利用先進激光的頻域特性（超短波、超長波、可調諧、單頻、寬光譜等）、時域特性（超快、超強峰值等）和能量域特性（高亮度、大功率、高能等）等，可為前沿科學和技術研究提供嶄新的工具。
現代科學產生以來，基礎物理理論在推動社會發展方面起到了最重要的作用。牛頓力學體系的誕生，帶來了機械化工業革命，電磁理論的建立，帶來了電氣化工業革命，量子理論的出現，催生了信息化和智能化社會。當前基礎科學的幾朵烏云（如暗物質、暗能量、大統一場論等），呼喚著新的基礎物理理論的出現。數十年的研究表明，宇宙極端條件和現象的研究，是創新理論產生的最優途徑之一，而超快超強激光技術是目前人為“制造”宇宙極端條件的最優方案，它具有恒星內核和黑洞邊緣才具備的超高功率密度、超強電磁強度等極端物理特性，使超新星爆發、黑洞合并等宇宙“大事件”產生的極端條件有可能在實驗室人為產生，使科學研究從被動等待“大事件”的發生變為人類自主可控的科學活動，這對于平行宇宙、真空物理、超弦理論等尚待建立和完善的理論提供了必需的實驗工具。
科學研究的另一重要任務是對現有理論的深化、完善和驗證。超快超強激光產生的正反物質，為基本粒子模型的深入研究創造了良好的條件。超快超強激光的等離子體產生、粒子加速也極大地助力了等離子體物理、高能物理領域的研究。硬X射線自由電子激光（X-ray Free Electron Laser，簡稱 XFEL）能夠輸出時間脈寬為百as到100 fs、脈沖功率達10GW到100GW、波長范圍為0.1 nm至100 nm的相干光子脈沖，峰值亮度比三代同步輻射光源高十億倍，被稱為“第四代光源”。XFEL作為新一代探針光，使得人類能夠首次深入物質內部，實時觀測原子、分子、納米、微米尺度的演化圖像；XFEL作為新一代強輻射源，能夠操控電子、分子、原子、甚至原子核的狀態，是核物理、原子物理、分子物理以及分子大分子甚至細胞層次的化學、生物科學研究的必備工具。高亮度的激光用于原子冷卻、原子操控，是研究原子/分子物理、凝聚態物理的有力武器。半導體激光器本身有著豐富的物理內涵，在基礎理論研究領域，可望在推動量子理論、凝聚態物理學研究方面起到重要作用。超穩單色激光是引力波探測的核心部件之一，而引力波探測的成功，給廣義相對論理論提供了直接的“聲頻” 證據。從50多年來激光相關研究屢獲諾貝爾獎的現象（見圖1），也可以說明激光科技對推動前沿科學研究的作用。
圖1. 與激光技術相關的諾貝爾獎獲獎情況
