雷仕湛：回顾我国第一台CO2激光器研制历程

　　现在研制成功的激光器种类有许多，其中CO2激光器是研究最多、应用最广泛和大众最熟悉的激光器之一，特别是在工业生产中，诸如材料的切割、焊接、打孔、表面强化处理等，这种激光器发挥着重要作用。这种优秀的激光器我国是什么时间研制成功的？研制历程是怎样？下面我想谈谈这件事。
　　提前做的毕业论文
　　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着。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着；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，读些经典名着，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着才刚开始，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。
　　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5 m、内径20 mm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10.6 μm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10 μm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10 μm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。
　　激光器输出端那块反射镜需要能够透射红外辐射，让在腔内产生的激光从共振腔里输出来。这意味着这块反射镜的基底材料就不能再使用玻璃，需要采用可以透射10 μm光辐射的材料做。从光学材料手册查到，一些半导体材料如锗、硅等，它们在波长10 μm附近有比较高的光学透过率，可以用它们做反射镜基底。用它们做激光器共振腔输出反射镜时，需要它们对这个波长的光学吸收率很低，这要求有很高的纯度。我们向有色金属研究院求援，他们支持我们的研制工作，给我们提供了合要求的一根硅棒，解决了制作反射镜材料问题。
　　上海光机所有一个光学加工车间，可以加工光学反射镜片，但他们也只加工过玻璃材料的镜片，谈到要加工硅材料反射镜基片都摇头说没有做过，没把握做出来。硅材料的机械性能与玻璃材料不同，采用原先加工玻璃的工艺显然是不能保证得到满足要求的光学面的；其次，硅在可见光波段是光学不透明的，如何检验加工出来的光学面的质量也是个问题。光学车间的领导很好，支持我的毕业论文工作，答应给试制，专门派了一名光学加工技术高的李庄声老师傅和一名光学检验技术员协助研制工作。凭着他们的光学加工工作经验和智慧，想出了巧妙的办法解决了加工技术和光学检验遇到的问题，终于制作出了符合要求的硅反射镜。为了让共振腔有足够高的Q 值，保证能够满足激光振荡条件，这块反射镜对10 μm光辐射也应该有高反射率。但硅基片本身的反射率并不高，不能满足做共振腔反射镜的要求，因此也需要在镜面上镀金反射膜。这块做共振腔输出的反射镜，除了有很高反射率，同时也有适当光学透过率，用来引出共振腔内产生的激光。我们仿照世界第一台红宝石激光器共振腔的做法，给整块硅片镀上金膜，然后在它的中央部位小心地挖去一点点金膜，让激光从这个没有金膜的地方输出激光束。此外，为了尽量减少反射镜对透射的激光产生的光学吸收，我们又在硅基片中央外侧面挖一个凹坑，减薄这里的厚度。为了尽快得到需要的反射镜，我们不时往光学工厂和镀膜室跑，遇到什么问题相互讨论，共同想办法解决，当然这也有催促他们快点帮我们加工的含意。大约经过三个月时间，我们终于拿到了需要的反射镜。
