文 / 唐曉軍、金煜堅、王克強、朱辰、姜東升，華北光電技術(shù)研究所固體激光技術(shù)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(nèi)采購元器件，首先就繞不開“十一所”?！笆凰钡脑鲆娼橘|(zhì)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(jì)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(nèi)固體激光技術(shù)領(lǐng)域的核心作用才有所下降。但是側(cè)重工藝研究以及產(chǎn)品開發(fā)的行事風(fēng)格對國內(nèi)相關(guān)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(shù)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(shù)的研究工作，內(nèi)容涵蓋材料、器件、整機，涉及增益介質(zhì)材料晶體生長、光學(xué)鏡片加工鍍膜、泵浦氙燈制備、泵浦腔加工、配套驅(qū)動電源研制、激光測距整機研制等。縱向看，與激光技術(shù)相關(guān)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(diào)諧輸出激光、聲光調(diào)Q、電光調(diào)Q、鎖模技術(shù)等有著全面性的布局。

作為面向應(yīng)用，側(cè)重工藝研究的工業(yè)部門研究機構(gòu)，中國電科十一所始終以需求為牽引，不斷突破關(guān)鍵技術(shù)，并以提供完整解決方案，交付產(chǎn)品為首要目標(biāo)；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(nèi)技術(shù)進步的推動無疑是全方位的?？梢哉f，中國電科十一所激光技術(shù)的發(fā)展成就是自身定位準(zhǔn)確、內(nèi)部專業(yè)布局完善、需求牽引與技術(shù)發(fā)展良性循環(huán)等諸因素作用的必然結(jié)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(gòu)的中國電科十一所，在大膽創(chuàng)新的同時，仍強調(diào)通用工藝技術(shù)的設(shè)計實施，注重技術(shù)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(shù)為主線，對中國電科十一所固體激光技術(shù)發(fā)展歷程做一簡要回顧。

2.攻關(guān)階段：核心技術(shù)得突破，技術(shù)產(chǎn)品得應(yīng)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(dāng)年計劃體制的要求，研究室以固體激光技術(shù)為主，緊緊圍繞應(yīng)用需求，在固體激光技術(shù)的材料生長、光學(xué)加工工藝、功能器件制作工藝、激光性能測試技術(shù)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(shù)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(zhì)，能量轉(zhuǎn)換效率極低，熱效應(yīng)嚴(yán)重，只能在1 Hz的低重復(fù)頻率條件下工作。重復(fù)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(yīng)用到移動目標(biāo)測距定軌需求中，而當(dāng)年靶場飛行目標(biāo)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(zé)人的研發(fā)團隊通過反復(fù)實驗、觀察，認為提高氙燈工作重復(fù)頻率后，氙燈的電極過熱是炸裂的關(guān)鍵因素。恰好當(dāng)時報紙上報道雙水內(nèi)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(fù)旦大學(xué)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(fù)頻率工作?？朔烁咧貜?fù)頻率激光器研發(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(shù)環(huán)節(jié)，又研發(fā)出高重復(fù)頻率Q開關(guān)、高重復(fù)頻率大功率電源等基礎(chǔ)配套件。1968年，中國電科十一所脈沖激光器重復(fù)頻率達到20 Hz，脈沖峰值功率達到10 MW，滿足了當(dāng)時激光測距需要，并逐漸形成了系列產(chǎn)品，行業(yè)內(nèi)公認國內(nèi)領(lǐng)先。

此時，摻釹釔鋁石榴石（Nd:YAG）增益介質(zhì)出現(xiàn)了。該種晶體材料是四能級結(jié)構(gòu)，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(guān)，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(shù)，更換摻釹釔鋁石榴石（Nd:YAG）和調(diào)Q技術(shù)，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(biāo)定軌需求。

隨著高重頻脈沖固體激光技術(shù)的進步，靶場測距技術(shù)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(jì)80年代末，中國電科十一所在脈沖固體激光技術(shù)領(lǐng)域深耕不輟，關(guān)鍵技術(shù)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(yīng)性還需要進一步開展技術(shù)攻關(guān)。

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(jì)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(yán)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(wù)，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(dāng)時的所領(lǐng)導(dǎo)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(shù)骨干劉力帶領(lǐng)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(dāng)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(nèi)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(shè)備和晶體生長設(shè)備。其中鍍膜設(shè)備在隨后很長時間內(nèi)都是所里生產(chǎn)研發(fā)的主力設(shè)備，保證了激光器光學(xué)器件所需鍍膜的品質(zhì)。而晶體生長設(shè)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(dāng)時中國電科十一所自有的晶體生長設(shè)備完全是手動控制模式，雖然可以長出高品質(zhì)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(shè)備基本上是自動化生長，上稱重自動控徑，可以生長優(yōu)質(zhì)大尺寸激光晶體。但是設(shè)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(dāng)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(jì)90年代中后期，中國電科十一所又參與了對俄技術(shù)引進，內(nèi)容涵蓋鍍膜、晶體生長、脈沖激光器設(shè)計、制造工藝，結(jié)合中國電科十一所自身多年技術(shù)積累，中國電科十一所在激光晶體制備、光學(xué)膜制備、激光器適應(yīng)環(huán)境技術(shù)方面，又有了長足進步。這里又引進了激光晶體生長設(shè)備，也是自動生長設(shè)備。和上次的引進只進行了簡單的操作培訓(xùn)不同，對俄技術(shù)引進包括了工藝學(xué)習(xí)，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(shè)備控制邏輯有了深刻理解，按說順利投產(chǎn)應(yīng)該沒有問題了吧。

