（本文由科學大院根據李儒新院士在中科院學部第七屆學術年會(hui) 上的報告整理而成，首發於(yu) 科學大院）

尊敬的各位前輩，各位院士，各位朋友，大家下午好，非常榮幸，但是又非常有壓力來參加全體(ti) 院士的報告會(hui) ，我選了一個(ge) 稍微大點的題目，談談我的認識和理解。

無論是在大學的專(zhuan) 業(ye) 設置還是基金委的學科專(zhuan) 業(ye) 組，還是我們(men) 學部，激光和加速器都是放在不同的地方，我試圖講講它們(men) 之間是怎麽(me) 交叉融合的，這個(ge) 趨勢是愈演愈烈，我希望把這個(ge) 問題闡述清楚。

羲和1號激光裝置

我是從(cong) 一個(ge) 激光的研究者的角度去試圖回答這個(ge) 問題，在座有很多加速器方麵的專(zhuan) 家，我就班門弄斧了。

對比一下激光發展的曆史，大家可以看到，最早的門檻是比較高的，提出了受激的概念，粒子加速器帶電場就可以加速。一開始加速器發展是非常快的，到後來要獲得很高的能量和很高的品質，就需要有大量的創新。到1966年，就做成最大的、能量最高的直線電子加速器。激光最近的二十年有非常快速的發展，取決(jue) 於(yu) 新的技術的提出。近二十年來，峰值功率快速提升，對粒子加速器革命帶來革命性的影響。

這是趙紅衛院士給我的片子，最早的直線加速器和回旋波加速器加個(ge) 50千伏的電場，粒子就上去了，並且基於(yu) 這個(ge) 原理很快就實現兆電子伏特的輸出。大家都知道，現在我們(men) 最大的加速器是CERN的加速器，有很多重要的科學發現是依賴於(yu) 這個(ge) 加速器。

不久前有一個(ge) 重要的新聞，很多科學家發現到達地球高能的射線拍電子伏特，需要有非常長距離的加速器。右上角圖上可以看到，我們(men) 做直線加速等於(yu) 轉赤道一圈，4萬(wan) 公裏，就用射頻加速器，每公裏10個(ge) GeV，當然目前有回旋加速器能量可以繼續提升。所以說高能粒子加速器是一個(ge) 龐然大物，當然也非常有用。

照片上展示是Maiman做的第一台激光器，中國的是王之江1961年做的，晚了一年。激光一直還在快速發展，特別是最近十幾年，功率提升是非常迅速的。兩(liang) 年前《科學》雜誌上總結，1960年激光器發明以來，花十幾年的時間到了10的12次方，也就是太瓦級（1太瓦=1000吉瓦，1吉瓦=1000兆瓦），然後到了拍瓦級（1拍瓦=1000太瓦），提高一個(ge) 量級到10拍瓦花了十多年的時間。激光功率提升的五個(ge) 裏程碑中，到第五個(ge) 裏程碑是中國科學家完成的，產(chan) 生最強的峰值功率輸出。

這個(ge) 裝置目前是在離陸家嘴非常近的張江。這裏有比較多的光學大科學的設施，有依托傳(chuan) 統加速器的上海光源，也有我們(men) 新的這個(ge) 超強超高功率的激光裝置，這些裝置在一起構成了很好的研究平台。

激光的峰值功率剛才講了，已經到達了10的16次方，叫10拍瓦，這樣的峰值功率，因為(wei) 持續時間非常短了，幾十個(ge) 飛秒，在這麽(me) 一個(ge) 瞬間，能量相當於(yu) 全球電網能量的一千倍釋放，因此是一個(ge) 非常高的場強。如果把這樣的激光聚焦到10微米，得到的光強是10的22次方瓦每平方厘米，約等於(yu) 地球接收到太陽的總輻射對應的光強的十倍，而且還聚焦到頭發絲(si) 大小，我們(men) 把這個(ge) 叫羲和，我們(men) 激光裝置現在是羲和1號。

基於(yu) 高功率激光的高能粒子加速器

這樣一個(ge) 裝置，光子的脈衝(chong) 、電場磁場能量比都達到前所未有的超高。這個(ge) 裝置從(cong) 2016年、17年開始建設，到了去年完成了初步建設，通過了驗收，現在作為(wei) 開放的研究設施，已經可以為(wei) 我們(men) 的用戶提供應用的條件。

