序(一)
激光加速器的电场梯度比常规射频加速器高三个量级以上, 可以让大型加速器
尺寸和造价显著降低. 激光固体靶和临界密度靶相互作用过程中, 还可以产生比现
有加速器束流密度高十个量级以上的瞬态超短离子束和高亮度
光子, 有望为医
学物理、核物理和粒子物理提供一种新的研究手段. 激光加速器的深入研究将掀起
一场新的科学技术革命, 将对粒子物理与核物理、天体物理, 以及生命和材料等学
科产生深远影响.
激光加速的概念最早由美国物理学家Tajima 和Dawson 在1979 年提出, 2006
年Leemans 等人率先证实了GeV 单能电子加速的可行性, 取得了里程碑式的进展.
国内中科院上海光机所、中国工程物理研究院、中科院物理所等单位率先开展了
激光加速相关研究, 随后多个高校相继开展了激光加速的理论、实验和与应用的研
究. 在高能量密度物理专业委员会和粒子加速器学会的进一步支持和推动下, 越来
越多的青年学者和学生进而被吸引到这个新兴领域来. 激光加速与应用是应用物
理学中的一个分支, 它涉及诸多不同学科领域, 例如激光物理、等离子体、加速器、
控制、材料和生物医学等. 目前国内还没有一本系统介绍激光离子加速的教材, 刚
刚进入本领域的青年学者们通常需要翻阅大量文献, 才能了解本领域的基础知识和
前沿进展. 本书系统地介绍了激光等离子体基础理论和数值模拟方法, 加速物理机
制, 超短超强激光, 加速靶材制备, 加速器束流传输与诊断以及束流应用等内容, 可
以帮助青年学者快速入门.
北京大学长期关注新型加速原理和方法, 从本世纪初开始重离子物理研究所启
动了激光粒子加速方面的探索, 随后开始了加速理论研究、实验探索和应用研究,
建成了一台激光质子加速器装置, 并已经服务于怀柔科学中心的建设. 本书的内容
既是过去20 多年北京大学激光加速器研发工作的总结, 也对加速器物理学科的发
展具有重要意义.
明年我们将迎来北京大学物理学110 周年和北京大学重离子所建所40 周年.
在此, 我诚恳地祝愿本书的出版能为我国加速器学科的教学科研工作起到重要的贡
献.
陈佳洱
2022 年6 月15 日

序(二)
北京大学物理学院颜学庆教授日前来电, 告诉我说他正在主持编写《激光离子
加速物理与应用》, 作为大学物理教材, 并望我为其作序. 于是我欣然命笔, 记录下
我的思绪与感受.
2018 年诺贝尔物理学奖授予了提出啁啾脉冲放大技术(CPA) 的Mourou 教授
和Strickland 教授. 自从CPA 技术发明以来, 超短超强激光的聚焦光强已经提高
了8 个数量级, 因此它在诸多科学研究和实际生活中的应用也更加广泛, 其中一个
重要的应用领域就是粒子加速. 粒子加速是宇宙中普遍存在的自然现象之一, 上个
世纪科学家们在常规加速器物理和应用研究中取得了丰硕的成果. 据统计, 自诺贝
尔奖设立以来, 几乎有一半的诺贝尔物理学奖获奖项目都与粒子加速方面的研究相
关, 因此可以说粒子加速的研究推动了人类科技文明的进步.
激光尾波加速的概念由美国物理学家Tajima 和Dawson 在1979 年提出, 随后
国内外很多单位开展了激光加速的研究工作, 我本人也曾经在2013 ? 2018 年作为
首席科学家领衔\超强激光驱动的粒子加速及其应用" 这一超级973 项目的研究,
大幅度加速了我国从\激光加速机制研究" 到\激光加速器研究" 的转变进程. 近
年来, 在中国高能物理学会的支持下, 等离子体加速专业委员会得以成立. 在中国
物理学会的支持下, 高能量密度物理专业委员会也将激光加速作为高能量密度物理
青年论坛的一个重要内容.
激光加速与应用是一个典型的多学科交叉的新兴学科, 涉及激光、等离子体、
加速器、控制、材料、能源和生物医学等多个领域, 很多知识零星地分布在多本参
考书和各种最新文献中, 大学学生们难以获得成体系的激光加速及其应用的相关知
识. 刚刚进入本领域的青年学者们也非常渴望阅读教材性质的书籍, 以便能够全面
地了解激光加速及其应用的基本概念、基本方法和基本理论. 这就是本教材的编写
背景和重要意义.
