遥感地质应用的第一步是选择合适的遥感数据以满足从图像上识别地质体的需要，图像类型的选择依据为地面分辨率、光谱分辨率和时相分辨率，其中地面分辨率、光谱分辨率为图像优选的主要依据。在选择了合适的图像类型后，时相分辨率在特殊景观条件下具有重要意义。地面分辨率是传感器能分辨可显示地物的最小面积，线状大于 0.2 mm、面状大于0.5 mm×0.5 mm的可显示地物，人眼均能识别。由于地质调查内容包括线状地物和面状地物，因此地面分辨率的选择应以最小面状地物的识别为准，选择图像理论上的最佳比例尺为：B≤L/P，其中 B 为最佳比例尺，L 为可显示的最小线度，P 为像元点的边长。考虑到面状地物最小识别能力，L 取 0.5 mm 为宜，计算可知，目前常用的 TM、ETM、SPOT、CBERS-1及 RADARSAT卫星数据及航空遥感资料均可满足 1∶25 万地质调查对遥感地面分辨率的需要。目前区域地质调查中应用的光谱主要为 0.38～2.5μm的可见光—短波红外段和7.0～15.0μm热红外光谱段，各种岩石矿物在不同谱段具有不同的特征光谱，谱段的宽窄、范围对目标地质体的识别作用不同，通过选取合理的波段及图像处理方法能够有效地提取地质目标。从现有卫星数据看，TM/ETM、SPOT、CBERS光谱范围均可不同程度地识别地质目标，其中尤以 TM/ETM为最佳，RADARSAT对云雪、植被等有一定的穿透能力，也是一种可选择的数据源。
金属波导与金属谐振腔广泛应用于分米波、厘米波以及较长的毫米波段。由于波导的横截面及谐振腔的尺寸与波长相近，例如矩形波导工作在 TE01 模时，其宽边尺寸大于二分之一波长，因此到了短毫米波段以及亚毫米波段，金属波导及谐振腔的尺寸太小，难于制造。在红外波段或可见光波段，即波长为微米量级时应用金属波导或谐振腔更不可能。为此，介质波导以及介质谐振器迅速的发展起来并获得广泛的应用。 虽然介质波导及介质谐振器的尺寸也处于波长可以相比的量级，但易于用微细加工手段制成微小尺寸。例如，截面尺寸为微米量级的光学纤维及光波导都属于介质波导。 金属波导中的场可以被看成是平面波在导体面之间往复反射造成的，介质波导中的场也可被看成是电磁波在介质界面之间全反射所造成的。因此，被疏媒质包围的密媒质就形成介质波导。 理想的金属波导内电磁场沿横向呈驻波，在波导边界以外近似于理想导体，不存在电磁场。在介质波导内电磁场沿横向呈驻波，但在介质波导外仍然存在电磁场，它沿横向呈渐减状态，称渐消场。 在充填均匀媒质的金属波导中，TE 模和 TM 模可以单独的满足波导壁的短路边界条件，因此永远可以将 TE 模与 TM 模分开，他们都可以在金属波导中传播。当金属波导中填充两种以上的媒质时，或部分充填介质时，电磁场除满足导体壁上的边界条件外，还必须满足媒质界面的连续条件。在均匀填充两种以上媒质的情况下只能有 TE 与 TM 的混合模式 HEM 模式。在了解了以上内容以后，可以接下来进一步了解介质谐振器。
早在1939 年，介质谐振器的概念和理论就已经被提出但因为没有找到适当的介质材料，这个理论沉睡了 20 多年，未获得实际的发展，到了 20 世纪 60 年代金红石瓷等高介电率陶瓷（ε≈80100）的研制成功，使介质谐振器又开始被人们注意。但是因为金红石瓷的温度系数太高，限制了它的实际应用。20 世纪 70 年代研制了钛酸钡系和钛酸锆系陶瓷，它们的介电率高，损耗小，温度系数低，才使得介质谐振器实用化。 介质谐振器具有体积小，重量轻，品质因数高，稳定性好等优点。特别是便于应用在微带电路或微波集成电路中和毫米波段，受到很大重视，发展很快。当介电率很高时介质与空气的界面近似于开路面，电磁波在界面上的发射系数接近于 1。这时可以把介质谐振器的表面看成是开路壁，即磁壁。于是介质谐振器成为具有齐次边界条件的封闭系统，即等效开路壁（磁壁）谐振腔。
谐振器专业术语:
1.confocal resonator 共焦谐振器
2.resonator 共振器；谐振器
在区域地质调查中，应用遥感技术经历了从黑白航空相片目视解译到广泛应用多平台多传感器航空航天遥感各种信息的过程。目前随着传感器系统的探测能力、质量、品种和分辨率的大大提高，可供遥感地质应用的航空航天遥感数据越来越多，其应用领域也不断扩大，遥感数据处理、解译、成果和交流也正在逐渐向数字化和自动化方向发展。在中小比例尺的区域遥感地质调查中，已形成了以航天遥感数据为主，地面分辨率高的航空遥感为重要补充的技术格局；同时，遥感技术与地质、物化探等地学学科，以及其他领域的某些新技术、新方法（如GIS、GPS等）紧密融合，使区域地质调查中的遥感应用成为多学科、多技术互相渗透的综合应用体系。
目前国内使用的星载多光谱遥感系统主要为表1-1所列。
表1-1 目前常用的星载遥感技术系统
从表1-1可以看出，TM数据的光谱覆盖范围0.45～2.35μm，划分7 个波段，最小的光谱间隔达6 nm，除一个热红外波段分辨率为 120 m 外，其余分辨率均为 30 m，幅宽185 km。整个波谱范围包括地球表面的各种再生***与不可再生***反映出的反射光谱及热辐射特性。由于 TM探测器波段设置合理，多波段优化组合图像可满足不同类地质信息解译提取，且效果明显，价格适中，适用于1∶25万区域地质填图应用。
ETM数据的光谱覆盖范围，除全色波段外，与TM完全一致，其地质应用效果相同。由于ETM增设了0.5～0.95 μm的全色波段，分辨率为15 m，这样就为最佳波段融合处理提供了方便，且使图像解像率提高，地质信息更加丰富，细节更加清晰，价格适中，是1∶25万遥感地质填图的理想数据。
