文檔：中國第一臺激光器誕生記

中國第一臺激光器誕生記眾所周知，Laser是從Maser發(fā)展而來的?？茖W家們注意到為什么微波和光都是電磁波，在無線電波段，放大、變頻、外差、列陣技術(shù)都已取得成功，而在光頻波段，在上世紀六十年代激光出現(xiàn)之前，光波放大一直未取得成功。1958年，湯斯和肖洛在物理評論上發(fā)表創(chuàng)造性的論文；1960年，梅曼在自然雜志上發(fā)表了世界上第一臺紅寶石激發(fā)的論文，僅僅在一年之后，1961年中國科學院長春光學精密機械研究所誕生了我國第一臺紅寶石激光器。我國第一臺激光器是中國科學院長春光學精密機械研究所王之江領導設計并和鄧錫銘、湯星里、杜繼祿等人共同實驗研制成的，它的完成僅僅比梅曼發(fā)明激光器晚了一年，這與當時長春光機所的王之江、鄧錫銘等年輕專家們及時提出這一前沿的科學研究課題有關(guān)。在1958年前后，中國科學院電子學研究所的黃武漢研究員通過閱讀國外學術(shù)刊物，了解到國外微波量子放大器的研究信息，率先在國內(nèi)開始了紅寶石微波量子放大器的研制工作，并在1959年底做出了液氮溫度下的10cm波段和3cm波段的量子放大器。當時中科院長春光機所的研究人員受黃武漢工作的啟發(fā)，開始構(gòu)想做光量子放大器（當時還不叫激光器），這時梅曼的第一臺紅寶石激光器還沒有誕生。雖然我國研制的第一臺紅寶石激光器比國外晚了近一年，但是有許多特色直到今天仍被稱道。筆者之一曾在長春光機所參與我國第一臺紅寶石激光器的研制工作。當時國外流行使用螺旋狀氙燈。梅曼最初就是選擇螺旋狀氙燈作為抽運源，其他研究小組在他取得成功后紛紛仿效。而當時領導國內(nèi)第一臺紅寶石激光器研發(fā)的王之江先生有著深厚的光學設計背景。在設計脈沖氙燈時，他沒有采用當時國外流行的螺旋狀，而是把氙燈設計成直管狀。他說：使用螺旋狀氙燈的目的是保證光射到寶石中去。實際上，一個光源發(fā)出的光只有很少能照射到寶石中去，燈的有用尺寸不能超過寶石棒，所以，國外使用的螺旋狀氙燈實際是個半廢品。王先生很清楚，什么樣的結(jié)構(gòu)能夠保證光的能量的最大輸出，并集中到紅寶石器件上。螺旋狀結(jié)構(gòu)的玻璃管，光能量分散的情況比較嚴重，能量不夠集中；另外還有一個重要的原因，當時螺旋管燈需要的電壓高，電容量要求也高，我們那時候的設備還達不到這樣的要求，所以需要對結(jié)構(gòu)作進一步的改進。這一直管狀氙燈設計，立刻得到全世界的認同。固體激光發(fā)展的歷史證明，用直管氙燈抽運的固體激光器成為發(fā)展的主流。此外，中國第一臺激光器使用的是球形照明系統(tǒng)，這在世界上是首次。采用球形照明器，當激活介質(zhì)和氙燈的直徑一樣時，激發(fā)效率最高。當時，在照明方式上，梅曼采用的是橢圓漫射照明器。在他之后，這種照明方式在國外非常流行。而我們的科學家認為，成像照明系統(tǒng)的效率比漫射照明方式更高。對于不太長的寶石和燈而言，球形照明系統(tǒng)比橢圓照明系統(tǒng)更有效率。對于當時國外還流行多燈多橢圓柱的照明方式，我們認為，當激活介質(zhì)和燈的直徑一樣大時，采用多次光學成像方法提高光源亮度比采用光源重疊的方法更有效，多燈照明并不比單燈照明有任何好處。因此，中國在世界上首先采用了球形照明器，實驗證實了這種設計的激發(fā)效率比梅曼采取的方式要高。