啁啾脉冲压缩技术 (CPA) 是物理学发展史上里程碑式的成就，这项技术使得一束脉冲激光在经过展宽、放大以及压缩等步骤后，峰值功率能够提升数个量级，从而在实验室中产生前所未有的极端光场。极端光场因具有极短的脉冲宽度和极高的峰值功率，可以在特定的条件下产生世界上最高的温度、最高的压强、最大的粒子加速度以及最强的场，因此能够产生极端光场的飞秒超强激光器也逐渐成为了高能粒子及辐射研究的重要驱动。
目前，全世界有大量实验室均基于飞秒超强激光开展各类基础及应用研究，大型的极端光科学装置也在全球各地不断宣告成立。从密歇根大学回到母校巴黎综合理工学院之后，我建议欧盟建设一个百PW量级的超强激光科学装置，经过欧盟成员国之间的讨论后，最终决定在捷克、匈牙利及罗马尼亚三个国家建设极端光设施 (Extreme Light Infrastructure, ELI)。经过多方协调，ELI装置顺利建成并投入使用。
实际上，当激光的峰值功率达到10 太瓦 (TW， 1012W) 以上时，其聚焦强度可以接近乃至达到1018 W/cm2（即所谓的相对论阈值强度）。在此强度下，物质会被离化，并形成等离子体，此时自由电子在激光场中的横向振荡速度接近真空中的光速，光场的磁场分量也足可以推动电子沿激光传播方向加速，而光与物质相互作用也由此进入到相对论光学的全新领域。当激光峰值功率达到10 PW量级时，聚焦强度可以达到1023 W/cm2（属于超相对论光学的研究范畴），在此功率密度下，激光在与等离子体相互作用的过程中产生全新的非线性过程，这些过程包括但不限于辐射阻尼效应、高能伽马光子产生、光子—光子诱导正负电子以及非线性量子电动力学效应。
实际上，以高能粒子加速和辐射的研究一直推动着人类科学的进步，人类历史上有超过一半的诺贝尔奖都与粒子加速及相关的应用研究有关。
提升脉冲峰值功率首要考虑的就是脉冲压缩问题。时至今日，单周期脉冲压缩的工作经历了数次迭代。1985年，Shank等人成功实现了6 fs的脉冲压缩，该记录直到10年后才由Svelto、Krausz等人打破；与Shank不同，Krausz等人能够实现mJ量级的脉冲压缩，而这一纪录保持的时间更长。十余年后，由我所领导的团队基于薄片压缩技术，成功实现了从25 fs 到2.1 fs，脉冲峰值功率达1 PW的压缩结果。脉冲宽度越窄，能够探究的微观电子动力学行为也就越加丰富，原子核外电子动力学尺度一般处于as量级，因此对于脉宽处于as乃至zs 量级激光脉冲的研究，一直未曾停止过。
一般而言，激光与物质相互作用可以产生高次谐波，若高次谐波满足特定相位匹配条件，则各谐波之间相干叠加而形成一个短脉宽、高强度的脉冲，这便是产生阿秒脉冲的主要方法，但这种方法对于驱动激光的光强有着一定限制（不高于1015 W/cm2），因此也在一定程度上制约了高次谐波的强度及光子能量。早在2004年，我们就曾发表过一篇关于相对论激光尾场产生孤立阿秒脉冲的理论研究工作，在这篇工作中，我们通过模拟发现，由相对论强度激光脉冲，在一个立方波长空间内所产生的等离子体反射镜，可以发生偏转现象，使我们隔离出单个阿秒脉冲。从能量计算结果上来看，该方案具备至少10%的高次谐波转换效率，并且最终可以产生mJ到J量级单脉冲能量的阿秒脉冲。
仄秒量级的超短脉冲意味着1 MeV的相干伽马射线，假设脉冲能量为1 J，其峰值功率便达到了ZW量级。若能获得如此强的激光，对于电子加速器研究来说，或将成为一项突破性的成就。传统电子加速器往往需要占据巨大的体积，而基于超强激光尾波加速机制设计的电子加速器，则可以利用激光在等离子体中共振激发出的纵向尾波场来加速电子，其加速梯度可达传统加速器的1000倍。在CPA技术问世不久，有研究人员证明了GeV/cm梯度电子加速器设计的可能性，而仅仅在十年间，这一数值被提升至惊人的TeV/cm量级上。在未来，可以展望的是，随着脉冲压缩技术的不断演进，基于超强激光的电子加速装置将成为高能电子加速技术的主流选择。
高能粒子是研究物质基元结构的重要方式，也几乎是现代物理学研究进步的主要路径；同时，基于高能质子的应用研究，也如雨后春笋般冒出，例如快点火聚变、超快离子成像、超快辐射化学研究以及离子束肿瘤治疗等。科技发展水平处于国际第一梯队的国家，都在发展自己的高能质子加速器，今天我想向大家着重介绍的，是比利时正在建设的一个基于加速器驱动次临界洁净核能系统概念的项目：MYRRHA（高科技应用多功能混合研究堆），该项目旨在解决核废料处理的技术难题，证明工业规模进行次锕系元素嬗变的可行性。如果进行顺利，这一项目也将在未来成为低碳能源战略技术的标杆。此外，基于高能粒子的宇宙学研究也为人类探索星空的秘密带来了一丝线索。
除了前沿物理研究，基于CPA的原子医学，也成为了人类关注的科技前沿，基于原子能的诊疗方式，目前已成为现代医学的重要组成部分。现在较为成熟的几项原子医学技术，大体上可分为光子治疗、原子治疗以及原子诊断等。基于超快激光的光子治疗技术，可以在聚焦成“光刀”后对患者的病变区域，进行切割、气化以及凝固，在实际治疗过程中能够保持较为干净的手术视野，并且不易引起感染，相较于传统的手术刀，精度能够提升上万倍；原子治疗技术则基于放射性同位素，大幅抑制肿瘤细胞增生；对于原子诊断领域，基于超强激光的极端光场，则能够加速高能带电粒子，使其通过核反应产生活度高、半衰期短的医用同位素，为核医学临床显微成像扫描仪提供帮助。
CPA技术为人类带来了清洁核能应用研究的全新途径，具体地，超强激光能够促进钍循环，并可以促进核废料的嬗变（加速能源生产过程中铀中产生的微量锕系元素的燃烧）。相较铀来说，钍是一种“不起眼”的元素，以千兆瓦的核电厂为例，其每年生产的电能高达8×1012 W，这些电能如果靠化石燃料产生，则至少需要烧300万吨煤，并随之产生相当于1000 km3体积的二氧化碳；对于铀来说，所需的重量为200吨，但对于钍，这个数字将被缩减为1吨。钍作为核燃料的另一大优势在于，其基本无法被用于原子弹制造，因此不必担心核军备扩散的问题。如果使用超强激光驱动的反应堆，聚变反应的控制以及安全也将得到提升。此外，基于超强激光，人们也将拥有清洁航天垃圾的能力。
总的来说，极端光场能够创造最强的场、最大的加速度、最高的温度以及最高的压强；而对于这些极端实验条件的合理应用，也将在未来为人类社会发展和现代物理学研究带来不竭的新质动力。我期待能够在未来，与大家一同见证超快超强激光领域的更多奇迹。
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