（本文由科學(xué)大院根據(jù)李儒新院士在中科院學(xué)部第七屆學(xué)術(shù)年會(huì)上的報(bào)告整理而成，首發(fā)于科學(xué)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(lái)參加全體院士的報(bào)告會(huì)，我選了一個(gè)稍微大點(diǎn)的題目，談?wù)勎业恼J(rèn)識(shí)和理解。

無(wú)論是在大學(xué)的專業(yè)設(shè)置還是基金委的學(xué)科專業(yè)組，還是我們學(xué)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(gè)趨勢(shì)是愈演愈烈，我希望把這個(gè)問(wèn)題闡述清楚。

羲和1號(hào)激光裝置

我是從一個(gè)激光的研究者的角度去試圖回答這個(gè)問(wèn)題，在座有很多加速器方面的專家，我就班門弄斧了。

對(duì)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(chǎng)就可以加速。一開始加速器發(fā)展是非?？斓模胶髞?lái)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?？焖俚陌l(fā)展，取決于新的技術(shù)的提出。近二十年來(lái)，峰值功率快速提升，對(duì)粒子加速器革命帶來(lái)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(gè)50千伏的電場(chǎng)，粒子就上去了，并且基于這個(gè)原理很快就實(shí)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(xué)發(fā)現(xiàn)是依賴于這個(gè)加速器。

不久前有一個(gè)重要的新聞，很多科學(xué)家發(fā)現(xiàn)到達(dá)地球高能的射線拍電子伏特，需要有非常長(zhǎng)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(wàn)公里，就用射頻加速器，每公里10個(gè)GeV，當(dāng)然目前有回旋加速器能量可以繼續(xù)提升。所以說(shuō)高能粒子加速器是一個(gè)龐然大物，當(dāng)然也非常有用。

照片上展示是Maiman做的第一臺(tái)激光器，中國(guó)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(xué)》雜志上總結(jié)，1960年激光器發(fā)明以來(lái)，花十幾年的時(shí)間到了10的12次方，也就是太瓦級(jí)（1太瓦=1000吉瓦，1吉瓦=1000兆瓦），然后到了拍瓦級(jí)（1拍瓦=1000太瓦），提高一個(gè)量級(jí)到10拍瓦花了十多年的時(shí)間。激光功率提升的五個(gè)里程碑中，到第五個(gè)里程碑是中國(guó)科學(xué)家完成的，產(chǎn)生最強(qiáng)的峰值功率輸出。

這個(gè)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(xué)大科學(xué)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(gè)超強(qiáng)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(tái)。

激光的峰值功率剛才講了，已經(jīng)到達(dá)了10的16次方，叫10拍瓦，這樣的峰值功率，因?yàn)槌掷m(xù)時(shí)間非常短了，幾十個(gè)飛秒，在這么一個(gè)瞬間，能量相當(dāng)于全球電網(wǎng)能量的一千倍釋放，因此是一個(gè)非常高的場(chǎng)強(qiáng)。如果把這樣的激光聚焦到10微米，得到的光強(qiáng)是10的22次方瓦每平方厘米，約等于地球接收到太陽(yáng)的總輻射對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)的十倍，而且還聚焦到頭發(fā)絲大小，我們把這個(gè)叫羲和，我們激光裝置現(xiàn)在是羲和1號(hào)。

基于高功率激光的高能粒子加速器

這樣一個(gè)裝置，光子的脈沖、電場(chǎng)磁場(chǎng)能量比都達(dá)到前所未有的超高。這個(gè)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(guò)了驗(yàn)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(yīng)用的條件。

2016年之后，我們同時(shí)進(jìn)行土建的工作和裝置的研制，以最短的時(shí)間推動(dòng)這個(gè)項(xiàng)目的建成。然后又花了兩年多的時(shí)間，把激光裝置在新的實(shí)驗(yàn)大樓里面裝起來(lái)。我們用一年的時(shí)間，把幾個(gè)用戶平臺(tái)全部調(diào)試完成，因此現(xiàn)在可以提供全世界最強(qiáng)的峰值功率的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，而且還同時(shí)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(gè)問(wèn)題，激光和加速器之間的交叉和融合。

一個(gè)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(zhǎng)度上獲得加速的能量，比射頻加速器可以高三個(gè)數(shù)量級(jí)以上，也就是說(shuō)我們現(xiàn)在一個(gè)GeV電子只需要一個(gè)厘米，過(guò)去需要一百米，這是一個(gè)對(duì)比，因此它是產(chǎn)生超高梯度小型化的加速器。

這個(gè)設(shè)想最早是1979年提出來(lái)的，當(dāng)時(shí)Tajima 和 Dawson在論文里面提出來(lái)，如果有比較強(qiáng)的激光光強(qiáng)，驅(qū)動(dòng)等離子的尾波，就像水面上的一艘船，開過(guò)之后尾巴上會(huì)帶進(jìn)來(lái)一些東西。這是激光的尾波，場(chǎng)強(qiáng)非常強(qiáng)，尾波把電子加速到非常高的能量。

