“貌合神离”高功率激光与高能粒子加速器的交叉融合

（本文由科学大院根据李儒新院士在中科院学部第七届学术年会上的报告整理而成，首发于科学大院）

尊敬的各位前辈，各位院士，各位朋友，大家下午好，非常荣幸，但是又非常有压力来参加全体院士的报告会，我选了一个稍微大点的题目，谈谈我的认识和理解。

无论是在大学的专业设置还是基金委的学科专业组，还是我们学部，激光和加速器都是放在不同的地方，我试图讲讲它们之间是怎么交叉融合的，这个趋势是愈演愈烈，我希望把这个问题阐述清楚。

羲和1号激光装置

我是从一个激光的研究者的角度去试图回答这个问题，在座有很多加速器方面的专家，我就班门弄斧了。

对比一下激光发展的历史，大家可以看到，最早的门槛是比较高的，提出了受激的概念，粒子加速器带电场就可以加速。一开始加速器发展是非常快的，到后来要获得很高的能量和很高的品质，就需要有大量的创新。到1966年，就做成最大的、能量最高的直线电子加速器。激光最近的二十年有非常快速的发展，取决于新的技术的提出。近二十年来，峰值功率快速提升，对粒子加速器革命带来革命性的影响。

这是赵红卫院士给我的片子，最早的直线加速器和回旋波加速器加个50千伏的电场，粒子就上去了，并且基于这个原理很快就实现兆电子伏特的输出。大家都知道，现在我们最大的加速器是CERN的加速器，有很多重要的科学发现是依赖于这个加速器。

不久前有一个重要的新闻，很多科学家发现到达地球高能的射线拍电子伏特，需要有非常长距离的加速器。右上角图上可以看到，我们做直线加速等于转赤道一圈，4万公里，就用射频加速器，每公里10个GeV，当然目前有回旋加速器能量可以继续提升。所以说高能粒子加速器是一个庞然大物，当然也非常有用。

照片上展示是Maiman做的第一台激光器，中国的是王之江1961年做的，晚了一年。激光一直还在快速发展，特别是最近十几年，功率提升是非常迅速的。两年前《科学》杂志上总结，1960年激光器发明以来，花十几年的时间到了10的12次方，也就是太瓦级（1太瓦=1000吉瓦，1吉瓦=1000兆瓦），然后到了拍瓦级（1拍瓦=1000太瓦），提高一个量级到10拍瓦花了十多年的时间。激光功率提升的五个里程碑中，到第五个里程碑是中国科学家完成的，产生最强的峰值功率输出。

这个装置目前是在离陆家嘴非常近的张江。这里有比较多的光学大科学的设施，有依托传统加速器的上海光源，也有我们新的这个超强超高功率的激光装置，这些装置在一起构成了很好的研究平台。

激光的峰值功率刚才讲了，已经到达了10的16次方，叫10拍瓦，这样的峰值功率，因为持续时间非常短了，几十个飞秒，在这么一个瞬间，能量相当于全球电网能量的一千倍释放，因此是一个非常高的场强。如果把这样的激光聚焦到10微米，得到的光强是10的22次方瓦每平方厘米，约等于地球接收到太阳的总辐射对应的光强的十倍，而且还聚焦到头发丝大小，我们把这个叫羲和，我们激光装置现在是羲和1号。

基于高功率激光的高能粒子加速器

这样一个装置，光子的脉冲、电场磁场能量比都达到前所未有的超高。这个装置从2016年、17年开始建设，到了去年完成了初步建设，通过了验收，现在作为开放的研究设施，已经可以为我们的用户提供应用的条件。

2016年之后，我们同时进行土建的工作和装置的研制，以最短的时间推动这个项目的建成。然后又花了两年多的时间，把激光装置在新的实验大楼里面装起来。我们用一年的时间，把几个用户平台全部调试完成，因此现在可以提供全世界最强的峰值功率的实验平台，而且还同时具备了用激光产生的高能质子、电子、伽马射线、太赫兹辐射等，是一种宽谱的辐射源，可以满足众多的用户需求。所以我们下面试图求解这个问题，激光和加速器之间的交叉和融合。

一个是高功率激光的粒子加速器，利用激光作为加速器，工作介质是等离子，单位长度上获得加速的能量，比射频加速器可以高三个数量级以上，也就是说我们现在一个GeV电子只需要一个厘米，过去需要一百米，这是一个对比，因此它是产生超高梯度小型化的加速器。

这个设想最早是1979年提出来的，当时Tajima 和 Dawson在论文里面提出来，如果有比较强的激光光强，驱动等离子的尾波，就像水面上的一艘船，开过之后尾巴上会带进来一些东西。这是激光的尾波，场强非常强，尾波把电子加速到非常高的能量。