SPOT数据的光谱范围0.5～0.89 μm，划分4个波段，其中3个多光谱波段分辨率为20 m，全色波段分辨率为10 m。由于其空间分辨率高，故图像信息丰富。因地面覆盖范围仅为60 km，相当于TM的1/3，单位成本高，故虽然是1∶25万遥感填图的理想数据源，但受价格影响，实际应用难度较大。
CBERS-1数据的光谱范围为0.45～12.5μm，划分为11个波段，其中 CCD为5个，分辨率为19.5 m；红外光谱扫描仪为4个，分辨率为78～156 m；宽视场成像仪为2 个，分辨率为258 m。尽管 CBERS-1CCD相机各波段的空间分辨率较高，但为用户提供的数据波段数较少。因此，给波段组合选择带来困难，无法完成最佳波段组合的选择。在遥感填图的实际应用过程中，可作为一种数据源使用。
合成孔径雷达成像技术可产生高分辨率目标图像，能直接显示目标物电磁波辐射特性的几何分布的成像雷达技术及其应用取得了重要进展。起初对 SAR 的应用研究是在机载条件下进行的。随着1***8年 L波段Seasat SAR的发射、1981 年 SIR-A的上天及1984 年数字记录的SIR-B的升空，特别是进入20 世纪 90 年代，原苏联的 Almaz SAR、欧洲空间局的 ERS-1、ERS-2 SAR、日本的JERS-1 SAR、加拿大的Radarsat-1 SAR和美国航天飞机成像雷达SIR-C/X-SAR的成功发射与运行，更是将微波遥感技术的应用与研究推向了***（表1-2）。
表1-2 主要在天星载合成孔径雷达系统特征
RADARSAT-1 SAR数据来自加拿大1995年发射的雷达卫星。该卫星具有不同的成像技术参数（表1-3）。
从表1-3可以看出，RADRASAT-1 SAR有 7 种不同的成像方式，每种方式对应着不同的分辨率、侧视角等参数。
在实际应用中，所***用的数据为WIDE模式成像，侧视角为20°～49°，幅宽150 km×150 km，主要技术参数见表1-4。
表1-3 Radarsat-1 SAR数据主要技术参数
表1-4 阿龙山地区 RADARSAT-1 SAR数据主要技术参数
Radarsat-1 SAR数据不仅仅提供了原始数据，而且提供了原始数据单个记录格式的描述、数据记录数、数据质量、数字信号直方图、处理后数据直方图、数据处理参数、卫星平台参数、姿态数据、辐射数据等，利用这些数据可以进行 Radarsat-1 SAR数据的各种预处理。
机载遥感技术系统包括航空摄影（黑白、彩色、彩色红外）、光谱扫描（多光谱、热红外、成像光谱）、雷达等。目前区域地质调查中使用最多的航片是彩色红外航片，由于其空间分辨率和地面分辨率高，可满足区调填图各类地质体信息提取，但由于受数据形式、相片尺寸及价格限制，故在实际应用中难度较大；而成像光谱技术是20世纪90年代以来发展较快、应用前景巨大的遥感技术，已进入实用化的机载成像光谱系统为 NASA的AVIRIS、美国GER公司的DAIS、澳大利亚的 HYMAP成像光谱仪，我国863-308 主题研制的OMIS模块化成像光谱仪也正在试运行中。成像光谱主要技术参数如表 1-5 所列，随着星载成像光谱系统的发射，成像光谱技术必将对区域地质与矿产勘查产生重大的影响。
表1-5 目前常用的机载成像光谱技术系统
1.地理信息系统的物理外壳是一个计算机化的技术系统，它由若干相互关联的子系统组成，如数据***集子系统、数据管理子系统、数据处理与分析子系统、图像处理子系统、数据产品输出子系统等。这些子系统的质量和结构直接影响GIS的硬件平台、功能、效率、数据处理方式和产品输出类型。2.GIS的操作对象是空间数据，即具有点、线、面、体等三维要素的地理实体。空间数据最根本的特点是每一个数据都按照统一的地理坐标进行编码，实现了其定位、定性和定量描述。这是GIS区别于其他类型信息系统的根本标志，也是技术难点。3.GIS的技术优势在于其数据综合、模拟、分析和评价能力，可以获得常规方法或普通信息系统难以获得的重要信息，实现地理空间过程演化的模拟和预测。4.GIS与测量学和地理学密切相关。大地测量、工程测量、矿山测量、地籍测量、航空摄影测量、遥感技术为GIS中的空间实体提供各种不同比例尺、不同精度的定位号；电子测速仪、GPS全球定位技术、解析或数字摄影测量工作站、遥感影像处理系统等现代测绘技术的使用，可以直接、快速、自动地获取空间目标的数字信息产品，为GIS提供丰富、更加实时的信息源，推动GIS向更高层次发展。地理学是地理信息系统的理论支撑。有学者断言“地理信息系统和信息地理学是地理科学第二次革命的主要工具和手段。”如果说GIS的兴起和发展是地理科学信息革命的一把钥匙，那么信息地理学的兴起和发展将是地理科学信息革命的一扇大门，必将为地理科学的发展和完善开辟一个崭新的天地。“GIS被称为地球科学的第三代语言——以数字形式描述空间实体。遥感遥感是在航空摄影基础上发展起来的一门新技术，发展于20世纪60年代初。自1***2年美国发射第一颗陆地卫星以来，标志着太空遥感时代的开始。经过几十年的发展，遥感技术已经广泛应用于***环境、水文、气象、地质地理等领域，成为一项实用而先进的空间探测技术。遥感利用遥感器从空中探测地面物体的特性。根据不同物体对光谱的反应不同的原理，识别地面上的各种地物，具有感知远处事物的意义。