昨日，中国科学院物理研究所的常国庆研究员在中国激光杂志社视频号、B站进行新年演讲，全面解读了美国激光技术基础研究需求研讨会“Roadmap of ultrafast laser technology”。演讲得到了众多光学领域从业人员的关注，提问者众多。在常国庆研究员的授权下，我们将演讲回放、演讲内容的文字版和报告PPT公布于众，回馈广大读者和观众。
1960年，美国工程师梅曼建成人类历史上第一台激光，并预言激光将在光放大、光谱学、空间通讯、高速光通讯以及医学、工业等领域产生重要应用。
第一台激光出现不久，人们试图通过激光产生持续时间非常短的光脉冲。在20世纪70年代，锁模染料激光器即可产生脉宽小于1 ps的脉冲，我们通常将能够产生脉宽小于1 ps脉冲的激光称为超快激光，也称超短脉冲激光。超快激光到现在已经有50多年历史。
与超快激光相关的诺贝尔奖共有4项：1999年，利用飞秒激光研究化学反应获得了化学奖，之后3项都是物理学奖，分别是奖给了光学频率梳（2005年）、啁啾脉冲放大技术（2018年）和阿秒脉冲产生（2023年）。
过去50年，超快激光产生了众多重要成果，在此基础上，我们期望超快激光在未来取得更多突破，包括：1）在实验室中产生类似恒星行星内部的极端物理条件；2）能够更加准确灵活地控制和探测化学反应；3）超强激光聚焦在真空中产生粒子，做到无中生有；4）改变材料本身的性质，从而获得目前常规材料无法提供的先进功能；5）利用超强激光加速粒子，让下一代粒子加速装置小型化、桌面化。
但另一方面，经过50多年的发展，超快激光在很多方面都在接近物理极限。当前的激光架构通常效率较低，在超快激光参数接近极限的情况下，容易产生光学损伤；波长以及光场调控相对有限，限制了超快激光的发展和应用。未来10年需要革新激光架构、增益材料、光学器件和光场调控手段。
在这样的背景下， 2023年8月15日到17日，美国能源部、国家科学基金委和国防部联合召开了激光技术基础研究需求研讨会，主要目标是为了推动在超快科学、强场物理、新型辐射和粒子源领域里面实现重大突破，从而讨论激光技术在基础科研方面亟待解决的技术瓶颈，确定激光基础科研的优先研究方向。参会者近80人，都是来自欧美国家实验室和高校的著名专家学者，分为基础科学和激光技术两个讨论组。
研讨会的目标包括：1）确定联邦机构之间共同感兴趣的领域，2）确定与行业有强烈共同利益的领域，3）评估哪些研发投资预计将产生最大影响，4）确定当前和预期的劳动力发展问题，5）评估拟议的美国研发活动与全球激光研发工作的比较。会后，参会者共同撰写了一份长达110多页的报告，并于2024年5月23日在网上公开发布。此外，参会人员将报告的精华部分整理成了一篇文章“Roadmap on basic research needs for laser technology”，于本月发表在Journal of optics。
报告针对4类超快激光展开讨论，分别是：I)高重复频率激光，II)高平均功率、高峰值功率激光，III)少周期激光，IV)超强激光。
上面这张图依据重复频率和脉冲能量，总结了现有激光装置（绿色）、实验室研究结果（棕色）以及未来科研需求（蓝色）。可见，目前超快激光参数距离未来需求还有很大差距。
这次研讨会提出了4个优先研究的大方向（PRD），每个研究方向上细化为4到6个重点研究领域，每个研究领域下边又提出若干个具体的小方向。统计下来，具体的小方向大约有100个左右，其实每个具体的小方向还可以再细分成几个研究课题。
第一个重点研究方向针对太瓦和拍瓦激光，关注如下3个关键问题：
1）如何提高超强激光的性能，创造和探测未来10年科学需求前沿的极端条件？
2）哪些激光架构能够实现高重复频率运行？
3）如何提高超高峰值功率激光的重复频率？这里一个非常关键指标就是提高脉冲的重复频率。
该重点研究方向含有6个研究领域：1）峰值功率超过100 TW的高重频激光，2）峰值功率超过10 PW的激光器，3）ns/kJ泵浦和高能量密度物理激光，4)相干光束合成，5)高能量、高功率脉冲压缩以及对比度提高技术，6）自适应的激光控制。
