文 / 唐曉軍、金煜堅、王克強、朱辰、姜東升，華北光電技術研究所固體激光技術重點實驗室

1.引言

從1970年代起，在激光界，說起“十一所”，誰人不知誰人不曉。只要做固體激光器，從國內采購元器件，首先就繞不開“十一所”。“十一所”的增益介質晶體、鏡片加工鍍膜、泵浦氙燈、激光電源等，都是行業(yè)同仁的首選。直到21世紀初，隨著市場經(jīng)濟的崛起，社會化分工的發(fā)展，尤其是民營經(jīng)濟的進步，“十一所”在國內固體激光技術領域的核心作用才有所下降。但是側重工藝研究以及產(chǎn)品開發(fā)的行事風格對國內相關行業(yè)發(fā)展仍起著重要影響。

“十一所”，全稱是中國電子科技集團公司第十一研究所（又稱華北光電技術研究所，以下簡稱“中國電科十一所”）。1964年以來，一直從事固體激光技術的研究工作，內容涵蓋材料、器件、整機，涉及增益介質材料晶體生長、光學鏡片加工鍍膜、泵浦氙燈制備、泵浦腔加工、配套驅動電源研制、激光測距整機研制等?？v向看，與激光技術相關的材料、器件、整機有著系統(tǒng)性的布局；橫向看，脈沖輸出激光、連續(xù)輸出激光、可調諧輸出激光、聲光調Q、電光調Q、鎖模技術等有著全面性的布局。

作為面向應用，側重工藝研究的工業(yè)部門研究機構，中國電科十一所始終以需求為牽引，不斷突破關鍵技術，并以提供完整解決方案，交付產(chǎn)品為首要目標；另一方面，由于面向主要需求方自主可控，全產(chǎn)業(yè)鏈布局的特點，在行業(yè)發(fā)展初期，對國內技術進步的推動無疑是全方位的。可以說，中國電科十一所激光技術的發(fā)展成就是自身定位準確、內部專業(yè)布局完善、需求牽引與技術發(fā)展良性循環(huán)等諸因素作用的必然結果。

在創(chuàng)新成為社會發(fā)展靈魂的今天，作為傳統(tǒng)科研機構的中國電科十一所，在大膽創(chuàng)新的同時，仍強調通用工藝技術的設計實施，注重技術的產(chǎn)品實現(xiàn)。本文以用于激光探測的脈沖固體激光技術為主線，對中國電科十一所固體激光技術發(fā)展歷程做一簡要回顧。

2.攻關階段：核心技術得突破，技術產(chǎn)品得應用

1964年，激光器剛剛發(fā)明不久，中國電科十一所便成立了激光研究室。按照當年計劃體制的要求，研究室以固體激光技術為主，緊緊圍繞應用需求，在固體激光技術的材料生長、光學加工工藝、功能器件制作工藝、激光性能測試技術等方面均開展了研究工作；在歷史上的“三抓”、G-168、人衛(wèi)測距等工程的牽引下，中國電科十一所的脈沖固體激光技術從無到有獲得了長足發(fā)展。

中國電科十一所早期參與的激光測距工程項目樣機

用于激光測距、激光雷達的脈沖固體激光器，最初采用的紅寶石增益介質，能量轉換效率極低，熱效應嚴重，只能在1 Hz的低重復頻率條件下工作。重復頻率增加到5 Hz以上的話，泵浦用的氙燈幾秒鐘就炸裂。而且配套電源、冷卻系統(tǒng)也格外笨重，很難應用到移動目標測距定軌需求中，而當年靶場飛行目標軌跡測量提出了實時快速的需求。

怎么辦？以梅遂生（梅總）為負責人的研發(fā)團隊通過反復實驗、觀察，認為提高氙燈工作重復頻率后，氙燈的電極過熱是炸裂的關鍵因素。恰好當時報紙上報道雙水內冷法大大提高汽輪發(fā)電機效率的新聞，于是梅總想到了解決問題的辦法。