在以后的發(fā)展中，為了加工方便，球形逐步發(fā)展成圓柱形照明器。另外，在紅寶石光學加工中，用星點法和刀口陰影法檢驗紅寶石的均勻性，并用光學冷加工方法修正這種不均勻性。為了解決當時多層介質(zhì)膜易損傷的問題，采用不同厚度和間隔的幾塊平板玻璃作為反射鏡，獲得了良好的效果。在研制中國第一臺激光器的過程中，由于當時國內(nèi)整體的科技水平較低，且與國外缺乏相關(guān)的溝通和聯(lián)系，研制中遇到了非常多的困難。包括當時國內(nèi)沒有硬質(zhì)玻璃，研究小組就去上海的中央商場買到很多硬玻璃盤，將這些玻璃盤敲碎，然后重新燒結(jié)。用以代替實驗中需要的硬質(zhì)玻璃。再以激光器抽運用的氙燈來說，梅曼根據(jù)自己計算的結(jié)果，馬上可以在通用電氣公司買到合適的氙燈。而我國當時就沒有這種產(chǎn)品，也不可能從國外進口，需要自己動手造。制作脈沖氙燈時，還存在氙氣的供應困難。當時國內(nèi)沒有氙氣的需求，所以既無生產(chǎn)也沒有進口。為了找到氙氣，一位采購員走遍半個中國，費了很大力氣才在一家燈泡廠的庫房里找到了解放前留下來的僅存的幾瓶氙氣，氙燈的制作才得以最后完成。那個時候，中國的科學家肯吃苦，想法也很單一：就是無論如何也要把這個成果做出來。當時也沒有想到會有多少困難，大家都很樂觀，失敗了也不要緊，再接著重新來就是。那時候是很有激情的，從事研制的科研人員基本上每天晚上都會工作到十一二點。直到1961年9月，第一臺激光器終于輸出激光，研究人員最初是依據(jù)輸出光的衍射圖樣來判斷激光是否已經(jīng)輸出。輸出激光在遠處形成的衍射圖樣表現(xiàn)出光譜變窄，其方向性、單色性已經(jīng)充分表現(xiàn)出來。繼而，研究人員在實驗中發(fā)現(xiàn)，當光源功率逐漸增大時，晶體發(fā)光由一般熒光加強至飽和，這標志著紅寶石由自發(fā)輻射過渡到了受激輻射，光能量也由分散于各方向轉(zhuǎn)變?yōu)榧杏谳^為單一的方向。通過示波器觀察發(fā)光衰減過程，發(fā)光弛豫機構(gòu)由指數(shù)形式轉(zhuǎn)變?yōu)檠┍朗降乃p后再有一段指數(shù)衰減，表明已經(jīng)輸出了激光。當時除了長春光機所之外，電子學所等好幾個單位都在做這個工作，但是都沒有成功。輸出激光后，大家都非常開心，這個領域的學者們也都很興奮。從Maser到Laser，從湯斯的創(chuàng)造性思想到梅曼的世界上第一臺紅寶石激光器是一個必然過程。同樣，我國第一臺紅寶石激光器的誕生在長春光機所也不是偶然的。在王大珩所長領導下，長春光機所已具備了研制一臺激光器所必備的大部分基礎技術(shù)，從光學設計、機械設計、電學和電子學設計、晶體生長、光學鍍膜、光學冷加工，到玻璃吹制技術(shù)都有了很好的基礎。自從紅寶石固體激光器出現(xiàn)以后，在上世紀六十年代初，我國在激光領域呈現(xiàn)百花齊放的局面：1962年干福熹等研制出釹玻璃激光器，劉頌豪等研制出摻鈾氟化鈣激光器；1963年，鄧錫銘等成功完成氦氖氣體激光器研制；1963年北京半導體所王守武等研制成77K半導體激光器；1963年北京電子所林俊琛等研制成Xe、He-Xe和He-Ne紅外激光器；1964年到1965年邱明新等研制成Ar+激光器和Kr+激光器；1963年底建成中科院光機所上海分所，從長春光機所調(diào)200余人，北京電子所調(diào)5