也就是说，利用地面上方的飞机、飞船、卫星等飞行物体上的遥感器来***集地面数据，并从中获取信息，通过记录、传输、分析和解释来识别地面物体。遥感技术的主要特点:1.可以获得大范围的数据。用于遥感的航拍飞机飞行高度约为10km，陆地卫星的卫星轨道高度约为910km，可以及时获取大范围的信息。2.获取信息的速度快，周期短。由于卫星绕地球运行，可以及时获取经过区域各种自然现象的最新信息，从而根据新旧信息的变化更新原始信息或进行动态监测，这是人工实地测量和航空摄影测量无法比拟的。3.获取信息较少受到条件的限制。地球上有很多地方，自然条件极其恶劣，人类难以到达，比如沙漠、沼泽、高山。利用不受地面条件限制的遥感技术，尤其是空间遥感，可以方便、及时地获取各种有价值的信息。4.获取信息的手段多，信息量大。根据不同的任务，遥感技术可以选择不同的波段和遥感仪器来获取信息。比如可见光可以用来探测物体，紫外、红外、微波也可以用来探测物体。利用不同波段对物体的不同穿透性，还可以获得地物的内部信息。比如微波波段也可以在地下深处、水的下层、冰下水体、沙漠下的地物全天候工作。全球定位系统全球定位系统(Globle Positioning System)是一种结合了卫星和通信的发展，利用导航卫星来测量时间和距离的技术。全球定位系统(GPS)是美国在20世纪70年代开发的，历时20多年，耗资200亿美元。它于1994年完全建成。具有全方位实时三维导航定位能力的新一代卫星导航定位系统。经过我国测绘部门近十年的使用，表明全球定位系统已成功应用于大地测量、工程测量、航空摄影、车辆导航与控制、地壳运动测量、工程变形测量、***调查、地球动力学等学科，具有全天候、高精度、自动化、高效率的特点，取得了良好的经济效益和社会效益。GPS全球定位系统由三部分组成:空间部分——GPS星座(GPS星座是由24颗卫星组成的星座，其中21颗为工作卫星，3颗为备份卫星)；地面控制部分-地面监控系统；用户设备部分--GPS信号接收机。1、空间部分GPS的空间部分由24颗工作卫星组成，位于地面以上20±200km，均匀分布在6个轨道平面上(每个轨道平面4颗)，轨道倾角为55°。此外，在轨还有四颗现役备份卫星。卫星的分布使得随时观测全球任何地方的四颗以上卫星成为可能，并保持良好定位精度的几何图像。这提供了在时间上连续的全局导航能力。GPS卫星产生两组代码，其中一组称为C/ A代码(11023 MHz)。一组称为P码(10123 MHz)。P码因为频率高，干扰小，定位精度高，由美军控制，有密码，一般人无法解读，主要为美军服务。C/ A码主要由人们在***取措施故意降低其准确性后使用。2.地面控制部分地面控制部分由一个主控站、五个全球监测站和三个地面控制站组成。监测站配备了精确的铯原子钟和接收器，可以连续测量所有可见的卫星。监测站获得的卫星观测数据，包括电离层和气象数据，经过初步处理后传输到主控站。主控站收集各个监测站的跟踪数据，计算卫星的轨道和时钟参数，然后将结果发送到三个地面控制站。地面控制站将这些导航数据和主控制站的命令注入每颗运行在头顶上的卫星。这种注入是每颗GPS卫星每天一次，最后一次注入是在卫星离开注入站范围之前进行的。如果某个地面站出现故障，卫星预存的导航信息还能使用一段时间，但导航精度会逐渐下降。对于导航定位来说，GPS卫星是一个动态的已知点。恒星的位置是根据卫星传送的星历表计算出来的，星历表描述了卫星的运动和轨道参数。每个GPS卫星广播的星历表由地面监控系统提供。卫星上的各种设备是否正常工作，卫星是否一直沿着预定的轨道运行，都要由地面设备进行监视和控制。地面监控系统的另一个重要功能是保持所有卫星处于同一时间标准——GPS时间系统。这就需要地面站监测每颗卫星的时间，找出时钟差。然后由地面注入站发送给卫星，卫星通过导航电文发送给用户设备。GPS工作卫星地面监测系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。3.用户设备部分用户设备部分是GPS信号接收器。其主要功能是捕获按照一定的卫星截止角选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行情况。当接收机捕获到被跟踪的卫星信号时，可以测量接收天线到卫星的伪距和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理器可以根据位置计算方法计算出位置，计算出用户地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件、内部软件和GPS数据后处理软件包构成了一个完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为两部分:天线单元和接收单元。接收机一般***用内置和外置两种DC电源。设置内部电源的目的不是为了在更换外部电源时中断连续观察。使用非车载电源时，电池会自动充电。关机后，机器中的电池向RAM存储器供电，以防止数据丢失。目前，各种类型的接收器越来越小，越来越轻，便于现场观察。全球定位系统有六大特点:一是全天候，不受任何天气影响；第二，全球覆盖(高达98%)；三、七维定点定速计时精度高；第四，快速、省时、高效；第五，用途广泛，功能多样；第六，可移动定位。数字地球仪数字地球是对真实地球及其相关现象的统一数字再现和理解。