主题：纪念激光发明50年曁NB颁奖季节讨论NB奖 -- nua
章节预报
第二部:黑马撞线的夏天
第一章: 走大运
第一节:快出来了
第二节:搬家了
第三节: 出来了
第二章:阴暗面
第一节:给锯了
第二节:失败的PR
第三节:山寨们
第一部:MAIMAN是怎样成为黑马的
第二章:东方不亮西方亮
第二节:巧合
MAIMAN有了成为黑马的潜力和动力---这是重要的内因,而外因以至于就是巧合和机会也是黑马能够从赛场外冲进来一鸣惊人第一个冲过终点的不可缺少的.
这外部的巧合有几点:
1.首先巨星汇集的东部研究所和苏联的研究院的巨人们都爱单模式激光,他们的考虑都或多或少有MASER的成分,而MASER的主要用途是做高分辨率分子光谱和时间标准--这也是这些巨人们的本行.在这种情况下MASER一般是连续工作才稳定.这就导致那篇1958年的文章的推导都是围绕连续状态, 从理论到建议使用的激发装置和工作过程.这就导致东部巨人们开始就给自己设置了一个太高的标准,同时忽略了脉冲激光的可能和后来的用途.连续激光的激发源种类数量和瞬时尖峰功率远逊于脉冲激发源,这就导致从钾原子到晶体到HE-NE激光的研制极为困难.这困难在于由于受限于激发源功率,最低能级无法被连续地功率激发源泵到高处,形成反转.而只能依靠4能级方案.
2.第二个最大的外在巧合成就了MAIMAN就是WIEDER和SCHAWLOW的合作.他们的合作开始于光泵红宝石(RUBY)MASER.WIEDER在59年的PRL的文章(VOL.3. P.469)里说为了产生较多窄的R线的光来泵RUBY,他用了一块RUBY来产生窄的R线的光.而他在这篇文章里提到的是PINK RUBY---一般低浓度Cr离子的红宝石叫PINK,可是这WIEDER明显是用的RED RUBY --- 很高浓度的Cr离子的红宝石. 而RED RUBY由于复杂的多的光谱和重复吸收,导致所有的测量都给吸收得差不多了, 导致想测的结果不了了之.WIEDER于是就得出了一个SCHAWLOW估计后悔得肠子青的结果--R线的荧光效率只有1%.这结论比TOWNES和SCHAWLOW说的三能级很难形成翻转的预设前提还要糟糕,彻底让SCHAWLOW放心地公开地说了一个错误观点--RUBY的R线是不可能发生激光的.这个公开的言论就是在59年9月在纽约的第一次量子电子学会议上发表的.
图解: RUBY R荧光线 (R1+R2)示意(黑白图取自MAIMAN的NATURE文章),WIEDER在59年的试验结果说R1+R2的效率不会超过激发光(从A2 到F2)的1%
3.另外的巧合就是RUBY也是当时固体MASER的主要材料,而HUGHES虽然没有想做激光,但也有RUBY MASER这主项目.各种各样的RUBY--不同浓度,切割和抛光,镀镜都驾轻就熟.
这些外在巧合,碰上细心的MAIMAN为了做MASER跑到SCHAWLOW做LASER的报告会上听出了漏子,加上和WIEDER的前嫌做动力,一只黑马立即如出弦的弓箭直冲着其他赛马忽视的捷径目标冲了过去!
第二部:黑马撞线的夏天
第一章:走大运
第一节:快出来了
上回说到MAIMAN1959年9月从纽约回到LA就象吃了兴奋剂---他的直觉告诉他"要撞大运了---something big".
但是回到HUGHES的实验室---当时还没有搬家,就在洛山矶机场边的机库改的建筑里面,他很快意识到他的首要目标是要让他的顶头上司支持他的计划---一步登天做激光.可惜他的顶头上司LYONS是一个不太爱最新科技的管理人员,他绝对没有想让MAIMAN停下手头上MAISER的工作去做什么天方夜谭的LASER.MAIMAN编了一个非常合理的说法给LYONS---搞清楚R系列的荧光效率是造更好MASER的必要条件.LYONS于是同意MAIMAN的请求,开始让MAIMAN一鱼两吃地做荧光光谱实验,主攻仍然是光泵的MASER.
上司同意测R系列的荧光效率,MAIMAN于是就花了$1,500买了一台比较高级的光栅光谱仪.这时候已经是12月份了,用这光谱仪MAIMAN立刻测量了RUBY的R系列荧光,结果就象他3个月前在纽约的直觉一样---R系列的荧光效率接近100%,WIEDER的结果胡里胡涂地彻底错误了.他又做了几个实验,证明了不仅R系列的荧光效率高,而且做实验的脉冲闪光灯泡已经能够把RUBY里所有的Cr++离子从基态激发到4F2能级,然后几乎100%地转换到2E能级.
他的第一个试验是用脉冲闪光灯泡把Cr++离子从基态激发到4F2,同时观察基态在磁场磁距分开的两个能级造成的微波吸收(0.38cm-1,1.3GHz),结果发现在脉冲的高点,微波吸收被大大衰减了.而微波吸收衰减的恢复也和2E能级的荧光衰减同步.他的这就证明了闪关灯能把大多数Cr++离子从基态激发到4F2,同时很快堆积到2E能级,而从2E能级通过荧光降到基态的过程要几个毫秒--- 这就在几个毫秒里造成了能级分布翻转,而这时如果有来回往复的光反射,通过模式选择--激光就会立刻发生!!!
