激光作为人类历史上最伟大的发明之一，在生物、医学、工业、通信、军事等诸多领域有着巨大而不可替代的作用。我们现在可以获得何等亮度的激光？此种亮度的激光能带我们进入怎样的研究领域？会对高能物理起到什么样的推动作用？带着这些问题，“高能论坛”邀请到国际知名激光等离子体物理专家、激光聚变和高能量密度物理领域国际最高奖——爱德华∙泰勒奖获得者、中国科学院院士、美国科学院外籍院士张杰，为我们讲述激光的前世今生，畅谈高能量密度物理的美好未来。

回溯历史，自1960年梅曼制造出第一台激光器起，科学家们从未停止提高激光功率、缩短激光脉宽的努力。时至今日，直接和激光物理与技术相关的诺贝尔奖已有10项，最近的一次是2018年的诺贝尔物理学奖。此次诺奖授予了美国科学家亚瑟∙阿斯金、法国科学家杰哈∙莫罗和加拿大科学家唐娜∙斯特里克兰。其中后两位科学家的获奖原因正是因为他们在上世纪80年代中期发明了啁啾脉冲放大技术（简称CPA技术），从而大幅度提高了激光输出功率，并且极大地促进了高能量密度物理前沿研究和超短超强激光应用的快速发展。张杰院士介绍说，激光放大器中有许多透射光学元件，透射光学元件的破坏阈值与单位面积上的功率密切相关，功率则是能量除以时间。若想提高激光输出功率，就需要在缩短激光脉冲宽度的同时提高激光的单脉冲输出能量。
但是，在CPA技术发明之前，激光输出功率自上世纪60年代中叶到80年代中叶，在二十多年的时间里一直徘徊在兆瓦量级，究其根本原因，就是因为超短激光脉冲一旦放大后就会损坏激光放大器中的透射光学元件。CPA技术巧妙地解决了这个貌似不可克服的困难。如图一所示：在超短激光脉冲放大前，先将超短脉冲通过光栅的简单操作，在时间上展宽，大幅度地降低单位面积上的功率，然后将这个展宽后的长脉冲在激光放大器中充分放大，大幅度增加单脉冲的能量后，再通过光栅的反向操作，将激光脉冲压缩成高能量短脉冲的激光。从而可以使激光输出功率得到百万倍的提升。 采用CPA技术后，目前的超短脉冲激光功率已经可以达到百拍瓦（10¹⁵瓦）量级，聚焦后的功率密度甚至可以达到10²³ W/cm²以上，使得大学实验室里的科学家也得以进入物理学的新疆域——高能量密度物理领域进行研究。张杰院士在高能量密度物理前沿研究领域深耕细作近三十年，成果斐然。在此期间，张院士本人也与莫罗教授建立了深厚的友谊，2018年获邀去瑞典斯德哥尔摩参加了莫罗教授的诺贝尔奖颁奖典礼。 高能量密度物理研究领域有很多意义重大且富有挑战的研究方向，其中最重要的方向之一是激光加速及次级超快辐射源的研究。传统加速器随着粒子能量的不断提高，尺寸和造价也越来越大，这其中最重要的因素之一就是加速梯度的限制。受限于放电材料的击穿阈值，传统加速器的加速梯度一般都无法超过1MeV/cm。
1979年Tajima教授提出了激光尾波场加速的概念，将强激光与等离子体进行结合，可以大幅度提高加速梯度到1GeV/cm量级，比传统加速方法高了一千倍，这将给加速器物理带来革命性的发展机遇。激光尾波加速之所以能提高加速梯度，从本质上说是因为等离子体本身没有击穿阈值，可以承受非常高的电场。而且等离子体作为转换器，就像船上的风帆一样，可以将激光超强的横向电场转化为纵向的加速电场。因此，激光尾波场加速一经提出，就受到广泛关注，尤其是1985年CPA技术带来激光功率的大幅提升之后，激光尾波场的强度也得到大幅度提升，促进了激光尾波加速的快速发展。张院士指出，虽然激光尾波加速至今在稳定性、电子束品质等方面尚存在问题，但如果与传统加速器技术相结合，激光尾波加速可以在Betatron辐射源，超快电子衍射、自由电子激光辐射源、TeV正负电子对撞机等方面做出巨大的贡献。同时，激光尾波加速也在如何解决稳定性、如何提高电子束品质、如何产生高亮度辐射以及如何实现正负电子对撞（级联加速、正电子加速）等方面存在巨大的挑战。
在过去十余年时间里，张院士团队直面这些挑战，开展了一系列针对性研究，其团队成员陈民教授于2006年在国际上首次提出光离化注入方案，让注入电子在激光脉冲中部离化产生，而无需经过激光脉冲前半部分的减速区域，从而使得这些电子可以获得更高能量，更容易在接近光速运动的尾波场中得到加速。张杰院士将这个工作的意义形象地比喻为把电子注进尾波场的难度从“抱着孩子追高铁”降低到“坐在高铁上生孩子”。事实上，后续很多实验都证实了光离化注入的方法可以非常有效地提高注入效率，提升电子品质。目前此方案是欧盟EuPRAXIA项目中（新型加速器概念设计大型国际合作项目）电子注入的主方案之一。 同时，陈民教授还借鉴高速路主、辅路交汇思路，提出弯曲毛细管与直毛细管结合实现接近100%效率的级联方案，并对此方案进行了初步的实验验证。此项研究对真正实现激光尾波场加速器或正负电子对撞机具有重要意义。
