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各位前辈、院士、朋友们，大家下午好。很荣幸，但是我压力很大，要参加所有院士的讲座。我选择了一个稍微大一点的话题来谈谈我的理解和认识。
激光和加速器放在不同的地方，无论是大学的专业设置，还是国家自然科学基金的学科专业组，还是我们系。我试着说说它们是如何交叉融合的，而且这种趋势越来越差。我希望把这个问题解释清楚。
Xi贺一号激光装置
我试图从一个激光研究者的角度来回答这个问题。这里加速器专家很多，我就教鱼游泳。
图为麦曼制造的第一台激光，1961年中国王志江制造的激光晚了一年。激光器一直在快速发展，尤其是近十年来，功率提高非常快。两年前，《科学》杂志总结，从1960年激光发明以来，用了十几年的时间才达到10的第12次方，也就是太瓦级，然后达到了拍瓦级，又用了十几年的时间才提高一个数量级到10拍瓦。在激光功率提升的五个里程碑中，第五个里程碑由中国科学家完成，产生了最强的峰值功率输出。
这个装置目前位于张江，离陆家嘴很近。这里有很多光学科学设施，包括依托传统加速器的上海光源，还有我们新型的超强、超高功率激光装置，共同构成了一个很好的研究平台。
我刚才说过，激光的峰值功率已经达到了10的16次方，叫做10帕瓦。这个峰值功率持续时间很短，几十飞秒。在这样的瞬间，能量相当于全球电网释放能量的1000倍，所以是一个非常高的场强。如果这个激光聚焦到10微米，得到的光强是每平方厘米10到22次方瓦，大约是地球接收到的太阳总辐射对应的光强的十倍，也聚焦到发际线的大小。我们称之为xi何，我们的激光设备现在是xi何一号
基于高功率激光的高能粒子加速器
有了这样的装置，光子脉冲、电场和磁场的能量比都达到了前所未有的高。该装置于2016年、17年开工建设，去年完成初步建设并通过验收。现在，作为一个开放的研究机构，它可以为我们的用户提供应用条件。
2016年后，我们将同时开展土建工作和设备开发，以最短的时间推动本项目完工。然后花了两年多的时间在新的实验大楼里安装激光装置。我们一年调试了几个用户平台，所以现在可以提供全球最强的峰值功率实验平台，也有高能质子、电子、伽马射线、太赫兹辐射等。由激光产生，激光是一种广谱辐射源，可以满足很多用户的需求。所以我们试图解决这个问题，激光和加速器之间的交叉和融合。
一个是大功率激光的粒子加速器，它用激光作为加速器，工作介质是等离子体，单位长度的加速能量可以比射频加速器高三个数量级以上，也就是说，我们现在一个GeV电子只需要一厘米，但以前需要一百米，这是一个对比，所以是一个产生超高梯度小型化的加速器。
这个想法最早是在1979年提出的。当时，田岛和道森在他们的论文中提出。如果有很强的激光强度，就会带动等离子体的尾波，就像水面上的小船，经过之后会有东西带进来。这是激光的尾波，具有非常强的场强，将电子加速到非常高的能量。
然而，这个想法提出后，由于没有非常好的激光器，很难将其转化为现实。等了六年之后，斯特里克兰提出了一个非常好的方法，1985年提出，2018年获得诺贝尔奖。
这似乎是一个非常简单的方法。他们让红灯在前面跑，让蓝光在后面跑，压缩过程反过来避免材料损坏。这个非常好的想法实际上很难变成一个设备。1985年提出，1999年制造出第一台打瓦机。2004年取得突破，迅速应用于激光加速器。
两年后能量提升到1 GeV，在空之间的3.3 cm尺度上实现。我们使用射频加速器大约需要100米。
我们当时以为我们是这个领域的后来者，没有机会效仿。所以我们以最快的速度做了多级，率先解决了多级级联加速的问题。我们成功实现了第一个两级级联，获得了非常高质量的GeV电子束输出。历史上从激光电子加速器跨越到一个GeV台阶已经停滞多年，现在甚至提出要做100GeV的电子加速，超过了所有传统电子加速器和直线加速器的能量。
