文档：中国第一台激光器诞生记

中国第一台激光器诞生记众所周知，Laser是从Maser发展而来的。科学家们注意到为什么微波和光都是电磁波，在无线电波段，放大、变频、外差、列阵技术都已取得成功，而在光频波段，在上世纪六十年代激光出现之前，光波放大一直未取得成功。1958年，汤斯和肖洛在物理评论上发表创造性的论文；1960年，梅曼在自然杂志上发表了世界上第一台红宝石激发的论文，仅仅在一年之后，1961年中国科学院长春光学精密机械研究所诞生了我国第一台红宝石激光器。我国第一台激光器是中国科学院长春光学精密机械研究所王之江领导设计并和邓锡铭、汤星里、杜继禄等人共同实验研制成的，它的完成仅仅比梅曼发明激光器晚了一年，这与当时长春光机所的王之江、邓锡铭等年轻专家们及时提出这一前沿的科学研究课题有关。在1958年前后，中国科学院电子学研究所的黄武汉研究员通过阅读国外学术刊物，了解到国外微波量子放大器的研究信息，率先在国内开始了红宝石微波量子放大器的研制工作，并在1959年底做出了液氮温度下的10cm波段和3cm波段的量子放大器。当时中科院长春光机所的研究人员受黄武汉工作的启发，开始构想做光量子放大器（当时还不叫激光器），这时梅曼的第一台红宝石激光器还没有诞生。虽然我国研制的第一台红宝石激光器比国外晚了近一年，但是有许多特色直到今天仍被称道。笔者之一曾在长春光机所参与我国第一台红宝石激光器的研制工作。当时国外流行使用螺旋状氙灯。梅曼最初就是选择螺旋状氙灯作为抽运源，其他研究小组在他取得成功后纷纷仿效。而当时领导国内第一台红宝石激光器研发的王之江先生有着深厚的光学设计背景。在设计脉冲氙灯时，他没有采用当时国外流行的螺旋状，而是把氙灯设计成直管状。他说：使用螺旋状氙灯的目的是保证光射到宝石中去。实际上，一个光源发出的光只有很少能照射到宝石中去，灯的有用尺寸不能超过宝石棒，所以，国外使用的螺旋状氙灯实际是个半废品。王先生很清楚，什么样的结构能够保证光的能量的最大输出，并集中到红宝石器件上。螺旋状结构的玻璃管，光能量分散的情况比较严重，能量不够集中；另外还有一个重要的原因，当时螺旋管灯需要的电压高，电容量要求也高，我们那时候的设备还达不到这样的要求，所以需要对结构作进一步的改进。这一直管状氙灯设计，立刻得到全世界的认同。固体激光发展的历史证明，用直管氙灯抽运的固体激光器成为发展的主流。此外，中国第一台激光器使用的是球形照明系统，这在世界上是首次。采用球形照明器，当激活介质和氙灯的直径一样时，激发效率最高。当时，在照明方式上，梅曼采用的是椭圆漫射照明器。在他之后，这种照明方式在国外非常流行。而我们的科学家认为，成像照明系统的效率比漫射照明方式更高。对于不太长的宝石和灯而言，球形照明系统比椭圆照明系统更有效率。对于当时国外还流行多灯多椭圆柱的照明方式，我们认为，当激活介质和灯的直径一样大时，采用多次光学成像方法提高光源亮度比采用光源重叠的方法更有效，多灯照明并不比单灯照明有任何好处。因此，中国在世界上首先采用了球形照明器，实验证实了这种设计的激发效率比梅曼采取的方式要高。在以后的发展中，为了加工方便，球形逐步发展成圆柱形照明器。另外，在红宝石光学加工中，用星点法和刀口阴影法检验红宝石的均匀性，并用光学冷加工方法修正这种不均匀性。为了解决当时多层介质膜易损伤的问题，采用不同厚度和间隔的几块平板玻璃作为反射镜，获得了良好的效果。在研制中国第一台激光器的过程中，由于当时国内整体的科技水平较低，且与国外缺乏相关的沟通和联系，研制中遇到了非常多的困难。包括当时国内没有硬质玻璃，研究小组就去上海的中央商场买到很多硬玻璃盘，将这些玻璃盘敲碎，然后重新烧结。用以代替实验中需要的硬质玻璃。再以激光器抽运用的氙灯来说，梅曼根据自己计算的结果，马上可以在通用电气公司买到合适的氙灯。而我国当时就没有这种产品，也不可能从国外进口，需要自己动手造。制作脉冲氙灯时，还存在氙气的供应困难。当时国内没有氙气的需求，所以既无生产也没有进口。为了找到氙气，一位采购员走遍半个中国，费了很大力气才在一家灯泡厂的库房里找到了解放前留下来的仅存的几瓶氙气，氙灯的制作才得以最后完成。那个时候，中国的科学家肯吃苦，想法也很单一：就是无论如何也要把这个成果做出来。当时也没有想到会有多少困难，大家都很乐观，失败了也不要紧，再接着重新来就是。那时候是很有激情的，从事研制的科研人员基本上每天晚上都会工作到十一二点。直到1961年9月，第一台激光器终于输出激光，研究人员最初是依据输出光的衍射图样来判断激光是否已经输出。输出激光在远处形成的衍射图样表现出光谱变窄，其方向性、单色性已经充分表现出来。继而，研究人员在实验中发现，当光源功率逐渐增大时，晶体发光由一般荧光加强至饱和，这标志着红宝石由自发辐射过渡到了受激辐射，光能量也由分散于各方向转变为集中于较为单一的方向。通过示波器观察发光衰减过程，发光弛豫机构由指数形式转变为雪崩式的衰减后再有一段指数衰减，表明已经输出了激光。当时除了长春光机所之外，电子学所等好几个单位都在做这个工作，但是都没有成功。输出激光后，大家都非常开心，这个领域的学者们也都很兴奋。从Maser到Laser，从汤斯的创造性思想到梅曼的世界上第一台红宝石激光器是一个必然过程。同样，我国第一台红宝石激光器的诞生在长春光机所也不是偶然的。在王大珩所长领导下，长春光机所已具备了研制一台激光器所必备的大部分基础技术，从光学设计、机械设计、电学和电子学设计、晶体生长、光学镀膜、光学冷加工，到玻璃吹制技术都有了很好的基础。自从红宝石固体激光器出现以后，在上世纪六十年代初，我国在激光领域呈现百花齐放的局面：1962年干福熹等研制出钕玻璃激光器，刘颂豪等研制出掺铀氟化钙激光器；1963年，邓锡铭等成功完成氦氖气体激光器研制；1963年北京半导体所王守武等研制成77K半导体激光器；1963年北京电子所林俊琛等研制成Xe、He-Xe和He-Ne红外激光器；1964年到1965年邱明新等研制成Ar+激光器和Kr+激光器；1963年底建成中科院光机所上海分所，从长春光机所调200余人，北京电子所调5