MAIMAN没有停在微波吸收被闪光脉冲大大衰减的试验,他又测量了连续光在闪光灯脉冲时在各个波长的的吸收随脉冲时间的变化,也都验证了同样结果.
而这时候激光已经是呼之欲出---只要把RUBY晶体棒两端抛光并保持平行,甚至不用反射膜激光就会发生!任何当时在激光赛马跑道上的人都会意识到这一决定性的时刻已经来到.
MAIMAN这几个实验的设计是如此地经典---充分体现了MAIMAN在做光谱实验方面的扎实的基本功和对物理过程的通澈理解.直到今天类似的PUMP-PROBE激光光谱实验技术仍然在被广泛使用.可以说MAIMAN不仅打破了激光应该连续工作的传统观念,而且揭示了脉冲激光的工作原理和很多具体应用.
第二部:黑马撞线的夏天
第一章:走大运
第二节:搬家了
MAIMAN做了这几个实验后,LASER已经象一个怀胎9个多月的婴儿,到了动一动立刻就出来的地步.MAIMAN当然意识到了这撞大运事件即将来临,所以他快跑起来,一步接一步迅速向LASER终点线冲击.上一节里面说到的他做的几个实验其实就是从微波(MASER)向光(LASER)的一步接一步的接近.
然而这时候,MAIMAN遇到了巨大的挑战.首先,顶头上司LYONS又发难了,说---你做LASER是做梦,年轻人爱做梦可以但是还是要脚踏实地做好本行;最好别在LASER上花太多时间,试一下,就一下.这不,我们一月份就搬家,你主要任务就是搬家,搬家之后就要立刻推进你的MASER工作.搬家其间,你可以抽空搞一下LASER.
当时HUGHES的老板--HOWARD HUEGHES,买了在MALIBU 峡谷的新的实验室,59年底大楼建好了,搬家也快了. 所以MAIMAN59年12月到60年4月份是非常手忙脚乱的5个月 --- 一方面在催生他梦寐以求的LASER,一方面要应付LYONS的主要任务改进MASER,一方面又要拆卸仪器打包发运. 还好这搬家不算远就就30分钟的车程---MAIMAN有些试验是把仪器拆了,先搬到自己车库里做了几组数据等新的实验室装修打扫干净,水电都通了才又搬过去的.而正是由于这慌乱的搬家,LYONS就没有太关心MAIMAN的LASER副业有没有影响主业MASER.
MAIMAN在老实验室彻底撤出,搬家到新实验室的2~3个月里做了上面说的RUBY的R系列荧光试验. 这每一步都让他心跳加快,他在做试验的同时用最新的数据分析了要出LASER的每一个必要条件. 其中的一个重要条件就是他需要一个瞬间能在570NM波长(黄色光)产生大量能量来激发基态离子到F2能级的闪光灯. 为此他充分利用了搬家过程中,HUGHES公司雇佣的照相师,从他们手里实验了各种各样的闪光灯,分析了570NM波长的强度,然后他照着照相师手里的闪光灯型号定了好几个照相用闪光灯,拆了后再联上自己的土电源控制器就可以催生LASER这个BABY了---这对于从小修电器的MAIMAN来说当然是易如反掌. 同时他仍然觉得不够保险,还自己跑到车间找了一个内径1.5英寸(4CM)的铝管,用细砂纸打磨得象镜子一样,然后把闪光灯放了进去.估计这几个闪光灯加铝管的花费不到$300.
同时,他也让外边光学车间打磨了几块平行的RUBY晶体,然后镀了金属银膜--这个工艺在当时仍然是非常昂贵,根据楼主所知成熟的平行抛光的双面抛机器在中国的引进已经是90年代后的事情,美国在60年代还是要靠能工巧匠才能做出来. 而这抛光和镀膜估计花的钱比那个$1,200的分光光度计要贵很多,而且不能说是做MASER的.估计花了$2万多---合MAIMAN当时的2年工资了. MAIMAN的设计就是把这昂贵的RUBY晶体放到弯成一圈圈的闪光灯里面---只要一通电,一个脉冲,激光这个BABY就会冲出来了!!!
MAIMAN是一个非常严谨和自信的人,他用最新R系列的荧光数据做了精确的计算,确信无疑BABY就在1个月后出生--当他搬到MALIBU新实验室后的第一个月, 1960年5月的第二个到第三个星期.
严谨和自信的人就会象诸葛亮一样开始和东部的巨人们表演能掐会算的杂技了.他准备4月份先给当时的新的物理评论快报PHYSICAL REVIEW LETTER(PRL)发一篇文章,用自己的最新实验数据揭示WIEDER和SCHAWLOW的错误结论. 他估计这篇文章会在不久的将来6月份正式发表,然而他的LASER会在这之前一个月,也就是5月份出来,第二篇LASER出生证明的PRL文章也在同时发往东部PRL编辑部. 这样一来,估计6月份东部的巨人看到第一篇文章会立刻震惊其R系列荧光效率接近100%的结果和后果,并随后开始做补救,以为他们还能第一个做出LASER; 但是这些巨人们最晚也就会在7月份,在第一次震惊中和梦想补救的时候看到他MAIMAN的第二篇文章---意识到没有翻牌的机会了!