他一方面請上海復旦大學電光源研究室的專家蔡祖泉協(xié)助研制水冷電極脈沖氙燈，另一方面聯(lián)系生產(chǎn)脈沖氙燈的長春燈泡電線廠的孫玉德廠長，請他們研制了一種長電極脈沖氙燈。這兩種氙燈都實現(xiàn)了高重復頻率工作?？朔烁咧貜皖l率激光器研發(fā)的第一個障礙后，通過改進聚光腔、諧振腔、紅寶石棒端面加工工藝等技術環(huán)節(jié)，又研發(fā)出高重復頻率Q開關、高重復頻率大功率電源等基礎配套件。1968年，中國電科十一所脈沖激光器重復頻率達到20 Hz，脈沖峰值功率達到10 MW，滿足了當時激光測距需要，并逐漸形成了系列產(chǎn)品，行業(yè)內公認國內領先。

此時，摻釹釔鋁石榴石（Nd:YAG）增益介質出現(xiàn)了。該種晶體材料是四能級結構，閾值低效率高，物化性能良好，中國電科十一所抓住機會組織力量攻關，熔鹽法、水熱法、提拉法，通過一年多的摸索，最終確定提拉法作為研究方向，又經(jīng)過幾年的努力，中國電科十一所的Nd:YAG晶體不但滿足了本所激光測距用脈沖激光器需求，還可以向兄弟單位提供。

隨著水冷電極技術，更換摻釹釔鋁石榴石（Nd:YAG）和調Q技術，中國電科十一所的激光器輸出激光脈沖寬度壓窄到納秒量級，提高了測距精度，滿足了靶場飛行目標定軌需求。

隨著高重頻脈沖固體激光技術的進步，靶場測距技術獲得了強力支撐，奠定了中國電科十一所在激光測距行業(yè)的龍頭地位。到20世紀80年代末，中國電科十一所在脈沖固體激光技術領域深耕不輟，關鍵技術一一攻克，基本功能完全滿足了各種激光測距的需求。但是作為產(chǎn)品，批量提供的一致性、可靠性、環(huán)境適應性還需要進一步開展技術攻關。

早期測距機產(chǎn)品

3.發(fā)展階段：通用工藝得發(fā)力，產(chǎn)品可靠性得提高

20世紀80年代中期，中國電科十一所承接了激光測距的首個型號項目，對脈沖光源可靠性提出了全新要求，需要在嚴苛環(huán)境條件下長期穩(wěn)定工作。此前中國電科十一所也還只是以試驗樣機狀態(tài)完成任務，短板主要是激光器的泵浦燈，失效率最高。恰在此時，中國電科十一所得到了一個聯(lián)合國開發(fā)計劃署的項目資助，當時的所領導層決策將核心元器件制備工藝引進作為重點。

1992年，所里引進了美國EG&G公司的泵浦燈生產(chǎn)線。氙燈研發(fā)組在技術骨干劉力帶領下，經(jīng)過消化吸收，使得脈沖氙燈工作次數(shù)由一萬次，提高到十萬次，乃至千萬次以上，彌補了當時脈沖激光器最大的短板，支撐了型號項目的順利完成。中國電科十一所也因之成為了國內最好的泵浦燈生產(chǎn)基地。

在同一項目的資助下，中國電科十一所還引進了美國的鍍膜設備和晶體生長設備。其中鍍膜設備在隨后很長時間內都是所里生產(chǎn)研發(fā)的主力設備，保證了激光器光學器件所需鍍膜的品質。而晶體生長設備引進所里后工作得就不那么順利了，出現(xiàn)了明顯的“水土不服”。

當時中國電科十一所自有的晶體生長設備完全是手動控制模式，雖然可以長出高品質的激光晶體，但是尺寸不能長很大，生產(chǎn)效率低，而從美國引進的設備基本上是自動化生長，上稱重自動控徑，可以生長優(yōu)質大尺寸激光晶體。但是設備對供電、供水等要求比較高，環(huán)境稍有波動就會報警保護停機。在當時的條件下，基本上不能正常使用，只能暫時放置在一邊。