其核心思想是利用数字化手段处理整个地球的自然和社会活动，最大限度地利用***，使普通人能够以某种方式方便地获得自己想要了解的关于地球的信息。其特点是嵌入海量地理数据，实现对地球的多分辨率、立体化描述，即“虚拟地球”。总的来说，就是通过数字化手段将地球及其活动和整个地球环境的时空变化载入计算机，实现网络上的流通，使之最大限度地为人类的生存、可持续发展和日常工作、学习、生活、服务。严格来说，数字地球是以计算机技术、多媒体技术和海量存储技术为基础，以海量地***息为纽带，对地球进行多分辨率、多尺度、多时相、多品种的描述，并以此作为支持和改善人类活动和生活质量的工具。地理信息技术是一门专业性和针对性很强的学科类别。近年来，地球物理信息技术的应用已扩展到:高分辨率地震勘探、岩石圈地球物理调查与数据处理、油气藏描述与表征、复杂油气田地球物理勘探、地震波场模拟、深度域基于模型的地震成像、井间地球物理电磁测井与层析成像、水***与工程环境勘探、非地震勘探、海洋地球物理勘探、复杂油气田的油气勘探信息分析。
一、前言
激光出现后，依托锁模技术进入了飞秒（10–15 s）超快时代，并迅速应用到物理、生物、化学和材料等前沿基础科学研究。Zewail 教授因飞秒化学方面的开创性研究荣获 1999 年诺贝尔化学奖。啁啾脉冲放大技术（CPA）进一步将激光推进到了超强时代 [1] ，相关科学家荣获 2018 年诺贝尔物理学奖。
超快超强激光是指同时具有超快时域特性和超高峰值功率特性的特殊光场，为人类在实验室中创造出了前所未有的超快时间、超高强场、超高温度和超高压力等极端物理条件，极大地促进了物理、化学、生物、材料、医学以及交叉学科等前沿科学的发展与进步。可以认为，超快超强激光是用于拓展人类认知的前沿基础科学研究最重要的工具之一，在某些方面甚至是独一无二、不可替代的研究手段。
超快超强激光技术在推动前沿基础科学研究持续拓展的同时，又面临着前沿基础科学研究因自身深化 探索 而新增的能力支撑需求，这为激光技术体系发展赋予了强劲的牵引力。本文着重梳理超快超强激光的发展与科学应用需求以及国内外技术发展情况，在此基础上就我国的领域发展目标和重点方向开展论证分析，以期为我国激光技术的稳步发展提供方向参照。
二、超快超强激光应用与发展需求分析
超快超强激光在相关前沿基础科学研究中的应用拓展，亟需进一步提升激光参数， 探索 利用激光脉冲的其他参量来将超快和超强前沿基础科学研究推进到更为深入的物质层次。根据前沿科学研究目标的差异，未来领域应用与发展的需求集中在以下两部分。
（一）超快激光及其科学应用
这一方向的未来发展需求可细分为阿秒激光乃至仄秒激光、极紫外 – 太赫兹全波段多维度参量精密可控的飞秒超快激光。
阿秒激光乃至仄秒激光追求***用更短脉冲宽度的超快激光来研究物质内部更快的超快过程，需要发展更高脉冲能量、更短脉冲宽度、更高光子能量的高性能阿秒（10–18 s）激光。将阿秒脉冲的光子能量推进到硬 X 射线波段和伽马射线波段，将脉冲宽度推进到仄秒（10–21 s）的时间尺度，从而将人类能够 探索 的物质层次从原子 / 分子水平推进到原子核尺度 [2] 。
飞秒时间尺度对应着原子 / 分子、材料、生物蛋白、化学反应等丰富物质体系的超快过程，有着广泛而重要的应用。随着研究的进一步拓展与深入，需要 探索 更加丰富和复杂的超快动力学过程，以致控制这些超快过程。为了对超快激光更多维度的参量特性进行调制和利用，不仅需要将飞秒激光的光谱拓展到红外 – 太赫兹波段、真空紫外 – 极紫外波段，还需要发展包括时域、振幅、相位、光谱、偏振、空间模式等多维度参量在内的精密调控飞秒超快激光，以极紫外 – 太赫兹全波段多维度参量精密可控的飞秒超快激光为代表。
（二）超强激光及其科学应用
根据定位和应用目标的差异，这一方向可分为低重复频率超高峰值功率超强激光、高重复频率高平均功率超强激光。其中，低重复频率是指激光脉冲重复频率在 10 Hz 及以下，高重复频率是指激光脉冲重复频率在 1 kHz 及以上。
唯有利用超强激光，人类方可在实验室中产生宇宙星体内部和原子核内部才有的极端物理条件。利用低重复频率超高峰值功率超强激光，可在实验室中研究激光粒子加速、光核物理、伽马光 – 光对撞等微观尺度的前沿物理问题，也可在宏观尺度上研究超新星爆发、太阳耀斑、黑洞吸积盘喷流等天体物理现象，还可研究引力波、暗物质、真空物理等拓展人类未知的前沿基础科学。针对国家重大理论与实验研究的需求，如激光粒子加速器、核嬗变等核物理、高能物理、激光聚变能源新途径、激光核医学等，低重复频率超高峰值功率超强激光提供了重要的科学研究工具。
在与国家战略需求相关的应用领域，如空天安全、空天环境物理等方面，高平均功率的超强激光是重要的驱动工具，以能够适应空天特殊环境的高重复频率超强激光为典型。高重复频率高平均功率的超强激光产生超强质子束、电子束、中子束、X 射线、伽马射线，以致超强太赫兹脉冲等次级超强光源作为新型工具，可以拓展到光核反应、激光推进、核聚变能源和核废料处理、疾病治疗等更为前沿的重大基础科学研究和实际应用中。
三、超快超强激光国内外研究现状
（一）超快激光及其科学应用
1. 阿秒超快激光
