超快科学是超快理论、技术和应用的总称，它帮助人类理解微观世界并加以开发利用。发展超快科学是人类不断突破认知和探索未知的强烈要求。它将推动前沿科学的进步，为基础学科重大原始创新提供机遇。在1995年的激光与光电子学会议（ConferenceonLasersandElectro-Optics，CLEO）上，贝尔实验室的WayneH.Knox在大会特邀报告中称“在今后世界上所有的研究工作及应用中，超快科学与技术将日益显得重要和不可或缺。相对而言，目前的超快技术发展速度还嫌太慢，必需加快步伐大力发展”。目前，超快科学领域已经获得了多项诺贝尔奖。作为当前国际科技最重要的前沿方向之一，超快科学为解决室温超导材料制造、超高速计算和信息传输、太阳能电池转换效率提升、癌症和神经退行性疾病治疗等关乎国家重大需求和人民生命健康的重大问题而涉及的最底层的共性科学问题提供了强大助力。
本研究综述超快科学的发展现状、前景及存在的问题，提出加强顶层设计和协作、实施重大项目与工程、打造世界超快科学交流中心的措施建议。
超快科学前沿
1超快激光技术
钛宝石激光器的出现加之克尔透镜锁模技术和啁啾脉冲放大技术的发展，使人类真正步入超短超强脉冲时代。飞秒激光的单脉冲能量、峰值功率迅速提升至焦耳（J）、拍瓦（PW）量级，打开了超快超强激光在各个领域应用的大门。1991年，加州大学伯克利分校的Sullivan等用钛宝石振荡器和放大器在较低重复频率~10Hz产生了脉宽95fs、能量达450mJ的激光脉冲。随后，美国密歇根大学、华盛顿州立大学、中国科学院西安光机所及中国科学院物理研究所（简称“中科院物理所”）等众多研究单位在高重频（~kHz）激光器中也相继获得了能量达毫焦量级的飞秒激光脉冲。为了避免增益窄化效应和热效应，借助光参量啁啾脉冲放大（opticalparametricchirpedpulseamplification，OPCPA）技术，飞秒激光系统可以进一步提升激光脉冲峰值功率至几十拍瓦乃至更高量级，这也是产生光学周期量级超短脉冲的主要手段之一。目前，世界上已建成50多套拍瓦级激光装置。最近5年，欧盟提出的超强光基础设施（ELI）计划、法国Apollon激光装置、英国Vulcan激光装置、日本激光快速点燃实验项目（LFEX）装置等多个科研机构已实现了10PW瓦级激光输出，多个国家近期提出了100~200PW重大激光科学装置的发展计划。
另一方面，在追求更短激光脉宽的进程中，研究者发现单靠激光器腔内自相位调制和色散补偿获得的超短激光脉冲宽度逐渐接近极限（~5fs），因此将目光转向腔外压缩。最早的突破是通过腔倒空激光注入光纤实现的。1998年，中科院西安光机所的程昭等在奥地利采用中空光纤和啁啾镜技术率先获得了4fs的激光脉冲。2003年，瑞士联邦理工学院的Schenkel等结合相干电场重构法测量技术（SPIDER）和空间相位调制器（SPM）使激光脉宽进一步缩短至3.8fs。随后，日本北海道大学的Matsubara等和德国汉堡大学的Chia等利用空芯光纤后压缩技术和光波合成技术，分别获得了2.6fs和1.9fs的超短脉冲。
在可见光范围内，几fs的激光脉宽接近于一个光周期的根本脉宽极限，若要将超快激光推进至阿秒领域，则需在对应于极紫外甚至X射线波段的更高频率产生辐射。2001年，Hentschel等和Paul等采用飞秒激光与惰性气体的相互作用产生高次谐波，分别测得了百阿秒量级的阿秒脉冲串及孤立的阿秒脉冲，真正地在实验上突破飞秒尺度的界限，阿秒超快时代正式拉开序幕。
2002年，日本理化学研究所的Takahashi等利用松聚焦的TW级驱动激光在氙气中实现了高通量的HHG输出，在72.7nm波长处能量达7μJ，转换效率高达4×10-4。2009年，常增虎等通过8fs、0.8mJ、中心波长为790nm的驱动激光实现了28~620eV（波长2~45nm）的XUV超连续谱。2006年，Sansone等利用CEP稳定的少周期驱动激光（~5fs）产生了光子能量为36eV，130as的孤立脉冲。2008年，Goulielmakis等采用3.3fs的驱动激光获得低于100as的孤立脉冲，其光子能量达到了80eV。Zhao等在2012年通过双光选通技术获得了中心光子能量90eV（波长约14nm），67as的孤立脉冲。2017年，美国中佛罗里达大学的常增虎等及瑞士苏黎世联邦理工学院的Wrner等采用类似的驱动激光（中心波长~1.8μm），分别产生了53、43as的最短脉冲，打破了世界纪录。
