隨著啁啾脈沖放大技術(shù)（CPA）的發(fā)展，特別是10-100拍瓦（PW,1PW=1x1015瓦）激光器的建成，激光光強可以達到1023W/cm2以上。超強激光與物質(zhì)相互作用是一種極端非線性過程，不僅可以用于電子、質(zhì)子和重離子的加速，也可以產(chǎn)生從太赫茲到X/γ射線的超短超強寬帶相干輻射。正是由于CPA激光在粒子加速和輻射領(lǐng)域的重要潛力和貢獻，Mourou and Strickland獲了2018年度諾貝爾物理獎。

光子（能量）在特定條件下可以轉(zhuǎn)化成物質(zhì)，這對研究物質(zhì)的起因有重要的意義。相關(guān)的理論研究始于上世紀30年代，直到1997年，美國SLAC國家加速器實驗室首次在實驗上觀測到多光子碰撞產(chǎn)生正負電子對的過程。然而，對于兩個高能光子的相互作用產(chǎn)生正負電子對的過程，也就是常說的光子對撞機，受制于已有伽馬射線源的流強和亮度不夠高，迄今為止還未被在實驗中觀測到。

近年來，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，特別是10拍瓦（1拍瓦 = 1×1015瓦）激光器的建成，激光光強得到極大地提高，預(yù)測可以達到1×1023 W/cm3以上。當如此高強度的激光與物質(zhì)相互作用時，大部分激光能量將被物質(zhì)吸收并轉(zhuǎn)化成伽馬射線，若能同時有效控制伽馬射線的發(fā)散角，伽馬射線源將會達到前所未有的流強和亮度。

在“大科學(xué)裝置前沿研究”重點專項等的支持下，北京大學(xué)物理學(xué)院顏學(xué)慶、盧海洋研究團隊針對實驗上雙光子相互作用產(chǎn)生正負電子對這一世界性科學(xué)難題，開展了系統(tǒng)深入的研究。前期工作中，他們研究了如何產(chǎn)生超高亮度伽馬輻射源，提出了10拍瓦量級激光驅(qū)動光子對撞機的設(shè)計方案，從理論方面深入闡明了微通道結(jié)構(gòu)靶中電子的加速過程由縱向電場主導(dǎo)，電子的橫向加速得到有效抑制，因此利于獲得高準直性的電子束，當這些電子束在橫向電場中的相位發(fā)生反轉(zhuǎn)時，電子就會在管道邊界處產(chǎn)生強的伽馬輻射。

電子的發(fā)散角決定著伽馬輻射的發(fā)散角，數(shù)值模擬顯示，10拍瓦激光所獲得的發(fā)散角約為3度，具有非常好的準直性，所獲伽馬射線源的亮度比之前研究報道結(jié)果高出兩個數(shù)量級?；谠摮吡炼鹊馁ゑR射線源，研究人員將其應(yīng)用于光子對撞機。理論模擬表明，該方案每一次對撞可以產(chǎn)生3億多個正負電子對，同時背景噪聲得到有效抑制，信噪比高于1000:1，且每一次對撞的正負電子對信號（>1×108）遠高于現(xiàn)有測量技術(shù)的探測極限。

該設(shè)計方案可以在實驗室中驗證光子相互作用過程中能量到物質(zhì)的轉(zhuǎn)換過程，為研究激光驅(qū)動光子對撞機提供了新途徑，也有望為未來建設(shè)基于重頻拍瓦飛秒激光的高亮度伽馬源及其應(yīng)用裝置提供依據(jù)。

在國家自然科學(xué)基金項目（批準號：11775010，11575011，11535001，61631001和11605111）、國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施培育項目和國家重大儀器專項等支持下，北京大學(xué)顏學(xué)慶教授團隊在激光等離子體加速領(lǐng)域取得重要進展，基于高品質(zhì)拍瓦激光，實驗上首次利用人工設(shè)計的微納靶材，獲得了能量高達580兆電子伏特的碳離子，將原飛秒激光加速重離子能量記錄提高了兩倍；并提出采用微結(jié)構(gòu)管靶獲得產(chǎn)額1014/發(fā)和發(fā)散角小于3度的超高亮度伽馬輻射源新方案，亮度比之前研究報道結(jié)果高出兩個數(shù)量級。相關(guān)結(jié)果以“Creation of Electron-positron Pairs in Photon-photon Collisions Driven by 10-PW Laser Pulses”（基于十拍瓦激光的光子對撞與正負電子對產(chǎn)生新方案）和“Laser Acceleration of Highly Energetic Carbon Ions Using a Double-Layer Target Composed of Slightly Underdense Plasma and Ultrathin Foil”（雙層靶激光級聯(lián)加速產(chǎn)生高能碳離子）為題，于2019年1月9日和10日連續(xù)在線發(fā)表于Physical Review Letters（《物理評論快報》）上。