近 20 年的发展历程表明，宽带高次谐波产生阿秒脉冲来拓展应用的根本局限在于单脉冲能量偏低，国际主流的解决途径是建立高功率和长波长的飞秒超快激光系统。欧盟投资数亿欧元，在匈牙利建立了极端光装置 – 阿秒脉冲源（ELI-ALPS），通过两个拍瓦激光系统产生高峰值功率和高平均功率的阿秒脉冲 [3] 。长波长的中红外飞秒激光脉冲系统可产生更高光子能量和更短脉冲宽度的阿秒脉冲 [4] ，因此众多研究机构均在这方面开展工作。高重复频率阿秒激光研究也取得重要进展 [5] 。另外，通过 X 射线自由电子激光（XFEL）产生阿秒脉冲也获得了初步验证， XFEL 在产生高光子能量（硬X 射线和伽马射线波段）的高功率阿秒脉冲方面具有一定优势。
国内阿秒激光研究集中在中国科学院所属的上海光学精密机械研究所、物理研究所、西安光学精密机械研究所等科研机构。由于总体布局较晚，当前研究水平仍然相对落后。2009 年，上海光学精密机械研究所测量了阿秒脉冲链的脉冲宽度，获得了近傅里叶变换极限的阿秒脉冲激光。2013 年，物理研究所产生并测量了单个阿秒脉冲，获得了脉冲宽度为 160 as 的脉冲激光。西安光学精密机械研究所在阿秒脉冲激光研究方面承担了较多任务。国内高等院校，如华中 科技 大学、华东师范大学、北京大学、国防 科技 大学等也在开展阿秒激光的相关研究。此外，一些研究机构还在高功率激光加速产生高能电子和伽马射线等方面开展了系列工作。
2. 飞秒超快激光
利用非线性光学方法，国际上早已将飞秒激光的波长从可见 – 近红外波段拓展到深紫外 – 紫外、红外 – 太赫兹波段。自由电子激光器也已获得真空紫外和极紫外波段以及太赫兹超快飞秒激光，具有高能量和波长可调谐的优势，但相关装置较为复杂。为了研究更复杂丰富的超快动力学过程，多参量光场精密调控和多波长飞秒超快激光也获得了发展。
国内较多研究团队直接***用商用进口的飞秒激光器，叠加非线性效应来拓展波长等参量。在光场精密调控和多波长飞秒超快激光方面，上海光学精密机械研究所、上海 科技 大学、西安交通大学等机构完成了系列研究。2019 年，中国科学院大连化学物理研究所构建的自由电子激光器已经投入运行，在 50~200 nm 真空紫外与极紫外波段实现了波长连续可调的超快激光输出，发挥了飞秒超快激光对基础科学研究的支撑和拓展作用 [6] 。中国工程物理研究院利用自由电子激光实现了太赫兹波段超快激光输出。
（二）超强激光及其科学应用
这一方向的国际研究进展快速且竞争激烈，世界上已建成 50 多套拍瓦级激光装置 [7] 。
1. 低重复频率超高峰值功率超强激光
欧盟、美国、日本、韩国、俄罗斯等国家或地区均在建设十拍瓦级激光重大科学装置。近期多个国家或地区提出了 100~200 PW 重大激光科学装置的发展***。欧盟 10 多个国家的近 40 个科研机构联合提出超强光基础设施（ELI）***，旨在发展200 PW 超强激光装置，已被纳入欧盟未来大科学装置发展路线图；2019 年实现了 10 PW 超强激光输出 [8] 。法国 Apollon 激光装置 [9] 2017 年实现了5 PW 激光输出，2018 年实现了 10 PW 激光输出，更高指标输出目前有所延迟。英国 Vulcan 激光装置 [10] ******用光参量啁啾脉冲放大（OPCPA）技术，将输出脉冲峰值功率由拍瓦级提升至十拍瓦级。俄罗斯规划用于极端光学研究的艾瓦中心（XCELS）拟实现 200 PW 峰值功率，待建激光装置包含 12 束功率为 15 PW、脉冲宽度为 25 fs 超强激光，利用相干合成技术来输出激光 [11] 。日本激光快速点燃实验项目（LFEX）装置已经实现了皮秒量级、脉冲能量达 2 kJ 的拍瓦激光输出，主要用于支持快点火激光核聚变、天体物理方面的研究。韩国光州科学技术院（GIST）基于钛宝石 CPA 方案，在 0.1 Hz 重复频率下实现了 4.2 PW 激光输出 [12] 。美国罗彻斯特大学 OMEGA EP 装置具有 1 kJ/1 ps/1 PW 的激光输出能力，同步提出了百拍瓦级超强激光的发展构想。
国内低重复频率超高峰值功率超强激光研究方向起步较早，已经形成了实力较强、梯队合理的研究队伍。自 1996 年起，每两年召开 1 次的“全国强场激光物理会议”显著促进了相关领域的学术交流和研究进展。近年来，我国在此方向取得了一些重要研究成果，部分成果已经处于国际领先水平。2017 年，中国工程物理研究院基于大口径三硼酸锂（LBO）晶体和 OPCPA 技术路线获得了近5 PW 超强激光输出 [13] 。上海光学精密机械研究所利用钛宝石 CPA 方案，2016 年在国际上率先实现5 PW 激光输出，2017 年在国际上率先实现 10 PW 放大输出 [14] ；利用 OPCPA 技术也实现了 1 PW 激光输出 [15] ；2018 年在国际上率先立项并启动建设百拍瓦级超强激光装置。此外，一些高等院校近期也提出了建设数十拍瓦级激光装置的规划设想。
2. 高重复频率高平均功率超强激光
这一方向的技术方法主要分为碟片超快激光和光纤超快激光。碟片激光器在解决增益介质的热效应管理问题之后，实现了平均功率为千瓦级的输出。光纤飞秒激光具有散热好、集成方便灵活、光束质量好、转换效率高等优势，且可实现 1 MHz 以上重复频率的激光放大，近年来获得迅速发展。受限于非线性效应，光纤中的 CPA 输出能量和功率还不高。