2016年之後，我們(men) 同時進行土建的工作和裝置的研製，以最短的時間推動這個(ge) 項目的建成。然後又花了兩(liang) 年多的時間，把激光裝置在新的實驗大樓裏麵裝起來。我們(men) 用一年的時間，把幾個(ge) 用戶平台全部調試完成，因此現在可以提供全世界最強的峰值功率的實驗平台，而且還同時具備了用激光產(chan) 生的高能質子、電子、伽馬射線、太赫茲(zi) 輻射等，是一種寬譜的輻射源，可以滿足眾(zhong) 多的用戶需求。所以我們(men) 下麵試圖求解這個(ge) 問題，激光和加速器之間的交叉和融合。

一個(ge) 是高功率激光的粒子加速器，利用激光作為(wei) 加速器，工作介質是等離子，單位長度上獲得加速的能量，比射頻加速器可以高三個(ge) 數量級以上，也就是說我們(men) 現在一個(ge) GeV電子隻需要一個(ge) 厘米，過去需要一百米，這是一個(ge) 對比，因此它是產(chan) 生超高梯度小型化的加速器。

這個(ge) 設想最早是1979年提出來的，當時Tajima 和 Dawson在論文裏麵提出來，如果有比較強的激光光強，驅動等離子的尾波，就像水麵上的一艘船，開過之後尾巴上會(hui) 帶進來一些東(dong) 西。這是激光的尾波，場強非常強，尾波把電子加速到非常高的能量。

但是這個(ge) 想法提出來以後，要把它變成現實還是非常困難的，因為(wei) 沒有非常好的激光。等了6年，Strickland他們(men) 提出了非常好的方法，1985年提出來，2018年得了諾貝爾獎。

這是看上去非常簡單的方法，他們(men) 讓紅光跑在前麵，藍光跑在後麵，壓縮過程倒過來，避免材料的破壞。這個(ge) 非常好的想法其實要變成裝置很難。1985年提出來，1999年才做成了第一個(ge) 拍瓦的裝置，在2004年取得了突破，很快利用到激光加速器上。

2年之後，就把能量提升到1個(ge) GeV，而且是在3.3厘米這麽(me) 短的一個(ge) 空間的尺度上實現的1個(ge) GeV，我們(men) 利用射頻加速器大概需要百米長的長度。

我們(men) 當時想，我們(men) 在這個(ge) 領域是後來者，跟著做沒有什麽(me) 機會(hui) 。所以我們(men) 最快地做了多級，率先把多級級聯加速的問題解決(jue) 了。我們(men) 最早把兩(liang) 級級聯做成功了，獲得了非常高品質的GeV電子束的輸出。在曆史上，從(cong) 激光電子加速器跨越到1個(ge) GeV台階上停滯了非常多年，現在甚至提出來要做100GeV的電子加速，這就超過所有的傳(chuan) 統的電子加速器、直線加速器的能量。

光有能量是不行的，必須實現這個(ge) 目標：無論是瞄準利用電子束作為(wei) 新光源還是把它作為(wei) 未來實現的小型化的對撞機，激光都需要非常高的品質。所以最近的十年，我們(men) 花了很多時間解決(jue) 亮度提升的問題，終於(yu) 取得了突破。

2016年的時候，我們(men) 亮度第一次達到與(yu) 傳(chuan) 統加速器可以對比。以前我們(men) 是小尺寸，亮度是上不去的，我們(men) 花了很多力氣，可能解決(jue) 1%的能散，對傳(chuan) 統加速器的同行們(men) ，他們(men) 是1‰。我們(men) 下了非常大的努力，所以在五年前，我們(men) 做到了0.4%，我們(men) 又花了5年提高了一倍，開始接近1‰，使得我們(men) 激光加速器能夠有這個(ge) 基本條件。

基於(yu) 高能粒子加速器的高功率激光

從(cong) 激光的方麵，第一天大家就想到縮短波長，但是這是非常困難的，我們(men) 大概從(cong) 1984年開始，到2000年前後，大概花了二十多年的時間研究。這時候，自由電子激光由於(yu) 有非常好的電子亮度，從(cong) 2009年開始，有3台工作波長在0.1納米的自由電子激光裝置被研製出來，而且都開始提供實驗。

我這裏給了一個(ge) 圖，橫坐標是它的光子能量，縱坐標是亮度。

X射線波段自由電子激光必須依賴於(yu) 射頻加速器，這樣的裝置是非常龐大的。我剛才講了，需要一公裏長度的加速長度，怎麽(me) 樣把這樣的激光裝置往小型化去做呢？我們(men) 怎麽(me) 去解決(jue) 這個(ge) 問題？當然，在上海也有一個(ge) 采用傳(chuan) 統射線加速器的裝置在研製中，這方麵還有很多優(you) 勢，它具有非常高的平均功率，可以提供多用戶使用。

