隨著啁啾脈沖放大技術（CPA）的發展，特別是10-100拍瓦（PW,1PW=1x1015瓦）激光器的建成，激光光強可以達到1023W/cm2以上。超強激光與物質相互作用是一種極端非線性過程，不僅可以用于電子、質子和重離子的加速，也可以產生從太赫茲到X/γ射線的超短超強寬帶相干輻射。正是由于CPA激光在粒子加速和輻射領域的重要潛力和貢獻，Mourou and Strickland獲了2018年度諾貝爾物理獎。

光子（能量）在特定條件下可以轉化成物質，這對研究物質的起因有重要的意義。相關的理論研究始于上世紀30年代，直到1997年，美國SLAC國家加速器實驗室首次在實驗上觀測到多光子碰撞產生正負電子對的過程。然而，對于兩個高能光子的相互作用產生正負電子對的過程，也就是常說的光子對撞機，受制于已有伽馬射線源的流強和亮度不夠高，迄今為止還未被在實驗中觀測到。

近年來，隨著激光技術的發展，特別是10拍瓦（1拍瓦 = 1×1015瓦）激光器的建成，激光光強得到極大地提高，預測可以達到1×1023 W/cm3以上。當如此高強度的激光與物質相互作用時，大部分激光能量將被物質吸收并轉化成伽馬射線，若能同時有效控制伽馬射線的發散角，伽馬射線源將會達到前所未有的流強和亮度。

在“大科學裝置前沿研究”重點專項等的支持下，北京大學物理學院顏學慶、盧海洋研究團隊針對實驗上雙光子相互作用產生正負電子對這一世界性科學難題，開展了系統深入的研究。前期工作中，他們研究了如何產生超高亮度伽馬輻射源，提出了10拍瓦量級激光驅動光子對撞機的設計方案，從理論方面深入闡明了微通道結構靶中電子的加速過程由縱向電場主導，電子的橫向加速得到有效抑制，因此利于獲得高準直性的電子束，當這些電子束在橫向電場中的相位發生反轉時，電子就會在管道邊界處產生強的伽馬輻射。

電子的發散角決定著伽馬輻射的發散角，數值模擬顯示，10拍瓦激光所獲得的發散角約為3度，具有非常好的準直性，所獲伽馬射線源的亮度比之前研究報道結果高出兩個數量級。基于該超高亮度的伽馬射線源，研究人員將其應用于光子對撞機。理論模擬表明，該方案每一次對撞可以產生3億多個正負電子對，同時背景噪聲得到有效抑制，信噪比高于1000:1，且每一次對撞的正負電子對信號（>1×108）遠高于現有測量技術的探測極限。

該設計方案可以在實驗室中驗證光子相互作用過程中能量到物質的轉換過程，為研究激光驅動光子對撞機提供了新途徑，也有望為未來建設基于重頻拍瓦飛秒激光的高亮度伽馬源及其應用裝置提供依據。

在國家自然科學基金項目（批準號：11775010，11575011，11535001，61631001和11605111）、國家重大科技基礎設施培育項目和國家重大儀器專項等支持下，北京大學顏學慶教授團隊在激光等離子體加速領域取得重要進展，基于高品質拍瓦激光，實驗上首次利用人工設計的微納靶材，獲得了能量高達580兆電子伏特的碳離子，將原飛秒激光加速重離子能量記錄提高了兩倍；并提出采用微結構管靶獲得產額1014/發和發散角小于3度的超高亮度伽馬輻射源新方案，亮度比之前研究報道結果高出兩個數量級。相關結果以“Creation of Electron-positron Pairs in Photon-photon Collisions Driven by 10-PW Laser Pulses”（基于十拍瓦激光的光子對撞與正負電子對產生新方案）和“Laser Acceleration of Highly Energetic Carbon Ions Using a Double-Layer Target Composed of Slightly Underdense Plasma and Ultrathin Foil”（雙層靶激光級聯加速產生高能碳離子）為題，于2019年1月9日和10日連續在線發表于Physical Review Letters（《物理評論快報》）上。