不过,他还是留了一手.在第一篇文章他始终没有大胆地说"我下个月就要试LASER了"---这是欲擒故纵,笑看东部巨人们有没有立刻反应,同时让他们觉得他们还有翻牌的机会---因为LASER还没有正式发光呢.
然后文章里MAIMAN又说脉冲光把Cr++离子从基态激发到4F2是"DEPLETION Cr++离子基态数量"(楼主的理解是非常深的减少基态Cr++离子,>>REDUCE),配发的试波器图也说明了这信号好大,但是他又给了一个大约3%的基态Cr++离子被激发的句子.这"仅3%"看似是附和SCHAWLOW 的基态不适合做能级翻转的结论,却与试波器图和"DEPLETION"不符合.真正的含义只有行家才会质疑,并会立刻去做实验了---MAINMAN可能已经估计到是谁会立刻去试验RUBY了.
MAIMAN1960年6月发表在PRL的第一篇有关RUBY红宝石LASER/MASER的文章 (PRL编辑部在1960年4月22日收到)
MAIMAN的这一计划可谓非常精确,后来也证明了他的计划精确到了一个星期.
就这样,他的第一篇PRL文章在4月份第3个星期三发了出去.
貌似也是发文章高手，至少从他的计划来看是如此。
可惜第二篇prl未能如愿以偿，不知道是什么原因。
没有任何其他当事人的采访来证实.
但是在仔细阅读了这第一篇PRL后,就有了这八卦.
非常高兴你也有同感.
1962年半导体激光发明后,效率和发热问题使得半导体激光只能在液氮温区工作.一年后,在加州PALO ALTO VARIAN公司工作的德国人HERBERT KROEMER 在听一个有关半导体激光的瓶井问题报告会上,突然间发问:"你为何不把外面的能级做宽点?" ---做宽点就是要再加一层半导体.
听者没有一个放在心里,HERT回去却越来越觉得自己的一嗓子想法对头.
于是他写了一文章投往应用物理杂志(APL),结果给拒绝了.他没死心又发到了IEEE的PROCEEDING杂志上,可能当时更没人注意,接果一等就是4年后才有人注意到.HERT好象也没在VARIAN做半导体了.
苏联的ALFEROV却独立地想出来了双意志节,并且在1970年超过BELL实验室第一个实现了连续室温工作的半导体激光.HERT和ALFEROV都获得了2000年NB.
第二部:黑马撞线的夏天
第一章: 走大运
第三节: 出来了
1960年5月初,HUGHES公司正式迁入了MALIBU峡谷的新实验室.这个新的实验室即将目击他的主人在人类科技历史中的一个重要时刻,新的激光就要为他的开张剪彩.
搬到新的实验室后,MAIMAN很快就组装好了他费时几个月设计的激光器.这个人类的第一个激光其貌不扬,看上去最扎眼的就是在金属管里的一个大大的绕了几圈连着电线的照相用闪光灯(很象现在的节能灯泡),仔细看才注意到里面有一块粉红色的晶体.
第二部:黑马撞线的夏天
第一章: 走大运
第三节: 出来了
1960年5月初,HUGHES公司正式迁入了MALIBU峡谷的新实验室.这个新的实验室即将目击他的主人在人类科技历史中的一个重要时刻,新的激光就要为他的开张剪彩.
搬到新的实验室后,MAIMAN很快就组装好了他费时几个月设计的激光器.这个人类的第一个激光其貌不扬,看上去最扎眼的就是在金属管里的一个大大的绕了几圈连着电线的照相用闪光灯(很象现在的节能灯泡),仔细看才注意到里面有一块粉红色的晶体.
今天朋友看了我的半拉子激光夜话,说他去HUGHES在加州MALIBU的实验室看的展览说苏联人一个星期后也宣布山寨成功.一年后,TG也宣布成功---那是1961年,饿着肚子居然也搞激光?
正是毛说的---：“死光，要组织一批人专门去研究它。要有一小批人吃了饭不做别的事，专门研究它。没有成绩不要紧。军事上除进攻武器外，要注意防御问题的研究，也许我们将来在作战中主要是防御。进攻武器，比原子弹的数量我们比不赢人家。战争历来都需要攻防两手，筑城、挖山洞都是防嘛。”
很好的资料啊！ 继续挖，也许会有新的发现。
套一句激光他爷爷Charles Hard Townes的话:
Science is exploration. The fundamental nature of exploration is that we don't know what's there. We can guess and hope and aim to find out certain things, but we have to expect surprises. Look at Columbus: He was aiming for India. Well, he missed it. He found something else. Listen to other people, but don't necessarily follow them. God is very difficult to define, but I feel his presence. I feel an omnipresence everywhere and something, at the same time, rather personal. In religion, people talk about revelations. In science you find many revelations, too, it's just that people don't talk about them that way. When the idea for the laser came to me, I was sitting on a park bench thinking, Now, why haven't I been able to do this? Suddenly a new idea comes to me, a new creation. Where did it come from? Did God give me this idea? Who knows? I didn't suddenly have a view of God's face, if that's what you mean. In science we just don't talk about it much. You say, Well, I had an idea.