图3孤立阿秒脉冲在脉冲宽度上的国内外发展现状
近20年，随着超快科学的迅速发展，一批大科学装置，如欧盟“极端光设施阿秒光脉冲源（ExtremeLightInfrastructure-AttosecondLightPulseSource，ELI-ALPS）”、美国“直线加速器相干光源（linaccoherentlightsource，LCLS）”等相继建成并推动着新一代阿秒光源的发展。中国对先进阿秒光源大科学设施也进行了布局。
2超快测量技术
超快激光凭借其超短和超强特性为人类研究超快现象提供了强有力的手段，在物理学、化学、生物学、材料科学、医学及工业领域有广泛的应用。随着超快激光的应用领域日趋扩大，作为评价和应用超短脉冲的前提，超快测量技术和超短脉冲的产生技术具有同等重要的意义。对基础研究而言，必须精确知道脉冲在产生传输和变换过程中的特性，才能揭示超快过程中的物理机制。为了满足不同应用领域的需求，则需要针对性地选择不同特性的激光以达到应用目的。纵观超短激光脉冲测量技术的发展历史，其进步与超短激光脉冲产生技术的发展是分不开的。因此研究超短激光脉冲测量技术，完整准确地了解脉冲的宽度、相位及形状信息，是超快科学研究中非常重要的内容。
图4利用PROOF技术反演获得的窄带阿秒脉冲
3超快物理、化学与生物学
图6相干衍射成像技术示意及基于CDI方法的分子结构重建结果
（单分子的反演衍射分布和重建后的分子结构）
此外，将超快激光与扫描隧道显微镜（scanningtunnelingmicroscope，STM）技术相结合，也可以实现在纳米甚至亚纳米尺度上对微观粒子动力学的探测。2022年，Luo等基于STM采用尖端增强拉曼光谱（tip-enhancedRamanspectroscopy，TERS）技术，在亚纳米分辨率下追踪到了分子和低维材料的振动指纹信息。在生物领域中，飞秒激光技术的发展为研究生物体中的超快现象提供了可能，特别是研究光合作用的能量传递以及电荷分离过程，有助于人类有效利用太阳能、揭示自然界作用机制并提高农业产量。此外，对于人体视觉过程中视紫质中的光致异构化过程、DNA/RNA中的能量转移过程等其他医学领域的研究，飞秒激光测量技术也起着十分重要的作用。
超快科学应用
1信息通信
激光技术的出现，促进了信号载体从电子向光电子转变，引领人类文明进入信息时代。目前，超快激光技术已应用于信息领域中传输、显示、信息处理、传感、探测、存储等诸多领域，对推动国家信息化、国防建设、航空航天、能源环境等民生及国家重大战略安全领域作出了巨大贡献，也为科学探索和科技创新提供了前所未有的手段和机遇。
低损耗光纤技术的出现直接推动了光纤通信技术的商业化应用，光纤通信的传输速度更快、能量损耗更小、激光调制速率更高，对通信性能的提高是颠覆性的，具有巨大的经济价值和无限的产业前景。随着激光器性能的提升和波分、时分、码分等复用及相干通信等技术的发展，目前中国光纤通信已经突破一根普通光纤中速率100Tb/s，无中继数据传输80km。在光纤通信带宽的不断提升下，全球互联网环境建立，并成为如今发展最迅速的领域。无线激光通讯领域结合了无线电通信和光纤通信的优点，通信速率高、通信容量大、抗干扰能力强、抗截获能力强、重量轻和功耗低，在军事和民用领域均具有重大的战略需求与应用价值。2011年，哈尔滨工业大学开展了国内首次星地激光通信链路数据传输试验，下行最高速率为504Mb/s。2017年，搭载“实践十三号”高通量卫星的星地激光通信终端成功开展了世界上首次高轨卫星对地高速激光双向通信试验，在星地距离40000km时，最高下行速率为5Gb/s。
