“激光”一词,是“LASER”的直译。LASER原是由英文单词Light的首字母组成的专用名词,在我国曾译作“激光器”、“激光器”、“光受激辐射放大器”等。1964年钱学森院士提出“激光”这一名称,既体现了“受激辐射”的科学内涵,又表明它是一种非常强的新光源,恰当、生动、简练,得到了我国科学界的一致认可,并沿用至今。
自1961年我国第一台激光器研制成功以来,在全国激光科研、教学、生产和使用单位的共同努力下,我国已形成门类齐全、水平先进、应用广泛的激光技术领域,并在产业化方面取得了可喜的进展,为我国科技、国民经济和国防建设做出了积极贡献,也在国际上赢得了一席之地。
1、我国早期激光技术的发展
1957年,王大珩等人在长春建立了我国第一个专业光学研究所——中国科学院(长春)光学精密仪器机械研究所(简称“光学所”)。在老一辈专家的带领下,一批年轻的科技工作者迅速成长起来,邓希明就是其中的突出代表。早在1958年,美国物理学家肖洛和汤斯发表著名论文《激光原理》后不久,他就积极倡导发展这项新技术,并在短时间内聚集了一批富有创新精神的中青年科研人员,提出了大量提高光源亮度、单位色性和相干性的设想和实验方案。1960年,世界上第一台激光器问世。1961年夏,在王志江的领导下,我国第一台红宝石激光器研制成功。 此后几年,激光技术迅速发展,产生了一批先进成果,各种类型的固体、气体、半导体和化学激光器相继研制成功。在基础研究和关键技术方面早期我国物理学家,一系列新概念、新方法和新技术(如腔Q突变和转镜Q开关、行波放大、铼离子的利用、自由电子振荡辐射等)相继被提出和实现,其中很多都是原创性的。
同时,激光作为一种具有高亮度、高方向性、高质量等优异特性的新光源,很快被应用到各个技术领域,显示出强大的生命力和竞争力。在通讯方面,1964年9月,用激光进行了电视图像传输的演示,1964年11月实现了3~30公里的通话距离。在工业方面,1965年5月,激光打孔机成功地用于拉丝模打孔的生产,取得了显著的经济效益。在医学方面,1965年6月,激光视网膜焊接机进行了动物试验和临床试验。在国防方面,1965年12月,研制成功激光漫反射测距仪(精度为10米/10公里),1966年4月,研制成功遥控脉冲激光多普勒测速仪。
我国第一台此类激光器
名称 开发时间 开发商
氦氖激光器 1963 年 7 月 邓希明等。
掺钕玻璃激光器 1963年6月 甘福熙等
砷化镓同质结半导体激光器 1963年12月 王受武等。
脉冲 Ar+ 激光 1964 年 10 月 Wan 等人。
CO2分子激光器 1965年9月 王润文等
CH3I化学激光器 1966年3月 邓希明等人。
YAG 激光器 1966 年 7 月 瞿前华等人。
可以说,在起步阶段,我国激光技术发展迅速,无论是数量还是质量都接近当时的国际水平。一项创新技术能如此迅速地赶上世界先进行列,在我国现代科技发展史上实属罕见。这些成果,特别是物理思想和技术方案顺利转化为实际的激光器件,主要得益于光机所多年来在技术光学、精密机械和电子技术等方面积累的综合能力和扎实基础。一项新技术的研发,如果没有充足的技术支撑,很难成型。
2.重点项目带动激光技术发展
激光科学技术从一开始就受到领导和科研管理部门的高度重视。时任中国科学院副院长的张劲夫提出了建立专业激光研究所的设想,很快得到国家科委和国家计委的批准。主管科技工作的国务院副总理聂荣臻还专门作出指示:研究所要建在上海,上海有较好的工业基础,有利于发展这项新技术。1964年,我国和当时世界上第一个激光技术专业研究所——中国科学院上海光学精密机械研究所(简称“上海光学精密机械研究所”)成立。同年12月,全国激光学术会议在上海召开,张劲夫、严济慈出席并主持会议。140名代表提交了103个学术报告。
1964年投产的“6403”高能钕玻璃激光系统、1965年开始的高功率激光系统及核聚变研究,以及1966年制定的研制15种军用激光机重点项目,由于其综合性、技术难度大等特点,有力地引领和带动了我国激光技术各方面的发展。我国激光科技产业虽然也遭遇了“文革”的浩劫,但在重点项目的支持下早期我国物理学家,仍然艰难生存下来,并取得了宝贵的进展。
1.“6403”高能钕玻璃激光系统