“科学是探索. 探索的本质就是我们不知道有什么. 我们也许可以猜想或希望得到某个发现,但我们必须要面对完全出乎意料的结果. 哥仑布就是最好的例子:他想到印度,他却没找到,找到却是新的大陆. 要听别人讲的,但是不必要跟从. 上帝是非常难定义的,但我感觉他的存在. 我感到上帝无所不在,有时在有些事情上甚至很具体到人. 宗教信仰上常说’启示’,在科学上你也常有’启示’---只是科学家不叫’启示’. 当我想做激光的时候,我坐在公园的椅子上长考---为什么没法做出激光? 突然间,一个想法带出了一个发现. 这想法从哪来的?是不是上帝给我的’启示’? 又有谁知道呢? 上帝没有突然间在我眼前浮现来告诉我,而是一直在天上’启示’着---科学里,我们躲避这个’启示’,却常说’欧,我有了一个妙计’.”
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探索硼酸盐非线性光学晶体的艰难历程
( 邀请论文)
陈创天
( 中国科学院理化技术研究所人工晶体研究发展中心, 北京100190)
我与非线性光学晶体的结缘过程
1962 年夏季, 我从北京大学物理系毕业, 被分
配到福州的中国科学院华东物质结构研究所( 以下
简称 物构所!) , 专门从事物质的微观结构( 原子, 分
子层次) 和宏观性能之间的相互关系方面的研究。
所内只有一名教授, 就是后来成为中国科学院院长
的卢嘉锡教授, 还有2~ 3 名助理研究员, 其余就是
我们这些来自五湖四海的年轻的大学毕业生。由于
我是学理论物理的, 但我们研究所属化学类型研究
所, 因此我的知识结构必须 化学化!, 才能做出成绩
来。于是从1962 年11 月到1965 年上半年, 我整整
花了三年时间, 学习有关理论化学方面的知识, 例如
结构化学、量子化学、X射线晶体学、群表示理论在
化学中的应用等。由于研究所初建, 加上我国三年
困难时期刚过, 研究所的大部分设备都未到位, 因此
分配给我的实验工作, 极其有限, 使我在这三年中,
享受了大部分自由时间, 学习各种基础知识, 从而为
以后的研究工作打下了坚实的物理、化学方面的基
础。
从1965 年开始, 随着国家经济形势的好转, 研
究所的科研设备也开始陆续到位, 于是卢嘉锡教授
开始要求我确定研究课题。当时的物构所, 主要有
两个研究方向, 一个是结构化学, 另一个是晶体材
料。由于我来自北京大学物理系, 选题很自然看中
单晶材料的结构与性能相互关系的研究。当时的物
构所单晶材料有两类: 一类是激光基质晶体, 例如
Nd: YAG 单晶生长; 另一类就是非线性光学晶体,
例如水溶液生长的KDP ( KH2 PO4 ) , ADP
( NH4 H2 PO4 ) 等。对于选择何种晶体作为研究的
突破口, 我做了认真地分析, 从大量文献阅读中了解
到, 掺杂型激光基质晶体的激光性质, 例如发光截
面、荧光寿命等, 大部分决定于掺杂离子的激发态性
质, 它们基本上和基质晶体的结构关系不大, 因此很
难从基质晶体的电子结构计算中进行评估, 从而需
要大量实验测量, 这在当时的物构所是没有条件的。
反观非线性光学晶体, 它们的宏观性能, 如倍频系
数、双折射率等决定于单晶的基本结构, 确定单晶的
空间结构是当时物构所的强项, 因为卢嘉锡教授本
身就是结构化学专家, 当时国内最好的X射线单晶
结构测定设备之一也在物构所。而我本身, 具有理
论物理专业背景, 加上三年理论化学方面的学习, 从
事单晶电子结构计算是强项。于是在1965 年下半
年, 经过半年多的调研和思考, 我向卢嘉锡教授阐述
了我的选题: 非线性光学晶体的宏观性能和微观结构
之间的相互关系研究, 并很快得到了他的肯定。
当我认真思考如何使用量子化学局域化轨道理
论方法( 在当时的条件下, 没有计算设备可从事晶格
能带理论计算) 计算晶体的倍频系数时, 文革开始
了, 所内科研秩序完全打乱, 很多实验工作被迫停
顿。幸运的是, 卢嘉锡教授属中央保护对象, 很快受
到省军区保护, 因而文化大革命也没有冲击到我们
这一批年轻人。由于我是做理论计算的, 虽然实验
室被封闭, 但我可以把仅有的一台手摇计算器搬到
家中, 开始了每天12 个小时的计算工作。就这样,
我整整花了一年的时间, 靠一台手摇计算器, 完成了
空间结构非常简单的BaT iO3 晶体的倍频和电- 光
系数计算, 结果还是很不错的。然而在当时的情况
下, 结果出来后既不能讨论, 也不能发表。在
BaTiO3 晶体倍频系数计算的基础上, 我进一步使用
群表示理论的方法, 计算出LiN bO3 , KNbO3 ,
Ba2NaNb5 O15 ( 简称BNN) 等晶体的倍频系数, 不久
又完成了LiIO3 晶体的倍频系数。在此基础上,
初步形成了目前已被国内外科学界广泛认可的晶体
非线性光学效应的阴离子基团理论。这一理论的提