　　CO2分子气体市场上也买不到，只好自己制造备了。上海光机所化学实验室的马笑山研究员给我们出一个主意，利用加热碳酸钙分解的方法制造CO2分子气体。这个办法比较简单易行，而且碳酸钙又是普通化学材料，在市场上就可以买到。根据研究氦氖激光器的经验，我估计使用的CO2分子气体纯度应该是很高，要达到光谱级，即在其光谱图上不出现杂质原子、分子的光谱。碳酸钙材料本身的纯度并不高，而且在其表面和里面还吸附了大量的空气，因此由加热分解得到的CO2分子气体中必然含有许多杂质气体，我们必须对它进行提纯。提纯装置是自己搭建的，它是一个附设有冷凝器的真空排气系统，把在真空条件下收集到的CO2分子混合气体由液态氮致冷，将CO2分子气体在液氮温度下变成干冰，沉淀在容器底部，而其他杂质气体未被冷凝，被真空排气系统抽走。再将得到的干冰解冻，便可以得到高纯度的CO2分子气体。当然，一次提纯是得不到光谱纯气体的，需要反复进行。一次提纯就得花很长时间，为了得到一点光谱纯气体，往往是日夜不息连续工作。经过多次连续反复试验，经在线光谱仪检测鉴定，终于也得到了一瓶光谱纯的CO2分子气体。它的获得确实不容易，我们搭建的提纯真空系统全是用自己烧接的玻璃管，质量并不好，容易出故障，也容易损坏。真空系统达到预期真空度也要花长时间，所以常常需要加班，白天黑夜的工作，睡在实验室。那时候是没有加班费的，粮食是定量供应，我们每个月30斤，凭粮票购买饭票，夜间加班没有粮票补贴，只得喝白开水充饥，但大家精神饱满。
　　实验工作开始时并不顺利。首先遇到的问题是气体放电不是发生在管子里，而是发生在两端发射镜与管端之间。经过检查分析，发现是反射镜上面镀的金膜与管壁接触，在高电压下彼此之间构成了放电通道。我们把反射镜卸下来，沿边缘刮去2 mm宽的金膜环，让反射镜与管端保持真正绝缘接触。这么处理过后，放电管终于能够正常进行气体放电。但是，把反射镜从放电管卸下来，放电管暴露了大气，又得花时间进行真空排气处理。一次一次实验，探测器还没有显示出期待的光信号，心情沮丧。幸好助手没泄气，继续改变实验条件进行实验。一次实验中发现高莱光探测器有较大读数，反复几次实验都是这样，我认为该是得到激光了。正在为此而感到高兴时，吕先生却泼冷水说，接收到的还未必是激光，很可能是普通的红外辐射或者是超辐射，需要做“验明正身”的工作才能确定激光器是否成功。红宝石激光器、氦氖激光器，它们输出的是可见光，是不是得到激光一眼就能够看出来，CO2分子气体激光器输出的是在中红外光波段，凭肉眼是看不见的。激光有很好的方向性，离开激光器输出端不同距离探测到的光辐射强度变化应该是不大。根据这个特点，我们在靠近激光器输出口的地方和离开输出口2 m的地方分别进行探测，结果显示得到的光强度相差很大，显然，我们得到的并非是激光。
　　没有得到激光的原因是多方面的，比如放电管里充进的CO2分子气体气压不合适，或者使用的放电电压不合适，或者两块反射镜的反射率不合适，或者两块反射镜没有调整到位，或者共振腔的光学损耗比较大，导致激光振荡阈值过高等等，都会导致在放电管内形成不了激光振荡。我们只能耐心逐一排查，但是，我们反复试验不知多少次了，依然没有见到梦想中的激光。这时候我们想起，可能是那块硅反射镜上挖去金膜那只小圆斑的半径大了一些，造成共振腔的Q值过低。于是，我们又换了一块在中央部位挖去金膜小圆斑半径缩小一倍的硅反射镜重新做实验。到9月25日的下午，我们的实验装置终于出现令人兴奋的结果：高莱红外探测器显示出比较强的信号。经过几项检验实验，比如稍微调偏共振腔一块反射镜，增大共振腔的损耗，观察得到光信号强度变化；对比靠近输出反射镜检测到的信号强度和远离输出端检测到的光信号强度等，证实得到的光信号是激光的。这时大家不知道有多高兴，几个月来的疲劳一下子也全消失了。
　　从必然王国走向自由王国
