您知道激光是怎么发明的吗?(续五)

                 我国研制的第一台激光器

 

前文中提到，梅曼在1960年5月16日发明了世界上第一台激光器-红宝石激光器，可是您知道吗？中国第一台激光器的完成，只比梅曼的发明晚了一年！

20世纪50年代，国内与国际学术界，基本上没有交流。而唯一能了解到国外学术动态的途径，就靠阅读国外学术刊物。1958年前后，中国科学院电子学研究所的黄武汉研究员，就是通过阅读国外学术刊物，了解到国际上激光器研制的最新信息。于是，他和他的研究团队率先在国内开始了“红宝石微波量子放大器”的研制，到1959年底，就研制出10cm波段和3cm波段的量子放大器。

后来，通过中国科学院组织召开的学术会议，国内学术界也了解到这项工作的具体内容。于是，在美国研制成功世界上第一台激光器之前，长春光机所（全称中国科学院长春光学精密机械与物理研究所）的青年科学家邓锡铭，首先倡议开辟激光科学技术的研究。在他的带领下，一批充满朝气的年轻科学家与专家迅速组织起来，王之江就是其中最突出的一位，他负责我国第一台激光器的设计。

 

激活介质—红宝石

 

能源—脉冲氙灯

除了激活介质，研制激光器还必须有脉冲氙灯作为外界的输入能源。那时，我国还没有氙灯这种产品，为此，研究人员颇费了一番工夫。

当时国外流行的氙灯,其外形呈螺旋状，梅曼发明的激光器也是选择螺旋状氙灯作为能源的。但因为研制者王之江有着深厚的光学设计的知识背景，因此在设计脉冲氙灯时，王之江科研团队并没有采用螺旋状结构，而是设计成直管状。

为得到氙灯里的氙气，科研人员跑遍了大半个中国，最后幸运地在上海的一家灯泡厂的仓库里，找到了两瓶氙气。

灯管需要用石英玻璃材料制作，而作为电极的钨和石英玻璃又不能直接密封，为此，杜继禄总工程师特意从上海中央商场弄来了一大堆硬质玻璃盘，砸碎后将它们混合成十几种石英玻璃，这才解决了电极的密封问题。

 

照明系统和谐振腔

除此以外，王之江等人还对激光器的照明系统和谐振腔进行了创造性的改进和设计。终于，在梅曼发明了红宝石激光器后的第二年，即1961年，他们也制作出一台红宝石激光器，前后时间相距只一年！

                                                                                                                                              

             我国第一台红宝石激光器（网络图片）

 

王之江何许人也？

王之江，1930年11月21日生于浙江杭州，物理学家，1948年，王之江从江苏省常州高级中学毕业，考入无锡江南大学，因对专业不感兴趣，于是在1949年，到大连大学工学院（现大连理工大学）学习，成为王大珩创办的大连大学应用物理系的第一批学生。1952年，王之江随王大珩来到长春，参与创办中国科学院仪器馆（现中国科学院长春光学精密机械与物理研究所），1964年，从长春到上海，参与筹建中国科学院上海光学精密机械研究所，曾担任上海光学精密机械研究所所长，1991年，当选为中国科学院学部委员（院士）。

 

王之江对光学所作的贡献主要有二：

1. 在光学设计方面：发展了像差理论和像质评价理论，形成了一种新的理论体系，完成了大批光学系统的设计工作。

2. 在激光科学技术方面：领导研制出中国第一台激光器。

 

虽然我国研制的第一台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。

 

第一，我国第一台激光器的氙灯做成直管状

当时的氙灯国外流行的是螺旋状，梅曼最初也是选择螺旋状的氙灯作为抽运源，红宝石晶体棒套在螺旋内，而王之江他们在设计脉冲氙灯时，并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。

 

他认为：

使用螺旋状氙灯的目的是保证光能射到红宝石上，实际上，一个光源发出的光只有很少能照射到红宝石上，灯的有用尺寸不会超过红宝石棒。所以国外使用的螺旋状氙灯实际上是个半废品。需要对其结构作进一步地改进

结果他们采用了直管状氙灯设计，他的这一设计方案立刻得到了全世界的认可。

 

第二，中国第一台激光器使用的是球形照明系统

中国第一台激光器所使用的球形照明系统在世界上是首次. 采用球形照明系统照明时，当激活介质和氙灯的直径一样时，激发的效率最好。

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，而王之江等人则认为成像照明系统的效率比漫射照明方式更高，因此对不太长的红宝石和灯棒而言，球形照明系统比椭圆照明系统更有效率，因此他们所采用的照明系统是球形照明器。

实验证实这种设计的激发效率比梅曼采用的方式更高。

 

第三，中国第一台红宝石激光器采用的是外腔式

梅曼的那台红宝石激光器采用的是内腔式！而中国第一台激光器所采用的是外腔式！

什么是内腔式？

内腔式就是在红宝石棒的两端面，直接镀上高反射率的反射膜，从而构成激光器的共振腔。

什么是外腔式？

外腔式就是把反射镜与工作物质分开。

采用外腔式不仅能满足延长光子在谐振腔中的寿命，而且还带来操作上的便利。

尽管当时中国的科技水平还比较落后，但我国的科研人员在第一台激光器研制过程中所表现出来的创新思维，非常值得我们这些科技工作者重新回味和学习！

激光的发明是一个很典型的科学发现与技术创新的例子，它给出了从理论到技术的这样一个接力的过程，了解整个激光发明史，读者一定会有很多收获。

一部激光发展史，就是一批科学巨人的登山史，前人经过努力，登上一个山峰，后人得以看见更高的一座山峰，然后经过努力，再攀登上去，一位接着一位，从爱因斯坦发明受激辐射理论，到汤斯发明了微波激射器，再到梅曼发明激光器，经历了近六十年，前进！前进！再前进！一步步走向了成功！

今天的激光与激光技术，已经渗透到社会的各个领域和行业，推动着社会的进步和发展。虽然因诺贝尔奖的名额限制，研制出第一台激光器的梅曼没有获得诺贝尔奖。但梅曼对人类的贡献却会名垂千史！人类一定会永远记住他！

   

      讲到此，激光器整个发明史就已经结束了，想必读者一定知道了激光器的来龙去脉。也知道激光器的外文名称为 “Laser” ，那么为什么 “Laser” 的中文名称是”激光“？是谁给它取的中文名？欲知详情，请看下集：激光名称的历史由来。

                连载（待续）

 

                      感谢张学华女士的打字！

 

   本文部分内容曾刊登在《科学画报》2020年第7期

    和《科学故事会》2020年12月刊

 

《科学故事会》简介

《科学故事会》是中国科学技术协会主管，中国

科普作家协会和科普研究所主办。它是一本面向

小学高年级和初中学生的关于科学阅读和写作的

刊物，讲述科学中的故事，发掘故事中的科学。