出, 使我们能够按照基团结构的分类方法, 系统地进
行新型非线性光学晶体探索, 从而为今后硼酸盐非
线性光学晶体的发现打下了理论基础。
2 中国非线性光学晶体的自主创新
之路
1974 年, 中国晶体学界在福州召开第三次全国
晶体生长学术会议。在会上, 大家认真讨论了我国
晶体学界所面临的一个最大问题: 就是到1974 年为
止, 尽管我国已能生长激光和非线性光学晶体中的
重要品种, 但所有这些品种均由国外发现, 也就是说
所有这些晶体的专利权均被国外控制。因此, 在会
上大家一致认为, 这种跟在国外后面走的状况不能
再继续下去了, 在激光非线性光学晶体领域, 一定要
走自己的路, 一定要发现自己的新晶体, 然而虽然从
政治角度可以下这个决心, 但真正要实现这一目标,
大家还是有些信心不足。就拿非线性光学晶体为
例, 当时两大类非线性光学晶体: 具有( N bO6 ) 氧八
面体配位的LiNbO3 , KN bO3 等晶体是由Bell 实验
室发现的, 而KT P 族晶体是由杜邦公司发现的。
在当时, 无论从人员的水平还是实验设备, 化学合成
等方面来说, 国内都与国外有很大的差距。因此, 就
提出这样一个问题, 发现新的非线性光学晶体, 走自
己的路, 行吗? 在这时, 卢嘉锡教授讲了一句非常鼓
舞人心的话: 假如把探索新型晶体比喻为下地狱的
话, 他说 我不下地狱, 谁下地狱?!, 会后, 当时的物
构所, 在卢嘉锡教授的领导下, 上下一心, 决心开展
新型晶体的探索研究工作, 应该说正是1974 年第三
次全国晶体生长会议和卢嘉锡教授的这一句话, 打
下了发现硼酸盐非线性光学晶体的思想基础。
3 科学思想是发现硼酸盐系列非线性
光学晶体的源头
1976 年物构所开始恢复研究工作, 在第一批恢
复的研究工作中, 就决定成立新型非线性光学晶体
材料探索组, 卢嘉锡所长亲自任命我为这一研究组
的组长。在研究组成立之初, 除了几位志同道合的
研究人员以外, 我们手中几乎是空白的。我们花了
一年半的时间, 建立必要的测试设备, 特别是倍频效
应的粉末测试设备和单晶倍频系数的测试设备, 所
用的激光器也是自己组装的。从1978 年开始, 利用
刚建成的粉末倍频效应测试设备, 开始进行非线性
光学晶体的探索研究。当时, 从什么类型化合物开
始探索, 我们既没有经验, 也没有大量化合物合成的
设备, 因此只使用 炒菜!式的探索研究是行不通的。
但是在当时, 我们已经进行了长达近十年的理论计
算工作, 虽然由于文革原因这些工作时断时续, 但毕
竟在晶体非线性光学效应的结构与性能相互关系研
究方面, 已经正式提出了晶体非线性光学效应的阴
离子基团理论, 并在1976 年刚开始复刊的物理学
报#上连续刊登了4 篇相关论文[ 1~ 4] 。正是在这一
理论模型的基础上, 我们系统地对各种不同结构类
型的非线性光学晶体按照阴离子基团结构进行分
类, 指出不同阴离子基团结构对倍频效应贡献的优
浅谈中国第一台激光器的诞生
王之江,中国科学院上海光学精密机械研究所,
1 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。
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10 cm 波段和3 cm 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。
2 中国第一台激光器的情况
1) 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。
2) 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。
3) 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。
4) 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。
5) 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。
3 研制第一台激光器的经验
1) 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。
2) 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。
3) 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。
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
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.
