追光追梦： 李如新院士带你走进激光—— 纪念激光诞生60周年
中科院院士李汝新：年轻人应该做一些有意义的事情
作者：李如新
出品：新浪科技墨子沙龙
作者简介：中国科学院院士，中国科学院上海光机所研究员，光学专家，主要从事超高峰值功率超短脉冲激光和强场激光物理研究。现任中国光学学会副理事长、美国光学学会会士、国际超高强度激光委员会委员。
墨子沙龙“激光与加速器”活动内容（2021年9月）
《山海经》，记载羲和每天的职责是推车，带着十个太阳轮流上班。有一天，十个太阳不遵守规则同时升起，后羿射落了它们。由于羲和是十个太阳的母亲，我们以她的名字命名了世界上峰值功率最高的激光装置。
我今天讲的主题是：强激光和加速器。强激光有多强？在短至一秒或一秒（飞秒）的瞬间发出的光的能量相当于世界电网中相同时间尺度能量的1000倍。如此强大的激光器可能会给我们的很多科学研究带来新的机遇，尤其是加速器的新的发展机遇。
今天在这里谈论强激光和加速器是非常有意义的。在我们东北约八公里处是最强的“羲和”激光。再往北，跨过川阳河，就到了张衡路。张衡路是以我们伟大的科学家的名字命名的。张衡路有一座我国12年前建成的同步辐射设施。它是一个30亿电子伏特的电子加速器。再往东约七公里，就是复旦大学上海质子重离子医院，里面有一台质子重离子加速器。上海光源加速电子，而质子和重离子加速器加速质子和碳离子。向西穿过市中心到达嘉定区，那里有——台“神光二号”激光装置，是我国乃至世界上迄今为止最大的激光装置之一。离它不远的地方，瑞金医院北院区拥有我们国内科学家研制的第一台质子治疗设备。因此从这里我们可以在一小时内到达许多重要的激光装置和加速器。
强激光和加速器具有巨大的科学和社会价值。我不会在这里详细介绍它的历史，只是简单回顾一下。激光技术和加速器技术的发展起源于20世纪。当然，加速器应该更早一些，因为加速器的原理比较简单：电场中的带电粒子会受到电场力的影响而获得速度和能量。我们刚才提到的上海光源电子加速器的能量指数为30亿电子伏，相当于赋予电子30亿电子伏的能量。加速器的技术门槛还比较低。随着电压的升高，带电粒子可以逐渐获得更高的能量。但这根本没那么容易。当电压非常高时，我们就很难进一步提高电压。我们在生活中接触到的电压通常为数百伏。数十亿伏的电压是难以想象的，当然我们会遇到巨大的挑战。
激光技术的门槛比较高，而且我们常见的光都是不相干的。公元前400年，墨子通过科学实验证明了光是沿直线传播的。什么样的光源可以传输很远的距离而不发生散射？我们常见的手电筒在很短的距离内就会发生散射。激光器具有非常好的方向性。即使它们只产生非常弱的激光，它们也需要非常高的阈值。这也使得激光器的发明晚于加速器。尽管已经发展了几十年，但激光领域仍然是一个相对年轻的领域。
我国在长春制造出了我国第一台激光器，它是由中国科学院光学精密机械研究所（简称“光机所”）于1961年制造的。继上海长春光机所研制出第一台激光器后。回顾加速器和激光器的发展史，我们会发现两者一开始关系并不密切，但现在却形成了相互促进、共同发展的新局面。
激光器和加速器
让我告诉你这里的故事。
现在让我们回到加速器。刚才提到，加速电子需要高压电场。当电压升高时，如果加速器小（电场强度大），介质（如空气，或实验室中的假真空）很容易被击穿。因此，为了将电子加速到高能量，需要大型加速器。后来劳伦斯提出了一种可以做圆周旋转的回旋加速器，在一定程度上缩小了加速器的尺寸。刚才提到的上海光源是通过环形加速器来加速电子的。