　　接着我们做进一步的细化实验条件的试验。让我们感到吃惊的是，《应用物理学通讯》（Appl.Phys.Lett. ）上的一篇文章报道说，在激光器放电管内加进一点氮气体可以提高激光器输出功率。我们照此做实验，果然是提高了输出功率。这种情况在氦-氖激光器中是不会有的，在那种激光器中使用的氦、氖混合气体纯度要求是非常高，里面稍微掺杂一点氮气体，激光器就不会发生激光振荡。大气中含有大量氮气体，这是否意味着在激光放电管内有点空气也不妨碍激光器的工作性能。我们便有意向放电管漏进一点空气，实验结果显示，激光器不仅没有停止激光振荡，输出功率还升高了！显然，对于CO2分子气体激光器来说，气体纯度不是问题。早知道如此，我们就不必花这么多时间和精力做气体提纯工作了，激光器也能够提早成功。我向导师吕先生坦白做了件“傻事”。不过，吕先生并不认同，他说这是科学实验中的正常事，人对事物的认识过程是逐步的，是从必然王国走向自由王国。科学实验开首，有许多因素会影响实验结果，我们还不完全知道哪个因素可以忽略，首先得到预期结果最重要，这就必须把怀疑到的各种影响因素都一一排除。只有在实验成功了，掌握了实验获得成功的基本规律，才有控制实验条件的自由，预见在什么条件下能获得什么样的结果。表面上是件犯傻事，却是一堂深刻的科学实验教育课。
　　随着实验工作深入，我们对CO2分子气体激光器了解更多，进到了它的自由王国，变着法子改进这种激光器的性能，输出激光功率不断提高，从开始的微瓦左右，提高到毫瓦，到这年的11月下旬，提高到几瓦，是当时连续输出激光功率最高的红外激光器。我们又根据CO2分子发射激光的能级离基态不远，能级粒子数布居反转状态受温度影响比较大，进而影响激光器运转寿命的情况，做了一只双层放电管，工作时通水冷却管壁，带走放电管里的热量。这个办法使得激光器能够维持较长时间稳定输出功率。这些实验结果受到领导的重视，他们策划将这种激光器用到军事上。我则考虑能否不使用电激励办法，因为激光器不用电源的话会使得它可以在缺电的条件下使用，如果建造输出很高功率的激光器，还可以避免电网的负担。我是这样想，既然气体纯度不是问题，当然也就不一定采用碳酸钙热分解的办法制造CO2分子气体，一些化合物燃烧的产物就有CO2分子气体，而且燃烧时产生的热会激发CO2分子到高能级，根据着名的玻尔兹曼能级分布定律，在CO2分子各个能级会积累不少粒子，再根据各个能级的弛豫速率随温度变化不同，有可能建立能级粒子数布居反转状态，做成功燃烧型CO2分子激光器，这是激光器实验过渡到自由王国的又一个设想，我给导师递交了开题报告。可惜的是，在1966年初我们单位开始“四清”运动，导师没有了开题话语权，随后接着是文化大革命，导师被关了起来，我则被告知要做的应该是思想改造，“反修防修”，不要再提什么新研究方案。1968年我在部队农场接受再教育时获悉，美国在1967年造成功气动CO2分子激光器，使用的正是燃烧热激发。直到1973年，上海光机所也开展这种激光器研究，这是后话。
　　作者简介：
　　雷仕湛
　　雷仕湛，1941年出生于广东省，研究员。现任中国科普作家协会会员、上海上海市科普作家协会会员，获国务院政府特殊津贴。第三届中国科协先进工作者，1998年被评为上海市优秀科普作家。
　　1964年毕业于中山大学物理系，同年8月考进中科院长春光学精密机械研究所读研究生，同年10月转到中科院上海光学精密机械研究所继续读研究生，研究方向是光量子振荡器技术（即现在的激光技术）。
　　曾任：中科院上海光学精密机械研究所图书情报编辑室主任（1987～2001年）；《激光与光电子学进展》主编；《中国激光》副主编；《中国光电医学》副总编；《光的世界》常务编委、副主编；《科学》杂志特邀编辑。1993年起担任中央广播电视大学课程《激光技术》专题主编；华侨大学教授；中国光学学会理事、副秘书长；中国光学学会激光专业委员会秘书长；中国光学学会光学科普工作委员会副主任；上海激光学会理事、秘书长。现任中国科普作家协会会员、上海上海市科普作家协会会员，获国务院政府特殊津贴。
　　个人主要从事的科学研究为：1965年9月研制成功我国第一台CO2分子激光器，次年列入激光雷达和强激光武器研究项目主要光源；1978年研制成功我国第一台室温选支CO分子激光器；1992年开始自由电子激光研究，并获得研究成果奖；1996年开始激光安全防护技术研究，并获得研究成果奖；2001年开展生物驱暴研究，经上海市科委组织专家鉴定，成果为国际先进水平。