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我国第一台CO2激光器的研制历程

       1964年,我考进中科院长春光机所攻读研究生。当年我的导师吕大元先生调到上海参与上海光机所筹建,我也跟随他一起来到上海光机所。这年9月份报到后,吕先生安排我读三本经典光学名著。他说,在大学读书时你们忙着上课、考试,腾不出太多时间专门读一些经典名著;在参加工作后又忙于工作,也没有时间好好读几本书。科学研究需要有较深厚的基础知识,需要少数大学生毕业后继续深造,读些经典名著,充实基本知识,这便是研究生。


  12月下旬,吕先生把我叫到他的办公室,告知我说,从明年(即1965年)开始做毕业论文,原定的读书计划终止。


  安排读的那几本光学名著才刚开始,我对安排做毕业论文颇有点意外,况且当时科学院的研究生是四年制,离毕业的时间还早。当时我的心态也有点特别,总想依旧当学生。但导师坚持说,学习计划修改有必要,图书馆里的书那么多,谁也读不完,只能是需要知道什么,就去读什么样的书,效果才会更好,所谓学以致用。既然要改变计划,总有导师的道理,于是我答应了下来。


  给我的毕业论文题目是“研制CO2激光器”。吕先生说,根据在《物理学评论》(Phys.Rev.)1964年第136卷第5期发表的一篇论文,CO2分子的振-转能级跃迁可以实现能级粒子数布居反转,产生中红外波段的激光。他说,这种激光器我国目前还没有,已经研制成功的激光器就那么几种,数量还很少,主要就是红宝石激光器、钕玻璃激光器,以及氦氖气体激光器,它们输出的激光波长在可见光,或者近红外波段,还没有输出在中红外波段的激光器,也还没有分子气体激光器。可以说,准备研制的激光器是新型的,或许可以作为你今后一段时间内的研究方向和研究领域。


  他说,选择这个研究题目也是基于你研究生报考的研究方向,即中红外波段光量子放大器(“激光”一词是1964年12月份在上海市召开的全国第三次光受激发射会议上确定的)选择的,在1963年我就设想开展中红外波段光量子放大器研究这个课题。他又说,需要说明的是,做研究生毕业论文和本科生毕业论文不一样,整个研究工作必须是自主独立完成,不可以混在研究小组里大伙一起做,同时协助你开展实验工作的助手按规定最高学历也只能是中专毕业生,这个规定是为了更好的培养研究生的独立思考能力和研究组织能力,训练组建实验装置的本领。


  当然,吕先生继续说,因为研制的是新激光器,就没有现成的器件供你使用,整个实验装置需要自己搭建,所需要的元件、器件和设备,需要自己去寻找、筹备。他这么一说,我心里便有些害怕了,我能够办到吗?激光器在大学读书时没有见到过,到研究所后才接触过一点皮毛,还很生疏,要自己研制一种新的激光器,心里着实没底。吕先生大概看出我为难的表情,就鼓励说,其实世界上任何发明,开始都是需要自己搭建实验装置的,比如我们熟悉的晶体管、集成电路,开始的器件都是拼拼揍揍出来,很粗糙,是成功了之后才逐步完善,成了今天这个辉煌的样子。他补充说,已经给你配了一名助手协助做实验了,她是上海科技二校1964年的毕业生。在工作过程中需要实验室内其他人员帮助的,他们也会出手相助,比如探测激光器的输出,已经安排室内的红外辐射探测小组协助你,他们有灵敏度比较高的高莱池红外探测器。但是,他们只限于工作上的帮助,做事的主意还得自己拿。


