眾所周知，Laser是從Maser發(fā)展而來(lái)的。科學(xué)家們注意到為什么微波和光都是電磁波，在無(wú)線(xiàn)電波段，放大、變頻、外差、列陣技術(shù)都已取得成功，而在光頻波段，在上世紀(jì)六十年代激光出現(xiàn)之前，光波放大一直未取得成功。1958年，湯斯和肖洛在物理評(píng)論上發(fā)表創(chuàng)造性的論文；1960年，梅曼在自然雜志上發(fā)表了世界上第一臺(tái)紅寶石激發(fā)的論文，僅僅在一年之后，1961年中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所誕生了我國(guó)第一臺(tái)紅寶石激光器。

圖1 梅曼和他的第一臺(tái)紅寶石激光器

　　我國(guó)第一臺(tái)激光器是中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所王之江領(lǐng)導(dǎo)設(shè)計(jì)并和鄧錫銘、湯星里、杜繼祿等人共同實(shí)驗(yàn)研制成的，它的完成僅僅比梅曼發(fā)明激光器晚了一年，這與當(dāng)時(shí)長(zhǎng)春光機(jī)所的王之江、鄧錫銘等年輕專(zhuān)家們及時(shí)提出這一前沿的科學(xué)研究課題有關(guān)。在1958年前后，中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所的黃武漢研究員通過(guò)閱讀國(guó)外學(xué)術(shù)刊物，了解到國(guó)外微波量子放大器的研究信息，率先在國(guó)內(nèi)開(kāi)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10 cm 波段和3 cm波段的量子放大器。當(dāng)時(shí)中科院長(zhǎng)春光機(jī)所的研究人員受黃武漢工作的啟發(fā)，開(kāi)始構(gòu)想做光量子放大器（當(dāng)時(shí)還不叫激光器），這時(shí)梅曼的第一臺(tái)紅寶石激光器還沒(méi)有誕生。

圖2 中國(guó)第一臺(tái)紅寶石激光器研制者王之江院士及激光器

　　雖然我國(guó)研制的第一臺(tái)紅寶石激光器比國(guó)外晚了近一年，但是有許多特色直到今天仍被稱(chēng)道。

　　筆者之一曾在長(zhǎng)春光機(jī)所參與我國(guó)第一臺(tái)紅寶石激光器的研制工作。當(dāng)時(shí)國(guó)外流行使用螺旋狀氙燈。梅曼最初就是選擇螺旋狀氙燈作為抽運(yùn)源， 其他研究小組在他取得成功后紛紛仿效。而當(dāng)時(shí)領(lǐng)導(dǎo)國(guó)內(nèi)第一臺(tái)紅寶石激光器研發(fā)的王之江先生有著深厚的光學(xué)設(shè)計(jì)背景。在設(shè)計(jì)脈沖氙燈時(shí)，他沒(méi)有采用當(dāng)時(shí)國(guó)外流行的螺旋狀，而是把氙燈設(shè)計(jì)成直管狀。他說(shuō)：使用螺旋狀氙燈的目的是保證光射到寶石中去。實(shí)際上，一個(gè)光源發(fā)出的光只有很少能照射到寶石中去，燈的有用尺寸不能超過(guò)寶石棒，所以，國(guó)外使用的螺旋狀氙燈實(shí)際是個(gè)半廢品。王先生很清楚，什么樣的結(jié)構(gòu)能夠保證光的能量的最大輸出，并集中到紅寶石器件上。螺旋狀結(jié)構(gòu)的玻璃管，光能量分散的情況比較嚴(yán)重，能量不夠集中；另外還有一個(gè)重要的原因，當(dāng)時(shí)螺旋管燈需要的電壓高，電容量要求也高，我們那時(shí)候的設(shè)備還達(dá)不到這樣的要求，所以需要對(duì)結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步的改進(jìn)。這一直管狀氙燈設(shè)計(jì)，立刻得到全世界的認(rèn)同。固體激光發(fā)展的歷史證明，用直管氙燈抽運(yùn)的固體激光器成為發(fā)展的主流。

　　此外，中國(guó)第一臺(tái)激光器使用的是球形照明系統(tǒng)，這在世界上是首次。采用球形照明器，當(dāng)激活介質(zhì)和氙燈的直徑一樣時(shí)，激發(fā)效率最高。

　　當(dāng)時(shí)，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(guó)外非常流行。而我們的科學(xué)家認(rèn)為，成像照明系統(tǒng)的效率比漫射照明方式更高。對(duì)于不太長(zhǎng)的寶石和燈而言，球形照明系統(tǒng)比橢圓照明系統(tǒng)更有效率。對(duì)于當(dāng)時(shí)國(guó)外還流行多燈多橢圓柱的照明方式，我們認(rèn)為，當(dāng)激活介質(zhì)和燈的直徑一樣大時(shí)，采用多次光學(xué)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(guó)在世界上首先采用了球形照明器，實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這種設(shè)計(jì)的激發(fā)效率比梅曼采取的方式要高。在以后的發(fā)展中，為了加工方便，球形逐步發(fā)展成圓柱形照明器。

　　另外，在紅寶石光學(xué)加工中，用星點(diǎn)法和刀口陰影法檢驗(yàn)紅寶石的均勻性，并用光學(xué)冷加工方法修正這種不均勻性。為了解決當(dāng)時(shí)多層介質(zhì)膜易損傷的問(wèn)題，采用不同厚度和間隔的幾塊平板玻璃作為反射鏡，獲得了良好的效果。

