現(xiàn)在研制成功的激光器種類有許多，其中CO2激光器是研究最多、應(yīng)用最廣泛和大眾最熟悉的激光器之一，特別是在工業(yè)生產(chǎn)中，諸如材料的切割、焊接、打孔、表面強(qiáng)化處理等，這種激光器發(fā)揮著重要作用。這種優(yōu)秀的激光器我國(guó)是什么時(shí)間研制成功的？研制歷程是怎樣？下面我想談?wù)勥@件事。
提前做的畢業(yè)論文
1964年，我考進(jìn)中科院長(zhǎng)春光機(jī)所攻讀研究生。當(dāng)年我的導(dǎo)師呂大元先生調(diào)到上海參與上海光機(jī)所籌建，我也跟隨他一起來(lái)到上海光機(jī)所。這年9月份報(bào)到后，呂先生安排我讀三本經(jīng)典光學(xué)名著。他說(shuō)，在大學(xué)讀書(shū)時(shí)你們忙著上課、考試，騰不出太多時(shí)間專門(mén)讀一些經(jīng)典名著；在參加工作后又忙于工作，也沒(méi)有時(shí)間好好讀幾本書(shū)。科學(xué)研究需要有較深厚的基礎(chǔ)知識(shí)，需要少數(shù)大學(xué)生畢業(yè)后繼續(xù)深造，讀些經(jīng)典名著，充實(shí)基本知識(shí)，這便是研究生。
12月下旬，呂先生把我叫到他的辦公室，告知我說(shuō)，從明年（即1965年）開(kāi)始做畢業(yè)論文，原定的讀書(shū)計(jì)劃終止。
安排讀的那幾本光學(xué)名著才剛開(kāi)始，我對(duì)安排做畢業(yè)論文頗有點(diǎn)意外，況且當(dāng)時(shí)科學(xué)院的研究生是四年制，離畢業(yè)的時(shí)間還早。當(dāng)時(shí)我的心態(tài)也有點(diǎn)特別，總想依舊當(dāng)學(xué)生。但導(dǎo)師堅(jiān)持說(shuō)，學(xué)習(xí)計(jì)劃修改有必要，圖書(shū)館里的書(shū)那么多，誰(shuí)也讀不完，只能是需要知道什么，就去讀什么樣的書(shū)，效果才會(huì)更好，所謂學(xué)以致用。既然要改變計(jì)劃，總有導(dǎo)師的道理，于是我答應(yīng)了下來(lái)。
給我的畢業(yè)論文題目是“研制CO2激光器”。呂先生說(shuō)，根據(jù)在《物理學(xué)評(píng)論》（Phys.Rev.）1964年第136卷第5期發(fā)表的一篇論文，CO2分子的振-轉(zhuǎn)能級(jí)躍遷可以實(shí)現(xiàn)能級(jí)粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生中紅外波段的激光。他說(shuō)，這種激光器我國(guó)目前還沒(méi)有，已經(jīng)研制成功的激光器就那么幾種，數(shù)量還很少，主要就是紅寶石激光器、釹玻璃激光器，以及氦氖氣體激光器，它們輸出的激光波長(zhǎng)在可見(jiàn)光，或者近紅外波段，還沒(méi)有輸出在中紅外波段的激光器，也還沒(méi)有分子氣體激光器。可以說(shuō)，準(zhǔn)備研制的激光器是新型的，或許可以作為你今后一段時(shí)間內(nèi)的研究方向和研究領(lǐng)域。
他說(shuō)，選擇這個(gè)研究題目也是基于你研究生報(bào)考的研究方向，即中紅外波段光量子放大器（“激光”一詞是1964年12月份在上海市召開(kāi)的全國(guó)第三次光受激發(fā)射會(huì)議上確定的）選擇的，在1963年我就設(shè)想開(kāi)展中紅外波段光量子放大器研究這個(gè)課題。他又說(shuō)，需要說(shuō)明的是，做研究生畢業(yè)論文和本科生畢業(yè)論文不一樣，整個(gè)研究工作必須是自主獨(dú)立完成，不可以混在研究小組里大伙一起做，同時(shí)協(xié)助你開(kāi)展實(shí)驗(yàn)工作的助手按規(guī)定最高學(xué)歷也只能是中專畢業(yè)生，這個(gè)規(guī)定是為了更好的培養(yǎng)研究生的獨(dú)立思考能力和研究組織能力，訓(xùn)練組建實(shí)驗(yàn)裝置的本領(lǐng)。
