特稿 | 王之江院士：浅谈中国第一台激光器的诞生
发布时间：2021-05-17 来源： 爱光学
中国研制第一台激光器的背景
激光的发明借鉴了微波激射器的思想。20世纪50年代美国物理学家汤斯开始了激光的研究工作，1955年他制造了一台氨分子微波量子放大器。1958年他和肖洛在《物理评论》上发表的《红外和光量子放大器》一文提出了研制以受激发射为主的光源(即激光器)的设想，并就研制激光器的可能性和所需条件进行了阐述。1960年8月梅曼采用掺铬的红宝石作发光材料，应用发光强度很高的脉冲氙灯作抽运光源研制出了世界上第一台红宝石激光器，开创了激光技术研究和应用的时代。
世界上第一台红宝石激光器
1958年前后中国科学院电子学研究所的黄武汉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。中国科学院长春光学精密机械与物理研究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，这时梅曼的第一台红宝石激光器还没有诞生。
中国第一台激光器的情况
01为什么要选择红宝石作为激光介质?
在看到梅曼采用掺铬的红宝石作为激光介质的实验报告之后，我们也选用红宝石作为第一台激光器的激光介质。原因主要有两个第一，红宝石的能级结构在当时已经研究得比较清楚了。红宝石有U和Y两个吸收带可以以很高的量子效率把能量转移到B线的上能级，所以红宝石是合适的激活介质第二，由于当时工业基础薄弱，国内能够提供的现成材料很少，而红宝石晶体材料相对容易获得。
02脉冲氙灯的设计制作
梅曼最初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。在设计脉冲氙灯时，我们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。使用螺旋状氙灯的目的是保证光射到宝石中去。但实际上，光源发出的光只有很少能照射到宝石中去，灯的有用尺寸不会超过宝石棒。假如不懂这个基本的光学规律，我们可能使用螺旋状氙灯，但我们懂得这个道理，所以就制作了直管状的脉冲氙灯。
03照明系统：球形照明器
光源照明的亮度是实现粒子数反转的重要条件，采取何种照明系统对实验能否成功有着举足轻重的影响。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。我们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。
04谐振腔的设计：内有聚焦装置
由于国产红宝石在均匀性、透射率和散射颗粒等方面与国外宝石的质量相差较大，不能满足光学要求。国产红宝石晶体缺陷的存在，使得光子损耗率的数值按照平行平板谐振腔理论来估计时有较大差异，谐振腔中的波形数估计值因此误差很大。在这种情况下，我们从几何光学的原理出发，设计了内有聚焦装置的谐振腔，达到了控制波形数的目的。我们将宝石端面加工成不平行的不规则形状，以补偿内部相应的不均匀性，满足谐振腔内部等光程的需要。
05运转、出光
1961年9月，这台激光器真正输出了激光。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。
我国第一台红宝石激光器
研制第一台激光器的经验
01.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的早期发展奠定了研制第一台红宝石激光器所需的技术基础。
20世纪50年代末，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所在光学材料、光学设计与检验、光学薄膜技术、电子学技术、光学与精密机械设计与工艺等方面技术已经相当成熟，奠定了第一台激光器诞生所需的技术基础。所以，在研制第一台红宝石激光器的过程中，研究人员能够比较熟练地运用一些技术和工艺，比如球形光学成像系统的设计、红宝石质量的刀口阴影法或星点法的光学检验、利用光学冷加工工艺整修红宝石表面、冷阴极溅射法涂镀宝石两端的银膜、氙灯的制作，这些技术和工艺的运用保证了第一台红宝石激光器的顺利进行。没有中国科学院长春光学精密机械与物理研究所早年打下的技术基础，中国第一台红宝石激光器是不可能那么快研制成功的。
02.年轻科技人才学术水平的迅速提高奠定了研制第一台红宝石激光器所需的人才基础。
高水平的学术队伍是一项科研活动取得成功的关键因素。在中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，通过应用光学实践活动的锻炼，一批科技精英的学术水平迅速提高，形成了一支在应用光学领域有相当水平的年轻科技队伍，奠定了第一台激光器诞生所需的人才基础。这支年轻的学术队伍，学术思想非常活跃。在1958年底肖洛和汤斯发表制造激光器原理的论文之前，他们已经从应用光学的实践研究中看到了经典光学的局限，产生了改革光源的想法。在看到肖洛和汤斯发表的论文后，研究人员更加坚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、单色性、相干性的设想和实验方案，他们的研究内容和当时国际学术界积极进行的激光研究是合拍的。因此他们开始研制第一台激光器的时间比较早，早于梅曼宣布世界上第一台激光器研制成功的时间，与国际学术界开始激光器的研究基本同步，这应该是中国第一台红宝石激光器那么快诞生的直接原因。
03.国外研究的启发和中国学者创新精神的融合加快了第一台激光器的研究进程。
在研制第一台红宝石激光器的过程中，中国的研究人员虽然仅通过阅读一些国外的学术期刊来了解国外的研究动态，但汤斯等美国学者的学术研究还是对中国的激光器研制产生了积极的影响。比如，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的研究人员在1958年前产生了改革光源的想法，肖洛和汤斯的论文则使他们明确了研究方向，直接把他们引向了激光的相关研究领域。在设计激光器的结构时他们则借鉴了梅曼的激光器结构形式。虽然受到美国学者的启发，但年轻的中国学者不迷信国外权威，充分发挥了自己的创造性。
总之，中国第一台红宝石激光器的诞生，应该是国际国内诸多因素孕育、促进而成的，但从上面的分析可以看出，坚实的技术基础和人才基础无疑是最为关键的因素。
作者简介
王之江(1930—)，男，1952年毕业于大连大学工学院物理系。中国科学院上海光学精密机械研究所研究员。1991年当选为中国科学院院士(学部委员)。发展了像差理论和像质评价理论，形成了新的理论体系，完成了大批光学系统设计(如照相物镜系统、平面光栅单色仪、长工作距反射显微镜、非球面特大视场目镜、105#大型电影经纬仪物镜等)。领导研制成中国第一台激光器，并在技术和原理上有所创新。70年代领导完成了高能量、高亮度钕玻璃激光系统。在这项工作中解决了一系列理论、技术及工艺问题。关于某些激光重大应用对亮度要求的判断，使工作避免了盲目性，对于中国激光科学技术起了积极作用。倡议和具体领导了中国“七五”攻关中激光浓缩铀项目。对中国光信息处理和光计算起了倡导作用。
说明:本文内容部分节选自:陈崇斌, 孙洪庆.历尽艰辛 锐意创新——中国第一台红宝石激光器的研制, 中国科技史杂志, 2009, 30( 3) :315 ～ 325
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