回顾中国激光的诞生和早期发展
干福熹
中国科学院上海光学精密机械研究所
从1960 年5 月梅曼( T. H. Maiman) 制成了世界上第一台激光器, 同年8 月在英国 自然!( Nature) 杂志发表 红宝石光激射作用#一文[ 1] , 至今已50 年了。激光的诞生无疑是20 世纪的重大发现, 对当代的科学技术的发展产生了重大而深远的影响。作者为纪念激光诞生40 周年, 曾编著出版了科普性的一书 当代激光之魅力#[ 2] , 较详细介绍了激光发展简史, 各类激光器和当今激光器的主要发展方向以及激光在各行各业的应用。本文重点介绍中国激光的诞生背景和经过, 以及早期发展过程, 作为我国激光技术发展史的回顾。
虽然第一台红宝石固体激光器产生于1960 年,而对光受激辐射器的理论和物理基础即酝酿于10多年前。20 世纪50 年代, 汤斯( C. H. T ow ns) 1954年研制成功氨分子振荡器, 在微波频率产生相干电磁辐射波, 称微波量子放大器( Maser) , 激起许多物理学家为开拓更短波长相干辐射的探索。1958 年末肖洛( A. L. Schaw low ) 与汤斯( C. H. Townes) 合
作提出 红外和光学激射器# 的设计理念[ 3] , 同年相似的建议也由前苏联的普洛霍罗夫( Prokhorov ) 和巴索夫( Basov ) 提出[ 4] 。世界科技界高度评价他们的原始创新思想, 认为是1960 年激光器产生的物理
基础。因此, 他们都获得了1968年诺贝尔物理学奖。
国际上在1960 年出现第一台红宝石固体激光器后, 相继出现了氦氖混合气体激光器( 1960 年12 月,A. Javan 等) [ 5] , 掺钕玻璃激光器( 1961 年11 月,Snitzer) [ 6] , GaAs pn 结半导体激光器( 1962 年,
Hall 等) [ 7] 等。中国大概在国外出现第一台上述各类激光器后一年左右就研制出同类型的激光器, 除了是原理性仿制和具有研制的技术基础外, 也有我国自己的学术和技术背景, 这是在回顾我国激光技术的诞生时应该提到的。1959 年在美国汤斯实验室工作的王天眷回国, 带来了美国从事微波量子放大器的信息, 引起京区科学界的重视; 20 世纪50 年
代后期回国的黄武汉已经在中国科学院电子学研究所( 简称中科院电子所) 开展红宝石微波量子放大器的研制工作。1961 年前后师从前苏联普洛霍罗夫的何慧娟和从事微波量子放大器作频率标准( 即原子钟) 的王育竹先后回国, 到中科院电子所工作。当时中国科学院从事半导体研究的半导体所王守武小组和电子所从事气体放电的林俊琛小组都关心国外最初激光技术的发展, 准备了开展激光研究的相关科学和技术基础, 并在1963 年前后研制成功77 KGaAs 扩散同质结脉冲激光器( 1963 年12 月, 王守武等) 以及Xe, HeXe, HeNe 红外激光器( 1963 年12 月, 林俊琛等) , 1964 ~ 1965 年Ar+ 激光器和Kr+ 激光器出光( 邱明新) [ 8] 。
我国各类固体激光器第一次出光都是在中国科学院长春光学精密机械与物理研究所[ 9] ( 简称中科院光机所) , 包括红宝石激光器( 1961 年9 月, 王之江等) [ 10] , 钕玻璃激光器( 1962 年4 月, 干福熹等) [ 11] , 掺铀氟化钙激光器( 1962 年, 刘颂豪等) [ 12] ,含钕钨酸钙激光器( 1963 年11 月, 刘顺福等) [ 13] 。
1963 年7 月成功地完成氦氖气体激光器( 邓锡铭等) [ 14] 的运转。1964 年研制成功镓砷半导体激光器( 王乃弘等) [ 15] 和转镜开关短脉冲激光器( 吕大元等) [ 16] 。这批优良的激光科研成果的获得是由于在
中科院光机所建所10 年中, 在王大珩、龚祖同老一辈光学家的带领下, 已建立起较强的和较完整的光学材料( 如光学玻璃和晶体) 和光学单元技术( 如薄膜和气体放电) 技术体系。同时有以邓锡铭、王之江、王乃弘、刘颂豪为首的一批意气风发和思想活跃的青年光学科研人员。1960 年前后从前苏联回国从事玻璃和固体光谱学的干福熹、刘顺福, 他们迅速地建立起固体发光和光谱学研究。这批思想解放的科研人员积极地迎接了20 世纪60 年代初激光出现时的创新高潮。他们的科研工作成果公开发表在科学通报! 等期刊, 并汇编成 受激光发射论文汇编![ 17] , 选编了从1962~ 1963 年近一年来的中科院光机所的有关激光研究论文31 篇。
由于党和国家的高度重视和支持, 使中国早期激光技术迅速发展。在此特别要提到当时的中国科学院党组书记张劲夫, 早在1963 年8 月他陪同朝鲜科学院代表团来长春, 当时正召开第二届全国激光学术讨论会, 他鼓励与人员, 并讲: 发展这门新技术要考虑一些非常措施。#什么非常措施呢, 从以后的发展进程中体会有以下几点:
1) 成立全国激光技术领导小组, 张劲夫任组长, 亲自领导, 并要求各级领导给予大力支持。