在光信息存储方面，超快激光技术的发展颠覆了以往磁存储技术的容量概念，其数据存储寿命长且存储介质稳定，数据可保存10年以上。此外，光存储移动性好、能耗低、成本低，成为当今乃至未来应用最广、效率最高、容量最大的存储技术。面对大数据、云计算、物联网、人工智能的需求，超大容量光存储技术得到快速发展，容量已经超过太字节，并发展了体全息存储、近场光学存储和双光子双稳态存储等多种光存储技术。采用激光全息技术的全息存储，能实现三维图像存储，具有更大的存储容量。目前，随着各种信息爆炸式增长，日常需要处理的信息容量将以太字节计，信息流以Tb/s计。光存储正在突破衍射极限向超高密度信息存储方向发展，由二维到多维存储。新型高容量光存储技术研究及实用化发展迅速，蓝光存储技术已实现产业化并在不断扩大规模，双光束超分辨和玻璃存储技术进入工程化和产业化推进阶段，多波长多阶光存储和全息存储等技术已趋向成熟，而荧光纳米晶体存储、脱氧核糖核酸（DNA）存储技术及近场光存储等技术的研究也不断取得进展。随着激光器性能的提高和存储技术的进步，2019年单个光盘存储容量达500GB，未来有望突破1TB。
2生物医学
在激光诊断技术方面，借助激光与物质的各种相互作用（散射、吸收等）可以测量生物组织的微观结构、生理作用、生化分子浓度分布等关键指标，从而获取生物组织的结构和功能信息，剖析疾病的发生发展过程。典型的激光成像技术，如光学相干断层成像（OCT）、激光荧光显微分析、光声成像、多光子显微成像、拉曼成像等非接触无标记成像诊断技术，已逐渐走向临床应用。时域OCT（sweptsource-OCT，SS-OCT）作为代表性的光学诊断技术，以无损伤的近红外超快脉冲激光为光源，配合扫描仪器，能够通过反复扫描采集到所需的样品信息，可实时获得类似于组织病理的视网膜断层图像，广泛应用于眼科多种疾病的诊断。基于超快激光的双光子显微成像技术是观测生物微观结构与功能的重要工具。由于近红外超快激光的辐射作用较弱，不易引起生物组织内水分子共振，且穿透生物组织能力较强，因此，红外超快激光与双光子激发相结合能极大程度地推动生物光子学基础研究，特别是在脑科学领域，该技术是观察和剖析大脑神经活动中复杂机制的关键手段。对神经细胞膜电位变化进行实时记录，有助于理解和掌握大脑神经元网络、神经回路活动机制和信息处理机制。
3加工制造
在微电子领域，光掩模和光刻技术作为芯片集成制造中的关键环节，是联络集成电路设计与制造的纽带。飞秒激光技术可实现对光掩模缺陷的高质量修复，同时不损伤衬底硅材料及其相邻的区域，为工业上生产亚100nm线宽无缺陷光掩模提供了新的工具。近些年，电子束曝光技术作为普遍采用的新型光刻技术之一，具有波长短、焦深长、分辨率高等优点，然而受限于最小线宽、生产速度、工艺集成性等一系列劣势，使该技术很难用于光掩模的大规模生产。新加坡南洋理工大学的Venkatakrishnan等采用飞秒激光直接刻写技术实现了一种全新的光掩模制造技术，并在实验上获得1μm的均匀线宽。同时，这种一步式刻写技术对于微电子器件制造领域也具有非常重要的意义。
此外，超快激光在透明材料内的传播过程中可产生非线性吸收、等离子体、烧蚀等现象，能实现高力学、光学性能焊接，在透明材料焊接领域具有重大应用价值。基于超快激光的双光子聚合技术能实现精度达100nm的3D打印，在智能光学、生物传感、仿生器件等多个领域有着广泛的应用前景。
超快科学未来的发展趋势
1引领产业化发展
超快科学对高新技术产业有着重要的支撑和促进作用。除了超快科学直接催生的激光技术和超快测量技术，加工制造、信息技术、清洁能源、生物医药、新材料等下游产业对发展超快科学也提出了迫切需求，预期带动产值近万亿元人民币。同时，超快激光结合光信息和光分析技术，推动生命科学、环境科学、食品安全等领域的产业发展。这些产业的发展将反哺基础研究并孕育新型革命性技术。
以超快科学为科技创新的突破口，有望引领新一代产业变革和产业结构调整，实现中国在《十四五规划和2035年远景目标纲要》中战略部署的新一代信息技术、智能制造、航空航天、生命健康等领域的进一步突破，引导并推动这些领域向规模化、高端化及自主化发展，抢占未来经济发展的先机。
2解决底层重大科学问题
