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1961年9月，一束橘紅色的亮光從吉林長春發(fā)出，照亮了中國的激光史。這束光發(fā)射自中國首臺(tái)紅寶石激光器，由光學(xué)科學(xué)家、中國科學(xué)院院士王之江、鄧錫銘等研制而成。

這臺(tái)紅寶石激光器可不簡單。它誕生于中國科學(xué)院光學(xué)精密機(jī)械研究所（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所〈以下簡稱長春光機(jī)所〉前身之一），僅僅比美國物理學(xué)家西奧多·梅曼研制出世界首臺(tái)激光器的時(shí)間晚了一年，使用了前所未有的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，擁有更優(yōu)良的性能和更高的效率。

這是屬于中國的“光”，凝聚了科研人員的全部心血。在當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)困難、工業(yè)基礎(chǔ)薄弱的條件下，長春光機(jī)所能在較短時(shí)間內(nèi)成功研制出紅寶石激光器，創(chuàng)造“中國第一”“世界第二”的奇跡，實(shí)屬不易。

中國第一臺(tái)紅寶石激光器。

1?“劃時(shí)代”的發(fā)明

激光，是20世紀(jì)以來繼原子能、計(jì)算機(jī)和半導(dǎo)體之后的又一重大發(fā)明，因其獨(dú)特屬性被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，如醫(yī)學(xué)中激光近視手術(shù)等高精度、微創(chuàng)治療方法，制造業(yè)中激光打標(biāo)、切割與焊接三大技術(shù)，通信領(lǐng)域的激光光纖通信技術(shù)，以及國防中的激光制導(dǎo)武器、激光雷達(dá)與激光防御系統(tǒng)等，被稱為“最亮的光”“最準(zhǔn)的尺”和“最快的刀”。

對于激光在人類科技發(fā)展史上的意義，王之江曾評價(jià)說：“在20世紀(jì)的100年里，光學(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了名副其實(shí)的飛躍，其中激光的發(fā)明起了劃時(shí)代的作用?！?/p>

獲得如此重要的激光，實(shí)屬不易，因?yàn)樗⒉皇亲匀唤绨l(fā)出的光，而是通過“受激輻射”放大的光。激光的理論基礎(chǔ)是愛因斯坦在1917年提出的“受激輻射”理論，即原子在受到外部能量激發(fā)時(shí)可以發(fā)出光，并且這種光是相干的。

1958年，美國物理學(xué)家查爾斯·湯斯和阿瑟·肖洛在《物理評論》上共同發(fā)表論文《紅外和光量子放大器》，提出第一個(gè)實(shí)際激光器的概念，預(yù)言了激光的可行性。

論文發(fā)表后，全球競爭分外激烈，許多國家的研究組都試圖第一個(gè)做出激光器。

群雄逐鹿之下，中國科學(xué)家也不甘人后。當(dāng)時(shí)，長春光機(jī)所的王之江、王乃弘、顧去吾等一批年輕科研人員已經(jīng)察覺到經(jīng)典光學(xué)的若干定律嚴(yán)重限制光學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，產(chǎn)生了打破經(jīng)典光學(xué)定律、改革光源的創(chuàng)新物理思想。這些思想與《紅外和光量子放大器》中的研究結(jié)論不謀而合。

在讀到湯斯和肖洛的論文后，王之江等人馬上領(lǐng)悟到其精華。他們意識(shí)到，光激射器（后稱激光器）的誕生具有劃時(shí)代的革命意義——經(jīng)典光學(xué)若干定律的限制被突破，相干性光波的產(chǎn)生和應(yīng)用也有著廣闊的前景。他們當(dāng)即決定，探索激光這個(gè)重要的新研究領(lǐng)域。

然而，當(dāng)時(shí)的中國與英美等發(fā)達(dá)國家?guī)缀鯖]有交流，只能通過一些國外學(xué)術(shù)刊物了解世界科技前沿。中國科學(xué)院電子學(xué)研究所的黃武漢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年底做出液氮溫度下的10厘米波段和3厘米波段的量子放大器。

