超快雷射器是雷射器的一種，它是一種具有FS量級脈衝波的雷射器。 飛秒（fs）是乙個極短的時間單位，即10-15s，只有1萬億秒，如果用10fs作為幾何平均值來測量宇宙，它的壽命只有1分鐘。 在如此短的時間內，我們可以預期脈衝波必須具有許多有趣的特性，這將有助於我們的科學實驗。
雷射，顧名思義，是“激發光”，產生它們的物理基礎是來自原子的受激輻射，這一過程最早由阿爾伯特·愛因斯坦於 1916 年在理論上發現。 當受激輻射的概念首次提出時，它並沒有得到應有的重視，儘管在2024年，一位德國科學家通過實驗證實了受激輻射的存在。 然而，受激輻射概念的巨大潛力真正被重新發現是在二戰之後，當時人們試圖將西方波從長波擴充套件到微波甚至光波，並發現只有在分子和原子等旁觀者的幫助下，才能實現短波長的相干電磁波放大， 而愛因斯坦的受激輻射就是實現這種幹放大的物理機制。
要生產雷射器，需要解決兩個矛盾。 首先是受激輻射和受激吸收之間的矛盾。 根據玻爾茲曼分布，在熱平衡原子系統中，低能級的原子總是多於高能級的原子，當光與系統相互作用時，吸收比激發輻射更顯著，導致光訊號衰減。 因此，雷射產生的基本條件之一是實現系統中粒子數的反演。 已經處於粒子數反轉過程中的環稱為活化介質，具有放大光訊號的能力。 為了使粒子的數量被逆轉，需要外部能源以適當的方式作用於原子系統（幫浦），這種能源稱為幫浦浦源。 通過產生雷射要解決的另乙個矛盾是受激輻射和自發輻射之間的矛盾。 在原子系統中，這兩個過程同時存在，相互競爭。 為了產生雷射器，受激輻射需要處於有利位置。 因此，需要選擇結構合適的光腔（或足夠長的活化介質），軸方向的自發輻射可以通過反覆增益獲得較高的光場能量密度，從而獲得以受激輻射為主的輸出。
雷射與普通光源有很大不同，它具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性等特點。 在加工、倉儲、醫療、通訊、雷達、科學研究、國防等領域有著廣泛的應用。 飛秒雷射作為一種特殊的雷射器，經過各種效能的強化後，經歷了從量變到質變的過程，具有更加奇特的效能。
超快雷射與團簇、高溫高密度等離子體、自由電子等特殊形態物質的相互作用也成為新的研究方向，不僅大大拓寬了該學科的深度發展，也為相關重要高新技術領域的創新發展提供了新的解決方案和新途徑。
最近，實驗研究觀察到多光子激發產生的具有大量內殼孔的“空心”原子，這將為實現超短波長相干輻射開闢一條新途徑。 超快雷射與大原子團簇的相互作用首次成功觸發了台式聚變，從而指出了“台式”聚變新概念的前景。 此外，對超快雷射與團簇之間相互作用的研究有可能成為一座橋梁，幫助人們更全面地理解光與物質之間的相互作用。
當光強於（等於）1018 watt cm2時，雷射與電子的相互作用進入超相對論強場範圍。 首次通過實驗觀察到自由電子在真空中被加速到百萬電子伏特量級的相對論能量; 非線性湯姆遜散射和由此產生的大約 300 飛秒，005 nm 的超快硬 X 射線脈衝; 多光子非線性康普頓散射。 特別引人注目的是首次觀察到強場量子電動力學現象，其中非彈性光子-光子散射產生正電子對和負電子對。
基於非線性湯姆遜散射和康普頓散射的X射線和光源的產生和應用，以及真空中具有亞週期脈衝寬度的超強超快雷射場對電子的加速，也是研究超快雷射與自由電子相互作用的熱點。 此外，在超快雷射與稀薄等離子體相互作用產生的尾流場實驗中，還觀察到超高梯度加速度場比常規高能粒子加速器的極限加速度電場高出三個數量級以上，從而提出了實現高能粒子加速器小型化的新方案。
