周壽桓：中國工程院院士，研究員，博士生導(dǎo)師;信息產(chǎn)業(yè)部電子科技委常委;國家激光標(biāo)委會副主任;中國電子學(xué)會常務(wù)理事、光電子分會秘書長；國防科技創(chuàng)新團隊帶頭人。   

　　1962年中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系畢業(yè)，同年，國防科委10院11所(現(xiàn)中電科技集團第11研究所)任技術(shù)員，1987年任研究員。1994年8月-1996年12月美國紐約市立大學(xué)高級訪問學(xué)者。  

　　1964年起從事固體激光工程及應(yīng)用研究，主攻：全固態(tài)、高光束質(zhì)量、高平均功率、非線性頻率變換等。共獲國家發(fā)明二等獎1次；國家科技進步二等獎1次，三等獎2次；部級一等獎4次，二等獎7次，三等獎5次；專利13項；發(fā)表論文60多篇。  

　　1962年   

    中國電子學(xué)會成立，剛好，我在這年大學(xué)畢業(yè)參加工作，正式成為電子行業(yè)的一員。此后，學(xué)會始終是我們的“家”。在學(xué)會的組織，前輩的關(guān)懷、教導(dǎo)下，我們慢慢成長。在此學(xué)會成立45周年之際，愿以拙文慶賀。  

　　趕上美國同類研究  

　　在錢老的建議下，11所開始籌建固體激光實驗室。1964年底，研制成功一臺實驗用紅寶石激光器。由于我所的特點，激光器出光的同時，立即想到如何應(yīng)用。盡管當(dāng)時研究室剛開始籌建，當(dāng)時在國內(nèi)外激光都還完全是一個“新生事物”，連個準(zhǔn)確、統(tǒng)一的稱呼都沒有(“激光”這個詞是在幾年后經(jīng)錢老提議才確定的)。經(jīng)過大量調(diào)研，客觀分析激光的特點、發(fā)展前景、可能應(yīng)用場合等，梅遂生同志提出以“光雷達為綱”的建室方針，并以導(dǎo)彈靶場外彈道測量為突破口。圍繞這一總體目標(biāo)開展了高重復(fù)頻率高光束質(zhì)量固體激光器、高重復(fù)頻率脈沖氙燈、Nd：YAG晶體、精密測距計數(shù)器、高靈敏激光接收機、彈載合作目標(biāo)、優(yōu)質(zhì)光學(xué)薄膜、精密光機設(shè)計加工與裝調(diào)等一系列研究工作。而且，一開始就把實驗室研究與外場試驗緊密結(jié)合起來。用研制的設(shè)備支持外場試驗，用外場試驗暴露的問題和取得的經(jīng)驗指導(dǎo)設(shè)備的研制，二者相互促進。在國內(nèi)外都沒有成功報道和可供借鑒資料的情況下，經(jīng)過短短5年的艱苦奮斗，終于取得重大突破，為我國靶場測量增添了一種嶄新的手段。  

　　根據(jù)后來美國發(fā)表的消息，上述工作與美國的同類研究幾乎是同時進行的，但某些方面還略勝一籌。隨后，這項技術(shù)取得顯著成績，與兄弟單位一起，于1985年獲國家科技進步特等獎。  

　　提出以“光雷達為綱”的建室方針，在當(dāng)時到處以“階級斗爭為綱”的情況下需要多大的睿智和勇氣啊！有了明確的目標(biāo)，就能團結(jié)大家艱苦奮斗、刻苦鉆研，其結(jié)果不僅獲得了一大批科研成果，使當(dāng)時看來幾乎是夢想的目標(biāo)變?yōu)楝F(xiàn)實。而且發(fā)展了一批拳頭產(chǎn)品，培養(yǎng)了一批與應(yīng)用要求配套、技術(shù)精良、作風(fēng)過硬的工程技術(shù)人員，形成了獨具特色的11所科研團隊。這才使得我所在今天激烈競爭的環(huán)境中能占有一席之地，并有可能向更高的目標(biāo)前進。  

　　激光器有害熱效應(yīng)需解決  

　　對固體激光器來說，泵浦源提供工作介質(zhì)產(chǎn)生激光所必須的能量，同時伴隨產(chǎn)生大量的無用熱。為使激光器持續(xù)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，必須及時帶走這些無用熱。于是導(dǎo)致熱透鏡、應(yīng)力、退偏、雙折射等不良效應(yīng)，這些效應(yīng)使激光光束質(zhì)量、輸出功率下降，甚至造成工作介質(zhì)破壞。  