在黃武漢成果的啟發(fā)之下，王之江、鄧錫銘等人開始研發(fā)光量子放大器，但當(dāng)時(shí)這并不是他們的主要工作。于是，風(fēng)華正茂的他們利用業(yè)余時(shí)間，在沒有經(jīng)費(fèi)支持的情況下進(jìn)行自發(fā)研究。

1960年5月，梅曼在美國貝爾實(shí)驗(yàn)室制造出世界上第一臺(tái)激光器。該成果一經(jīng)發(fā)布，令世界矚目，也給了長春光機(jī)所的研究人員巨大鼓舞。因?yàn)楫?dāng)時(shí)世界上許多科學(xué)家都覺得，應(yīng)該使用氣體物質(zhì)作為激發(fā)介質(zhì)，而梅曼制造出的紅寶石激光器讓大家看到了紅寶石作為激發(fā)介質(zhì)的可行性。

梅曼發(fā)明世界上第一臺(tái)紅寶石激光器。

中國科學(xué)院長春分院分黨組書記、院長金宏說：“首臺(tái)激光器出現(xiàn)之后，王之江等人給所領(lǐng)導(dǎo)寫了一封信，他們的工作得到時(shí)任所長王大珩的高度重視與大力支持。1960年底，王之江等人很快制定了產(chǎn)生紅外激光的實(shí)驗(yàn)方案，可見他們的科學(xué)功底以及對這個(gè)問題把握之深。這份手寫的方案現(xiàn)在還保留在長春光機(jī)所的圖書館中。”

2?刻苦攻堅(jiān)，砥礪前行

要盡快做出紅寶石激光器，對于當(dāng)時(shí)長春光機(jī)所的研究人員來說，既是難得的機(jī)會(huì)，又是艱難的挑戰(zhàn)。

由于新中國工業(yè)基礎(chǔ)薄弱，國內(nèi)能夠提供的現(xiàn)成材料很少。例如，當(dāng)時(shí)國外市場上很容易買到的脈沖氙燈，在國內(nèi)卻沒有能夠生產(chǎn)的廠家，所以王之江等人只能從頭開始設(shè)計(jì)制作紅寶石激光器所需的脈沖氙燈。又如，當(dāng)時(shí)國產(chǎn)紅寶石在均勻性、透射率、散射顆粒等方面與國外紅寶石的質(zhì)量差距較大，不能滿足光學(xué)要求，需要研究人員進(jìn)一步改進(jìn)技術(shù)。

此外，長春光機(jī)所的研究人員沒有無線電學(xué)科背景，并不熟悉諧振腔理論，在設(shè)計(jì)諧振腔時(shí)需要從頭學(xué)起。

中國科學(xué)院儀器館（長春光機(jī)所舊址）。

時(shí)任長春光機(jī)所研究部副主任的鄧錫銘這樣描述研制激光器時(shí)的條件：“盡管我們不是世界上第一次嘗試，但除了原理性的一兩篇文章之外，當(dāng)時(shí)只看到過一兩篇新聞報(bào)道。要在我們自己的實(shí)驗(yàn)技術(shù)基礎(chǔ)上把一種全新的設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，確實(shí)是不容易的?！?/p>

當(dāng)時(shí)30歲的鄧錫銘已來長春光機(jī)所工作8年，他下定決心要做出中國自己的激光器。于是，他利用業(yè)余時(shí)間學(xué)習(xí)大量與激光相關(guān)的知識(shí)，不分寒暑，廢寢忘食，和王之江一起組織和參與中國第一臺(tái)激光器研究。鄧錫銘從小善于思考，動(dòng)手能力極強(qiáng)，對物理學(xué)有著濃厚的興趣與極強(qiáng)的直覺，1952年大學(xué)畢業(yè)后就立志終生從事光學(xué)研究。

與鄧錫銘同年出生的王之江也是在1952年來長春光機(jī)所工作的，并參與了中國科學(xué)院儀器館（長春光機(jī)所前身之一）的創(chuàng)辦。他們見證了老一輩科學(xué)家艱苦創(chuàng)業(yè)的精神，也把這種精神切實(shí)帶到了工作中。