2) 组建中科院光机所上海分所。1963 年底在北京科学院院部展出氦氖激光电话和红宝石激光打穿钢板尺时, 张劲夫副院长陪同聂荣臻副总理来观看。观后聂副总理指示: 在上海建所为宜, 可以充分利用上海的工业基础, 加速发展激光技术。#1963 年底以黄武汉的名义, 建议组建中科院光机所上海分所, 张劲夫批转给国家计委、国家科委和上海市领导, 获得各方大力支持后, 中国科学院上报建所设计任务书,并于1964 年1 月经国家计委和科委批准。接着指示调中科院光机所全部从事早期激光研究人员及相
关技术人员约200 余人和中科院电子所量子电子学和波谱实验室50 余人进入上海。上海市委和市政府拨出上海长江光学仪器厂和兢明光学仪器厂作为
中科院光机所上海分所的试制工厂。让出在嘉定的原华东电子测量仪器研究所和华东力学所的全部用房, 作为上海分所的初期所址。所以, 仅仅半年时间, 就建立起最早的中国激光科学研究基地。
3) 把激光技术的研究纳入1963~ 1972 年全国科学发展规划纲要( 草案) 。正在此时( 1963~ 1964 年)毛泽东主席对 反导#提出指示: 有矛必有盾, 搞少数人吃饭不干别的, 5 年不行10 年, 总要搞出来的#。当时就把高能激光纳入 反导战略发展计划#( 640 工程) 中的一个途径 激光反导#( 6403 工程) 。
毛泽东文集! 第八卷352 页是样表达的, 死光( 即激光) , 要组织一批人专门去研究它。要有一小批人吃了饭不做别的事, 专门研究它。没有成绩不要紧。军事上除进攻武器外, 要注意防御问题的研究#。 6403#任务极大地促进了我国早期激光的发展。
4) 积极组织了国内外学术交流和科技情报的研究。上世纪激光的产生和发展大多在西方。20世纪60 年代初我国还未和西方国家建交, 只有和英国有半建交的外交关系, 所以从1963~ 1966 年, 中国科学院特批, 凡是与激光有关的国际会议都争取去参加。1963 年11 月~ 1964 年1 月以英国皇家学会邀请的名义, 派激光考察小组黄武汉、邓锡铭和干福熹去英国考察激光技术, 1964 年9~ 10 月派王守武、干福熹、周炳琨等5 人去英国赫尔( Hull) 参加国际发光会议, 以及在英国伦敦( London) 参加国际激
光会议。1965 年9 月干福熹等2 人参加英国马尔文( Malven) 国际远红外和亚毫米波会议等。所以,在20 世纪60 年代我国受到西方技术封锁之际, 还能够了解国外激光发展动态, 实属不易。
在中国激光诞生后蓬勃的发展初期, 从1962 年到1964 年召开了三次全国激光学术讨论会议。在长春召开第一届( 1962 年1 月) 和第二届( 1963 年7月) 全国激光学术讨论会。我国光学界老前辈严济慈参加了第二届激光学术讨论会, 听取了所有报告,提出殷切的希望。有关专家评述过这两次会议: 第一次会议通过理论和实验论证, 解决了中国激光技术的研究是否具备了条件。第二次会议则反映了中国各类激光器竞相发展的盛况。两次会议推动了全国早期激光技术的发展。#第三次全国激光学术讨论会于1964 年7 月在上海召开, 此时中科院光机所上海分所刚建立不久, 严老和张劲夫一起主持了这次会议, 这次会议上, 各路会师, 形成了初见规模的中国激光科技队伍, 展示了中国激光的早期蓬勃发展,也明确了下一步的研究方向。
我国早期( 1961~ 1967 年) 的激光技术的发展是很快的, 主要表现在以下几方面:
1) 以辐射武器为牵引的高能量钕玻璃激光系统及其应用的研究。从1962 年4 月在长春中科院光机所钕玻璃激光器出光, 1963 年底达到100 J 输
出( 16 mm 500 mm 玻璃捧) , 效率为1%。到1964 年迁至上海, 年底钕玻璃激光器输出能量高达1200 J, 当时就明确掺钕玻璃激光器作为辐射武器( 6403) 的主要技术途径。上海市科委从1964 年开始就安排生产部门配套研究开发低铁含量的石英砂原料, 上海跃龙化工厂专门开发生产低杂质含量光谱纯氧化钕原料。在实验研究上解决了降低掺钕硅酸盐激光玻璃的静态与动态损耗的途径, 并在上海新沪玻璃厂建立专门车间试制掺钕激光玻璃。到1967 年研制出直径12 cm, 5 m长的钕玻璃棒和5 m长的大型脉冲氙灯, 1967 年底能量输出为1. 91X 10^5 J, 效率为3. 3%; 1969 年输出能量为3. 38X10^5 J, 效率为3% , 光束方向为15~ 20 mrad, 脉宽约
30 ms。这种大型固体激光器至今还是国内外最高水平。为提高输出激光的方向性, 以后改用振荡- 扫描放大激光系统( 105# 方案) 可以达到10 cm%mrad 范围内有万焦耳能量( 10 ms) 的高亮度激光。用1. 2 m玻
璃望远镜, 能将2 km 处0. 2 mm 厚铝靶击成网状[ 18] 。
虽然到1976 年根据科学判断, 决定高能量的光抽运钕玻璃激光系统不再作为辐射武器的主要技术途径, 但在提高效率和亮度过程中, 发现和解决一系列理论和技术问题, 都属于原始创新的。这些工作不仅在当时使高能量激光器的激光性能达到很高的水平, 时至今日对发展高能激光器仍富有指导性价值。高能量钕玻璃激光系统的研究, 从单元技术到科研队伍等方面都为以后开展以激光核聚变研究为目标的高功率钕玻璃激光系统的研制奠定了基础。