當(dāng)然，呂先生繼續(xù)說(shuō)，因?yàn)檠兄频氖切录す馄鳎蜎](méi)有現(xiàn)成的器件供你使用，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置需要自己搭建，所需要的元件、器件和設(shè)備，需要自己去尋找、籌備。他這么一說(shuō)，我心里便有些害怕了，我能夠辦到嗎？激光器在大學(xué)讀書(shū)時(shí)沒(méi)有見(jiàn)到過(guò)，到研究所后才接觸過(guò)一點(diǎn)皮毛，還很生疏，要自己研制一種新的激光器，心里著實(shí)沒(méi)底。呂先生大概看出我為難的表情，就鼓勵(lì)說(shuō)，其實(shí)世界上任何發(fā)明，開(kāi)始都是需要自己搭建實(shí)驗(yàn)裝置的，比如我們熟悉的晶體管、集成電路，開(kāi)始的器件都是拼拼揍揍出來(lái)，很粗糙，是成功了之后才逐步完善，成了今天這個(gè)輝煌的樣子。他補(bǔ)充說(shuō)，已經(jīng)給你配了一名助手協(xié)助做實(shí)驗(yàn)了，她是上海科技二校1964年的畢業(yè)生。在工作過(guò)程中需要實(shí)驗(yàn)室內(nèi)其他人員幫助的，他們也會(huì)出手相助，比如探測(cè)激光器的輸出，已經(jīng)安排室內(nèi)的紅外輻射探測(cè)小組協(xié)助你，他們有靈敏度比較高的高萊池紅外探測(cè)器。但是，他們只限于工作上的幫助，做事的主意還得自己拿。
研制工作的日日夜夜
1965年春節(jié)過(guò)后，我們開(kāi)始了研制工作。先到圖書(shū)館找來(lái)在《物理學(xué)評(píng)論》上發(fā)表的那篇關(guān)于CO2激光器的文章，仔細(xì)閱讀分析。根據(jù)作者提供的CO2分子能級(jí)資料，了解這個(gè)分子實(shí)現(xiàn)激光振蕩的性能。圖1是CO2分子的幾個(gè)與發(fā)射激光相關(guān)的能級(jí)，作為激光躍遷上能級(jí)0001振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，其平均輻射壽命比在這個(gè)能級(jí)下面的一個(gè)振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)1000的短。從這兩個(gè)能級(jí)的壽命關(guān)系來(lái)看，CO2分子是不適宜做激光器的工作物質(zhì)，起碼來(lái)說(shuō)是不適宜做連續(xù)輸出的激光器工作物質(zhì)，因?yàn)檫@兩個(gè)能級(jí)的壽命關(guān)系剛好與激光器運(yùn)轉(zhuǎn)的基本條件相反。不過(guò)，那只是對(duì)獨(dú)立的CO2分子來(lái)說(shuō)是這個(gè)樣子，在實(shí)際情況中用作激光器的氣體中總是包含大量的CO2分子，它們彼此之間總是不斷的發(fā)生碰撞，會(huì)導(dǎo)致分子離開(kāi)原來(lái)的能級(jí)。也就是說(shuō)，在一定氣壓條件下，分子能級(jí)的真實(shí)平均壽命主要還是由分子碰撞過(guò)程決定，而不是決定于其輻射壽命。理論和實(shí)驗(yàn)表明，由于碰撞導(dǎo)致CO2分子離開(kāi)1000能級(jí)的速率比離開(kāi)0001高能級(jí)大許多，用分子光譜使用的術(shù)語(yǔ)，1000能級(jí)的碰撞弛豫速率比0001能級(jí)高許多。考慮到分子碰撞這個(gè)因素的影響，實(shí)際上1000能級(jí)的平均壽命則比0001能級(jí)短得多。