中國研制第一臺(tái)激光器的背景

　　激光的發(fā)明借鑒了微波激射器的思想。20世紀(jì)50年代美國物理學(xué)家湯斯開始了激光的研究工作，1955年他制造了一臺(tái)氨分子微波量子放大器。1958年他和肖洛在《物理評(píng)論》上發(fā)表的《紅外和光量子放大器》一文提出了研制以受激發(fā)射為主的光源(即激光器)的設(shè)想，并就研制激光器的可能性和所需條件進(jìn)行了闡述。1960年8月梅曼采用摻鉻的紅寶石作發(fā)光材料，應(yīng)用發(fā)光強(qiáng)度很高的脈沖氙燈作抽運(yùn)光源研制出了世界上第一臺(tái)紅寶石激光器，開創(chuàng)了激光技術(shù)研究和應(yīng)用的時(shí)代。

　　世界上第一臺(tái)紅寶石激光器

　　1958年前后中國科學(xué)院電子學(xué)研究所的黃武漢通過閱讀國外學(xué)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。中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究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，這時(shí)梅曼的第一臺(tái)紅寶石激光器還沒有誕生。

　　中國第一臺(tái)激光器的情況

　　01為什么要選擇紅寶石作為激光介質(zhì)?

　　在看到梅曼采用摻鉻的紅寶石作為激光介質(zhì)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告之后，我們也選用紅寶石作為第一臺(tái)激光器的激光介質(zhì)。原因主要有兩個(gè)第一，紅寶石的能級(jí)結(jié)構(gòu)在當(dāng)時(shí)已經(jīng)研究得比較清楚了。紅寶石有U和Y兩個(gè)吸收帶可以以很高的量子效率把能量轉(zhuǎn)移到B線的上能級(jí)，所以紅寶石是合適的激活介質(zhì)第二，由于當(dāng)時(shí)工業(yè)基礎(chǔ)薄弱，國內(nèi)能夠提供的現(xiàn)成材料很少，而紅寶石晶體材料相對(duì)容易獲得。

　　02脈沖氙燈的設(shè)計(jì)制作

　　梅曼最初選擇螺旋狀氙燈作為抽運(yùn)源，其他研究小組在他取得成功后紛紛仿效。在設(shè)計(jì)脈沖氙燈時(shí)，我們沒有采用當(dāng)時(shí)國外流行的螺旋狀，而是把氙燈設(shè)計(jì)成直管狀。使用螺旋狀氙燈的目的是保證光射到寶石中去。但實(shí)際上，光源發(fā)出的光只有很少能照射到寶石中去，燈的有用尺寸不會(huì)超過寶石棒。假如不懂這個(gè)基本的光學(xué)規(guī)律，我們可能使用螺旋狀氙燈，但我們懂得這個(gè)道理，所以就制作了直管狀的脈沖氙燈。

　　03照明系統(tǒng)：球形照明器

　　光源照明的亮度是實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的重要條件，采取何種照明系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)芊癯晒τ兄e足輕重的影響。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。我們認(rèn)為成像照明系統(tǒng)的效率比漫射照明方式更高。對(duì)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(duì)于當(dāng)時(shí)國外還流行多燈多橢圓柱的照明方式，我們認(rèn)為，當(dāng)激活介質(zhì)和燈的直徑一樣大時(shí)，采用多次光學(xué)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(shí)驗(yàn)證實(shí)了這種設(shè)計(jì)的激發(fā)效率比梅曼采取的方式要高。

　　04諧振腔的設(shè)計(jì)：內(nèi)有聚焦裝置

　　由于國產(chǎn)紅寶石在均勻性、透射率和散射顆粒等方面與國外寶石的質(zhì)量相差較大，不能滿足光學(xué)要求。國產(chǎn)紅寶石晶體缺陷的存在，使得光子損耗率的數(shù)值按照平行平板諧振腔理論來估計(jì)時(shí)有較大差異，諧振腔中的波形數(shù)估計(jì)值因此誤差很大。在這種情況下，我們從幾何光學(xué)的原理出發(fā)，設(shè)計(jì)了內(nèi)有聚焦裝置的諧振腔，達(dá)到了控制波形數(shù)的目的。我們將寶石端面加工成不平行的不規(guī)則形狀，以補(bǔ)償內(nèi)部相應(yīng)的不均勻性，滿足諧振腔內(nèi)部等光程的需要。

　　05運(yùn)轉(zhuǎn)、出光

　　1961年9月，這臺(tái)激光器真正輸出了激光。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(yuǎn)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(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光源功率逐漸增大時(shí)，晶體發(fā)光由一般熒光加強(qiáng)至飽和，這標(biāo)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(jī)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。

　　我國第一臺(tái)紅寶石激光器

　　研制第一臺(tái)激光器的經(jīng)驗(yàn)

　　01.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所的早期發(fā)展奠定了研制第一臺(tái)紅寶石激光器所需的技術(shù)基礎(chǔ)。

