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仅落后一年:中国第一台激光器诞生记

2014-01-09 10:03
潇纵
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  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

图1 梅曼和他的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10 cm 波段和3 cm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。

图2 中国第一台红宝石激光器研制者王之江院士及激光器

  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。

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