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。

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)，這里需要有大量的創(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，取決于新的技術的提出。近二十年來，分子功率快速提升，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電場50個千弧，粒子就上去了。大家都知道，現(xiàn)在我們最大的加速器是這個，有很多重要的科學發(fā)現(xiàn)是依賴于這個加速器。

兩周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赤道一圈，4萬公里，就用射電加速器，每公里10個geV，回旋加速器能量可以繼續(xù)提升，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做的第一臺加速器，中國是王之江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，1960年激光器發(fā)明以來，花十幾年的時間到了10的12次方太瓦級（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），提高一個量級花了十多年的時間。激光技術的五個里程碑中，到第五個里程碑，在中國才有機會產(chǎn)生最強的分子功率輸出。

這個裝置目前是在張江，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空的激光裝置，這些裝置在一起構成了很好的研究平臺。

激光的分子功率剛才講了，已經(jīng)到達了10的16次方，叫10拍瓦，這樣的分子功率，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11次方，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。

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，到了去年完成了初步建設，通過了驗收，現(xiàn)在作為開放的研究設施，已經(jīng)可以為我們的用戶提供應用的條件，我這里有個短片大家可以看到它長什么樣。

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分子功率的實驗平臺，而且還同時具備了用激光產(chǎn)生的高能質(zhì)子等。它是寬譜的輻射源，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)在一個電子一個厘米，過去你需要一百米，這是一個對比，因此它是產(chǎn)生超高電動小型化的加速器。

這個設想最早是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，2008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，我們在這個領域是后來者，跟著做沒有什么機會。所以我們最快地做了多極，率先把多極的問題解決了。我們最早把兩極極聯(lián)做成功了，獲得了非常高的GeV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100GeV。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%，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。

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，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，橫坐標是它的能量，就可以看到，縱坐標是量子。

X射線波段必須依賴于射電激光，這樣的激光裝置是非常龐大的。我剛才講了，需要一公里長度的加速場，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，全球的學術界為之奮斗。我們在2009年率先獲得了成功，是至今唯一的能夠實現(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，在10納米波段，利用激光加速電子，能量再提高1個GeV左右，它的尺寸比我們現(xiàn)在的射頻加速器的激光尺寸縮小了20倍，已經(jīng)邁進了重要的一步。

我們的波段器還是利用傳統(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，作為一個重大科學儀器項目，我們從自主研制200個0.2拍瓦激光裝置開始，獲得了一個綜合性能的電子束,具有非常高的品質(zhì)和高的亮度，后面是一個基于傳統(tǒng)的波段器技術來獲得的輸出。

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。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)的激光裝置0.1納米波長；我們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這樣一個模塊，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)構建瞬態(tài)的波蕩器，現(xiàn)在開始有一些進展。

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。我們講光學波段和硬X射線，但是再往兩邊推，是更短和更長的波長。在長波長的太赫茲階段，我們利用金屬的運動產(chǎn)生強的太磁場，有很多的應用價值。伽馬射線也是一樣的，我們用高頻次的電子束產(chǎn)生對撞，可以覆蓋幾個超低的輻射。

做個對比，這張片子是清華大學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次方光子數(shù)/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，有個新原理提出來，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。

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Seicenc125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號的能量達到10的23次方，可以誘導出非常微弱的雙折射。波長0.1納米的激光，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。我們設計了真空棒，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角，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？

我們發(fā)現(xiàn)，理想很美好，現(xiàn)實中沒有那么完美的真空。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和光子對撞，這時候在高能粒子的坐標系里，我們就要獲得更高的光強，因此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)子的狀況。

總書記提出，我們要在基礎研究的領域拓展我們的認識邊界。所以我們要不斷推進這個邊界，把相關的技術轉化成我們可以應用的技術。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，無論在基礎科學的應用，以及在宇宙通訊上的應用，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。