圖1 梅曼和他的第一臺紅寶石激光器
我國第一臺激光器是中國科學院長春光學精密機械研究所王之江領(lǐng)導設(shè)計并和鄧錫銘、湯星里、杜繼祿等人共同實驗研制成的,它的完成僅僅比梅曼發(fā)明激光器晚了一年,這與當時長春光機所的王之江、鄧錫銘等年輕專家們及時提出這一前沿的科學研究課題有關(guān)。在1958年前后,中國科學院電子學研究所的黃武漢研究員通過閱讀國外學術(shù)刊物,了解到國外微波量子放大器的研究信息,率先在國內(nèi)開始了紅寶石微波量子放大器的研制工作,并在1959年底做出了液氮溫度下的10 cm 波段和3 cm波段的量子放大器。當時中科院長春光機所的研究人員受黃武漢工作的啟發(fā),開始構(gòu)想做光量子放大器(當時還不叫激光器),這時梅曼的第一臺紅寶石激光器還沒有誕生。
圖2 中國第一臺紅寶石激光器研制者王之江院士及激光器
雖然我國研制的第一臺紅寶石激光器比國外晚了近一年,但是有許多特色直到今天仍被稱道。
筆者之一曾在長春光機所參與我國第一臺紅寶石激光器的研制工作。當時國外流行使用螺旋狀氙燈。梅曼最初就是選擇螺旋狀氙燈作為抽運源, 其他研究小組在他取得成功后紛紛仿效。而當時領(lǐng)導國內(nèi)第一臺紅寶石激光器研發(fā)的王之江先生有著深厚的光學設(shè)計背景。在設(shè)計脈沖氙燈時,他沒有采用當時國外流行的螺旋狀,而是把氙燈設(shè)計成直管狀。他說:使用螺旋狀氙燈的目的是保證光射到寶石中去。實際上,一個光源發(fā)出的光只有很少能照射到寶石中去,燈的有用尺寸不能超過寶石棒,所以,國外使用的螺旋狀氙燈實際是個半廢品。王先生很清楚,什么樣的結(jié)構(gòu)能夠保證光的能量的最大輸出,并集中到紅寶石器件上。螺旋狀結(jié)構(gòu)的玻璃管,光能量分散的情況比較嚴重,能量不夠集中;另外還有一個重要的原因,當時螺旋管燈需要的電壓高,電容量要求也高,我們那時候的設(shè)備還達不到這樣的要求,所以需要對結(jié)構(gòu)作進一步的改進。這一直管狀氙燈設(shè)計,立刻得到全世界的認同。固體激光發(fā)展的歷史證明,用直管氙燈抽運的固體激光器成為發(fā)展的主流。
此外,中國第一臺激光器使用的是球形照明系統(tǒng),這在世界上是首次。采用球形照明器,當激活介質(zhì)和氙燈的直徑一樣時,激發(fā)效率最高。
當時,在照明方式上,梅曼采用的是橢圓漫射照明器。在他之后,這種照明方式在國外非常流行。而我們的科學家認為,成像照明系統(tǒng)的效率比漫射照明方式更高。對于不太長的寶石和燈而言,球形照明系統(tǒng)比橢圓照明系統(tǒng)更有效率。對于當時國外還流行多燈多橢圓柱的照明方式,我們認為,當激活介質(zhì)和燈的直徑一樣大時,采用多次光學成像方法提高光源亮度比采用光源重疊的方法更有效,多燈照明并不比單燈照明有任何好處。因此,中國在世界上首先采用了球形照明器,實驗證實了這種設(shè)計的激發(fā)效率比梅曼采取的方式要高。在以后的發(fā)展中,為了加工方便,球形逐步發(fā)展成圓柱形照明器。
另外,在紅寶石光學加工中,用星點法和刀口陰影法檢驗紅寶石的均勻性,并用光學冷加工方法修正這種不均勻性。為了解決當時多層介質(zhì)膜易損傷的問題,采用不同厚度和間隔的幾塊平板玻璃作為反射鏡,獲得了良好的效果。