第二个重点研究方向是发展面向太赫兹和X射线科学应用的中红外激光技术。目前的超快激光绝大多工作在近红外波段，为了产生其他波段的超快激光脉冲，需要利用各种非线性光学转换技术。今后十年应大力发展中红外激光，覆盖2-10 μm这一波长范围，再通过非线性光学手段获得工作在THz到X射线波段的激光。
该重点研究关注如下3个关键问题：
1）能否创造出新型激光技术，能够满足高平均功率和高峰值功率的重大需求？
2）如何克服当前中红外激光强度的限制，以便有效实现波长扩展？
3）对于通过非线性波长转换获得的光源，理想的波长、平台和架构是什么？
该重点研究方向含有4个研究领域：1）降低中红外参量光源的复杂性并提高其效率，2）扩展中红外CPA的峰值功率和平均功率，3）提升二氧化碳激光加速器的峰值功率，4）稳定、可控波形的中红外至太赫兹光源。
第三个重点研究方向是频率转换和光场调控的革命性方法，关注的关键问题包括：
1）如何将激光波长高效率拓展到DUV到THz波段，而且能够精确控制光场结构？
2）能否将这些光源与次级辐射源、粒子源同步？
3）能否大幅降低整个激光系统的复杂性和成本？
该重点研究方向含有5个研究领域：1）光纤和气体中的频率扩展，2）超越量子缺陷的高效非线性光学方法，3）跨光谱光场调控，4）集成化以及推动技术普及化，5）面向X射线自由电子激光和粒子源的亚飞秒同步新方法。
第四个重点研究方向是面向超强激光科学的新材料和光器件。前面提到的四类超快激光，决定其性能的一方面是激光技术，另一方面是构成激光系统的光学器件（更本质的是光学材料和工艺），关键光学器件包括增益介质、镀膜器件、非线性晶体、光栅、泵浦激光等等。
作为前面三个重点研究方向的基础，第四个重点研究方向关注如下关键问题：
1）面向下一代超强和高平均功率激光，光学材料与器件需要哪些最重要的改进？
2）能否在这些方面提出新概念？
3）如何革新材料与器件，将超快激光的光谱范围拓展至中红外和紫外波段？
该重点研究方向含有5个研究领域：1）新一代激光增益介质，2）新一代镀膜材料、设计和技术，3）压缩光栅，4）非线性晶体的创新，5）光学器件的新兴创新，6）用于高重频超快激光系统的半导体泵浦激光。
除了探讨超快激光技术之外，研讨会还有三个跨领域的主题：1）劳动力发展，也就是如何培养从事超快激光技术研发的人才，2）供应链问题以及公共部门和企业之间如何建立合作伙伴关系，3）国际跟国内优势，超快激光研制的世界格局在过去15年发生了重大变化。
总结一下，目前超快激光正在逼近材料、工艺、器件以及技术的极限，面临诸多极具挑战性的难题。美国能源部、国家科学基金委和国防部联合召开了激光技术基础研究需求研讨会，面向下一代4类超快激光，提出了4个优先研究方向，每个研究方向又细化为4-6个重点研究领域，每个领域下面又提出若干个具体的小方向。其中，提高超快激光重复频率（意味着高平均功率）和发展中红外超快激光（特别是二氧化碳飞秒激光和Tm:YLF激光）是两大趋势，此外相干合成、脉冲压缩、AI技术值得特别关注。由于参会者大多来自欧美高校和国家实验室，缺少工业界和医学界应用背景，导致所讨论的四类超快激光主要针对基础科研领域的应用。
演讲人简介
常国庆，中国科学院物理研究所研究员，High Power Laser Science and Engineering 编委。本科、硕士毕业于清华大学，2006年于美国密歇根大学获得博士学位。2007年到2011年分别在密歇根大学超快光科学中心和麻省理工学院电子工程系从事博士后工作。2012年获聘德国亥姆霍兹研究员，在德国电子同步辐射国家实验室（DESY）创建了超快激光光学与相干显微技术课题组，担任课题组长，于2016年底获得永久职位。2012年到2017年，任美国麻省理工学院电子工程系客座研究员。2017底到中国科学院物理研究所全职工作。现担任Optics Express等7个学术期刊的编委或特邀编委，并创建了“光波常”微信公众号以科普超快光学知识。主要研究方向为高功率飞秒光纤激光、超快非线性光学和多光子生物医学成像。
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