光不可能有能量。这一目标必须实现:无论是着眼于将来使用电子束作为新的光源，还是将其用作小型化的对撞机，激光都需要非常高的质量。所以最近十年，我们花了很多时间解决亮度提升的问题，最终取得了突破。
2016年，我们的亮度首次与传统加速器媲美。过去，我们体积小，达不到亮度。我们花了很大力气解决了1%的能耗，对于传统加速器的同行来说是1‰。我们付出了很大的努力，所以5年前我们实现了0.4%，我们用了5年时间翻了一番，开始接近1‰，这让我们的激光加速器具备了这个基本条件。
基于高能粒子加速器的高功率激光器
从激光方面，我们第一天就想到了缩短波长，但是很难。从1984年到2000年左右，我们大概花了二十多年的时间学习。当时，自2009年以来，已经开发了三种工作波长为0.1纳米的自由电子激光器件，因为它们具有出色的电子亮度，并且都已经开始提供实验。
我在这里给出了一个图表。横坐标是它的光子能量，纵坐标是它的亮度。
x射线波段自由电子激光器必须依靠射频加速器，这是非常大的。正如我刚才所说，我们需要一公里的加速长度。我们怎样才能使这样的激光装置小型化？如何才能解决这个问题？当然，上海也有一个正在开发的使用传统射线加速器的装置，在这方面有很多优势。它具有非常高的平均功率，可以被多个用户使用。
在第一部分中，我们谈到了基于激光的小型化加速器，所以从2004年到现在，世界学术界一直在为之奋斗。我们在2019年率先取得成功，是唯一一家可以利用激光加速器获得电子产生激光的公司。我们做了这样一个装置，工作在10 nm波段，通过激光加速电子，能量提高到1 GeV左右。它的尺寸比我们目前的射频加速器小20倍，已经向前迈出了重要的一步。
我们的波动器仍然是由周期性排列的传统磁铁制成的。在国家自然科学基金的支持下，历时8年。作为重大科研仪器项目，我们从自主研发的200太瓦激光装置入手，获得了综合性能优异、质量非常高、亮度非常高的电子束。之后，我们基于传统的波段器件技术获得了激光输出。
通过性能对比可以看出，使用传统加速器和激光加速器都可以获得自由电子激光。基于激光加速器的器件虽然有一定优势，但其稳定性存在较大挑战，需要在该领域进一步突破。比如在波长方面，如何进一步缩短，在目前常规的自由电子激光器件中，如何将波长从10纳米缩短到0.1纳米，需要将电子能量提高到10 GeV。因此，我们正在朝着这个方向努力，制造10个GeV模块可以用来产生0.1纳米的激光，也可能用于未来的对撞机。我们提出用激光的瞬态电场来构造瞬态波荡器，目前已经取得了一些进展。
高功率激光与高能粒子相互作用产生新光源
高功率激光和高能粒子产生的新型光源也是一个重要的研究前沿。我们用光学激光和自由电子激光来获得最高亮度的光源，但是把它推向两边是一个更长更短的波长。在长波长太赫兹阶段，我们利用金属线与激光的相互作用获得超强太赫兹辐射，具有很多应用价值。伽马射线也是如此。我们利用高能电子束与激光碰撞，可以获得亮度比其他现有方法高几个数量级的伽马射线。
相比之下，这种胶片正在开发一种紧凑的伽马射线，可以在船上小型化，可以提供10到8次方/秒的光子数。这样的伽马源也很有价值。
展望未来，同步辐射激光是基于电子的运动来产生各种波段的光，现在提出了很多方案。我们知道有北京光源、合肥光源、上海光源，分别属于第一代到第四代。
第四代之后，如果想进一步提高亮度，就需要提出新的原理，比如基于存储环的高性能电子加激光调制，可以实现全面优化。例如，它可以实现同步辐射光的能量、分辨率和稳定性，同时具有自由激光和超短脉冲输出提供的相干性。这方面也是目前一个重要的前沿。
基于高功率激光和高能粒子束的物理研究
如果我们这个时候想做一些物理研究，我们有什么机会？刚才张江在建的一个硬X射线激光装置，可以提供宽波段的X射线相干光源。在那里，我们有一个正在建造中的xi he 2设备，可以与它结合。最初，自由电子激光和同步辐射主要用于结构分析。我们想改变这种表现，做一些瞬态研究，甚至可能扩展到探索天体物理学中的许多科学问题。
