超快激光是激光中的一種，是脈沖波在fs量級(jí)上的激光。飛秒（fs）是極短的時(shí)間單位，即10^-15s ,僅僅是1千萬(wàn)億分之一秒，如果將10fs作為幾何平均來(lái)衡量宇宙，其壽命僅不過(guò)1min而已。在如此短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的脈沖波，我們可以預(yù)料到一定有著許多有趣的性質(zhì)，內(nèi)為我們的科學(xué)實(shí)驗(yàn)帶來(lái)許多幫助。

激光，顧名思義是“激發(fā)出來(lái)的光”，產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)是原子的受激輻射，這個(gè)過(guò)程是由愛(ài)因斯坦最早在1916年在理論上發(fā)現(xiàn)的。受激輻射概念剛提出時(shí)沒(méi)有收到應(yīng)有的重視，雖然1924年就有一位德國(guó)的科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)上簡(jiǎn)介地證實(shí)了受激輻射的存在。但真正導(dǎo)致熱門重新發(fā)掘受激輻射概念所隱含的巨大潛力是在二次世界大戰(zhàn)之后，當(dāng)人們企圖將想干滇西波段從長(zhǎng)波擴(kuò)展到微波乃至光波是，發(fā)現(xiàn)只有借助于分子、原子這樣的圍觀體系才能實(shí)現(xiàn)短波長(zhǎng)的相干電磁波放大，愛(ài)因斯坦的受激輻射正是實(shí)現(xiàn)這種想干放大的物理機(jī)制。

要產(chǎn)生激光，需要解決兩個(gè)矛盾。首先是受激輻射與受激吸收的矛盾。根據(jù)玻爾茲曼分布，熱平衡的原子體系中總有低能級(jí)上的原子數(shù)多于高能級(jí)上的原子數(shù)，當(dāng)光與體系發(fā)生相互作用時(shí)，由于吸收比受激發(fā)輻射顯著，結(jié)果是將導(dǎo)致光信號(hào)的衰減。因此，產(chǎn)生激光的一個(gè)基本條件就是要實(shí)現(xiàn)體系中粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)。已處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的戒指叫做激活介質(zhì)貨增益介質(zhì)，它具有對(duì)光信號(hào)的放大能力。為使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，需一外界能源以適當(dāng)?shù)姆绞綄?duì)原子體系產(chǎn)生作用（泵浦），此能源被稱為泵浦源。產(chǎn)生激光所要解決的另外一個(gè)矛盾就是受激輻射與自發(fā)輻射的矛盾。在原子體系中，這兩種過(guò)程同時(shí)存在，相互競(jìng)爭(zhēng)。為產(chǎn)生激光，需使受激輻射處于優(yōu)勢(shì)地位。為此，需選擇合適結(jié)構(gòu)的光腔（或足夠長(zhǎng)的激活介質(zhì)），在軸線方向的自發(fā)輻射通過(guò)反復(fù)增益獲得較高的光場(chǎng)能量密度，從而得以受激輻射為主的輸出。

激光與普通光源又極大的不同，它具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性等特征。在加工、存儲(chǔ)、醫(yī)療、通信、雷達(dá)、科研、國(guó)防等領(lǐng)域有著極為廣泛的應(yīng)用。而飛秒激光作為一種特殊的激光，在各種性質(zhì)加強(qiáng)后經(jīng)歷了量變到質(zhì)變的過(guò)程，有著更為奇特的性質(zhì)。

飛秒激光不是一直發(fā)射的，而是每個(gè)一段時(shí)間T發(fā)射的一個(gè)包絡(luò)。其脈寬極短，每個(gè)脈寬持續(xù)的時(shí)間都在飛秒量級(jí)。此外，飛秒激光不再是單色的了，而是具有不同顏色成分。這與傳統(tǒng)意義上的激光已經(jīng)不同了。

超快激光具有極高的功率和功率密度，目前一個(gè)激光系統(tǒng)甚至可產(chǎn)生高達(dá)10¹⁵瓦的峰值功率，而全世界電網(wǎng)的平均功率只不過(guò)10¹²瓦數(shù)量級(jí)。如此高的功率下可以創(chuàng)造出許多極端的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，如超強(qiáng)光場(chǎng)：10²¹ W/cm ，超強(qiáng)電場(chǎng)：> 10¹¹ V/cm，超強(qiáng)磁場(chǎng)：> 10⁹ G，超高加速度：10¹⁹  g，超高溫：>10⁹  K，超高壓: >  10⁸Bar 。這為我們研究極端條件下的物理現(xiàn)象提供可能。 近年來(lái)新型小型化超快激光技術(shù)的迅猛發(fā)展，為人類提供了全新的實(shí)驗(yàn)手段與極端的物理?xiàng)l件。這種在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造的極端物理?xiàng)l件，目前還只有在核爆中心、恒星內(nèi)部、或是黑洞邊緣才能找到。在當(dāng)今超快激光技術(shù)已經(jīng)提供并將由于其進(jìn)一步發(fā)展而能提供的越來(lái)越強(qiáng)并越來(lái)越快的光場(chǎng)條件下，激光與各種形態(tài)物質(zhì)之間的相互作用，將進(jìn)入到前所未有的高度非線性與相對(duì)論性起主導(dǎo)作用的強(qiáng)場(chǎng)超快范圍，并將進(jìn)一步把光與物質(zhì)的相互作用研究深入到更深的物質(zhì)層次，甚至光與真空的相互作用，由此開(kāi)創(chuàng)了超快激光這一全新的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)前沿領(lǐng)域。

近十幾年來(lái)，由于啁啾脈沖放大(chirped pulse amplification, 簡(jiǎn)稱CPA)技術(shù)的提出和應(yīng)用，寬帶激光晶體材料（如摻鈦藍(lán)寶石）的出現(xiàn)，以及克爾透鏡鎖模技術(shù)的發(fā)明，使超快激光技術(shù)得到迅猛發(fā)展。小型化飛秒太瓦（10¹²瓦）甚至更高數(shù)量級(jí)的超快激光系統(tǒng)已在各國(guó)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)建成并發(fā)揮重要作用。最近，更短脈沖和更高功率的激光輸出，如直接由激光振蕩器產(chǎn)生的短于5飛秒的激光脈沖，小型化飛秒100太瓦級(jí)超快激光系統(tǒng)，以及CPA技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)大型釹玻璃激光裝置上獲得1拍瓦（ 10¹⁵瓦）級(jí)激光輸出已有報(bào)道，激光功率密度達(dá)到10¹⁹ ～10²⁰ 瓦 /厘米² 的超快激光與物質(zhì)相互作用研究也已開(kāi)始進(jìn)行。

傳統(tǒng)的激光放大采用直接的行波放大，而對(duì)超短激光脈沖來(lái)說(shuō)，隨著能量的提高，其峰值功率將很快增加，并出現(xiàn)各種非線性效應(yīng)及增益飽和效應(yīng)，從而限制了能量的進(jìn)一步放大。

CPA技術(shù)的原理是，在維持光譜寬度不變的情況下通過(guò)色散元件將脈沖展寬好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，形成所謂的啁啾脈沖。這樣，在放大過(guò)程中，即使激光脈沖的能量增加很快，其峰值功率也可以維持在較低水平，從而避免出現(xiàn)非線性效應(yīng)及增益飽和效應(yīng)，保證激光脈沖能量的穩(wěn)定增長(zhǎng)。當(dāng)能量達(dá)到飽和放大可獲得的能量之后，借助與脈沖展寬時(shí)色散相反的元件將脈沖壓縮到接近原來(lái)的寬度，即可使峰值功率大大提高。