　　為實現(xiàn)我們的奮斗目標(biāo)，一個重大難關(guān)是在脈沖峰值功率數(shù)十兆瓦時，激光器高重復(fù)頻率工作(起碼要高于10赫茲)，當(dāng)時紅寶石激光器只能在低于1赫茲下單脈沖工作。因為上世紀(jì)60年代中，可供使用的固體激光介質(zhì)是紅寶石晶體，它屬三能級系統(tǒng)，閾值高，所需泵浦能量很高，在晶體中產(chǎn)生大量無用熱。而且，當(dāng)時泵浦源(氙燈)本身就不能在如此高的輸出能量下高重復(fù)頻率工作。一開始我們就必須與伴隨激光而產(chǎn)生的有害熱效應(yīng)進行不懈的斗爭。這是一個已經(jīng)取得了重大成果，但又沒有完全解決的棘手問題。歸納起來，進行了三方面的工作：  

　　1、盡可能減少進入工作介質(zhì)的無用熱，應(yīng)該說這是最根本的辦法。  

　　2、如果不能完全阻止在工作介質(zhì)中造成無用熱，那么如何用最有效、不良影響最小的方法導(dǎo)出無用熱。  

　　3、最后，上述措施都未能避免的有害熱影響將造成激光光束質(zhì)量、輸出功率下降，甚至工作介質(zhì)破壞，如何減少、補償這些不良影響就是需要解決的問題。  

　　消除無用熱三大手段  

　　1、減少甚至消除進入工作介質(zhì)的熱。  

　　低閾值、高效率工作介質(zhì)。  

　　Nd：YAG晶體的研制成功是一大進展，它屬四能級系統(tǒng)，物化性能都很優(yōu)越，相同激光輸出功率下，所需泵浦功率遠低于紅寶石激光器，大大降低了無用熱。我所1965年開始研制，上世紀(jì)70年代初生長出可用的晶體。迄今，綜合性能仍然是最好的一種固體激光介質(zhì)。  

　　摻雜濾光液。  

　　在工作介質(zhì)的冷卻液中摻入可吸收紅外輻射，而透過有用的泵浦輻射的雜質(zhì)?？上в捎诩t外輻射   

    光譜太寬，一直沒有發(fā)現(xiàn)滿意的這類摻雜物質(zhì)，要么作用不大，要么大量吸收有用泵浦輻射，而且還造成聚光腔的污染，因此近年來已基本上不再繼續(xù)采用這種方法。  

　　吸熱玻璃套。  

　　在工作介質(zhì)或泵燈的周圍套一個摻雜的玻璃管，利用摻雜的玻璃把工作介質(zhì)和泵燈隔開。與濾光液一樣，消除紅外熱效果不大，但消除紫外效果明顯，而且不會造成污染，因此目前有的地方還在采用。  

　　也可以換成鍍介質(zhì)膜的玻璃管，要求所鍍的介質(zhì)膜對泵浦光高透，對紅外輻射高反。由于鍍膜費用較高，又沒有如此寬帶的紅外高反膜，因此費用不低，效果不顯著，也很少采用了。  

　　介質(zhì)膜聚光腔。  

　　只有一部分泵浦光是直接照射到工作介質(zhì)，而其他的，以及進入工作介質(zhì)而沒用被吸收的泵浦光，要通過聚光腔的一次或多次反射后被工作介質(zhì)吸收，因此在聚光腔上鍍反射泵浦光、透射紅外光的介質(zhì)膜有利于消除進入工作介質(zhì)中的無用熱。但介質(zhì)膜的透射譜遠不能包含泵燈的全部紅外輻射，另外介質(zhì)膜的反射、透射特性只對應(yīng)在一個小的入射角內(nèi)。隨入射角增大，對泵浦光的反射、透射率也隨之下降，其結(jié)果是影響泵浦效率。因此，目前很少采用了。  

　　鉀銣燈。  

　　鉀-銣燈的輻射譜可以與Nd：YAG的一個吸收帶匹配，因此應(yīng)該能明顯降低紅外輻射熱而被寄予很大希望。但最大的困難是堿金屬蒸汽對燈管壁的嚴(yán)重腐蝕，即便采用白寶石也不能幸免，因此沒有得到實際應(yīng)用。  