但是這個(gè)想法提出來(lái)以后，要把它變成現(xiàn)實(shí)還是非常困難的，因?yàn)闆](méi)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(lái)，2018年得了諾貝爾獎(jiǎng)。

這是看上去非常簡(jiǎn)單的方法，他們讓紅光跑在前面，藍(lán)光跑在后面，壓縮過(guò)程倒過(guò)來(lái)，避免材料的破壞。這個(gè)非常好的想法其實(shí)要變成裝置很難。1985年提出來(lái)，1999年才做成了第一個(gè)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(gè)GeV，而且是在3.3厘米這么短的一個(gè)空間的尺度上實(shí)現(xiàn)的1個(gè)GeV，我們利用射頻加速器大概需要百米長(zhǎng)的長(zhǎng)度。

我們當(dāng)時(shí)想，我們?cè)谶@個(gè)領(lǐng)域是后來(lái)者，跟著做沒(méi)有什么機(jī)會(huì)。所以我們最快地做了多級(jí)，率先把多級(jí)級(jí)聯(lián)加速的問(wèn)題解決了。我們最早把兩級(jí)級(jí)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(gè)GeV臺(tái)階上停滯了非常多年，現(xiàn)在甚至提出來(lái)要做100GeV的電子加速，這就超過(guò)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(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)：無(wú)論是瞄準(zhǔn)利用電子束作為新光源還是把它作為未來(lái)實(shí)現(xiàn)的小型化的對(duì)撞機(jī)，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(shí)間解決亮度提升的問(wèn)題，終于取得了突破。

2016年的時(shí)候，我們亮度第一次達(dá)到與傳統(tǒng)加速器可以對(duì)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(duì)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(gè)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(zhǎng)，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(shí)間研究。這時(shí)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(tái)工作波長(zhǎng)在0.1納米的自由電子激光裝置被研制出來(lái)，而且都開始提供實(shí)驗(yàn)。

我這里給了一個(gè)圖，橫坐標(biāo)是它的光子能量，縱坐標(biāo)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(zhǎng)度的加速長(zhǎng)度，怎么樣把這樣的激光裝置往小型化去做呢？我們?cè)趺慈ソ鉀Q這個(gè)問(wèn)題？當(dāng)然，在上海也有一個(gè)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(shì)，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(xué)術(shù)界為之奮斗。我們?cè)?019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(gè)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(gè)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(jìn)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(lái)做的。在基金委的支持下，花了八年時(shí)間，作為一個(gè)重大科研儀器項(xiàng)目，我們從自主研制200太瓦激光裝置開始，獲得了一個(gè)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(lái)獲得激光的輸出。

通過(guò)性能對(duì)比可以看出來(lái)，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(shì)，但是穩(wěn)定性都有很大的挑戰(zhàn)，還需要進(jìn)一步的突破這方面的技術(shù)。比如說(shuō)在波長(zhǎng)方面，怎么樣進(jìn)一步縮短，10個(gè)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(zhǎng)，需要把電子能量提升到10個(gè)GeV，因此我們往這個(gè)方向在努力，做成10個(gè)GeV的模塊，就可以用來(lái)產(chǎn)生0.1納米的激光，也有可能用于未來(lái)的對(duì)撞機(jī)。我們提出利用激光瞬態(tài)的電場(chǎng)構(gòu)建瞬態(tài)的波蕩器，現(xiàn)在開始有一些進(jìn)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(xué)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(zhǎng)和更短的波長(zhǎng)。在長(zhǎng)波長(zhǎng)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(qiáng)場(chǎng)的太赫茲輻射，有很多的應(yīng)用價(jià)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(duì)撞，可以獲得比現(xiàn)有其他方法高幾個(gè)量級(jí)亮度的伽馬射線輻射。

做個(gè)對(duì)比，這張片子正在研制一臺(tái)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(gè)伽馬源也有重要的價(jià)值。

再往前走，同步輻射激光都是基于電子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生各種波段的光，現(xiàn)在有多種方案提出來(lái)。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(jìn)一步提升亮度，需要有個(gè)新原理提出來(lái)，例如基于儲(chǔ)存環(huán)高性能的電子加激光調(diào)制，就可以達(dá)到綜合性最優(yōu)。比如說(shuō)能夠達(dá)到同步輻射光的能量、分辨率以及穩(wěn)定性，又同時(shí)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(dāng)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(shí)候我們想做一些物理研究，有什么機(jī)會(huì)呢？剛才講到，張江在建的一個(gè)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(gè)正在建的羲和2號(hào)裝置可以和它結(jié)合。原來(lái)自由電子激光和同步輻射主要用來(lái)做結(jié)構(gòu)分析，我們想改變這個(gè)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(xué)問(wèn)題的探索。