　　20世紀(jì)50年代末，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所在光學(xué)材料、光學(xué)設(shè)計(jì)與檢驗(yàn)、光學(xué)薄膜技術(shù)、電子學(xué)技術(shù)、光學(xué)與精密機(jī)械設(shè)計(jì)與工藝等方面技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，奠定了第一臺(tái)激光器誕生所需的技術(shù)基礎(chǔ)。所以，在研制第一臺(tái)紅寶石激光器的過程中，研究人員能夠比較熟練地運(yùn)用一些技術(shù)和工藝，比如球形光學(xué)成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、紅寶石質(zhì)量的刀口陰影法或星點(diǎn)法的光學(xué)檢驗(yàn)、利用光學(xué)冷加工工藝整修紅寶石表面、冷陰極濺射法涂鍍寶石兩端的銀膜、氙燈的制作，這些技術(shù)和工藝的運(yùn)用保證了第一臺(tái)紅寶石激光器的順利進(jìn)行。沒有中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所早年打下的技術(shù)基礎(chǔ)，中國第一臺(tái)紅寶石激光器是不可能那么快研制成功的。

　　02.年輕科技人才學(xué)術(shù)水平的迅速提高奠定了研制第一臺(tái)紅寶石激光器所需的人才基礎(chǔ)。

　　高水平的學(xué)術(shù)隊(duì)伍是一項(xiàng)科研活動(dòng)取得成功的關(guān)鍵因素。在中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，通過應(yīng)用光學(xué)實(shí)踐活動(dòng)的鍛煉，一批科技精英的學(xué)術(shù)水平迅速提高，形成了一支在應(yīng)用光學(xué)領(lǐng)域有相當(dāng)水平的年輕科技隊(duì)伍，奠定了第一臺(tái)激光器誕生所需的人才基礎(chǔ)。這支年輕的學(xué)術(shù)隊(duì)伍，學(xué)術(shù)思想非常活躍。在1958年底肖洛和湯斯發(fā)表制造激光器原理的論文之前，他們已經(jīng)從應(yīng)用光學(xué)的實(shí)踐研究中看到了經(jīng)典光學(xué)的局限，產(chǎn)生了改革光源的想法。在看到肖洛和湯斯發(fā)表的論文后，研究人員更加堅(jiān)定了改革光源的信念，并很快提出了一些大量提高光源亮度、單色性、相干性的設(shè)想和實(shí)驗(yàn)方案，他們的研究內(nèi)容和當(dāng)時(shí)國際學(xué)術(shù)界積極進(jìn)行的激光研究是合拍的。因此他們開始研制第一臺(tái)激光器的時(shí)間比較早，早于梅曼宣布世界上第一臺(tái)激光器研制成功的時(shí)間，與國際學(xué)術(shù)界開始激光器的研究基本同步，這應(yīng)該是中國第一臺(tái)紅寶石激光器那么快誕生的直接原因。

　　03.國外研究的啟發(fā)和中國學(xué)者創(chuàng)新精神的融合加快了第一臺(tái)激光器的研究進(jìn)程。

　　在研制第一臺(tái)紅寶石激光器的過程中，中國的研究人員雖然僅通過閱讀一些國外的學(xué)術(shù)期刊來了解國外的研究動(dòng)態(tài)，但湯斯等美國學(xué)者的學(xué)術(shù)研究還是對(duì)中國的激光器研制產(chǎn)生了積極的影響。比如，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所的研究人員在1958年前產(chǎn)生了改革光源的想法，肖洛和湯斯的論文則使他們明確了研究方向，直接把他們引向了激光的相關(guān)研究領(lǐng)域。在設(shè)計(jì)激光器的結(jié)構(gòu)時(shí)他們則借鑒了梅曼的激光器結(jié)構(gòu)形式。雖然受到美國學(xué)者的啟發(fā)，但年輕的中國學(xué)者不迷信國外權(quán)威，充分發(fā)揮了自己的創(chuàng)造性。

　　總之，中國第一臺(tái)紅寶石激光器的誕生，應(yīng)該是國際國內(nèi)諸多因素孕育、促進(jìn)而成的，但從上面的分析可以看出，堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)和人才基礎(chǔ)無疑是最為關(guān)鍵的因素。

　　作者簡介

　　王之江(1930—)，男，1952年畢業(yè)于大連大學(xué)工學(xué)院物理系。中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員。1991年當(dāng)選為中國科學(xué)院院士(學(xué)部委員)。發(fā)展了像差理論和像質(zhì)評(píng)價(jià)理論，形成了新的理論體系，完成了大批光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)(如照相物鏡系統(tǒng)、平面光柵單色儀、長工作距反射顯微鏡、非球面特大視場(chǎng)目鏡、105#大型電影經(jīng)緯儀物鏡等)。領(lǐng)導(dǎo)研制成中國第一臺(tái)激光器，并在技術(shù)和原理上有所創(chuàng)新。70年代領(lǐng)導(dǎo)完成了高能量、高亮度釹玻璃激光系統(tǒng)。在這項(xiàng)工作中解決了一系列理論、技術(shù)及工藝問題。關(guān)于某些激光重大應(yīng)用對(duì)亮度要求的判斷，使工作避免了盲目性，對(duì)于中國激光科學(xué)技術(shù)起了積極作用。倡議和具體領(lǐng)導(dǎo)了中國“七五”攻關(guān)中激光濃縮鈾項(xiàng)目。對(duì)中國光信息處理和光計(jì)算起了倡導(dǎo)作用。

　　說明:本文內(nèi)容部分節(jié)選自:陳崇斌, 孫洪慶.歷盡艱辛 銳意創(chuàng)新——中國第一臺(tái)紅寶石激光器的研制, 中國科技史雜志, 2009, 30( 3) :315 ～ 325

　　來源： 愛光學(xué)