但是这个想法提出来以后，要把它变成现实还是非常困难的，因为没有非常好的激光。等了6年，Strickland他们提出了非常好的方法，1985年提出来，2018年得了诺贝尔奖。

这是看上去非常简单的方法，他们让红光跑在前面，蓝光跑在后面，压缩过程倒过来，避免材料的破坏。这个非常好的想法其实要变成装置很难。1985年提出来，1999年才做成了第一个拍瓦的装置，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个GeV，而且是在3.3厘米这么短的一个空间的尺度上实现的1个GeV，我们利用射频加速器大概需要百米长的长度。

我们当时想，我们在这个领域是后来者，跟着做没有什么机会。所以我们最快地做了多级，率先把多级级联加速的问题解决了。我们最早把两级级联做成功了，获得了非常高品质的GeV电子束的输出。在历史上，从激光电子加速器跨越到1个GeV台阶上停滞了非常多年，现在甚至提出来要做100GeV的电子加速，这就超过所有的传统的电子加速器、直线加速器的能量。

光有能量是不行的，必须实现这个目标：无论是瞄准利用电子束作为新光源还是把它作为未来实现的小型化的对撞机，激光都需要非常高的品质。所以最近的十年，我们花了很多时间解决亮度提升的问题，终于取得了突破。

2016年的时候，我们亮度第一次达到与传统加速器可以对比。以前我们是小尺寸，亮度是上不去的，我们花了很多力气，可能解决1%的能散，对传统加速器的同行们，他们是1‰。我们下了非常大的努力，所以在五年前，我们做到了0.4%，我们又花了5年提高了一倍，开始接近1‰，使得我们激光加速器能够有这个基本条件。

基于高能粒子加速器的高功率激光

从激光的方面，第一天大家就想到缩短波长，但是这是非常困难的，我们大概从1984年开始，到2000年前后，大概花了二十多年的时间研究。这时候，自由电子激光由于有非常好的电子亮度，从2009年开始，有3台工作波长在0.1纳米的自由电子激光装置被研制出来，而且都开始提供实验。

我这里给了一个图，横坐标是它的光子能量，纵坐标是亮度。

X射线波段自由电子激光必须依赖于射频加速器，这样的装置是非常庞大的。我刚才讲了，需要一公里长度的加速长度，怎么样把这样的激光装置往小型化去做呢？我们怎么去解决这个问题？当然，在上海也有一个采用传统射线加速器的装置在研制中，这方面还有很多优势，它具有非常高的平均功率，可以提供多用户使用。

前面我们第一部分讲到了基于激光可以做小型化加速器，所以从2004年开始到现在，全球的学术界为之奋斗。我们在2019年率先获得了成功，是至今唯一的能够实现利用激光加速器获得电子产生激光。我们做成这样一个装置，工作在在10纳米波段，利用激光加速电子，能量提高到1个GeV左右，它的尺寸比我们现在的射频加速器的装置尺寸缩小了20倍，已经迈进了重要的一步。

我们的波荡器还是利用传统的周期性排布的磁铁来做的。在基金委的支持下，花了八年时间，作为一个重大科研仪器项目，我们从自主研制200太瓦激光装置开始，获得了一个综合性能优良的电子束,具有非常高的品质和高的亮度，后面基于传统的波段器技术来获得激光的输出。

通过性能对比可以看出来，利用传统加速器和利用激光加速器都可以获得自由电子激光，基于激光加速器的装置，虽然有一些优势，但是稳定性都有很大的挑战，还需要进一步的突破这方面的技术。比如说在波长方面，怎么样进一步缩短，10个纳米怎么缩短到现在常规的自由电子激光装置0.1纳米波长，需要把电子能量提升到10个GeV，因此我们往这个方向在努力，做成10个GeV的模块，就可以用来产生0.1纳米的激光，也有可能用于未来的对撞机。我们提出利用激光瞬态的电场构建瞬态的波荡器，现在开始有一些进展。

高功率激光与高能粒子相互作用产生新光源

用高功率激光器与高能粒子产生的新光源，这方面也是研究的重要的前沿。我们利用光学激光和自由电子激光获得最高亮度的光源，但是再往两边推，是更长和更短的波长。在长波长的太赫兹阶段，我们利用金属丝与激光的相互作用获得超强场的太赫兹辐射，有很多的应用价值。伽马射线也是一样的，我们用高能的电子束与激光产生对撞，可以获得比现有其他方法高几个量级亮度的伽马射线辐射。