世界上最大的圆形加速器LHC目前位于欧洲核研究组织（CERN），周长27公里。在这个装置上还获得了许多极其重要的科学成果，比如发现了“上帝粒子”——希格斯玻色子，它是粒子物理标准模型的重要基石。
中国第一台激光器是王志江老师于1961年在长春制造的。它与美国第一台激光器不同。尽管它们采用的方法不同，但基本原理是相似的。这款中国器件在原理设计上可以提供更高的效率。
今天我们的激光器已经发展到什么程度了？如下所示。右栏第五个设备是我们的“羲和”设备。
1960年第一台激光器发明后，其功率在瓦级别，甚至达不到我们日常照明灯的功率。现在我们已经达到了十拍瓦（万亿瓦）。当然，欧洲、美国、英国等国际同行也在建造一些类似的装置，大家都在朝着更高峰值功率的目标迈进。
与加速器相比，激光装置尺寸更小，能量密度更高。它们可以在更小的时间和空间内将能量提升到更高的水平。如果将这两种技术结合起来，就有可能将加速器做得更小几十公里。当然，这是未来的目标。
我们在地图上可以看到，除了激光器和加速器之外，附近还有一些结合了两者优点的装置。
上海光源通过圆周旋转将电子加速到30亿电子伏；已建成的“羲和一号”峰值功率已达万亿瓦。我们正在建造一个结合了激光器和加速器的设备，就是图中的红色部分。这个装置可以让电子在1.4公里的长度上达到80亿电子伏特，然后让它们发光。
未来，我们的“羲和二号”的威力将是现在的“羲和”号的十倍，其威力将相当于100个太阳。图中还可以看到“羲和二号”装置。两种光源的相互作用可以为未来的科学发现提供机会。像“羲和”这样的装置可以提供前所未有的高能量密度。在如此短的时空窗口内，创造了其他手段无法提供的电场强度、磁场强度、光压等物理条件。因此，它为基础研究和科学发现带来了许多机会。
现在“羲和一号”已经建成，将于今年（指2021年）对外开放。有很多好想法的科学家可以利用这个装置进行实验。
激光器和加速器的强大组合
现在我们来谈谈加速器和激光器这两个领域的关系。足够强大的激光器会给我们的加速器带来哪些发展机遇？基于高功率激光器的高能粒子加速器可行吗？
刚才提到，我们传统的加速器是利用电场来加速带电粒子的。为了让粒子获得大的动能，同时避免介电击穿的问题，必须延长长度，并且必须逐步缓慢地加速带电粒子。使用激光加速粒子时无需担心介质击穿，因为激光具有如此高的电场强度，而且其介质本身不是空气而是等离子体。它本身就被电离了，所以不怕电离，可以承受很高的电场强度。理论上，激光可以将加速器的尺寸减小三个数量级。这是一个很大的技术进步。当然，激光器还需要做得更加稳定可靠，还需要进一步发展。
激光加速的概念最早由科学家T. Tajima和他的老师J. M. Dawson于1979年在加州大学洛杉矶分校提出。
激光驱动等离子体尾场加速的想法诞生后，当时还没有如此强大的激光器。直到1985 年左右，激光领域才开发出新方法来生产所需的强大激光。
一个想法诞生后，往往需要经过长时间的优化和技术积累，才能成为现实。 2018年诺贝尔物理学奖获得者杰拉德·穆鲁和唐娜·斯特里克兰在1985年提出了一种方法，可以非常巧妙地解决产生强激光时材料降解的问题。破坏问题。因此，这一突破迅速提高了激光器的功率。但即使是这样一个好主意，也需要花费近20 年的时间才能真正用于制造超强大的激光设备。
2004年，随着激光技术的成熟，1979年的想法得以实现。利用激光作为加速器的想法第一次完美实现是在2004年，当时英国、法国、美国三个实验室联合宣布利用激光获得非常小型化的加速器。这个成就实现了我们25年前提出的梦想，这是一件非常伟大的事情。它被称为“梦想的捆绑”。