沒想到的是，從俄國引進的晶體生長設(shè)備同樣遇到了“水土不服”的問題。更大的問題是，俄國設(shè)備的電控技術(shù)比較落后，所用的器件就是在我國國內(nèi)也屬于淘汰品，維修難度很大。當(dāng)時的技術(shù)專家王永國在所領(lǐng)導(dǎo)的支持下，采用國內(nèi)主流的工控電子產(chǎn)品對這套引進設(shè)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(shè)備電控部分，結(jié)果大獲成功。那已是2002年！

這個成功讓當(dāng)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(shè)備也活起來。因為有了改造俄國設(shè)備的經(jīng)驗，改造這臺美國設(shè)備容易多了。經(jīng)仔細檢查，發(fā)現(xiàn)美國設(shè)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(yīng)波動不再敏感，就能讓這臺設(shè)備復(fù)活了。

這臺設(shè)備一復(fù)活，可樂壞了張偉忠。當(dāng)年副所長邱鴻華退休前代表所里拿下一個瞄準(zhǔn)美國進口晶體生長設(shè)備的消化吸收技術(shù)攻關(guān)“863”項目。美國的晶體生長設(shè)備一趴窩，項目就進展不下去，一直拖延著結(jié)不了題，“863”責(zé)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。可以說這個項目的完成，是集中了中美俄三國的技術(shù)成果。中國電科十一所也一躍成為國內(nèi)頂級晶體生長設(shè)備（提拉法）的提供者，高質(zhì)量批量自動生長激光晶體工藝穩(wěn)居國內(nèi)第一。

雖然隨著工藝人員的流動，國內(nèi)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(nèi)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(zhì)激光晶體提供者。

有了高質(zhì)量基礎(chǔ)材料、器件加持，中國電科十一所脈沖固體激光技術(shù)水平飛速進步。說起這段歷史，筆者有個親身經(jīng)歷，當(dāng)時參與所里一個脈沖固體激光器型號任務(wù)，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(jié)構(gòu)變形，各種改進措施均不能根本解決問題。在同俄國技術(shù)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(shè)計才解決。

我們找到了癥結(jié)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(shù)進步，這都是大量人力物力投入的結(jié)果，也是自身努力與大環(huán)境互相促進的結(jié)果。

20世紀(jì)90年代以及21世紀(jì)的第一個十年，中國電科十一所雖然開展了許多新技術(shù)的研究工作，例如二極管泵浦技術(shù)[4-7]、無水冷散熱技術(shù)[8]、抗失諧角錐、棱鏡腔技術(shù)[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(biāo)，但最重要的工作，是圍繞嚴(yán)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(wù)的實施真正實現(xiàn)了具有長期可靠性的產(chǎn)品。

激光器設(shè)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(jié)構(gòu)應(yīng)力、散熱、污染物控制等的影響。

隨著半導(dǎo)體激光器泵浦技術(shù)取代了燈泵浦技術(shù)，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(yīng)變結(jié)構(gòu)設(shè)計、高效散熱設(shè)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(biāo)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(dǎo)體激光器泵浦固體激光器作為光源，該激光測距機是國內(nèi)首套工程化應(yīng)用的采用半導(dǎo)體激光器泵浦固體激光器光源的激光測距機。

這期間，負責(zé)測距機光源研發(fā)的金煜堅研究員帶領(lǐng)團隊經(jīng)過大量艱苦工作，解決了測距用的半導(dǎo)體激光器泵浦固體激光器的一系列技術(shù)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(chǔ)上，中國電科十一所順利拿下了相關(guān)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(shù)研發(fā)，讓脈沖固體激光技術(shù)又躍上了一個新臺階；二極管泵浦全面取代燈泵浦技術(shù)；無潮解、低半波電壓的RTP調(diào)Q開關(guān)替代DKDP調(diào)Q開關(guān)；RBG光柵作為反射鏡實現(xiàn)窄線寬輸出[10]；諧振腔設(shè)計的重心轉(zhuǎn)到高光束質(zhì)量優(yōu)先。

緊湊結(jié)構(gòu)大能量激光器的設(shè)計中，棱鏡腔逐漸退出，而兼顧大能量與高光束質(zhì)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(xué)元件；MOPA方案是采用高光束質(zhì)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(nèi)部采用防污染設(shè)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(nèi)，重復(fù)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(yīng)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(jié)束語

中國電科十一所的脈沖固體激光器技術(shù)發(fā)展歷史悠久，技術(shù)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(shù)突破，各種技術(shù)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(shù)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(shù)的逐步成熟，技術(shù)發(fā)展更注重高光束質(zhì)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(shù)進步的原動力。只是從核心技術(shù)突破到產(chǎn)品應(yīng)用，中間還要做許多艱苦的工作。當(dāng)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(shù)領(lǐng)域會繼續(xù)努力，一邊提出創(chuàng)新思想，一邊架起科研和應(yīng)用的橋梁，做出更大的貢獻。

參考文獻

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