  研制工作的日日夜夜


  1965年春节过后,我们开始了研制工作。先到图书馆找来在《物理学评论》上发表的那篇关于CO2激光器的文章,仔细阅读分析。根据作者提供的CO2分子能级资料,了解这个分子实现激光振荡的性能。图1是CO2分子的几个与发射激光相关的能级,作为激光跃迁上能级0001振动-转动能级,其平均辐射寿命比在这个能级下面的一个振动-转动能级1000的短。从这两个能级的寿命关系来看,CO2分子是不适宜做激光器的工作物质,起码来说是不适宜做连续输出的激光器工作物质,因为这两个能级的寿命关系刚好与激光器运转的基本条件相反。不过,那只是对独立的CO2分子来说是这个样子,在实际情况中用作激光器的气体中总是包含大量的CO2分子,它们彼此之间总是不断的发生碰撞,会导致分子离开原来的能级。也就是说,在一定气压条件下,分子能级的真实平均寿命主要还是由分子碰撞过程决定,而不是决定于其辐射寿命。理论和实验表明,由于碰撞导致CO2分子离开1000能级的速率比离开0001高能级大许多,用分子光谱使用的术语,1000能级的碰撞弛豫速率比0001能级高许多。考虑到分子碰撞这个因素的影响,实际上1000能级的平均寿命则比0001能级短得多。所以,在这两个能级之间是能够建立粒子数布居反转状态,即利用CO2分子气体可以产生激光,这也意味着CO2分子气体只有在选取适当气压的条件下才可以获得激光。此外,根据激光基本理论,因为0001能级的辐射寿命比较短,一旦建立了能级粒子数布居反转状态,还能够得到比较高的激光增益系数,这对产生激光振荡有利,即可以放宽获得激光振荡的条件。根据这些分析,我们也增加了研制成功CO2分子激光器的信心。


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  图1CO2分子部分振动能级图


  气体激光器大体上是由三部分组成:气体放电管、共振腔和气体放电电源。同在一个研究室的王润文研究员有一台气体氦-氖远红外激光器,他打算结束这个课题,于是我便向他借用其放电管和电源,这就省去了制作放电管和电源的工作。那只放电管是长5m、内径20mm的石英玻璃管,电源是X射线光机用的直流电源。剩下的主要准备工作是制作共振腔的反射镜和工作气体。在今天这两样东西都不是什么宝贝,普通得很,在市场上都可以买到。可是在当时,激光技术刚刚萌芽,人们对激光还很生疏,市场上没有激光器销售,也没有供装配激光器用的元件和材料,所以这两样东西都需要自己设法制造。


  用作共振腔的反射镜中一块要求其对10.6μm的红外辐射有很高反射率,理想状态是反射率达到100%,另外一块的基底材料则要求对这个波长有很高光学透射率。在那个时候,氦-氖激光器和红宝石激光器用的反射镜是在玻璃镜片上镀多层介质膜,制作波长属于10μm的反射镜当时也还是件新鲜事。上海光机所是我国建立的第一所激光专业研究所了,在当时也只是制作过在可见光波段和近红外波段激光器共振腔的反射镜,还没有制作过供10μm波段激光器共振腔使用的反射镜。也就是说需要的反射镜和输出镜得自行研制。


  我们从光学手册上查到,一些金属对10μm光辐射有很高的反射率,比如纯度高的金、铝等,它们的光学反射率可高达99%,在光学玻璃基片上镀上这种金属薄膜,预计可以得到高光学反射率的反射镜。考虑到金的性能比较稳定,反射率随时间变化不多,铝的稳定性则差一些,时间长了之后表面发生氧化,反射率会降低,于是我们决定采用在光学玻璃片上镀金膜制作那只全反射的反射镜。黄金是属于贵重金属,购买它需要办一些手续;同时,要求的纯度又很高,市场上一般也无法提供。我在器材部门的协助下,几经周折,通过一些渠道终于得到了一点纯度很高的黄金。我们研究所有一个光学薄膜实验室,可以为研究人员制作光学反射镜,于是我请他们协助。但是,他们说没有镀制过金属膜反射镜,而且如何测量金属膜片的反射率也是个新问题。不过,他们还是答应研制,并由苏锴隆研究员具体负责这件事。为了能够比较准确地测量反射镜的反射率,他还设计了一种专门测量方法和测量装置,解决了金属反射膜反射率的测量问题。


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