第一次演示不足以获得电子能量。它仅将电子加速到（1亿）电子伏的能量。不过我们上海光源可以将电子加速到十亿电子伏，所以这个技术还有很大的成长空间。但之后的发展非常迅速，很快就从1亿到10亿。这一步只用了两年时间。
2006年，实现了第一台十亿级电子加速器。虽然能量指标已经达到了，但是其他很多性能仍然是我们传统加速器无法比拟的，而且解决这些问题需要更长的时间，而且到现在还没有完全实现。我们希望打造出具有高能量、小尺寸等可与传统加速器相媲美的激光加速器。为了实现这一目标，包括中国和美国在内的全球许多团队都在努力。每个人都想解决这个问题，都在进行一场竞赛。基本上同时，提出了一种新方法来解决激光加速器获得的电子束质量不足的问题。
从图中可以看到，在2004年突破、2006年达到10亿电子伏之后，能量的提升已经非常困难。经过很长的开发过程后，我们遇到了第二步，以实现能源和其他性能的改进。现在，激光加速器确实可以在可预见的未来进行一些更雄心勃勃的科学探索。如果我们用传统方法建造电子伏特加速器，我们需要绕地球赤道一圈。现在，借助激光加速器，您可以将其缩小1,000 倍，使其成为可能。
反过来，加速器的快速发展也给激光领域带来了许多前所未有的新发展。最典型的例子是短波长激光。大家都知道，用于胸部X光检查的X射线波长在纳米范围内。我们能生产出波长这么短的激光器吗？围绕这一目标，世界各地的科学家们进行了很长时间的探索，但一直没有找到最优的解决方案。然而，直线加速器的快速发展使得电子束的质量变得非常好。单位时间内，单位体积内有许多具有相同能量的电子。基于这一原理，国际上美国斯坦福大学、日本理化研究所、德国汉堡等先后建成了三台波长约为0.1纳米的激光器。这是基于加速器的。迄今为止，加速器是产生短波长激光的最佳方式。
现在我们张江科学城有加速器光源、激光光源，实现了从长波长到短波长的全面覆盖，可以进行非常全面的科学探索。这要归功于我们的加速器。我们一直希望利用激光器来缩小加速器的尺寸，通过加速器生产出质量和性能都很好的激光器。因此，我们想要制造一种小型、高性能的短波长激光器。去年（本报告于2021 年9 月交付），我们做到了：基于激光加速器的X 射线自由电子激光器。
它通过激光装置加速电子并使加速器小型化。目前我们已经将设备尺寸缩小了20倍，但尚未实现三个数量级的小型化。这是首次利用激光加速器产生的电子产生激光，验证了其原理。和所有科技发展一样，未来从原理突破到真正应用还有很长的路要走。我们想要的不仅仅是尺寸的小型化，还有其他性能的提升。特别是要实现更短的伽马射线激光器，加速器和激光器是不可或缺的。基于激光和粒子之间的相互作用，我们有望产生伽马射线激光。
为了产生兆电子伏光子（也称为伽马射线光子），需要电子束和激光束之间的相互作用。基于同样的原理，较低的电子能量（毫电子伏特）也是一个非常活跃的研究领域，称为太赫兹。同样，最好的方法就是两者互动。因此，无论是高能领域还是低能领域都离不开这两种方法的结合。
清华大学科学家提出，这项技术未来可用作全长12米的车载伽马射线激光源（紧凑型准单能伽马源VIGAS）。
伽马光子的能量比医用X射线高100倍，而且还具有高通量。
如果没有加速器和激光器的配合，我们无法在如此体积内实现仪器的这种性能。它可用于检测我们的一些大型机器内的缺陷。同时，这项技术引领我们走向第五代光源。
我们上海光源是第三代光源，北京同步辐射是第一代同步辐射光源，合肥同步辐射光源是第二代，现在北京和合肥正在建设第四代光源。基于激光和电子的相互作用可以提出更完美的解决方案，称为第五代光源。这是大家都寄予厚望的未来发展方向。