前麵我們(men) 第一部分講到了基於(yu) 激光可以做小型化加速器，所以從(cong) 2004年開始到現在，全球的學術界為(wei) 之奮鬥。我們(men) 在2019年率先獲得了成功，是至今唯一的能夠實現利用激光加速器獲得電子產(chan) 生激光。我們(men) 做成這樣一個(ge) 裝置，工作在在10納米波段，利用激光加速電子，能量提高到1個(ge) GeV左右，它的尺寸比我們(men) 現在的射頻加速器的裝置尺寸縮小了20倍，已經邁進了重要的一步。

我們(men) 的波蕩器還是利用傳(chuan) 統的周期性排布的磁鐵來做的。在基金委的支持下，花了八年時間，作為(wei) 一個(ge) 重大科研儀(yi) 器項目，我們(men) 從(cong) 自主研製200太瓦激光裝置開始，獲得了一個(ge) 綜合性能優(you) 良的電子束,具有非常高的品質和高的亮度，後麵基於(yu) 傳(chuan) 統的波段器技術來獲得激光的輸出。

通過性能對比可以看出來，利用傳(chuan) 統加速器和利用激光加速器都可以獲得自由電子激光，基於(yu) 激光加速器的裝置，雖然有一些優(you) 勢，但是穩定性都有很大的挑戰，還需要進一步的突破這方麵的技術。比如說在波長方麵，怎麽(me) 樣進一步縮短，10個(ge) 納米怎麽(me) 縮短到現在常規的自由電子激光裝置0.1納米波長，需要把電子能量提升到10個(ge) GeV，因此我們(men) 往這個(ge) 方向在努力，做成10個(ge) GeV的模塊，就可以用來產(chan) 生0.1納米的激光，也有可能用於(yu) 未來的對撞機。我們(men) 提出利用激光瞬態的電場構建瞬態的波蕩器，現在開始有一些進展。

高功率激光與(yu) 高能粒子相互作用產(chan) 生新光源

用高功率激光器與(yu) 高能粒子產(chan) 生的新光源，這方麵也是研究的重要的前沿。我們(men) 利用光學激光和自由電子激光獲得最高亮度的光源，但是再往兩(liang) 邊推，是更長和更短的波長。在長波長的太赫茲(zi) 階段，我們(men) 利用金屬絲(si) 與(yu) 激光的相互作用獲得超強場的太赫茲(zi) 輻射，有很多的應用價(jia) 值。伽馬射線也是一樣的，我們(men) 用高能的電子束與(yu) 激光產(chan) 生對撞，可以獲得比現有其他方法高幾個(ge) 量級亮度的伽馬射線輻射。

做個(ge) 對比，這張片子正在研製一台可以車載小型化的緊湊型的伽馬射線，可以提供10的8次方/每秒的光子數，這樣一個(ge) 伽馬源也有重要的價(jia) 值。

再往前走，同步輻射激光都是基於(yu) 電子運動產(chan) 生各種波段的光，現在有多種方案提出來。我們(men) 知道有北京光源，合肥光源，上海光源，它們(men) 分別屬於(yu) 第一代到第四代的光源。

第四代之後，如果還希望進一步提升亮度，需要有個(ge) 新原理提出來，例如基於(yu) 儲(chu) 存環高性能的電子加激光調製，就可以達到綜合性最優(you) 。比如說能夠達到同步輻射光的能量、分辨率以及穩定性，又同時有自由激光提供的相幹性和超短的脈衝(chong) 輸出。這方麵也是當前重要的前沿。

基於(yu) 高功率激光與(yu) 高能粒子束的物理研究

如果這時候我們(men) 想做一些物理研究，有什麽(me) 機會(hui) 呢？剛才講到，張江在建的一個(ge) 硬X射線激光裝置，它能夠提供很寬波段的X射線相幹光源。在那邊我們(men) 有一個(ge) 正在建的羲和2號裝置可以和它結合。原來自由電子激光和同步輻射主要用來做結構分析，我們(men) 想改變這個(ge) 性能，做一些瞬態的研究，而且甚至有可能拓展到我們(men) 天體(ti) 物理很多科學問題的探索。

我下麵舉(ju) 幾個(ge) 例子，比如說在很著名的Science 125個(ge) 科學問題裏麵有“什麽(me) 是最強的激光”，已經過去了16年，這個(ge) 問題還沒有被回答。如果激光足夠強，會(hui) 在真空中產(chan) 生，真空中的量子效應，這個(ge) 效應能不能觀測？還有利用激光可以做很多其他的天體(ti) 物理有關(guan) 研究。