当前，随着超快科学研究方法和技术水平的逐步提升，国际上已经进入了超快科学研究成果的井喷期，在多个科学和应用研究领域涌现出了众多原始创新。中国应抓住这一重要关键时期，加速布局、发展超快科学。
3依托大科学装置
超快科学发展的现有问题及思考
1现有问题
超快科学是科学与技术高度融合相互促进的典范，是兼具广度和深度的学科，当前中国超快科学还存在若干重要问题亟待解决。
1）学科发展顶层设计不足，导致研究无法形成巨大合力。
当前中国超快科学主要为自由探索式研究，科研力量较为分散，导致基础研究相对薄弱，核心技术自主研发不足，超快科学研究手段普及度不够，缺少学科之间的交叉融合，且同多个领域的产业结合不深入。迫切需要对学科发展和产业布局进行整体的规划和顶层设计，凝聚科研力量和资源。
2）创新链-产业链不强，导致产业转化和自主能力缺乏。
3）高水平技术人才储备不足，导致可持续发展受限。
4）缺乏科学的评价机制，导致核心人才培养难。
超快科学领域重大成果产出需要足够的科研积累，且其必需的高端装备和器件研制周期长、技术难度大、难出成果。然而，传统评价周期短，缺少分类评价标准，导致科研人员愿意从事短平快项目的研究，严重影响了部分科研人员的积极性和创造性，影响了超快科学研究的创新创效和科研转化。
2思考与建议
1）加强超快科学顶层设计，设立重大专项，推动多学科交叉融合。
建议“十四五”期间对超快科学发展进行战略研究部署，制定中国超快科学发展规划，加强国家对超快科学的布局、引导。针对超快动力学研究、高端装备研制、特殊光学镀膜、超精密激光制造等设立重大专项，例如科技部重点研发计划、自然科学基金重大项目、基础研究中心、交叉研究重点项目等；建立超快科学中心，为各学科领域提供波段全覆盖的皮秒至阿秒超快研究平台；组建超快科学全国性学术咨询和指导机构，成立超快科学学会；制定统一的超快行业技术标准，推动科学与技术的协作和多学科的交叉融合。
2）构建超快科学政产学研用协同攻关体系。
充分调动政产学研用各方面优势力量，构建联合攻关体系。以国家重大科学问题和产业需求为牵引，实现基础研究促应用、应用牵引基础研究的双向驱动发展。发展关键器件和基础技术，以期摆脱对国外的依赖，实现自立自强。推动高时空分辨诊断仪器、超短脉冲激光等高端装备商品化，为各学科领域提供可靠、易使用和经济的研究工具，显著提升国产科研仪器的占有率。
3）完善人才评价体系，推动超快科学关键人才培养。
深化人才发展体制改革，发扬大国工匠精神，实施更加有效的人才激励政策，吸引并鼓励科技人员潜心以十年磨一剑的决心和韧劲开展超快科学研究。包括对投身不同方向和层面的科研人员进行分类评价，以能力和贡献为导向建立科学评价指标，对作出突出贡献的人员应有所激励，充分调动和激发全体科研人员的积极性和创造性；依托人才项目长期持续培养从事基础理论、关键器件、高性能激光技术、高端装备研究及超快应用的人才；提高关键核心器件研制人员的待遇，推进中国高端装备自主化。
4）持续支持重大科技基础设施的建设与运行，实施国际大科学计划，打造世界超快科学交流中心。
建议持续支持超强超短激光、自由电子激光等国内已有超快科学研究设施投入，同时加快国内尚未有的以阿秒光源为代表的新型大科学设施的布局与建设，为源头性创新提供强大的研究平台。同时，针对中日韩、中欧、中美设立国际合作项目，实施国际大科学计划，打造世界超快科学交流中心，促进人员互访与联合人才培养，抢占超快科学国际话语权。
结论
本文作者：雷冰莹、张理奕、林华、付玉喜、赵卫、侯洵
作者简介：雷冰莹，中国科学院西安光学精密机械研究所阿秒科学与技术研究中心，特别研究助理，研究方向为高功率激光技术；付玉喜（通信作者），中国科学院西安光学精密机械研究所阿秒科学与技术研究中心，中国科学院大学，研究员，研究方向为阿秒科学与技术；赵卫（通信作者），中国科学院西安光学精密机械研究所阿秒科学与技术研究中心，中国科学院大学，研究员，研究方向为超快光学；侯洵（通信作者），中国科学院西安光学精密机械研究所阿秒科学与技术研究中心，研究员，中国科学院院士，研究方向为瞬态光学与光电子学。
原文发表于《科技导报》2023年第10期，欢迎订阅查看。
内容为【科技导报】公众号原创，欢迎转载白名单回复后台「转载」