　　LD泵浦。  

　　這是迄今減少進入固體激光器無用熱最有成效的一種方法。由于光譜匹配，用半導(dǎo)體激光二極管(LD-laser diode)代替閃光燈泵浦固體激光介質(zhì)，大大降低了無用熱，可以獲得很高的光束質(zhì)量。LD的壽命、效率都遠遠超過泵燈，激光器整體效率顯著提高，整機壽命、可靠性提高。相對于傳統(tǒng)燈泵浦的固體激光器而言，LD泵浦的固體激光器(DPSSL-diode pumped solid-state laser)中的元部件都是“固態(tài)的”，因此又稱為全固態(tài)激光器。  

　　隨著LD陣列輸出功率的增加、光束質(zhì)量的改善，有的應(yīng)用場合已經(jīng)可以直接采用LD，不必通過泵浦固體工作介質(zhì)這一中間環(huán)節(jié)，效率大大提高，廢熱顯著降低，因而將成為DPSSL最大的潛在競爭者。由于習(xí)慣上半導(dǎo)體激光器不屬于固體激光器，因此本文不涉及。LD泵浦大大減輕了無用熱，但并沒有完全消除。如果能夠完全消除無用熱，那么固體激光器的光束質(zhì)量和輸出平均功率將有極大的提高，可惜，迄今還沒有找到這樣的方法。  

　　低熱泵浦。

　　從Nd：YAG特性可以看出，即便泵浦光與吸收帶完全匹配，由于量子缺陷，工作介質(zhì)中仍然要產(chǎn)生無用熱。于是發(fā)展了直接泵浦(把基態(tài)粒子直接泵浦到激光上能級3，而不通過能級4)、熱助推(把基態(tài)上熱激勵的斯托克斯能級上的粒子直接泵浦到激光上能級3)、輻射平衡等方法和設(shè)想；采用準(zhǔn)三能級系統(tǒng)可以降低量子缺陷，但對泵浦功率密度、均勻性等有很高的要求；非線性效應(yīng)(例如光參量放大)不是基于能級躍遷，可以避免量子缺陷帶來的無用熱等。  

　　2、對工作介質(zhì)進行有效散熱。  

　　為使激光器持續(xù)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，必須及時、有效地帶走泵浦在工作介質(zhì)中造成的無用熱，同時還應(yīng)該盡力避免由于散熱造成工作介質(zhì)中的熱畸變，導(dǎo)致熱透鏡、應(yīng)力、退偏、雙折射等從而影響激光光束質(zhì)量。“有效散熱”是指高效率、“即時”移出工作介質(zhì)中的無用熱，并在工作介質(zhì)中造成最小的不良影響。  

　　對工作介質(zhì)散熱可采用氣體、液體、混合液、高速湍流、熱管、傳導(dǎo)冷卻、微通道冷卻結(jié)構(gòu)等。盡管用這些方法已能滿足很多應(yīng)用需要，但有效散熱仍然是當(dāng)前超高平均功率激光發(fā)展的一大障礙，亟待技術(shù)上有創(chuàng)新性的突破。  

　　3、減小、補償熱影響。  

　　減少、補償無用熱造成不利影響的方法很多，涉及面很寬，取得了大量豐碩的成果，目前仍在不斷發(fā)展中，舉例如下：  

　　*使熱流與激光方向一致，熱畸變對激光光束質(zhì)量的影響減??；  

　　*合理設(shè)計工作介質(zhì)的幾何形狀，以利于有效散熱，例如采用園棒、管狀、板條、盤片、光纖等；  

　　*采用受激布里淵散射(SBS-stimulated Brillouin scattering)相位共軛鏡、變形鏡等校正光束畸變；  

　　*采用退偏補償、損耗再利用等提高輸出功率；  

　　*減小熱梯度，例如合理設(shè)計摻雜濃度，泵浦強度和分布等。摻雜濃度太高、泵浦結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理等將造成泵浦不均勻，介質(zhì)中的熱分布也不均勻，畸變大。  

　　上面描述的各項技術(shù)是在克服固體激光器中有害熱所發(fā)展起來的，其中有的已被更有效、更先進的技術(shù)所取代，有的至今仍在使用，而且不斷有新的進展。  

　　回顧四十幾年來我所走過的這一段艱苦創(chuàng)業(yè)之路，我們體會到研究工作一定要有長遠的、明確的應(yīng)用方向。為了滿足應(yīng)用和可持續(xù)發(fā)展，又必須堅持深入、系統(tǒng)地開展基礎(chǔ)研究。