2012 年，国际知名学者 Mourou 教授在欧盟组织启动了“国际放大相干网络”（ICAN）*** [16] ，旨在推动基于光纤飞秒激光及其组束技术的发展，实现高重复频率、高平均功率和高峰值功率的超强激光脉冲， 探索 应用于新一代粒子加速器的驱动源。在 ICAN ***（10 J/100 fs/10 kHz 超强激光）框架下，德国耶拿大学牵头完成了光纤飞秒激光时间与空间组束的众多研究。例如，已经***用 16 束光纤飞秒激光合束获得了平均功率为千瓦级的高重复频率激光输出；提出的空间相干组束（16 32）与时间相干组束或脉冲堆积相结合的新技术方案，有望更加经济地实现 300 fs/100 TW 超强激光输出 [17] 。
国内高重复频率高平均功率超强激光还缺乏系统的研究布局，仅有上海光学精密机械研究所、北京大学、国防 科技 大学、天津大学等少量研究单位各自在分立的核心技术方向上开展研究和 探索 ，如高性能增益光纤研制、碟片激光放大技术、光纤飞秒振荡器、光纤 CPA 技术、空间激光组束、脉冲时间堆积和脉冲压缩等。一些科研机构和高等院校对大模场面积增益光纤、高能量高功率飞秒激光等技术方向进行了持续研究。鉴于在微加工领域应用的良好前景，国内诸多企业开展了数十瓦功率的光纤飞秒激光产品研制，部分企业已经推出了功率为 50 W 及以上的飞秒超快激光产品。尽管发展迅速，但大多数产品需要***用国外的关键器件，而具有自主知识产权的关键器件还较少。整体来看，这方面的研究较为分散，尚未在产业链条上形成系统规划和分工协作的局面。
四、我国超快超强激光发展思路与目标
（一）超快激光及其科学应用
1. 阿秒超快激光
阿秒脉冲的光子能量突破至 1 keV 乃至 10 keV 水平，支持开展阿秒超快内壳层电子动力学、电子自旋 – 轨道动力学等基础物理过程、大分子乃至生物大分子等复杂结构的超快电子动力学与结构变化等研究。涉及的关键技术包括：高功率、少周期、载波包络相位稳定的中红外激光系统，高亮度千电子伏特级阿秒激光脉冲产生，高分辨电子与多电子动量测量，通过康普顿散射方法将光子能量推进到硬 X 射线波段和伽马射线波段。
超快脉冲的脉冲宽度突破至仄秒水平，支持开展深内壳层电子动力学乃至原子核的动力学研究。阿秒脉冲的光子能量达到 10 keV 水平乃至伽马射线波段，阿秒脉冲宽度具备进入仄秒时间尺度的可能性。涉及的关键技术包括：与提高产生效率相关的技术，与实际应用相关的超快测量技术，仄秒脉冲宽度测量等。
2. 飞秒超快激光
随着飞秒超快光谱基础科学研究的发展，除了利用脉冲时域特性以外，光谱和偏振特性也是可以利用的重要特性。后续主要研究思路为：发展兆赫兹重复频率极紫外 – 太赫兹波段宽带飞秒激光，发展高性能、多波长的飞秒激光脉冲和多波长飞秒光频梳，实现同时脉冲形状和空间径向偏振（或涡旋）的、精密调控的特殊时空结构飞秒激光；发展吉赫兹重复频率超快激光，突破单光子和量子纠缠等新型超快光谱技术，提升超快光谱的稳定性和探测效率，支持更加纯粹的微观体系和更加复杂的多体超快动力学过程研究；利用多参量精密可控的超快激光，研究脑科学、肿瘤、生物发育与再生等方面的生物过程精密光控制。
（二）超强激光及其科学应用
1. 低重复频率超高峰值功率超强激光
需求牵引在于重大前沿物理科学问题研究，以期拓展人类认知。后续发展方向依然是继续提升激光的峰值功率（从 100 PW 到 1 EW），抢占最高聚焦功率密度（1025 W/cm2 ）的技术高地，为科学前沿研究提供最先进的极端物理条件。为了提升这类前沿实验的效率和可靠性，还应适当提升超强激光的重复频率，开展涡旋光等特殊光场的超强激光输出及其应用研究；时空电场精密控制与波长调谐的超强激光将进一步拓展应用范围。随着激光聚焦功率密度的不断提升，激光脉冲的时间对比度要求越来越高，应针对性开展有关输出与测量的创新研究。此外，大口径激光聚焦的创新研究和设计成为发展亟需，在有效提升聚焦功率密度的同时，可缓解放大输出激光能量伴生的成本问题。
峰值功率和重复频率是未来研究发展的突破口。预计在 2025 年、2030 年和 2035 年，将分别实现 100 PW、500 PW 和 1000 PW（1 EW）峰值功率的激光输出，在重复频率方面也将取得突破性提升。①利用 5 年左右的时间，实现单发 100 PW 峰值功率输出、重复频率 10 PW 激光输出；激光装置进行真空极化处理，支持天体物理、反物质等基础研究初步取得开创性科研成果。②利用 10 年左右的时间，通过提升泵浦激光能量来突破大尺寸光栅等关键元器件的研制和延寿问题，利用空间激光合束等方法实现 500 PW 激光输出，支持开展引力波、暗物质等前沿重大研究。③利用 15 年左右的时间，在更高功率泵浦激光方面，通过提升大尺寸光栅等关键元器件的尺寸和损伤阈值，结合空间相干组束方法来实现艾瓦级激光输出；发展新型聚焦系统，将聚焦功率密度提升至 1025 W/cm2 ； 探索 基于光和物质相互作用的新原理、新方法来实现艾瓦级激光输出，为激光发展开拓新的技术方案；获得达到近量子电动力学（QED）区域的超强激光，支持开展更加前沿的强场激光物理研究。
2. 高重复频率高平均功率超强激光
根据我国的现有技术水平、技术发展预期和国家重大需求，高重复频率高平均功率超强激光发展具有以下发展趋势。①利用 5 年左右的时间，重点掌握飞秒光纤 CPA、空间相干组束、脉冲时间堆积、大能量脉冲压缩等核心技术，通过路径和设计创新，降低这类激光的复杂性、难度和成本。②利用 10 年左右的时间，在实验室中产生太瓦级千赫兹重复频率的超强激光输出；重点开展强场激光物理中的高次谐波产生阿秒激光脉冲、激光电子加速等研究，获得高通量的阿秒激光脉冲，促进原子 / 分子和材料中阿秒动力学研究的发展；通过激光技术突破来带动工业应用的***展，降低光纤飞秒激光的功率成本。③利用 15 年左右的时间，实现十太瓦级千赫兹以上重复频率的超强激光输出；通过工业领域的批量应用来驱动光纤飞秒激光功率成本的显著降低；对太瓦级激光进行空间合束，在实验室中实现十太瓦级高重复频率的超强激光；重点开展小型化粒子加速器研究，促进高重复频率、高能量质子束在医疗领域的拓展应用；利用激光产生的高能中子源， 探索 激光聚变能源和核废料处理等重要方面的应用。
