而導(dǎo)致一系列全新的物理現(xiàn)象與規(guī)律。它提供了一種新的實(shí)驗(yàn)工具應(yīng)用于相干控制、非線形光學(xué)以及新近興起的亞周期電子波包的控制等領(lǐng)域，并提供了一種新的時間測量尺度-阿秒，將可能對眾多學(xué)科領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響。
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