该项目于1964年启动,但最终于1976年停止,因为确定热效应是根本技术障碍。这个项目对高能激光技术的发展做出了不可忽视的历史性贡献,使我国的激光技术迈上了一个新台阶。其成果主要体现在以下几个方面:(1)建成了具有工程规模的大口径(120毫米)振荡器-放大激光系统,最大输出能量32万焦耳;改善光束质量后达到3万焦耳。(2)实现了系统技术集成,成功进行了室内10米处击穿80毫米铝靶、室外2公里处击穿0.2毫米铝靶的打靶实验,系统研究了强激光辐射的生物效应和材料损伤机理。(3)首次揭示了强光对激光系统本身造成光学损伤的现象和机理。 (4)首次深刻认识激光光束质量的重要性和物理内涵,采用万焦耳级非稳腔激光器、片状激光器、振荡器-扫描放大激光系统、楔形光束质量诊断等一系列提高光束质量的创新技术。(5)激光元器件及配套技术取得突破性进展,如低吸收高均匀性钕玻璃熔制工艺、高能脉冲氙气、高强度介质薄膜、大口径(1.2米)光学精密加工等。(6)培养造就了一批技术骨干队伍。
2. 高功率激光系统和核聚变研究
1964年,王淦昌独立提出激光聚变倡议,1965年立项。经过几年的努力,建成了输出功率10(上标10)瓦的纳秒激光器,并于1973年5月在低温固体氘靶、室温氘化锂靶、氘代聚乙烯上首次产出中子。1974年,我国第一台多程芯片放大器研制成功,使激光输出功率提高10倍,中子产额提高一个数量级。向心压缩原理在国际上被破译后,我们积极跟进,于1976年研制出六光束激光系统,照射充气玻璃壳靶,实现近100倍体积压缩。 这一系列重大突破,使我国激光聚变研究进入世界先进行列,为未来长期可持续发展奠定了基础。
3.军用激光器
1966年12月,国防科工委主持召开军用激光规划会议,48个单位130余人参加。会议制定了包括15种激光整机和9项配套技术在内的发展规划网校头条,虽然没有正式批准实施,但仍然起到了有益的推动作用。此后几年,该领域涌现出一批重要成果。例如:(1)目标测距激光测距技术初步试验成功:采用重复频率为20Hz的YAG调Q激光器,测距精度优于2米,最大测量距离660千米。加到经纬仪上后,可实现飞行目标的单站定轨。这一成果为以后完成洲际导弹再入段弹道测量创造了必要条件。 (2)红宝石激光卫星测距:成功测量了美国实验卫星Expl-27、29、36,最大可测距离达2300公里,精度达2米左右。这是第一代人造卫星的测距成果,为未来人造卫星测距距离更长、精度更高的目标奠定了基础。(3)红宝石激光雷达与机载红外激光雷达首次实现了对地对空、空对空飞机的跟踪测距。(4)激光航空测量仪:将激光测距仪与航空相机组合,利用飞机进行地面测量,完成偏远地区等复杂地形的测绘。重复频率为6次/分钟,测距精度为1米。(5)地面炮射激光测距仪:能独立完成观测、测距、测角(方向角和仰角)和磁针定向等功能。测距范围300-10000米,精度为5米。
在激光应用方面,Nd:YAG激光通信(3~12通道)、He-Ne激光通信、单通道/三通道半导体激光通信等均已获得通信实验成功;Nd:YAG激光手术刀、CO2激光手术刀、激光虹膜切除术等医疗器械也已投入使用;激光全息术、激光全息术在平面光弹中的应用、脉冲激光动态全息术、拉曼光谱仪等成为计量科学的新手段;数控激光切割机、激光准直仪、同位素硫的激光分离、用于农业研究的液体激光器、大屏幕导航显示器等成果也在工业和农业中得到应用。
1978年3月召开的全国科学大会上,有近80个激光项目获得奖励,其中民品约70个,军品约10个,全面反映了这一时期我国激光技术发展所取得的成就。
三、改革开放以来取得前所未有的进展
改革开放以来,激光技术获得了前所未有的发展机遇,20年来,激光技术在应用领域、世界范围和未来范围内都取得了前所未有的进步,涌现出一批具有国际先进水平的成果,为21世纪奠定了坚实的基础。
1980年5月,第一届国际激光会议在上海和北京召开,与会代表218人(国外66人),报告113个(国外65人)。邓小平同志亲切接见了中外代表。第二、第三届国际会议分别于1983年在广州、1986年在厦门召开,改变了我国激光技术多年来封闭运行的局面,开始走向世界。一大批青年科技人才出国深造,有相当一部分优秀人才完成学业后回国。
为形成高水平研发中心,积极调整科研队伍和布局,组建了一批国家重点实验室、开放实验室、国家工程研究中心和产学研合作组织,拥有国际先进的仪器设备、高水平的科技人才和相对灵活的运行机制,目前在激光科技成果转化、自主知识产权创造、推动激光技术产业化等方面发挥着重要作用。
激光技术在国家多项战略科技计划中都得到重视。“863”计划的七大领域中,就有激光技术和光电子技术(包括激光技术应用于信息领域),1995年又增加了“惯性约束聚变”主题。光电子技术国防预研正式立项为跨部门项目,其中也包括激光技术。国家“六五”、“七五”计划均将激光技术列为重大项目。此外,国家自然科学基金从1986年至1998年平均每年资助27.6项激光项目。这些国家支持的计划都经过充分论证和严格遴选,对国民经济和国防建设意义重大。许多激光研究单位也主动改革组织体制和运行机制,面向市场,鼓励创新,大力推进科技成果向商品转化,取得了可喜的成绩。