中國研制第一臺激光器的背景

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

　　世界上第一臺紅寶石激光器

　　1958年前后中國科學院電子學研究所的黃武漢通過閱讀國外學術刊物，了解到國外微波量子放大器的研究信息，率先在國內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。中國科學院長春光學精密機械與物理研究所的研究人員受黃武漢工作的啟發，開始構想做光量子放大器，這時梅曼的第一臺紅寶石激光器還沒有誕生。

　　中國第一臺激光器的情況

　　01為什么要選擇紅寶石作為激光介質?

　　在看到梅曼采用摻鉻的紅寶石作為激光介質的實驗報告之后，我們也選用紅寶石作為第一臺激光器的激光介質。原因主要有兩個第一，紅寶石的能級結構在當時已經研究得比較清楚了。紅寶石有U和Y兩個吸收帶可以以很高的量子效率把能量轉移到B線的上能級，所以紅寶石是合適的激活介質第二，由于當時工業基礎薄弱，國內能夠提供的現成材料很少，而紅寶石晶體材料相對容易獲得。

　　02脈沖氙燈的設計制作

　　梅曼最初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。在設計脈沖氙燈時，我們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。使用螺旋狀氙燈的目的是保證光射到寶石中去。但實際上，光源發出的光只有很少能照射到寶石中去，燈的有用尺寸不會超過寶石棒。假如不懂這個基本的光學規律，我們可能使用螺旋狀氙燈，但我們懂得這個道理，所以就制作了直管狀的脈沖氙燈。

　　03照明系統：球形照明器

　　光源照明的亮度是實現粒子數反轉的重要條件，采取何種照明系統對實驗能否成功有著舉足輕重的影響。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。我們認為成像照明系統的效率比漫射照明方式更高。對于不太長的寶石和燈而言，球形照明系統比橢圓照明系統更有效率。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效率比梅曼采取的方式要高。

　　04諧振腔的設計：內有聚焦裝置

　　由于國產紅寶石在均勻性、透射率和散射顆粒等方面與國外寶石的質量相差較大，不能滿足光學要求。國產紅寶石晶體缺陷的存在，使得光子損耗率的數值按照平行平板諧振腔理論來估計時有較大差異，諧振腔中的波形數估計值因此誤差很大。在這種情況下，我們從幾何光學的原理出發，設計了內有聚焦裝置的諧振腔，達到了控制波形數的目的。我們將寶石端面加工成不平行的不規則形狀，以補償內部相應的不均勻性，滿足諧振腔內部等光程的需要。

　　05運轉、出光

　　1961年9月，這臺激光器真正輸出了激光。研究人員最初是依據輸出光的衍射圖樣來判斷激光是否已經輸出。輸出激光在遠處形成的衍射圖樣表現出光譜變窄，其方向性、單色性已經充分表現出來。繼而，研究人員在實驗中發現，當光源功率逐漸增大時，晶體發光由一般熒光加強至飽和，這標志著紅寶石由自發輻射過渡到了受激輻射，光能量也由分散于各方向轉變為集中于較為單一的方向。通過示波器觀察發光衰減過程，發光弛豫機構由指數形式轉變為雪崩式的衰減后再有一段指數衰減，表明已經輸出了激光。

　　我國第一臺紅寶石激光器

　　研制第一臺激光器的經驗

　　01.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所的早期發展奠定了研制第一臺紅寶石激光器所需的技術基礎。

　　20世紀50年代末，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所在光學材料、光學設計與檢驗、光學薄膜技術、電子學技術、光學與精密機械設計與工藝等方面技術已經相當成熟，奠定了第一臺激光器誕生所需的技術基礎。所以，在研制第一臺紅寶石激光器的過程中，研究人員能夠比較熟練地運用一些技術和工藝，比如球形光學成像系統的設計、紅寶石質量的刀口陰影法或星點法的光學檢驗、利用光學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，這些技術和工藝的運用保證了第一臺紅寶石激光器的順利進行。沒有中國科學院長春光學精密機械與物理研究所早年打下的技術基礎，中國第一臺紅寶石激光器是不可能那么快研制成功的。

　　02.年輕科技人才學術水平的迅速提高奠定了研制第一臺紅寶石激光器所需的人才基礎。

　　高水平的學術隊伍是一項科研活動取得成功的關鍵因素。在中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，通過應用光學實踐活動的鍛煉，一批科技精英的學術水平迅速提高，形成了一支在應用光學領域有相當水平的年輕科技隊伍，奠定了第一臺激光器誕生所需的人才基礎。這支年輕的學術隊伍，學術思想非常活躍。在1958年底肖洛和湯斯發表制造激光器原理的論文之前，他們已經從應用光學的實踐研究中看到了經典光學的局限，產生了改革光源的想法。在看到肖洛和湯斯發表的論文后，研究人員更加堅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、相干性的設想和實驗方案，他們的研究內容和當時國際學術界積極進行的激光研究是合拍的。因此他們開始研制第一臺激光器的時間比較早，早于梅曼宣布世界上第一臺激光器研制成功的時間，與國際學術界開始激光器的研究基本同步，這應該是中國第一臺紅寶石激光器那么快誕生的直接原因。

　　03.國外研究的啟發和中國學者創新精神的融合加快了第一臺激光器的研究進程。

　　在研制第一臺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術期刊來了解國外的研究動態，但湯斯等美國學者的學術研究還是對中國的激光器研制產生了積極的影響。比如，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所的研究人員在1958年前產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研究領域。在設計激光器的結構時他們則借鑒了梅曼的激光器結構形式。雖然受到美國學者的啟發，但年輕的中國學者不迷信國外權威，充分發揮了自己的創造性。

　　總之，中國第一臺紅寶石激光器的誕生，應該是國際國內諸多因素孕育、促進而成的，但從上面的分析可以看出，堅實的技術基礎和人才基礎無疑是最為關鍵的因素。

　　作者簡介

　　王之江(1930—)，男，1952年畢業于大連大學工學院物理系。中國科學院上海光學精密機械研究所研究員。1991年當選為中國科學院院士(學部委員)。發展了像差理論和像質評價理論，形成了新的理論體系，完成了大批光學系統設計(如照相物鏡系統、平面光柵單色儀、長工作距反射顯微鏡、非球面特大視場目鏡、105#大型電影經緯儀物鏡等)。領導研制成中國第一臺激光器，并在技術和原理上有所創新。70年代領導完成了高能量、高亮度釹玻璃激光系統。在這項工作中解決了一系列理論、技術及工藝問題。關于某些激光重大應用對亮度要求的判斷，使工作避免了盲目性，對于中國激光科學技術起了積極作用。倡議和具體領導了中國“七五”攻關中激光濃縮鈾項目。對中國光信息處理和光計算起了倡導作用。

　　說明:本文內容部分節選自:陳崇斌, 孫洪慶.歷盡艱辛 銳意創新——中國第一臺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