（本文由科學大院根據(jù)李儒新院士在中科院學部第七屆學術(shù)年會上的報告整理而成，首發(fā)于科學大院）
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院士的報告會，我選了一個稍微大點的題目，談談我的認識和理解。
無論是在大學的專業(yè)設(shè)置還是基金委的學科專業(yè)組，還是我們學部，激光和加速器都是放在不同的地方，我試圖講講它們之間是怎么交叉融合的，這個趨勢是愈演愈烈，我希望把這個問題闡述清楚。
羲和1號激光裝置
我是從一個激光的研究者的角度去試圖回答這個問題，在座有很多加速器方面的專家，我就班門弄斧了。
對比一下激光發(fā)展的歷史，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(fā)展是非?？斓?，到后來要獲得很高的能量和很高的品質(zhì)，就需要有大量的創(chuàng)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(fā)展，取決于新的技術(shù)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(wèi)院士給我的片子，最早的直線加速器和回旋波加速器加個50千伏的電場，粒子就上去了，并且基于這個原理很快就實現(xiàn)兆電子伏特的輸出。大家都知道，現(xiàn)在我們最大的加速器是CERN的加速器，有很多重要的科學發(fā)現(xiàn)是依賴于這個加速器。
不久前有一個重要的新聞，很多科學家發(fā)現(xiàn)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，我們做直線加速等于轉(zhuǎn)赤道一圈，4萬公里，就用射頻加速器，每公里10個GeV，當然目前有回旋加速器能量可以繼續(xù)提升。所以說高能粒子加速器是一個龐然大物，當然也非常有用。
照片上展示是Maiman做的第一臺激光器，中國的是王之江1961年做的，晚了一年。激光一直還在快速發(fā)展，特別是最近十幾年，功率提升是非常迅速的。兩年前《科學》雜志上總結(jié)，1960年激光器發(fā)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），然后到了拍瓦級（1拍瓦=1000太瓦），提高一個量級到10拍瓦花了十多年的時間。激光功率提升的五個里程碑中，到第五個里程碑是中國科學家完成的，產(chǎn)生最強的峰值功率輸出。
這個裝置目前是在離陸家嘴非常近的張江。這里有比較多的光學大科學的設(shè)施，有依托傳統(tǒng)加速器的上海光源，也有我們新的這個超強超高功率的激光裝置，這些裝置在一起構(gòu)成了很好的研究平臺。
激光的峰值功率剛才講了，已經(jīng)到達了10的16次方，叫10拍瓦，這樣的峰值功率，因為持續(xù)時間非常短了，幾十個飛秒，在這么一個瞬間，能量相當于全球電網(wǎng)能量的一千倍釋放，因此是一個非常高的場強。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，約等于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(fā)絲大小，我們把這個叫羲和，我們激光裝置現(xiàn)在是羲和1號。
基于高功率激光的高能粒子加速器
這樣一個裝置，光子的脈沖、電場磁場能量比都達到前所未有的超高。這個裝置從2016年、17年開始建設(shè)，到了去年完成了初步建設(shè)，通過了驗收，現(xiàn)在作為開放的研究設(shè)施，已經(jīng)可以為我們的用戶提供應用的條件。
2016年之后，我們同時進行土建的工作和裝置的研制，以最短的時間推動這個項目的建成。然后又花了兩年多的時間，把激光裝置在新的實驗大樓里面裝起來。我們用一年的時間，把幾個用戶平臺全部調(diào)試完成，因此現(xiàn)在可以提供全世界最強的峰值功率的實驗平臺，而且還同時具備了用激光產(chǎn)生的高能質(zhì)子、電子、伽馬射線、太赫茲輻射等，是一種寬譜的輻射源，可以滿足眾多的用戶需求。所以我們下面試圖求解這個問題，激光和加速器之間的交叉和融合。
一個是高功率激光的粒子加速器，利用激光作為加速器，工作介質(zhì)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數(shù)量級以上，也就是說我們現(xiàn)在一個GeV電子只需要一個厘米，過去需要一百米，這是一個對比，因此它是產(chǎn)生超高梯度小型化的加速器。
這個設(shè)想最早是1979年提出來的，當時Tajima 和 Dawson在論文里面提出來，如果有比較強的激光光強，驅(qū)動等離子的尾波，就像水面上的一艘船，開過之后尾巴上會帶進來一些東西。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。