王之江在領(lǐng)導(dǎo)研制紅寶石激光器之前，已經(jīng)完成大量國家急需光學(xué)儀器的設(shè)計(jì)，并在1958年至1959年開設(shè)了兩期光學(xué)設(shè)計(jì)培訓(xùn)班，為中國培養(yǎng)了大批光學(xué)人才。而他本人也積累了豐富的領(lǐng)導(dǎo)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

王之江和鄧錫銘帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，在紅寶石激光器的研制工作中進(jìn)行了3處結(jié)構(gòu)上的技術(shù)創(chuàng)新，分別是直管狀脈沖氙燈、球形成像照明器以及內(nèi)有聚焦裝置的諧振腔。這些創(chuàng)新使我國研發(fā)的紅寶石激光器比美國那臺(tái)效率更高，相關(guān)工藝在此后的激光領(lǐng)域沿用了幾十年。

首先是直管狀脈沖氙燈設(shè)計(jì)。梅曼制造的紅寶石激光器使用的是螺旋狀氙燈，而王之江等人在重新設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)所掌握的光學(xué)規(guī)律對氙燈進(jìn)行了改進(jìn)。“國外使用的螺旋狀氙燈實(shí)際并不科學(xué)，我們研究發(fā)現(xiàn)，燈的有用尺寸不能超過寶石棒，因此我們制作了直管狀的脈沖氙燈?！蓖踔f。

在氙燈的制作過程中，科研人員還遇到了氙燈鎢極與石英間的封接難題以及氙氣的供應(yīng)難題。長春光機(jī)所技術(shù)人員杜繼祿憑借高超的技巧吹制了20多種過渡玻璃，完成對高功率石英管壁鎢電極脈沖氙燈的封接，其創(chuàng)立的工藝被國內(nèi)激光領(lǐng)域沿用幾十年。而氙燈所用的幾瓶氙氣，則是由一位采購員走遍半個(gè)中國，在一家不知名燈泡廠的庫房中找到的解放前的庫存。

其次是設(shè)計(jì)出球形成像照明器。當(dāng)時(shí)，梅曼的橢圓漫射照明器在國外一度很流行，王之江卻根據(jù)光學(xué)的基本原理分析得知，球形照明系統(tǒng)比橢圓照明系統(tǒng)更有效率，成像照明也比漫射照明更有效率。中國是世界上首次采用球形成像照明器的國家，這種設(shè)計(jì)的激發(fā)效率比梅曼的高。

最后是內(nèi)有聚焦裝置的諧振腔，這是針對國產(chǎn)紅寶石晶體的缺陷進(jìn)行的創(chuàng)新。長春光機(jī)所的研究人員一開始學(xué)習(xí)了湯斯和肖洛的平行平板反射諧振腔理論，但在后續(xù)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，國產(chǎn)紅寶石缺陷導(dǎo)致諧振腔中的波形數(shù)估計(jì)值誤差很大，因而將寶石加工成兩面不平行的不規(guī)則形狀，并用冷陰極濺射法使寶石棒一端全鍍銀，另一端鍍銀面透射率在2%至15%之間。

1961年9月，中國第一臺(tái)紅寶石激光器誕生并成功實(shí)現(xiàn)激光輸出。這是實(shí)至名歸的“中國第一”“世界第二”——比美國僅晚了一年多，比蘇聯(lián)造出的第一臺(tái)早兩個(gè)月。

王之江在談及這臺(tái)紅寶石激光器的研制時(shí)，將成功的原因歸結(jié)為三點(diǎn)——長春光機(jī)所的早期發(fā)展奠定了所需的技術(shù)基礎(chǔ)；年輕科技人才學(xué)術(shù)水平的迅速提高奠定了所需的人才基礎(chǔ)；國外研究的啟發(fā)和中國學(xué)者創(chuàng)新精神的融合加快了研究進(jìn)程。

長春光機(jī)所上世紀(jì)舊照。

3?中國之“光”，蒸蒸日上

紅寶石激光器的誕生對我國科技領(lǐng)域具有重大意義?！吨袊茖W(xué)院編年史》評價(jià)稱：“它的研制成功，在中國開辟了一個(gè)全新的研究領(lǐng)域?！?/p>