除了电子加速外，张杰院士团队在激光尾场加速所伴生的超短超强X射线/伽玛射线辐射源的研究方面也取得重要进展。2012-2013年，通过振荡注入的方式，在国际上首次利用激光尾波场加速同时获得了高品质电子束和高品质Betatron辐射，这一结果2015年发表在美国科学院院刊上。
超短激光与兆电子伏特超快电子衍射与成像系统结合，还可以产生超高时间（飞秒）空间（原子尺度）分辨能力的探测系统。团队成员向导教授在这个领域极有创意地发明了一系列诸如基于THz Streaking的时间抖动测量-校正、基于THz示波器的电子束时域信息测量、基于THz聚束器的电子束脉宽压缩等先进技术，最终在2020年成功地将兆电子伏特超快电子衍射与成像系统的时间分辨率突破了50飞秒极限（1飞秒=10^-15秒），这一结果比美国同行保持的前世界纪录提高了近3倍。应用这样的高时空分辨衍射与成像系统，可以对材料、化学、物理等领域的超快、不可逆的过程进行细致研究，这在之前是很难实现的。在近期开展研究中，科学家们在此装置上看到了很多新的物理现象，比如下图所示的光致超导现象： 仰望星空是人类的本能，也是天体物理学家探寻宇宙秘密的途径。然而天体物理现象的观测往往具有距离远、过程不可控、探测过于被动等制约因素。超短脉冲强激光与固体靶相互作用产生的高温、高压、高密、强磁场、大加速度等性质与太阳及其它许多恒星中的物理条件非常相似。在实验室里模拟研究等离子体中的辐射输运、大尺度流体不稳定性、热核反应等问题，会对天体物理学家了解太阳和其他恒星中的物理过程起到十分重要的作用，这也就是实验室天体物理研究的意义所在。当然，能做这种类比研究的前提是实验室中的等离子体和天体问题是等效的，即可以用同一套磁流体力学方程组来描述。在2010年和2011年，张杰院士团队利用神光II装置构造了激光驱动的磁重联，在实验室中成功模拟了太阳耀斑环顶X射线源和磁重联喷流，并观察到磁重联中电子耗散区的细致结构。
显而易见，以上各种高能量密度物理领域的研究都离不开超短脉宽、超高功率、超高信噪比的激光技术。而设计、建造这样的激光器需要投入大量的人力、物力进行自主研发。经过十多年时间的努力，团队成员钱列加教授首先解决了信噪比单次测量问题，将信噪比测量精度提升至10的12次方的水平，接近了理论极限阈值10的13次方，远高于国外其他团队提出的方案。此项研究成果成功获得美国专利，并应用于在国内全部8套拍瓦级超短超强激光装置上，均取得了几个数量级的信噪比提升。不仅如此，钱列加教授还在CPA技术基础上创造性地提出了“准参量啁啾脉冲放大（QPCPA）”方案，在噪声降低两个数量级的前提下将激光功率提升1个数量级，这或许将成为百拍瓦功率和超强相对论光强领域的“中国方案”。
如今，关于“高能量密度物理与高能物理”结合的讨论正在开展，来自高能物理学术界的需求和认可，对张杰院士团队强场物理研究具有重要的鼓励作用，将促使激光尾波加速大幅度提升束流品质和稳定性，并同传统加速器技术结合，互相取长补短。
六十年的激光发展为人类的认知赋予了极快、极强的能力，给人类的生产、生活方式带来了极大的变革。在不久的将来，激光可以成为人类开启真空大门的钥匙，将更加丰富多彩的未来世界展现在我们面前。报告的最后，张杰院士引用李政道先生的话与听众共勉：“在宇宙中，地球和人类都是偶然的存在。但是正是因为宇宙中有地球和人类，我们这个宇宙才变得如此美丽、如此有科学精神和人文关怀。”
报告后的提问环节，张院士与现场和线上的师生们就激光核聚变、未来加速器发展与激光加速乃至束流驱动的等离子体尾场加速的关系、真空极化探测、激光功率提升对光学器件的要求提升、我国的硬X射线自由电子激光对未来影响、QPCPA的预期进展、激光等离子体模拟磁重联的应用场景等问题进行了深入的讨论交流。张杰院士深入浅出而又风趣幽默的回答，让提问者受益匪浅。张院士的这次讲演，通过在人民日报、新华社、光明网、科技日报、高能所等新媒体平台直播，受到了包括安徽老区中学生们等300多万科学爱好者的关注。