但是這個想法提出來以后，要把它變成現(xiàn)實還是非常困難的，因為沒有非常好的激光。等了6年，Strickland他們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，他們讓紅光跑在前面，藍光跑在后面，壓縮過程倒過來，避免材料的破壞。這個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年之后，就把能量提升到1個GeV，而且是在3.3厘米這么短的一個空間的尺度上實現(xiàn)的1個GeV，我們利用射頻加速器大概需要百米長的長度。
我們當時想，我們在這個領(lǐng)域是后來者，跟著做沒有什么機會。所以我們最快地做了多級，率先把多級級聯(lián)加速的問題解決了。我們最早把兩級級聯(lián)做成功了，獲得了非常高品質(zhì)的GeV電子束的輸出。在歷史上，從激光電子加速器跨越到1個GeV臺階上停滯了非常多年，現(xiàn)在甚至提出來要做100GeV的電子加速，這就超過所有的傳統(tǒng)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(xiàn)這個目標：無論是瞄準利用電子束作為新光源還是把它作為未來實現(xiàn)的小型化的對撞機，激光都需要非常高的品質(zhì)。所以最近的十年，我們花了很多時間解決亮度提升的問題，終于取得了突破。
2016年的時候，我們亮度第一次達到與傳統(tǒng)加速器可以對比。以前我們是小尺寸，亮度是上不去的，我們花了很多力氣，可能解決1%的能散，對傳統(tǒng)加速器的同行們，他們是1‰。我們下了非常大的努力，所以在五年前，我們做到了0.4%，我們又花了5年提高了一倍，開始接近1‰，使得我們激光加速器能夠有這個基本條件。
基于高能粒子加速器的高功率激光
從激光的方面，第一天大家就想到縮短波長，但是這是非常困難的，我們大概從1984年開始，到2000年前后，大概花了二十多年的時間研究。這時候，自由電子激光由于有非常好的電子亮度，從2009年開始，有3臺工作波長在0.1納米的自由電子激光裝置被研制出來，而且都開始提供實驗。
我這里給了一個圖，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于射頻加速器，這樣的裝置是非常龐大的。我剛才講了，需要一公里長度的加速長度，怎么樣把這樣的激光裝置往小型化去做呢？我們怎么去解決這個問題？當然，在上海也有一個采用傳統(tǒng)射線加速器的裝置在研制中，這方面還有很多優(yōu)勢，它具有非常高的平均功率，可以提供多用戶使用。
前面我們第一部分講到了基于激光可以做小型化加速器，所以從2004年開始到現(xiàn)在，全球的學術(shù)界為之奮斗。我們在2019年率先獲得了成功，是至今唯一的能夠?qū)崿F(xiàn)利用激光加速器獲得電子產(chǎn)生激光。我們做成這樣一個裝置，工作在在10納米波段，利用激光加速電子，能量提高到1個GeV左右，它的尺寸比我們現(xiàn)在的射頻加速器的裝置尺寸縮小了20倍，已經(jīng)邁進了重要的一步。
我們的波蕩器還是利用傳統(tǒng)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，作為一個重大科研儀器項目，我們從自主研制200太瓦激光裝置開始，獲得了一個綜合性能優(yōu)良的電子束,具有非常高的品質(zhì)和高的亮度，后面基于傳統(tǒng)的波段器技術(shù)來獲得激光的輸出。
通過性能對比可以看出來，利用傳統(tǒng)加速器和利用激光加速器都可以獲得自由電子激光，基于激光加速器的裝置，雖然有一些優(yōu)勢，但是穩(wěn)定性都有很大的挑戰(zhàn)，還需要進一步的突破這方面的技術(shù)。比如說在波長方面，怎么樣進一步縮短，10個納米怎么縮短到現(xiàn)在常規(guī)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GeV，因此我們往這個方向在努力，做成10個GeV的模塊，就可以用來產(chǎn)生0.1納米的激光，也有可能用于未來的對撞機。我們提出利用激光瞬態(tài)的電場構(gòu)建瞬態(tài)的波蕩器，現(xiàn)在開始有一些進展。
高功率激光與高能粒子相互作用產(chǎn)生新光源
用高功率激光器與高能粒子產(chǎn)生的新光源，這方面也是研究的重要的前沿。我們利用光學激光和自由電子激光獲得最高亮度的光源，但是再往兩邊推，是更長和更短的波長。在長波長的太赫茲階段，我們利用金屬絲與激光的相互作用獲得超強場的太赫茲輻射，有很多的應用價值。伽馬射線也是一樣的，我們用高能的電子束與激光產(chǎn)生對撞，可以獲得比現(xiàn)有其他方法高幾個量級亮度的伽馬射線輻射。
做個對比，這張片子正在研制一臺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(shù)，這樣一個伽馬源也有重要的價值。
再往前走，同步輻射激光都是基于電子運動產(chǎn)生各種波段的光，現(xiàn)在有多種方案提出來。我們知道有北京光源，合肥光源，上海光源，它們分別屬于第一代到第四代的光源。