近年來，超快雷射與高溫高密度等離子體的相互作用，特別是相對論效應引起的高非線性新現象和新規律的研究，也引起了國際學術界的高度關注。 雖然已經觀察到等離子體通道的形成等新現象是由具有巨大光壓的超快雷射產生的，它推動臨界密度向前移動，從而形成等離子體通道，但1018和1020瓦和厘公尺量級的超快雷射與高溫高密度等離子體之間的相互作用， 如“等離子體空穴”效應、超熱電子的產生以及能譜的控制和傳輸等，仍有待深入研究。顯然，研究超快雷射與高溫高密度等離子體的相互作用不僅是該領域的重要研究內容之一，而且有可能為雷射核聚變等相關高科技領域的發展提供基礎。
超快雷射場激發的高次諧波現象的發現和深入研究，不僅為獲得真空紫外區（VUV）和極紫外區（XUV）波段的全相干光源提供了有效途徑，而且為產生亞飛秒甚至阿秒極快短波長相干輻射提出了新的思路和方法。 從而有可能突破飛秒的障礙，為人類創造極快的阿秒光子技術，開創阿秒光譜學、阿秒物理學乃至阿秒科學技術的一門新學科，乙個未來的高科技領域。
超快雷射場中高次諧波發射研究取得重大突破，高次諧波進入“水窗”波段。 目前，產生亞飛秒甚至阿秒量級的極快相干輻射的新概念和新方法的研究越來越活躍。 在短波長X射線波段雷射器的研究中，現有的X射線雷射機理無法實現波長小於2奈米的突破，而超快雷射器的出現為實現基於內殼躍遷等新機理的超短波長相干輻射提供了可能。 目前，超快雷射驅動下內殼光電離和超短波長相干輻射的新機理研究也成為該領域的新熱點。
超快雷射技術為跨學科的發展提供了創新的手段和方法。 超快雷射技術也為超快化學動力學、微結構材料科學、超快資訊光子學和生命科學等前沿交叉學科的發展提供了創新的手段和方法。 例如，超快雷射本身產生的飛秒及其與物質的相互作用，甚至XUV和X射線波段中可能達到亞飛秒和阿秒量級的極超快相干光源技術，都為人類研究和應用各種超快過程提供了有力的手段，這將使人類在微觀世界內進一步了解能量傳遞和資訊傳遞過程。更深層次，進而可能實現對某些物理、化學和生物過程的人工控制，促進微結構材料的科學化。超快化學動力學等交叉學科領域的研究與開發，產生了突破性的前沿研究成果，影響重大。
近年來，飛秒雷射在化學反應動力學中的應用研究進展尤為顯著。 澤維爾（A.）。h.澤維爾被授予2024年諾貝爾化學獎，以表彰他在飛秒光譜的發展和化學反應中壽命極短的過渡態的研究。 上述進展也為利用超快強雷射控制化學反應帶來了新的希望。 選擇性地破壞或形成一些小分子化學鍵已經成功，但大分子的複雜系統還沒有被打破。 超快強雷射技術與近場光學顯微鏡的結合，可以對雷射與分子之間的相互作用進行多維調控，是研究“單分子物理”或“單分子化學”的有力手段，具有用於“定製”生物大分子的潛力。
在材料微觀結構製備和超快動力學行為研究等方面，超快強度雷射器的製備也取得了顯著進展，包括超高時空光譜解像度新探測方法的開發和應用。 例如，將光幫浦浦-超快X射線衍射探針測量技術應用於單晶的超快晶格動力學，實現了皮秒-毫昂的超高時空解像度。 微聚合和微聚合使得利用超快和強雷射獲得優於衍射極限、小於光波長的材料加工精度成為可能，這在三維高密度資料儲存方面帶來了新的應用。 最近的實驗也證實，通過使用飛秒強雷射和多波長重疊記錄技術，以微公尺為微公尺的間隔間歇照射含有稀土元素釤顆粒的玻璃，可以將記錄密度提高到1014位厘公尺3。
相對而言，超快雷射科學是一門非常年輕的新興學科，正處於重大突破的前夕，其重要作用和潛力遠遠超出了本文所描述的。 展望未來，中國科學家有望在現代物理學乃至現代科學的前沿領域做出重要貢獻。 這不僅是乙個挑戰，也是乙個難得的機會。