下面我举几个例子。比如在著名的《科学125》科学题中，“最强的激光是什么？”已经16年了，这个问题一直没有答案。如果激光足够强，就会在真空产生量子效应。能观察到这种效果吗？还有许多其他天体物理学相关的研究可以通过使用激光来完成。
True 空扰动实际上相当于不同方向的材料折射率不同。当我们看3D电影时，我们使用双折射原理。如果激光足够强，我们可能会在真空中产生双折射。如何在实验室诱导真空双折射？这种现象在自然界是存在的。2017年天文学家观测到中子星的辐射，由于中子星外的强磁场，他也经历了双折射，这是自然界双折射的真实证明。我们可以使用激光装置，因为xi he 2的功率密度达到10到23次方，可以诱导非常弱的双折射。使用波长为0.1纳米的激光作为探针，检测灵敏度可以提高8个数量级，从而检测非常微弱的信号。
看这张照片。随着年龄的进化，光照强度增加。未来如果有xi he二号，会比我们的xi he一号强一个数量级，拍100拍，聚焦10微米，这样光强就达到了可以研究的阈值。当然，这项研究需要在空进行。我们设计了真空系统，这是一个非常大的实验装置。未来，这个装置将位于上海浦东的东北部，非常漂亮。
最强的激光是什么？如何回答这个问题？就像我刚才说的，我们最强的光，如果xi he 2实现了，也只是在这张图中间的这个位置而没有到达顶部。我们可以研究更高光强的相互作用。根据QED理论，我们能达到多强？
在实验室条件下，即使在1立方微米的空的小范围内，在我们能得到最好的真空的条件下，也会有一个粒子。只要有一个粒子，激光强度就会迅速衰减。我们知道最高光强度是10的26次方，这是xi he 2可以达到的强度。从这个角度来看，最强的光将由xi he 2产生，但有没有其他方法继续推进这项研究？这时候，我们就要让激光与高能电子发生碰撞。这时，在高能粒子的坐标系中，我们可以把相互作用的研究推向更高的场强。
就像我刚才说的，我们希望把真空照在妖镜上只是为了展示反物质，但是它的寿命是有限的，10到21次方秒，所以我们也需要研发出这么快的探测方法。我们也有一个目标。如果我们用这样的方法产生更好的效率，也许我们将来可以实现霍金的梦想，这当然取决于我们在xi he一号和二号上的实验能否通过激光将质子带到超高能，并实现质子到反质子的生成。
总书记指出，要在基础研究领域拓展认知边界。所以要把这个边界往前推，把相关技术转化成我们可以应用的技术。“十四五”初期，要把学科规划好。
这里我想用一个案例:激光发明后，我国很快在这个领域做了布局。1963年，毛主席听取了聂的汇报。当时没有激光。1964年出现了激光这两个词。毛主席说他专门组织了一批人研究它是怎么来的。1962年，激光问世才三年，钱老在1963年至1972年的规划中预见了激光的未来应用。无论是激光在基础科学中的应用，还是宇宙间通信的应用空都是极其可预测的，目前的实践已经证明了这一点。因此，我们希望能够更好地预见这些学科的发展，做得更好。谢谢大家。
发言者介绍
李如新院士
中国科学院院士
光学专家
2017年当选中国科学院院士。
现任中国科学院上海光学与力学研究所研究员，中国光学学会副会长。
历任中国科学院上海光学力学研究所所长、上海科技大学党委书记、上海高等研究院院长、张江实验室主任、强场激光物理国家重点实验室主任、国家基金委创新研究组组长、国家973计划项目首席科学家。
长期从事超高峰值功率激光和高场激光物理的研究，在瓦激光器件、高能电子和质子的激光加速、阿秒X射线源和电子源、高场太赫兹辐射等方面取得了一些重要的研究成果。
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