第四代之后，如果還希望進一步提升亮度，需要有個新原理提出來，例如基于儲存環(huán)高性能的電子加激光調(diào)制，就可以達到綜合性最優(yōu)。比如說能夠達到同步輻射光的能量、分辨率以及穩(wěn)定性，又同時有自由激光提供的相干性和超短的脈沖輸出。這方面也是當前重要的前沿。
基于高功率激光與高能粒子束的物理研究
如果這時候我們想做一些物理研究，有什么機會呢？剛才講到，張江在建的一個硬X射線激光裝置，它能夠提供很寬波段的X射線相干光源。在那邊我們有一個正在建的羲和2號裝置可以和它結(jié)合。原來自由電子激光和同步輻射主要用來做結(jié)構(gòu)分析，我們想改變這個性能，做一些瞬態(tài)的研究，而且甚至有可能拓展到我們天體物理很多科學問題的探索。
我下面舉幾個例子，比如說在很著名的Science 125個科學問題里面有“什么是最強的激光”，已經(jīng)過去了16年，這個問題還沒有被回答。如果激光足夠強，會在真空中產(chǎn)生，真空中的量子效應，這個效應能不能觀測？還有利用激光可以做很多其他的天體物理有關(guān)研究。
真空的擾動其實相當于材料在不同的方向產(chǎn)生有差異的折射率，我們看3D電影，就用到雙折射的原理。如果激光足夠強，我們就有可能在真空里面產(chǎn)生雙折射。在實驗室里誘導真空的雙折射，怎么做呢？這個現(xiàn)象在自然界里面存在。2017年天文學家觀察到中子星的輻射，由于中子星外面強的磁場他也發(fā)生了雙折射現(xiàn)象，這是自然界真實地證明了雙折射。我們可以利用激光的裝置，因為羲和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個數(shù)量級，從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，會比我們的羲和1號再強一個量級，100個拍瓦，聚焦到10個微米，這樣的光強就達到了真空可以研究的閾值。當然這個研究需要在真空。我們設(shè)計了真空系統(tǒng)，是一個非常龐大的實驗裝置，未來這個裝置會位于我們上海浦東的東北，非常漂亮。
什么是最強的激光？我們怎么回答這個問題？剛才講了，我們最強的光，如果做到羲和2號，只是在這張圖中間的這個位置，并沒有到達最上面。我們可以研究更高光強的相互作用，根據(jù)QED的理論，我們到底能做到多強呢？
在實驗室條件下，即使在1立方微米這么小的空間里面，在我們能夠獲得最好的真空條件下，還會有1個粒子，只要存在1個粒子，就會使激光光強快速的被衰減。我們理解最高的光強是10的26次方，這是羲和2號所能達到的強度，從這個角度看，最強的光會用羲和2號來產(chǎn)生，但是怎么繼續(xù)把這個研究往前推進，有沒有別的辦法？這時候我們必須得把激光和高能電子對撞，這時候在高能粒子的坐標系里，可以把相互作用的研究往更高的場強推進。
我剛才講到，我們希望把真空照妖鏡正好把反物質(zhì)照出來，但是它的壽命是有限的，10的21次方秒，我們同樣要發(fā)展這么快的探測手段。我們還有一個目標，如果是我們用這樣一個方法能產(chǎn)生比較好的效率，也許我們將來可以實現(xiàn)霍金的夢想，這當然依賴于我們羲和1號和2號的實驗，能不能通過激光把質(zhì)子達到超高能量，達到質(zhì)子到反質(zhì)子的產(chǎn)生。
總書記提出，我們要在基礎(chǔ)研究的領(lǐng)域拓展我們的認識邊界。所以我們要不斷推進這個邊界，把相關(guān)的技術(shù)轉(zhuǎn)化成我們可以應用的技術(shù)。在 “十四五”起步的階段，我們要好好規(guī)劃我們的學科。
這里我想用一個案例：在激光剛剛發(fā)明之后，我們國家快速對這個領(lǐng)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，激光這兩個詞1964年才有的。毛主席說專門組織一批人去研究它怎么來的。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(guī)劃里面，就預見了激光未來的應用，無論在基礎(chǔ)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(xiàn)在的實踐所證明。所以我們希望，我們現(xiàn)在更好地預見這些學科的發(fā)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
光學專家
2017年當選中國科學院院士。
現(xiàn)任中國科學院上海光機所研究員，中國光學學會副理事長。
先后擔任中國科學院上海光機所所長、上?？萍即髮W黨委書記、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(chuàng)新研究群體負責人、國家973計劃項目首席科學家等。
長期從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(zhì)子、阿秒X光光源和電子源、強場太赫茲輻射等方面取得一些重要研究成果。
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