做个对比，这张片子正在研制一台可以车载小型化的紧凑型的伽马射线，可以提供10的8次方/每秒的光子数，这样一个伽马源也有重要的价值。

再往前走，同步辐射激光都是基于电子运动产生各种波段的光，现在有多种方案提出来。我们知道有北京光源，合肥光源，上海光源，它们分别属于第一代到第四代的光源。

第四代之后，如果还希望进一步提升亮度，需要有个新原理提出来，例如基于储存环高性能的电子加激光调制，就可以达到综合性最优。比如说能够达到同步辐射光的能量、分辨率以及稳定性，又同时有自由激光提供的相干性和超短的脉冲输出。这方面也是当前重要的前沿。

基于高功率激光与高能粒子束的物理研究

如果这时候我们想做一些物理研究，有什么机会呢？刚才讲到，张江在建的一个硬X射线激光装置，它能够提供很宽波段的X射线相干光源。在那边我们有一个正在建的羲和2号装置可以和它结合。原来自由电子激光和同步辐射主要用来做结构分析，我们想改变这个性能，做一些瞬态的研究，而且甚至有可能拓展到我们天体物理很多科学问题的探索。

我下面举几个例子，比如说在很著名的Science 125个科学问题里面有“什么是最强的激光”，已经过去了16年，这个问题还没有被回答。如果激光足够强，会在真空中产生，真空中的量子效应，这个效应能不能观测？还有利用激光可以做很多其他的天体物理有关研究。

真空的扰动其实相当于材料在不同的方向产生有差异的折射率，我们看3D电影，就用到双折射的原理。如果激光足够强，我们就有可能在真空里面产生双折射。在实验室里诱导真空的双折射，怎么做呢？这个现象在自然界里面存在。2017年天文学家观察到中子星的辐射，由于中子星外面强的磁场他也发生了双折射现象，这是自然界真实地证明了双折射。我们可以利用激光的装置，因为羲和2号的功率密度达到10的23次方，可以诱导出非常微弱的双折射。利用波长0.1纳米的激光做探针，探测灵敏度有可能提高8个数量级，从而把非常微弱的信号测出来。

大家看这张图，随着年代的演变光强的提升。未来如果有了羲和2号，会比我们的羲和1号再强一个量级，100个拍瓦，聚焦到10个微米，这样的光强就达到了真空可以研究的阈值。当然这个研究需要在真空。我们设计了真空系统，是一个非常庞大的实验装置，未来这个装置会位于我们上海浦东的东北，非常漂亮。

什么是最强的激光？我们怎么回答这个问题？刚才讲了，我们最强的光，如果做到羲和2号，只是在这张图中间的这个位置，并没有到达最上面。我们可以研究更高光强的相互作用，根据QED的理论，我们到底能做到多强呢？

在实验室条件下，即使在1立方微米这么小的空间里面，在我们能够获得最好的真空条件下，还会有1个粒子，只要存在1个粒子，就会使激光光强快速的被衰减。我们理解最高的光强是10的26次方，这是羲和2号所能达到的强度，从这个角度看，最强的光会用羲和2号来产生，但是怎么继续把这个研究往前推进，有没有别的办法？这时候我们必须得把激光和高能电子对撞，这时候在高能粒子的坐标系里，可以把相互作用的研究往更高的场强推进。

我刚才讲到，我们希望把真空照妖镜正好把反物质照出来，但是它的寿命是有限的，10的21次方秒，我们同样要发展这么快的探测手段。我们还有一个目标，如果是我们用这样一个方法能产生比较好的效率，也许我们将来可以实现霍金的梦想，这当然依赖于我们羲和1号和2号的实验，能不能通过激光把质子达到超高能量，达到质子到反质子的产生。

总书记提出，我们要在基础研究的领域拓展我们的认识边界。所以我们要不断推进这个边界，把相关的技术转化成我们可以应用的技术。在 “十四五”起步的阶段，我们要好好规划我们的学科。

这里我想用一个案例：在激光刚刚发明之后，我们国家快速对这个领域做出布局。1963年毛主席听取了聂荣臻的汇报，当时还没有激光，激光这两个词1964年才有的。毛主席说专门组织一批人去研究它怎么来的。在1962年，那时候激光刚刚才问世三年时间，钱老（钱学森）在1963到1972年的规划里面，就预见了激光未来的应用，无论在基础科学的应用，以及在宇宙空间通讯上的应用，预见性都是极强的，都是被现在的实践所证明。所以我们希望，我们现在更好地预见这些学科的发展，做出更好的工作。谢谢大家。

主讲人介绍

李儒新院士

中国科学院院士

光学专家