紅寶石激光器對經(jīng)濟(jì)發(fā)展的意義也不可小覷。金宏指出：“作為重要的支撐技術(shù)，自紅寶石激光器研制成功后，各類激光器如氣體激光器、半導(dǎo)體激光器、化學(xué)激光器、固體激光器等及其相關(guān)技術(shù)有如雨后春筍般競相涌現(xiàn)。經(jīng)過多年發(fā)展，激光產(chǎn)業(yè)已成為國民經(jīng)濟(jì)中一個(gè)極為重要的組成部分。”

隨著國際和國內(nèi)激光技術(shù)的應(yīng)用與快速發(fā)展，1964年5月，中國科學(xué)院光學(xué)精密機(jī)械研究所上海分所（中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所〈以下簡稱上海光機(jī)所〉前身）成立。上海光機(jī)所是世界上第一個(gè)專門從事激光研究的研究所，自此，中國的激光事業(yè)“開枝散葉”。

20世紀(jì)60年代的上海光機(jī)所。上海光機(jī)所供圖

而王之江也以其敏銳的科學(xué)嗅覺繼續(xù)為激光事業(yè)作出貢獻(xiàn)。他始終站在激光科學(xué)技術(shù)的最前沿，密切注視世界激光科技發(fā)展的最新動(dòng)態(tài)，及時(shí)組織力量進(jìn)行跟蹤和追趕，努力使我國在激光科技上的研究水平跟上國際發(fā)展的潮流。

在上海光機(jī)所成立后，王之江擔(dān)任該所固體激光器研究室主任，開展激光物理、激光單元技術(shù)和總體裝置的研究。他和同事選定釹玻璃作為重要工作物質(zhì)，通過提高效率和擴(kuò)大規(guī)模提高其輸出功率；通過多種措施改善方向性，使其成為高亮度器件。他們試制成的釹玻璃激光器達(dá)到國際先進(jìn)水平。

鄧錫銘則牽頭激光核聚變研究，開拓、發(fā)展高功率激光驅(qū)動(dòng)器，建成我國最大的“神光”激光裝置，并利用神光裝置在慣性約束聚變、X光激光等高科技前沿領(lǐng)域取得了一系列重大研究成果。

時(shí)光飛逝，悄然間，中國之“光”蒸蒸日上。2005年，國際光學(xué)委員會(huì)（ICO）學(xué)術(shù)大會(huì)首次在中國舉辦。彼時(shí)，長春光機(jī)所原所長王大珩已是92歲高齡，受邀來長春參會(huì)的湯斯也已92歲。兩位跨越世紀(jì)的老科學(xué)家，見證了由激光開啟的人類新時(shí)代。

金宏回憶：“在那次ICO大會(huì)上，兩位老人都作了近兩個(gè)小時(shí)的學(xué)術(shù)報(bào)告。湯斯專門看了我們中國的第一臺(tái)激光器，對此十分贊賞，他說‘你們這個(gè)比梅曼那臺(tái)效率要高得多’。”

湯斯夫婦（左一和左二）參觀長春光機(jī)所。

2005年國際光學(xué)委員會(huì)大會(huì)開幕式現(xiàn)場。圖片除署名外，由長春光機(jī)所提供

正是多年前誕生在中國科學(xué)院的那臺(tái)紅寶石激光器發(fā)出的明亮光束，照亮了中國激光事業(yè)發(fā)展與研究人員的前行之路。金宏評價(jià)：“在起步階段，我國的激光技術(shù)發(fā)展迅速，無論數(shù)量還是質(zhì)量，都與當(dāng)時(shí)的國際水平接近。一項(xiàng)創(chuàng)新性技術(shù)能夠如此迅速進(jìn)入世界先進(jìn)行列，在我國近代科技發(fā)展史上并不多見。”

中國激光事業(yè)的蓬勃發(fā)展，是一代又一代科學(xué)家和工程師默默耕耘的結(jié)晶。他們肩負(fù)起時(shí)代使命，敢于創(chuàng)新、勇于探索，將激光技術(shù)的輝煌成就化為國家實(shí)力的象征。

今日的中國，正站在科技創(chuàng)新的前沿。紅寶石激光器“激發(fā)”中國之光，照亮“中國夢”的輝煌征程。

（原載于《中國科學(xué)報(bào)》?2024-09-11 第4版 專題）