利用先进激光的频域特性（超短波、超长波、可调谐、单频、宽光谱等）、时域特性（超快、超强峰值等）和能量域特性（高亮度、大功率、高能等）等，可为前沿科学和技术研究提供崭新的工具。
现代科学产生以来，基础物理理论在推动社会发展方面起到了最重要的作用。牛顿力学体系的诞生，带来了机械化工业革命，电磁理论的建立，带来了电气化工业革命，量子理论的出现，催生了信息化和智能化社会。当前基础科学的几朵乌云（如暗物质、暗能量、大统一场论等），呼唤着新的基础物理理论的出现。数十年的研究表明，宇宙极端条件和现象的研究，是创新理论产生的最优途径之一，而超快超强激光技术是目前人为“制造”宇宙极端条件的最优方案，它具有恒星内核和黑洞边缘才具备的超高功率密度、超强电磁强度等极端物理特性，使超新星爆发、黑洞合并等宇宙“大事件”产生的极端条件有可能在实验室人为产生，使科学研究从被动等待“大事件”的发生变为人类自主可控的科学活动，这对于平行宇宙、真空物理、超弦理论等尚待建立和完善的理论提供了必需的实验工具。
科学研究的另一重要任务是对现有理论的深化、完善和验证。超快超强激光产生的正反物质，为基本粒子模型的深入研究创造了良好的条件。超快超强激光的等离子体产生、粒子加速也极大地助力了等离子体物理、高能物理领域的研究。硬X射线自由电子激光（X-ray Free Electron Laser，简称 XFEL）能够输出时间脉宽为百as到100 fs、脉冲功率达10GW到100GW、波长范围为0.1 nm至100 nm的相干光子脉冲，峰值亮度比三代同步辐射光源高十亿倍，被称为“第四代光源”。XFEL作为新一代探针光，使得人类能够首次深入物质内部，实时观测原子、分子、纳米、微米尺度的演化图像；XFEL作为新一代强辐射源，能够操控电子、分子、原子、甚至原子核的状态，是核物理、原子物理、分子物理以及分子大分子甚至细胞层次的化学、生物科学研究的必备工具。高亮度的激光用于原子冷却、原子操控，是研究原子/分子物理、凝聚态物理的有力武器。半导体激光器本身有着丰富的物理内涵，在基础理论研究领域，可望在推动量子理论、凝聚态物理学研究方面起到重要作用。超稳单色激光是引力波探测的核心部件之一，而引力波探测的成功，给广义相对论理论提供了直接的“声频” 证据。从50多年来激光相关研究屡获诺贝尔奖的现象（见图1），也可以说明激光科技对推动前沿科学研究的作用。
图1. 与激光技术相关的诺贝尔奖获奖情况