2) 以激光核聚变为目标的高功率钕玻璃激光系统及应用研究。1963 年国内研制成功第一台高功率和短脉冲的激光器, 采用红宝石作为工作物质,
以转镜调Q 的方式运转[ 16] 。1964 年10 月核物理学家王淦昌提出 利用大能量大功率的光激射器产生中子#的建议。1964 年底根据国内的条件, 果断地选择了钕玻璃激光为大功率激光的主攻技术路线。1965 年5 月开设了名称为 高功率激光及其驱动的惯性约束聚变研究#的研究项目( 代号为71# ) 。
独立提出并发展了行波放大、扩束技术和消除寄生振荡等技术, 1965 年底建立了3 X10^9 W 四级行波放大高功率钕玻璃激光系统( 7651 装置, 脉宽20 ns) , 激光束聚焦在空气中获得等离子体火花串列结果。1973 年, 建立1010 W( 4 ns, 40 J) 的五级行波放大钕玻璃激光系统, 采用削波, 电光调Q, 成像打靶。加热氘化锂靶获得6 106 ~ 7 106 高温高
密度的等离子体, 观察到中子。1976 年建立了六路纳秒高功率激光系统( 1 ns, 180 J, 1. 8 1011 W) , 开展了多路打靶。
为适应短脉冲高功率激光, 要求有比掺钕硅酸
盐玻璃更高的受激发射截面的磷酸盐激光玻璃。自
1963 年我们在国际上首先报道了激光钕玻璃的二
次谐波振荡和掺钕磷酸盐玻璃的激光特性[ 19] , 1965
年研制成功低阈值高效率掺钕磷酸盐激光玻璃, 输
出3 J( 8 mm 89 mm) [ 20] , 几年的努力至1972 年
开始应用于高功率、短脉冲激光器件, 推动了激光器
的发展。
3) 以激光加工、准直、测距和雷达为目标的( 高
重复频率) 中、小功率固体激光器研究[ 8] 。初期激光
红宝石晶体购自国外, 至1962 年自行研制出用火焰
法生长的激光红宝石晶体, 红宝石激光器应用于钟表
轴承的打孔( 1965 年5 月汤星里等) 。1965 年开始用
提拉法成功生长出CaF2 &Sm2+ , Dy2+ , CaWO4 &Nd3+
晶体。1966 年西南技术物理研究所罗楚南等和中
科院光机所上海分所邓佩珍等用熔剂法和提拉法开
始生长掺钕石榴石激光晶体( YAG&Nd3+ ) , 西南技
术物理研究所屈乾华等研制出YAG 激光器, 为日
后自行发展中、小功率高重复频率固体激光器及应
用创造了条件。关键的激光元件, 如电光调制器
( 1964 年范果键等) 研制成功。开始了钻石拉丝模
打孔、激光漫反射测距( 1965 年12 月, 顾去吾、范果
键等) 、激光通信( 1964 年11 月, 万重怡等) 和激光
雷达( 1969 年4 月梅遂生等) 等应用研究[ 8] 。
4) 气体激光器和半导体激光器及其应用研究。
20 世纪60 年代上半期以氦氖气体激光器为主, 主
要应用于激光测量上, 全国各地普遍开花。20 世纪
60 年代下半期重点发展了轴向直流放电二氧化碳
( CO2 ) 气体激光器( 1965 年9 月, 王润文等) 和横向
激励( TEA) CO2 激光器, 开始在激光医学和激光加
工上应用。
半导体激光器以GaAs 器件为主, 从同质结向
外延同质结和液相外延异质结发展, 研制成同质结
GaAs 激光器和A1GaA s 单异质结激光器, 开始应
用于国内光纤通信的实验研究。
我国较早开拓气体和化学/ 红外和远红外激光
器, 包括波长为53 m HeNe 和23~ 32 m 水蒸气
气体激光器( 王润文等, 1965 ~ 1966 年) , 1. 3 m
CH3 I( 1966 年3 月邓锡铭等) 和HCl( 1966 年12 月
陶愉生等) 化学激光器。
总之, 我国激光事业开端良好, 20 世纪60 年代
各类激光器已蓬勃发展, 并且独立自主地建立激光
材料、元件和单元技术。抓住并组织了以辐射武器
为应用目标的大能量激光系统和以核聚变为应用目
标的高功率激光系统的研究。中、小功率激光器在
材料加工, 通信、测速、测距和雷达以及医疗上的应
用普遍开花。我国激光发展形势大好。虽然10 年
动乱开始, 激光技术的科技骨干纷纷受到靠边劳动、
隔离审查等各种迫害, 离开研究岗位, 我国激光事业
受到很大的损害。但是由于有毛泽东主席对6403
的指示, 主要的激光研究工作未被完全停止下来, 有
所前进。所以, 到10 年动乱后期, 1975 年我接待美
国固体物理考察团来中国科学院上海光学精密机械
研究所访问, 其中有1965 年和1972 年诺贝尔奖获
得者巴丁( C. Bardeen) 和著名非线性光学教授布隆
伯根( N. Blo embergen, 1984 年诺贝尔奖获得者) 。
回去后由布隆伯根主持写的 中国激光工作的对比!
报告中写道: 中国科学院上海光学精密机械研究所
的激光技术比美国落后了三至五年, 好像这个
所未经过文化大革命冲击 。#[ 21] 我回信给他, 这
是过高的评价, 我国整体激光技术的水平要比美国
差得多。当时正值 批邓#, 反击右倾翻案风#之际,
他们这种 赞美# 只能使我再次进上海 五七# 干校
劳动。
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