所以，在這兩個(gè)能級(jí)之間是能夠建立粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)狀態(tài)，即利用CO2分子氣體可以產(chǎn)生激光，這也意味著CO2分子氣體只有在選取適當(dāng)氣壓的條件下才可以獲得激光。此外，根據(jù)激光基本理論，因?yàn)?001能級(jí)的輻射壽命比較短，一旦建立了能級(jí)粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)狀態(tài)，還能夠得到比較高的激光增益系數(shù)，這對(duì)產(chǎn)生激光振蕩有利，即可以放寬獲得激光振蕩的條件。根據(jù)這些分析，我們也增加了研制成功CO2分子激光器的信心。
圖1CO2分子部分振動(dòng)能級(jí)圖
氣體激光器大體上是由三部分組成：氣體放電管、共振腔和氣體放電電源。同在一個(gè)研究室的王潤(rùn)文研究員有一臺(tái)氣體氦-氖遠(yuǎn)紅外激光器，他打算結(jié)束這個(gè)課題，于是我便向他借用其放電管和電源，這就省去了制作放電管和電源的工作。那只放電管是長(zhǎng)5m、內(nèi)徑20mm的石英玻璃管，電源是X射線光機(jī)用的直流電源。剩下的主要準(zhǔn)備工作是制作共振腔的反射鏡和工作氣體。在今天這兩樣?xùn)|西都不是什么寶貝，普通得很，在市場(chǎng)上都可以買(mǎi)到。可是在當(dāng)時(shí)，激光技術(shù)剛剛萌芽，人們對(duì)激光還很生疏，市場(chǎng)上沒(méi)有激光器銷(xiāo)售，也沒(méi)有供裝配激光器用的元件和材料，所以這兩樣?xùn)|西都需要自己設(shè)法制造。
用作共振腔的反射鏡中一塊要求其對(duì)10.6μm的紅外輻射有很高反射率，理想狀態(tài)是反射率達(dá)到100%，另外一塊的基底材料則要求對(duì)這個(gè)波長(zhǎng)有很高光學(xué)透射率。在那個(gè)時(shí)候，氦-氖激光器和紅寶石激光器用的反射鏡是在玻璃鏡片上鍍多層介質(zhì)膜，制作波長(zhǎng)屬于10μm的反射鏡當(dāng)時(shí)也還是件新鮮事。上海光機(jī)所是我國(guó)建立的第一所激光專業(yè)研究所了，在當(dāng)時(shí)也只是制作過(guò)在可見(jiàn)光波段和近紅外波段激光器共振腔的反射鏡，還沒(méi)有制作過(guò)供10μm波段激光器共振腔使用的反射鏡。也就是說(shuō)需要的反射鏡和輸出鏡得自行研制。
我們從光學(xué)手冊(cè)上查到，一些金屬對(duì)10μm光輻射有很高的反射率，比如純度高的金、鋁等，它們的光學(xué)反射率可高達(dá)99%，在光學(xué)玻璃基片上鍍上這種金屬薄膜，預(yù)計(jì)可以得到高光學(xué)反射率的反射鏡。考慮到金的性能比較穩(wěn)定，反射率隨時(shí)間變化不多，鋁的穩(wěn)定性則差一些，時(shí)間長(zhǎng)了之后表面發(fā)生氧化，反射率會(huì)降低，于是我們決定采用在光學(xué)玻璃片上鍍金膜制作那只全反射的反射鏡。黃金是屬于貴重金屬，購(gòu)買(mǎi)它需要辦一些手續(xù)；同時(shí)，要求的純度又很高，市場(chǎng)上一般也無(wú)法提供。我在器材部門(mén)的協(xié)助下，幾經(jīng)周折，通過(guò)一些渠道終于得到了一點(diǎn)純度很高的黃金。我們研究所有一個(gè)光學(xué)薄膜實(shí)驗(yàn)室，可以為研究人員制作光學(xué)反射鏡，于是我請(qǐng)他們協(xié)助。但是，他們說(shuō)沒(méi)有鍍制過(guò)金屬膜反射鏡，而且如何測(cè)量金屬膜片的反射率也是個(gè)新問(wèn)題。不過(guò)，他們還是答應(yīng)研制，并由蘇鍇隆研究員具體負(fù)責(zé)這件事。為了能夠比較準(zhǔn)確地測(cè)量反射鏡的反射率，他還設(shè)計(jì)了一種專門(mén)測(cè)量方法和測(cè)量裝置，解決了金屬反射膜反射率的測(cè)量問(wèn)題。