20世紀90年代中后期，中國電科十一所又參與了對俄技術引進，內容涵蓋鍍膜、晶體生長、脈沖激光器設計、制造工藝，結合中國電科十一所自身多年技術積累，中國電科十一所在激光晶體制備、光學膜制備、激光器適應環(huán)境技術方面，又有了長足進步。這里又引進了激光晶體生長設備，也是自動生長設備。和上次的引進只進行了簡單的操作培訓不同，對俄技術引進包括了工藝學習，加上所里參與引進的均是具有實際工作經(jīng)驗的專家，對晶體自動生長工藝及設備控制邏輯有了深刻理解，按說順利投產(chǎn)應該沒有問題了吧。

沒想到的是，從俄國引進的晶體生長設備同樣遇到了“水土不服”的問題。更大的問題是，俄國設備的電控技術比較落后，所用的器件就是在我國國內也屬于淘汰品，維修難度很大。當時的技術專家王永國在所領導的支持下，采用國內主流的工控電子產(chǎn)品對這套引進設備進行了大膽改造，全面梳理了控制流程，對部分傳感控制環(huán)節(jié)進行優(yōu)化，替換掉該晶體生長設備電控部分，結果大獲成功。那已是2002年！

這個成功讓當時的主管陳道南副所長很高興，帶著所長張偉忠請王永國吃飯，商量能否讓那臺美國設備也活起來。因為有了改造俄國設備的經(jīng)驗，改造這臺美國設備容易多了。經(jīng)仔細檢查，發(fā)現(xiàn)美國設備的電控硬件并未過時，完全可用，只需替換個別壞掉的電子器件，去掉冗余控制環(huán)節(jié)，使其對水電供應波動不再敏感，就能讓這臺設備復活了。

這臺設備一復活，可樂壞了張偉忠。當年副所長邱鴻華退休前代表所里拿下一個瞄準美國進口晶體生長設備的消化吸收技術攻關“863”項目。美國的晶體生長設備一趴窩，項目就進展不下去，一直拖延著結不了題，“863”責任專家蔣民華一到北京開會就找所里問情況，所長也是干著急。這下，這個拖延多年的“863”項目也能順利完成了?？梢哉f這個項目的完成，是集中了中美俄三國的技術成果。中國電科十一所也一躍成為國內頂級晶體生長設備（提拉法）的提供者，高質量批量自動生長激光晶體工藝穩(wěn)居國內第一。

雖然隨著工藝人員的流動，國內自動生長晶體工藝很快普及，但到今天為止，中國電科十一所仍是國內激光晶體生長實力較強的單位，也是國際上最大尺寸優(yōu)質激光晶體提供者。

有了高質量基礎材料、器件加持，中國電科十一所脈沖固體激光技術水平飛速進步。說起這段歷史，筆者有個親身經(jīng)歷，當時參與所里一個脈沖固體激光器型號任務，低溫環(huán)試總也過不去，常溫下輸出光斑是圓的，低溫試驗，輸出光斑就變成了扇形，最初以為是諧振腔形變，各種消除溫度變化引起的結構變形，各種改進措施均不能根本解決問題。在同俄國技術人員深入交流后才知道，他們也因為同樣的問題困惑了很久，花了很大代價、很長時間才搞清機理，通過徹底修改設計才解決。

我們找到了癥結所在，用最簡單可行的辦法解決，順利完成了項目?；赝@段歷史，感慨良多?？梢哉f，沒有憑空跳出來的技術進步，這都是大量人力物力投入的結果，也是自身努力與大環(huán)境互相促進的結果。

20世紀90年代以及21世紀的第一個十年，中國電科十一所雖然開展了許多新技術的研究工作，例如二極管泵浦技術[4-7]、無水冷散熱技術[8]、抗失諧角錐、棱鏡腔技術[9]等等，減小了測距用脈沖固體激光器的體積重量，提升了輸出激光性能指標，但最重要的工作，是圍繞嚴苛環(huán)境條件下如何提升產(chǎn)品可靠性展開的；通過型號任務的實施真正實現(xiàn)了具有長期可靠性的產(chǎn)品。