《激光离子加速物理与应用》简要而系统地介绍了激光等离子体基础理论和数
值模拟方法, 加速物理机制, 超短超强激光, 加速靶材制备, 加速器束流传输与诊断
以及瞬态束流应用等内容, 反映了本领域的最新进展. 更加有意义的是, 本书还是
我国科研工作者在该领域多年来研究成果的总结与集中展示, 记录了我国在激光加
速研究领域研究实力和影响力从弱到强的过程, 因此对加速器物理学科和高能量密
度物理学科的建设和发展都具有重要价值.2023 年恰逢北京大学开始物理学教育110 周年的时间节点, 本书的出版也将
为北大物理学院奉上一份珍贵的生日礼物, 作为北大的老朋友, 也作为交大的老校
长和中国物理学会的理事长, 我也在此提前恭祝北大物理学科110 周年生日快乐.
是以为序, 与读者共飨.
张杰
2022 年6 月15 日
自序
2004 年激光尾场电子加速取得里程碑式突破, 由于其在高能物理和应用领域
具有重要的意义, 2018 年Mourou 和Strickland 也因此被授予诺贝尔物理学奖.
随着激光技术的发展, 激光驱动粒子加速研究取得了令人瞩目的进展. 国内很
多大学都有研究人员从事等离子体加速研究, 相关研究成果也越来越受到关注. 北
京市近期批准由北京大学牵头在怀柔科学城建设\北京激光加速创新中心" 交叉平
台, 推动激光加速在医学、核科学、能源和高能量密度物理等领域的应用, 可为未
来国家重大科学基础设施\北京激光加速器设施" 奠定前期基础. 粒子加速器学会
还专门成立一个\等离子体加速" 专业委员会, 该委员会和高能量密度物理专业委
员会一起组织和发起了\高能量密度物理青年论坛" 系列会议, 近年来参会人数已
经达到300 ? 400 人(前几届举办地点分别在北京大学、清华大学、上海交大、中
国科技大学、贵州FAST 和湖南国防科大), 并在持续增长, 是一个充满活力的前沿
交叉方向.
各个大学和科研院所也陆续开设了激光加速或激光等离子体相互作用的课程,
例如在北京大学物理学院已经开设了\量子束流物理"、\加速器物理基础"、\激光
加速原理导论"、\激光等离子体物理相互作用" 和\高亮度X 射线源导论" 等面
向本科生和研究生的专业课程; 但是到目前为止还没有一本合适的教材. 相关知识
零星地分布在各种参考书和最新的文献中, 学生们往往缺少成体系的知识获得渠
道. 2020 年新冠病毒突发, 学生们都只能在家里, 不能开展正常教学, 这也进一步
突出了教学问题. 为此, 笔者决心组织迅速撰写一系列面向高年级本科生和研究生
的专业教材, 以期改变这个困境, 更好地向他们介绍激光加速和相关应用的最新知
识. 本书是这个系列中的第一本教材, 介绍激光等离子体的基础知识和研究方法,
重点关注离子加速研究, 后续希望能够再推出其他相关方向的教材.
回顾20 年前, 当时学校加速器学科发展面临人员少、经费不足等困境, 亟需寻
找新的研究方向. 时任重离子所所长的郭之虞教授邀请盛政明教授来北大任客座教
授, 帮助北大开展先进加速方面的研究工作. 此后, 北大团队逐步开始了激光离子
加速方面的研究, 从零开始提出理论、建成样机, 逐步开始了激光加速器的应用和
推广, 在团队所有成员齐心协力的努力下建成了CLAPA I 装置, 又设计并即将在
怀柔综合性国家研究中心开建CLAPA II 装置. 这些工作为本书的撰写提供了源泉
和一手资料.
在本书即将出版之际, 感慨万千. 首先要衷心感谢陈佳洱老师, 在他\顶天立地"
精神的鼓励和感召下新方向逐步发展起来. 这里尤其离不开后面陆续加入CLAPA
实验室的众多同事们的努力, 其中有: 林晨、马文君、卢海洋、朱昆、赵研英、耿易
星和袁忠喜等. 在他们之中, 付出了大量心血, 直接或者间接参与了本书编写工作
的有: 林晨、马文君、赵研英、耿易星、朱昆等. 研究生以及博士后吴学志、王科栋、
寿寅任、唐宇辉、吕建锋、许天琦、李昱泽、刘志鹏、李东彧、孔德锋、徐诗睿、陈
式友、齐贵君、夏宇辉、梅竹松、彭梓洋、张慧、晏炀、葛慧玲等参与了部分章节内容的撰写, 没有他们
不可能在短时间内完成这本教材. 在博士生吴学志的组织下, 夏宇辉、张剑尧、吕
建锋和马谦益还负责了本书文字、公式、格式的整理工作. 本书的编写过程中还得
到了湖南大学余金清教授、上海交通大学陈民教授等的大力支持和帮助, 在此表示
衷心感谢.
颜学庆
北京
2022 年7 月5 日