真空的擾動其實相當於(yu) 材料在不同的方向產(chan) 生有差異的折射率，我們(men) 看3D電影，就用到雙折射的原理。如果激光足夠強，我們(men) 就有可能在真空裏麵產(chan) 生雙折射。在實驗室裏誘導真空的雙折射，怎麽(me) 做呢？這個(ge) 現象在自然界裏麵存在。2017年天文學家觀察到中子星的輻射，由於(yu) 中子星外麵強的磁場他也發生了雙折射現象，這是自然界真實地證明了雙折射。我們(men) 可以利用激光的裝置，因為(wei) 羲和2號的功率密度達到10的23次方，可以誘導出非常微弱的雙折射。利用波長0.1納米的激光做探針，探測靈敏度有可能提高8個(ge) 數量級，從(cong) 而把非常微弱的信號測出來。

大家看這張圖，隨著年代的演變光強的提升。未來如果有了羲和2號，會(hui) 比我們(men) 的羲和1號再強一個(ge) 量級，100個(ge) 拍瓦，聚焦到10個(ge) 微米，這樣的光強就達到了真空可以研究的閾值。當然這個(ge) 研究需要在真空。我們(men) 設計了真空係統，是一個(ge) 非常龐大的實驗裝置，未來這個(ge) 裝置會(hui) 位於(yu) 我們(men) 上海浦東(dong) 的東(dong) 北，非常漂亮。

什麽(me) 是最強的激光？我們(men) 怎麽(me) 回答這個(ge) 問題？剛才講了，我們(men) 最強的光，如果做到羲和2號，隻是在這張圖中間的這個(ge) 位置，並沒有到達最上麵。我們(men) 可以研究更高光強的相互作用，根據QED的理論，我們(men) 到底能做到多強呢？

在實驗室條件下，即使在1立方微米這麽(me) 小的空間裏麵，在我們(men) 能夠獲得最好的真空條件下，還會(hui) 有1個(ge) 粒子，隻要存在1個(ge) 粒子，就會(hui) 使激光光強快速的被衰減。我們(men) 理解最高的光強是10的26次方，這是羲和2號所能達到的強度，從(cong) 這個(ge) 角度看，最強的光會(hui) 用羲和2號來產(chan) 生，但是怎麽(me) 繼續把這個(ge) 研究往前推進，有沒有別的辦法？這時候我們(men) 必須得把激光和高能電子對撞，這時候在高能粒子的坐標係裏，可以把相互作用的研究往更高的場強推進。

我剛才講到，我們(men) 希望把真空照妖鏡正好把反物質照出來，但是它的壽命是有限的，10的21次方秒，我們(men) 同樣要發展這麽(me) 快的探測手段。我們(men) 還有一個(ge) 目標，如果是我們(men) 用這樣一個(ge) 方法能產(chan) 生比較好的效率，也許我們(men) 將來可以實現霍金的夢想，這當然依賴於(yu) 我們(men) 羲和1號和2號的實驗，能不能通過激光把質子達到超高能量，達到質子到反質子的產(chan) 生。

總書(shu) 記提出，我們(men) 要在基礎研究的領域拓展我們(men) 的認識邊界。所以我們(men) 要不斷推進這個(ge) 邊界，把相關(guan) 的技術轉化成我們(men) 可以應用的技術。在 “十四五”起步的階段，我們(men) 要好好規劃我們(men) 的學科。

這裏我想用一個(ge) 案例：在激光剛剛發明之後，我們(men) 國家快速對這個(ge) 領域做出布局。1963年毛主席聽取了聶榮臻的匯報，當時還沒有激光，激光這兩(liang) 個(ge) 詞1964年才有的。毛主席說專(zhuan) 門組織一批人去研究它怎麽(me) 來的。在1962年，那時候激光剛剛才問世三年時間，錢老（錢學森）在1963到1972年的規劃裏麵，就預見了激光未來的應用，無論在基礎科學的應用，以及在宇宙空間通訊上的應用，預見性都是極強的，都是被現在的實踐所證明。所以我們(men) 希望，我們(men) 現在更好地預見這些學科的發展，做出更好的工作。謝謝大家。

主講人介紹

李儒新院士

中國科學院院士

光學專(zhuan) 家

2017年當選中國科學院院士。

現任中國科學院上海光機所研究員，中國光學學會(hui) 副理事長。

先後擔任中國科學院上海光機所所長、上海科技大學黨(dang) 委書(shu) 記、中國科學院上海高等研究院院長、張江實驗室主任等、強場激光物理國家重點實驗室主任、國家基金委創新研究群體(ti) 負責人、國家973計劃項目首席科學家等。

長期從(cong) 事超高峰值功率激光和強場激光物理的研究，在拍瓦激光裝置、激光加速高能電子和質子、阿秒X光光源和電子源、強場太赫茲(zi) 輻射等方麵取得一些重要研究成果。