激光器設計工作中考慮的問題不僅僅是腔型、模式、增益能力，更重視諸如結構應力、散熱、污染物控制等的影響。

隨著半導體激光器泵浦技術取代了燈泵浦技術，不僅激光器的體積重量減小了，激光器的可靠性也大幅提升，壽命大大延長；棱鏡腔、角錐反射鏡腔的采用、低應變結構設計、高效散熱設計以及控制污染物的除塵、密封、抑制粘接膠揮發(fā)等措施的實施，中國電科十一所脈沖固體激光器的可靠性大幅提升。為激光器寬溫度范圍、振動條件下穩(wěn)定工作創(chuàng)造了條件。

這期間有個標志性的事情，1999年立項，2007年完成的無人機載激光測距機型號項目就是采用半導體激光器泵浦固體激光器作為光源，該激光測距機是國內首套工程化應用的采用半導體激光器泵浦固體激光器光源的激光測距機。

這期間，負責測距機光源研發(fā)的金煜堅研究員帶領團隊經(jīng)過大量艱苦工作，解決了測距用的半導體激光器泵浦固體激光器的一系列技術難題，尤其是寬溫度范圍、振動條件下穩(wěn)定工作問題，確保了型號項目的順利完成。在此基礎上，中國電科十一所順利拿下了相關項目，并成功量產(chǎn)。

a車載脈沖串激光測距機，b采用二極管泵浦固體激光器光源的測距機原型機，c機載激光測距機（光源是二極管）

4.成熟階段：

批量提供高可靠、高性能產(chǎn)品

最近這十年，中國電科十一所的工作重心向高可靠、高性能、批量一致性全面推進，尤其是通用工藝技術研發(fā)，讓脈沖固體激光技術又躍上了一個新臺階；二極管泵浦全面取代燈泵浦技術；無潮解、低半波電壓的RTP調Q開關替代DKDP調Q開關；RBG光柵作為反射鏡實現(xiàn)窄線寬輸出[10]；諧振腔設計的重心轉到高光束質量優(yōu)先。

緊湊結構大能量激光器的設計中，棱鏡腔逐漸退出，而兼顧大能量與高光束質量激光輸出的非穩(wěn)定腔成為主流。激光腔采用的是極簡路線，簡單光路，最少光學元件；MOPA方案是采用高光束質量、窄線寬輸出振蕩器加多程行波放大功率放大器，由緊湊布局光路實現(xiàn)機頭小型化，光腔內部采用防污染設計，實現(xiàn)了激光器在寬溫度范圍、大機械振動條件下的穩(wěn)定工作，平均無故障工作時間由數(shù)百小時提升至數(shù)千小時。

目前波長1064 nm，輸出能量200 mJ以內，重復頻率20 Hz，束散角小于2 mrad，脈沖寬度10 ns左右的測距、測照用脈沖激光器已廣泛應用于裝備，系列產(chǎn)品中輸出能量大于200 mJ的激光器，最小重量已小于3 kg。

圖4 小型脈沖固體激光器實物照片

5.結束語

中國電科十一所的脈沖固體激光器技術發(fā)展歷史悠久，技術積累雄厚，已完全滿足了激光測距、激光測照等需求；不同歷史階段的發(fā)展重心有所差別。先是在核心技術突破，各種技術方案都開展探索，隨著研究的深入而逐步收斂；隨后大力發(fā)展產(chǎn)品研制，突出可靠性需求，著力研究穩(wěn)定性強的技術方案，實現(xiàn)脈沖激光器從樣機到產(chǎn)品的突破；最后隨著通用工藝技術的逐步成熟，技術發(fā)展更注重高光束質量輸出為代表的高性能、高可靠的全面提升。

六十年發(fā)展歷程告訴我們，創(chuàng)新是技術進步的原動力。只是從核心技術突破到產(chǎn)品應用，中間還要做許多艱苦的工作。當前，我國科技獨立創(chuàng)新被提到前所未有的高度。中國電科十一所在固體激光技術領域會繼續(xù)努力，一邊提出創(chuàng)新思想，一邊架起科研和應用的橋梁，做出更大的貢獻。

參考文獻

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