五、超快超强激光的重点技术方向
1. 阿秒超快激光
未来重点发展方向主要包括：高能量单个阿秒激光脉冲，高平均功率（高重复频率）阿秒激光，高光子能量阿秒脉冲，拓展阿秒脉冲应用的小型化高重复频率阿秒脉冲。相关的技术发展方向为：高品质的少周期（含中红外）激光脉冲技术，简单便捷的阿秒激光脉冲测量技术、新型阿秒激光应用技术，高品质高亮度硬 X 射线和伽马射线产生技术、仄秒激光技术等。
2. 飞秒超快激光
未来重点发展方向主要包括：多波长高性能飞秒激光技术，宽带双频 / 多频梳飞秒激光技术，兆赫兹高重复频率高性能真空紫外 – 极紫外、红外 –太赫兹超快激光技术，径向偏振和涡旋等特殊偏振与空间模式的飞秒激光技术，吉赫兹高重复频率小型化量子点超快激光技术，垂直腔面发射（VCSEL）超快激光技术，涉及时域、光谱、偏振、空间、相位和振幅等多维度光场精密调控的飞秒激光技术等。
3. 低重复频率超高峰值功率超强激光
聚焦功率密度、对比度是最重要的参数指标，应进一步发展放大技术、脉冲压缩技术、空间聚焦技术、对比度提升与测量技术。未来重点技术方向具体包括：高通量放大技术（即超大能量的 CPA 或 OPCPA 技术以及对应的超大口径激光晶体或非线性晶体研制），等离子体拉曼放大和准参量啁啾脉冲放大（QPCPA）等新型放大技术，新型压缩器设计及大口径、高损伤阈值压缩光栅的研制，大口径超强激光组束技术，激光脉冲对比度提升与单发测量技术，大口径超强激光时空特性在线测量技术，大口径超强激光波前整形与新型高性能聚焦系统设计，超强激光时空电场精密控制与波长调谐技术，超强激光脉冲的腔外脉冲压缩技术，涡旋、径向偏振等特殊光场的超强激光产生及其应用等。
4. 高重复频率高平均功率超强激光
未来重点发展方向主要包括：新型飞秒光纤放大、新型碟片激光放大技术，高重复频率飞秒激光脉冲时间堆积与空间相干组束技术及其衍生创新技术，空间相干组束中甚多束激光的相位测量与主动反馈控制技术，新型飞秒激光放大的特殊光纤设计与加工技术，脉冲压缩与色散管理技术，高重复频率激光泵浦源技术，高重复频率放大过程中热效应管理技术，高性能增益光纤、高性能啁啾光纤光栅与透射光栅等核心元器件研制，时空光场精密控制与波长调谐技术等。
六、对策建议
（3）提高人类认知的基础科学研究，不仅需要本国科研人员的创新创造，还需要全球科学家的聪明才智。加强国际交流合作，吸引国际性人才开展联合研究，进一步加速和提升相关科学研究。在超强激光这些我国已经处于领先地位的领域方向以及一些具有引领性、颠覆性创新的研究方向，可以考虑在“一带一路”倡议框架下，开展重大基础科学装置建设，以我国为主并吸引其他国家（如亚洲国家、俄罗斯等）开展联合研究和技术攻关。通过基础科研成果共享（类似 ELI ***和黑洞探测***等）来提升我国 科技 创新的国际影响力。
（4）为了更好更快实现基础研究成果服务于国家经济 社会 发展需求的目标，建议科研机构和高等院校加强与企业的合作，促进超快超强激光方面实用型 科技 成果的高效转化。同时加强知识产权保护与管理，做好技术风险防范工作。
光测距仪，是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器。激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。激光测距仪重量轻、体积小、操作简单速度快而准确，其误差仅为其它光学测距仪的五分之一到数百分之一。
上世纪九十年代初，欧美等几大公HX司相继生产出可供商用的半导体激光二极管，使激光的实际应用价值发生了革命性的进步。其他种类的激光器由于产生激光的机理过于复杂，使其体积，重量特别大，功耗高等原因，大大限制了激光的应用。而半导体激光器的出现使这些问题迎刃而解。随着半导体激光器的技术进一步成熟，价HX格逐步降低，其应用批量和应用领域不断扩大，应用前景好。 半导体激光器体积小、重量轻、可靠性高、转换效率高、功耗低、驱动电源简单、能直接调制、结构简单、价格低廉、使用安全、其应用领域非常广泛。如光存储、激光打印、激光照排、激光测距、条码扫描、工业探测、测试测量仪器、激光显示、医疗仪器、军事、安防、野外探测、建筑类扫平及标线类仪器、实验室及教学演示、舞台灯光及激光表演、激光水平尺及各种标线定位等。 半导体激光器的一些独特优点使之非常适合于军事上的应用，如野外测距、枪HX炮等的瞄准、射击模拟系统、致盲、对潜通信制导、引HX信、安防等。由于可用普通电池驱动，使一些便携式武器设备配置成为可能。
已开发出并投放市场的半导体激光器的波段有370nm、390nm、405nm、430nm、480nm、635nm、650nm、670nm、780nm、808nm、850nm、980nm、1310nm、1550nm等，其中1310nm、1550nm主要用于光纤通讯领域。405nm - 670nm为可见光波段，780nm - 1550nm为红外光波段，390nm - 370nm为紫外光波段。高新的产品、专业的技术引领测距行业的潮流。