       在研制中國(guó)第一臺(tái)激光器的過(guò)程中，由于當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)整體的科技水平較低，且與國(guó)外缺乏相關(guān)的溝通和聯(lián)系，研制中遇到了非常多的困難。包括當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)沒(méi)有硬質(zhì)玻璃，研究小組就去上海的中央商場(chǎng)買(mǎi)到很多硬玻璃盤(pán)，將這些玻璃盤(pán)敲碎，然后重新燒結(jié)。用以代替實(shí)驗(yàn)中需要的硬質(zhì)玻璃。

　　再以激光器抽運(yùn)用的氙燈來(lái)說(shuō)，梅曼根據(jù)自己計(jì)算的結(jié)果，馬上可以在通用電氣公司買(mǎi)到合適的氙燈。而我國(guó)當(dāng)時(shí)就沒(méi)有這種產(chǎn)品，也不可能從國(guó)外進(jìn)口，需要自己動(dòng)手造。制作脈沖氙燈時(shí)，還存在氙氣的供應(yīng)困難。當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)沒(méi)有氙氣的需求，所以既無(wú)生產(chǎn)也沒(méi)有進(jìn)口。為了找到氙氣，一位采購(gòu)員走遍半個(gè)中國(guó)，費(fèi)了很大力氣才在一家燈泡廠的庫(kù)房里找到了解放前留下來(lái)的僅存的幾瓶氙氣，氙燈的制作才得以最后完成。

　　那個(gè)時(shí)候，中國(guó)的科學(xué)家肯吃苦，想法也很單一：就是無(wú)論如何也要把這個(gè)成果做出來(lái)。當(dāng)時(shí)也沒(méi)有想到會(huì)有多少困難，大家都很樂(lè)觀，失敗了也不要緊，再接著重新來(lái)就是。那時(shí)候是很有激情的，從事研制的科研人員基本上每天晚上都會(huì)工作到十一二點(diǎn)。

　　直到1961年9月，第一臺(tái)激光器終于輸出激光，研究人員最初是依據(jù)輸出光的衍射圖樣來(lái)判斷激光是否已經(jīng)輸出。輸出激光在遠(yuǎn)處形成的衍射圖樣表現(xiàn)出光譜變窄，其方向性、單色性已經(jīng)充分表現(xiàn)出來(lái)。繼而，研究人員在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光源功率逐漸增大時(shí)，晶體發(fā)光由一般熒光加強(qiáng)至飽和，這標(biāo)志著紅寶石由自發(fā)輻射過(guò)渡到了受激輻射，光能量也由分散于各方向轉(zhuǎn)變?yōu)榧杏谳^為單一的方向。通過(guò)示波器觀察發(fā)光衰減過(guò)程，發(fā)光弛豫機(jī)構(gòu)由指數(shù)形式轉(zhuǎn)變?yōu)檠┍朗降乃p后再有一段指數(shù)衰減，表明已經(jīng)輸出了激光。

　　當(dāng)時(shí)除了長(zhǎng)春光機(jī)所之外，電子學(xué)所等好幾個(gè)單位都在做這個(gè)工作，但是都沒(méi)有成功。輸出激光后，大家都非常開(kāi)心，這個(gè)領(lǐng)域的學(xué)者們也都很興奮。

　　從Maser到Laser，從湯斯的創(chuàng)造性思想到梅曼的世界上第一臺(tái)紅寶石激光器是一個(gè)必然過(guò)程。同樣，我國(guó)第一臺(tái)紅寶石激光器的誕生在長(zhǎng)春光機(jī)所也不是偶然的。在王大珩所長(zhǎng)領(lǐng)導(dǎo)下，長(zhǎng)春光機(jī)所已具備了研制一臺(tái)激光器所必備的大部分基礎(chǔ)技術(shù)，從光學(xué)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、電學(xué)和電子學(xué)設(shè)計(jì)、晶體生長(zhǎng)、光學(xué)鍍膜、光學(xué)冷加工，到玻璃吹制技術(shù)都有了很好的基礎(chǔ)。

　　自從紅寶石固體激光器出現(xiàn)以后，在上世紀(jì)六十年代初，我國(guó)在激光領(lǐng)域呈現(xiàn)百花齊放的局面：1962年干福熹等研制出釹玻璃激光器，劉頌豪等研制出摻鈾氟化鈣激光器；1963年，鄧錫銘等成功完成氦氖氣體激光器研制；1963年北京半導(dǎo)體所王守武等研制成77K半導(dǎo)體激光器；1963年北京電子所林俊琛等研制成Xe、He-Xe和He-Ne紅外激光器；1964年到1965年邱明新等研制成Ar+激光器和Kr+激光器；1963年底建成中科院光機(jī)所上海分所，從長(zhǎng)春光機(jī)所調(diào)200余人，北京電子所調(diào)50余人成立了上海光機(jī)所，并將上海長(zhǎng)江光學(xué)儀器廠和競(jìng)明光學(xué)儀器廠作為試制工廠，僅用半年時(shí)間，建立起最早的中國(guó)激光科學(xué)研究基地。

　　由于當(dāng)時(shí)中國(guó)的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)十分薄弱，科研人員在研制這臺(tái)激光器所經(jīng)歷的艱辛，以及在第一臺(tái)激光器的研制中體現(xiàn)出的創(chuàng)新思維，也非常值得我們重新回味。

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