第五代光源与目前的光源相比具有很多优点。比如作为激光，它的相干性很好，稳定性也非常好，因为它可以在环中长期储存电子，相当于结合了第三代光源。第四代光源和自由电子激光器的优点。
光源真的很有用
以上提到的是我们的新技术可以生产的新型高性能设备。有了这样的设备，我们就可以实现各种科学目标。自2009年上海光源建成以来，已有3万多名科学家利用它做出了许多非常重要的科学发现。
最新、最重要的例子是，2020年初新冠疫情爆发后，上海光源获得了全球首套COVID-19的结构性数据。得到其三维蛋白质结构后，就可以进行药物筛选。新药的研发需要很长时间。我们可以筛选现有的药物，并用新冠病毒主要蛋白酶的结构分析其分子结构，看看能否找到靶点。
该光源为物理学家、化学家、材料科学家、生命科学家和药理学家提供了超级显微镜。光源的建立是为了服务于科学目标。
如此强大的激光装置可以创造如此极端的能量条件，使我们能够理解一些基本的物理问题。
XFEL与100PW超强超短激光器的结合，可以为探索强场QED真空、QED等离子体等重大基础科学问题提供条件。它将XFEL的科学探索领域分解到原子核和真空系统，并向上扩展到天体物理学。和宇宙学。科学发现的机会显着增加。
《科学》 该杂志曾提出一个所谓的“125个科学问题”，其中之一就是：最强大的激光能有多大威力？也许我们观众也想问，我们建了羲和一号、羲和二号之后，我们从十个太阳变成了一百个太阳。未来我们还会造一千个太阳吗？激光的强度有限制吗？答案是：是的。原因来自于量子场论认为真空不是空的。从量子场论的角度来看，真空是粒子的海洋，成对的正负粒子不断地产生和湮灭。这种现象此前尚未被实验证实。一个月前（本报告于2021年9月交付），在美国布鲁克海文实验室，科学家使用重离子加速器将金离子加速到2000亿电子伏，然后使两个金原子核发生碰撞，并故意偏转，使得原子核不能相互碰撞。但金核周围存在着非常强的电磁场。电磁场可以等效为光子云，然后他们使光子云发生碰撞，发现产生了电子对和正电子对。该实验使用没有静止质量的光子（能量）来产生具有静止质量的物质。事实上，爱因斯坦的质能方程预言了这个结果，因为。左边是能量（），右边是光速的平方。由于光速很大，所以更容易将质量转化为能量，例如核能，但反过来却非常困难。产生少量的质量需要大量的能量。因此，就在一个月前，布鲁克海文实验室宣布了首次将能量转化为物质的实验。不过，这个实验并没有实现真正的光子碰撞，而是所谓的虚拟光子碰撞。
我们最初设计《羲和二号》的时候，就是想回答这个问题。当激光足够强时，就会产生质量。不过，实验装置太大了，需要我们七年的时间。 2018年开工建设后，要到2025年才能完工。早在2017年，CERN就已经获得了类似的结果，但最近在布鲁克海文实验室进行的实验更有说服力。这增强了我们的信心：这个方向似乎是正确的，而且可能有一些我们不知道的规则。
如果光强度达到一定程度，开始产生有质量的粒子，那么光能量就达到了上限。我们想知道上限是多少？这个实验的理论基础来自量子电动力学，它预测强电磁场会使真空产生双折射。双折射现象早已应用于生活中的许多应用中，例如观看3D电影的眼镜。
论文报道了对一颗绰号为“壮丽七号”的中子星的可见光观测，发现了线偏振现象，偏振度约为16%。它声称首次发现了量子电动力学预言的真空双折射。在强磁性的影响下，真空会表现得像双折射晶体，导致光子的偏振在传播过程中发生变化。
2017年，天文学家通过望远镜观测发现，中子星发出的到达地球的光并不是各向同性的。这与大家之前的猜测不符。量子电动力学可以解释这种现象：中子星周围有很强的磁场，光在磁场中发生双折射，从而失去各向同性。当时我们想用我们的“羲和二号”来实验阐明这些物理过程。