半导体激光二极管：
光电导探测器
photoconductive detector
利用半导体材料的光电导效应制成的一种光探测器件。所谓光电导效应，是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象。光电导探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。光电导体的另一应用是用它做摄像管靶面。为了避免光生载流子扩散引起图像模糊，连续薄膜靶面都用高阻多晶材料,如PbS-PbO、Sb2S3等。其他材料可***取镶嵌靶面的方法，整个靶面由约10万个单独探测器组成。
1873年，英国W.史密斯发现硒的光电导效应，但是这种效应长期处于探索研究阶段，未获实际应用。第二次世界大战以后，随着半导体的发展，各种新的光电导材料不断出现。在可见光波段方面，到50年代中期，性能良好的硫化镉、硒化镉光敏电阻和红外波段的硫化铅光电探测器都已投入使用。60年代初，中远红外波段灵敏的Ge、Si掺杂光电导探测器研制成功，典型的例子是工作在3～5微米和8～14微米波段的Ge:Au（锗掺金）和Ge:Hg光电导探测器。60年代末以后,HgCdTe、PbSnTe等可变禁带宽度的三元系材料的研究取得进展。
工作原理和特性 光电导效应是内光电效应的一种。当照射的光子能量hv等于或大于半导体的禁带宽度Eg时，光子能够将价带中的电子激发到导带，从而产生导电的电子、空穴对,这就是本征光电导效应。这里h是普朗克常数，v是光子频率,Eg是材料的禁带宽度（单位为电子伏）。因此，本征光电导体的响应长波限λc为
λc=hc/Eg=1.24/Eg (μm)
式中 c为光速。本征光电导材料的长波限受禁带宽度的限制。在60年代初以前还没有研制出适用的窄禁带宽度的半导体材料，因而人们利用非本征光电导效应。Ge、Si等材料的禁带中存在各种深度的杂质能级，照射的光子能量只要等于或大于杂质能级的离化能，就能够产生光生自由电子或自由空穴。非本征光电导体的响应长波限λ由下式求得
λc＝1.24/Ei
式中Ei代表杂质能级的离化能。到60年代中后期，Hg1-xCdxTe、PbxSn1-xTe、PbxSn1-xSe等三元系半导体材料研制成功,并进入实用阶段。它们的禁带宽度随组分x值而改变，例如x＝0.2的HG0.8Cd0.2Te材料，可以制成响应波长为 8～14微米大气窗口的红外探测器。它与工作在同样波段的Ge：Hg探测器相比有如下优点：①工作温度高（高于77K），使用方便,而Ge:Hg工作温度为38K。②本征吸收系数大,样品尺寸小。③易于制造多元器件。表1和表2分别列出部分半导体材料的Eg、Ei和λc值。
通常，凡禁带宽度或杂质离化能合适的半导体材料都具有光电效应。但是制造实用性器件还要考虑性能、工艺、价格等因素。常用的光电导探测器材料在射线和可见光波段有：CdS、CdSe、CdTe、Si、Ge等;在近红外波段有：PbS、PbSe、InSb、Hg0.75Cd0.25Te等;在长于8微米波段有:Hg1-xCdxTe、PbxSn1-x、Te、Si掺杂、Ge掺杂等；CdS、CdSe、PbS等材料可以由多晶薄膜形式制成光电导探测器。
可见光波段的光电导探测器 CdS、CdSe、CdTe 的响应波段都在可见光或近红外区域，通常称为光敏电阻。它们具有很宽的禁带宽度（远大于1电子伏）,可以在室温下工作，因此器件结构比较简单，一般***用半密封式的胶木外壳，前面加一透光窗口，后面引出两根管脚作为电极。高温、高湿环境应用的光电导探测器可***用金属全密封型结构，玻璃窗口与可伐金属外壳熔封。
器件灵敏度用一定偏压下每流明辐照所产生的光电流的大小来表示。例如一种CdS光敏电阻,当偏压为70伏时，暗电流为10-6～10-8安，光照灵敏度为3～10安/流明。CdSe光敏电阻的灵敏度一般比 CdS高。光敏电阻另一个重要参数是时间常数 τ，它表示器件对光照反应速度的大小。光照突然去除以后，光电流下降到最大值的 1/e（约为37％）所需的时间为时间常数 τ。也有按光电流下降到最大值的10％计算τ的;各种光敏电阻的时间常数差别很大。CdS的时间常数比较大（毫秒量级）。
红外波段的光电导探测器 PbS、Hg1-xCdxTe 的常用响应波段在 1～3微米、3～5微米、8～14微米三个大气透过窗口。由于它们的禁带宽度很窄，因此在室温下，热激发足以使导带中有大量的自由载流子，这就大大降低了对辐射的灵敏度。响应波长越长的光，电导体这种情况越显著，其中1～3微米波段的探测器可以在室温工作（灵敏度略有下降）。3～5微米波段的探测器分三种情况：①在室温下工作，但灵敏度大大下降，探测度一般只有1～7×108厘米·瓦-1·赫；②热电致冷温度下工作(约-60℃),探测度约为109厘米·瓦-1·赫;③77K或更低温度下工作,探测度可达1010厘米·瓦-1·赫以上。8～14微米波段的探测器必须在低温下工作，因此光电导体要保持在真空杜瓦瓶中，冷却方式有灌注液氮和用微型制冷器两种。
红外探测器的时间常数比光敏电阻小得多,PbS探测器的时间常数一般为50～500微秒,HgCdTe探测器的时间常数在10-6～10-8秒量级。红外探测器有时要探测非常微弱的辐射信号,例如10-14 瓦；输出的电信号也非常小,因此要有专门的前置放大器。