我下面舉幾個(gè)例子，比如說(shuō)在很著名的Science 125個(gè)科學(xué)問(wèn)題里面有“什么是最強(qiáng)的激光”，已經(jīng)過(guò)去了16年，這個(gè)問(wèn)題還沒(méi)有被回答。如果激光足夠強(qiáng)，會(huì)在真空中產(chǎn)生，真空中的量子效應(yīng)，這個(gè)效應(yīng)能不能觀測(cè)？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(dòng)其實(shí)相當(dāng)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(qiáng)，我們就有可能在真空里面產(chǎn)生雙折射。在實(shí)驗(yàn)室里誘導(dǎo)真空的雙折射，怎么做呢？這個(gè)現(xiàn)象在自然界里面存在。2017年天文學(xué)家觀察到中子星的輻射，由于中子星外面強(qiáng)的磁場(chǎng)他也發(fā)生了雙折射現(xiàn)象，這是自然界真實(shí)地證明了雙折射。我們可以利用激光的裝置，因?yàn)轸撕?號(hào)的功率密度達(dá)到10的23次方，可以誘導(dǎo)出非常微弱的雙折射。利用波長(zhǎng)0.1納米的激光做探針，探測(cè)靈敏度有可能提高8個(gè)數(shù)量級(jí)，從而把非常微弱的信號(hào)測(cè)出來(lái)。

大家看這張圖，隨著年代的演變光強(qiáng)的提升。未來(lái)如果有了羲和2號(hào)，會(huì)比我們的羲和1號(hào)再?gòu)?qiáng)一個(gè)量級(jí)，100個(gè)拍瓦，聚焦到10個(gè)微米，這樣的光強(qiáng)就達(dá)到了真空可以研究的閾值。當(dāng)然這個(gè)研究需要在真空。我們?cè)O(shè)計(jì)了真空系統(tǒng)，是一個(gè)非常龐大的實(shí)驗(yàn)裝置，未來(lái)這個(gè)裝置會(huì)位于我們上海浦東的東北，非常漂亮。

什么是最強(qiáng)的激光？我們?cè)趺椿卮疬@個(gè)問(wèn)題？剛才講了，我們最強(qiáng)的光，如果做到羲和2號(hào)，只是在這張圖中間的這個(gè)位置，并沒(méi)有到達(dá)最上面。我們可以研究更高光強(qiáng)的相互作用，根據(jù)QED的理論，我們到底能做到多強(qiáng)呢？

在實(shí)驗(yàn)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(huì)有1個(gè)粒子，只要存在1個(gè)粒子，就會(huì)使激光光強(qiáng)快速的被衰減。我們理解最高的光強(qiáng)是10的26次方，這是羲和2號(hào)所能達(dá)到的強(qiáng)度，從這個(gè)角度看，最強(qiáng)的光會(huì)用羲和2號(hào)來(lái)產(chǎn)生，但是怎么繼續(xù)把這個(gè)研究往前推進(jìn)，有沒(méi)有別的辦法？這時(shí)候我們必須得把激光和高能電子對(duì)撞，這時(shí)候在高能粒子的坐標(biāo)系里，可以把相互作用的研究往更高的場(chǎng)強(qiáng)推進(jìn)。

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(lái)，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(cè)手段。我們還有一個(gè)目標(biāo)，如果是我們用這樣一個(gè)方法能產(chǎn)生比較好的效率，也許我們將來(lái)可以實(shí)現(xiàn)霍金的夢(mèng)想，這當(dāng)然依賴于我們羲和1號(hào)和2號(hào)的實(shí)驗(yàn)，能不能通過(guò)激光把質(zhì)子達(dá)到超高能量，達(dá)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(rèn)識(shí)邊界。所以我們要不斷推進(jìn)這個(gè)邊界，把相關(guān)的技術(shù)轉(zhuǎn)化成我們可以應(yīng)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(xué)科。

這里我想用一個(gè)案例：在激光剛剛發(fā)明之后，我們國(guó)家快速對(duì)這個(gè)領(lǐng)域做出布局。1963年毛主席聽取了聶榮臻的匯報(bào)，當(dāng)時(shí)還沒(méi)有激光，激光這兩個(gè)詞1964年才有的。毛主席說(shuō)專門組織一批人去研究它怎么來(lái)的。在1962年，那時(shí)候激光剛剛才問(wèn)世三年時(shí)間，錢老（錢學(xué)森）在1963到1972年的規(guī)劃里面，就預(yù)見了激光未來(lái)的應(yīng)用，無(wú)論在基礎(chǔ)科學(xué)的應(yīng)用，以及在宇宙空間通訊上的應(yīng)用，預(yù)見性都是極強(qiáng)的，都是被現(xiàn)在的實(shí)踐所證明。所以我們希望，我們現(xiàn)在更好地預(yù)見這些學(xué)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(guó)科學(xué)院院士

光學(xué)專家

2017年當(dāng)選中國(guó)科學(xué)院院士。

現(xiàn)任中國(guó)科學(xué)院上海光機(jī)所研究員，中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)。

先后擔(dān)任中國(guó)科學(xué)院上海光機(jī)所所長(zhǎng)、上海科技大學(xué)黨委書記、中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院院長(zhǎng)、張江實(shí)驗(yàn)室主任等、強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、國(guó)家基金委創(chuàng)新研究群體負(fù)責(zé)人、國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目首席科學(xué)家等。

長(zhǎng)期從事超高峰值功率激光和強(qiáng)場(chǎng)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(qiáng)場(chǎng)太赫茲輻射等方面取得一些重要研究成果。