那么“羲和二号”能否达到我们光强度的极限呢？量子电动力学的另一位创始人施温格提出了施温格电场的极限：在强至（瓦每平方米）的电磁场中，真空会产生双折射。但“羲和二号”只能达到（瓦/平方米）级别。所以我们当时想出了一个非常巧妙的设计：将“羲和”1号和2号的光线结合起来。
根据当时的理论计算，“羲和二号”对真空能产生微弱的影响。虽然仍然比（瓦/平方米）差一万倍，但由于一些波动效应，仍然会影响真空度。测量如此微弱的效应也很困难。但因为我们拥有波长为0.1纳米的激光，它比传统微米激光的波长小四个数量级。我们测量的灵敏度与波长的平方成反比，这意味着如果波长小一万倍，我的灵敏度就会提高一亿倍。这使得测量如此微弱的效应成为可能。总体思路是利用“羲和二号”的光诱发真空微弱的双折射，然后利用基于加速器的纳米波激光器——的非常灵敏的探针对其进行测量。虚拟光子的实验已经开展，我们希望我们在真实光子的实验能够获得更有趣的结果。
这是我们实验装置的设计。这是在真空室中。粗红色光束是激光。我们需要将其聚焦到大约五微米以引发真空双折射。如果发生这种现象，水平加速器纳米激光光源可以检测到它。这将是未来的标志性建筑，非常漂亮，就在罗山路立交桥的东北角，不过要到2025年左右才能实现。
“羲和二号”是强激光的极限吗？
如果“羲和二号”已经可以看到微弱的真空双折射，那么我们是否已经达到了激光强度的极限呢？虽然距离施温格给出的上限还差一万倍，但未来我们会建造更大的激光器吗？我们一直在问自己这个问题。最近的理论研究发现，基本可以认为“羲和二号”已经达到了人类光照强度的极限。因为事实上我们实验室所能达到的真空并不完美。激光传播、镜面反射和聚焦的过程会使材料电离，因此我们无法实现没有粒子的完美真空。即使在最好的真空条件下，如此大量的能量甚至少量的粒子也能引起雪崩效应。因此，不需要制造更大的激光器，而是可以提高激光器的输出频率和连续输出能力。
由于“羲和二号”能量巨大，目前的技术只能让它每两个小时发射一次激光。未来，或许可以进一步提高其重复频率，测量更多现象。但结论是，我们基本上已经接近找到人类能够产生的光强度的极限。
未来展望
但今年，西藏的科学家测量了从宇宙到达地球的PeV（电子伏特）高能光子。我们想知道宇宙中什么加速器可以让光子达到这个能量。激光不再能够获得这种能量的光子，并且仍然依赖于光和带电粒子的相互作用。在相对论框架下，带电粒子与光之间的相互作用可以使等效光强度增加几个数量级。此类技术可以进一步加深人类对更高光强度下物理的理解。
同时，能量转化为质量的过程也与宇宙起源相关的一些问题密不可分。例如，在早期宇宙中，物质和反物质同时产生，然后湮灭。但今天我们找不到反物质。是什么机制导致了这种不对称性？我们的实验是光子，它会转化为正电子和负电子，因此为研究等量正反物质的湮灭过程提供了一个很好的实验平台。在真空中，物质和反物质湮灭的时间窗口为秒，我们称之为平方秒。因此，我们的检测方法必须跟上并能够检测到如此快速的变化。这也将促进我们整个超快科学的发展。
如果我们将来能够很好地处理反物质，也许我们可以将其用作能源。霍金当时有一个好主意：利用物质和反物质湮灭产生的能量作为星际航行的燃料。我们想象，未来我们也许能够通过激光实现反物质发生器。当然，这一切都是在我们对反物质有了更深入的了解之后。
主讲人：李如新
文字编辑：马晓涵；点评：王佳
排版：约翰
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