周壽桓：中國(guó)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(guó)家激光標(biāo)委會(huì)副主任;中國(guó)電子學(xué)會(huì)常務(wù)理事、光電子分會(huì)秘書長(zhǎng)；國(guó)防科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)帶頭人。
1962年中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系畢業(yè)，同年，國(guó)防科委10院11所(現(xiàn)中電科技集團(tuán)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(guó)紐約市立大學(xué)高級(jí)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(guó)家發(fā)明二等獎(jiǎng)1次；國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1次，三等獎(jiǎng)2次；部級(jí)一等獎(jiǎng)4次，二等獎(jiǎng)7次，三等獎(jiǎng)5次；專利13項(xiàng)；發(fā)表論文60多篇。
1962年
中國(guó)電子學(xué)會(huì)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(huì)始終是我們的“家”。在學(xué)會(huì)的組織，前輩的關(guān)懷、教導(dǎo)下，我們慢慢成長(zhǎng)。在此學(xué)會(huì)成立45周年之際，愿以拙文慶賀。
趕上美國(guó)同類研究
在錢老的建議下，11所開始籌建固體激光實(shí)驗(yàn)室。1964年底，研制成功一臺(tái)實(shí)驗(yàn)用紅寶石激光器。由于我所的特點(diǎn)，激光器出光的同時(shí)，立即想到如何應(yīng)用。盡管當(dāng)時(shí)研究室剛開始籌建，當(dāng)時(shí)在國(guó)內(nèi)外激光都還完全是一個(gè)“新生事物”，連個(gè)準(zhǔn)確、統(tǒng)一的稱呼都沒有(“激光”這個(gè)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(diǎn)、發(fā)展前景、可能應(yīng)用場(chǎng)合等，梅遂生同志提出以“光雷達(dá)為綱”的建室方針，并以導(dǎo)彈靶場(chǎng)外彈道測(cè)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(cè)距計(jì)數(shù)器、高靈敏激光接收機(jī)、彈載合作目標(biāo)、優(yōu)質(zhì)光學(xué)薄膜、精密光機(jī)設(shè)計(jì)加工與裝調(diào)等一系列研究工作。而且，一開始就把實(shí)驗(yàn)室研究與外場(chǎng)試驗(yàn)緊密結(jié)合起來。用研制的設(shè)備支持外場(chǎng)試驗(yàn)，用外場(chǎng)試驗(yàn)暴露的問題和取得的經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)設(shè)備的研制，二者相互促進(jìn)。在國(guó)內(nèi)外都沒有成功報(bào)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(guó)靶場(chǎng)測(cè)量增添了一種嶄新的手段。
根據(jù)后來美國(guó)發(fā)表的消息，上述工作與美國(guó)的同類研究幾乎是同時(shí)進(jìn)行的，但某些方面還略勝一籌。隨后，這項(xiàng)技術(shù)取得顯著成績(jī)，與兄弟單位一起，于1985年獲國(guó)家科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)。
提出以“光雷達(dá)為綱”的建室方針，在當(dāng)時(shí)到處以“階級(jí)斗爭(zhēng)為綱”的情況下需要多大的睿智和勇氣??！有了明確的目標(biāo)，就能團(tuán)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(shí)看來幾乎是夢(mèng)想的目標(biāo)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。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(dú)具特色的11所科研團(tuán)隊(duì)。這才使得我所在今天激烈競(jìng)爭(zhēng)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(jìn)。
激光器有害熱效應(yīng)需解決
對(duì)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(shí)伴隨產(chǎn)生大量的無用熱。為使激光器持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，必須及時(shí)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(shí)現(xiàn)我們的奮斗目標(biāo)，一個(gè)重大難關(guān)是在脈沖峰值功率數(shù)十兆瓦時(shí)，激光器高重復(fù)頻率工作(起碼要高于10赫茲)，當(dāng)時(shí)紅寶石激光器只能在低于1赫茲下單脈沖工作。因?yàn)樯鲜兰o(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(jí)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(shí)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(jìn)行不懈的斗爭(zhēng)。這是一個(gè)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(jìn)行了三方面的工作：
1、盡可能減少進(jìn)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(bǔ)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(jìn)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(jìn)展，它屬四能級(jí)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(yuǎn)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(zhǎng)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(gè)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(huì)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(duì)泵浦光高透，對(duì)紅外輻射高反。由于鍍膜費(fèi)用較高，又沒有如此寬帶的紅外高反膜，因此費(fèi)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(jìn)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(jìn)入工作介質(zhì)中的無用熱。但介質(zhì)膜的透射譜遠(yuǎn)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(duì)應(yīng)在一個(gè)小的入射角內(nèi)。隨入射角增大，對(duì)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(gè)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(duì)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(shí)際應(yīng)用。
LD泵浦。
這是迄今減少進(jìn)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過泵燈，激光器整體效率顯著提高，整機(jī)壽命、可靠性提高。相對(duì)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(chǎng)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(jìng)爭(zhēng)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(jí)3，而不通過能級(jí)4)、熱助推(把基態(tài)上熱激勵(lì)的斯托克斯能級(jí)上的粒子直接泵浦到激光上能級(jí)3)、輻射平衡等方法和設(shè)想；采用準(zhǔn)三能級(jí)系統(tǒng)可以降低量子缺陷，但對(duì)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(jí)躍遷，可以避免量子缺陷帶來的無用熱等。
2、對(duì)工作介質(zhì)進(jìn)行有效散熱。
為使激光器持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，必須及時(shí)、有效地帶走泵浦在工作介質(zhì)中造成的無用熱，同時(shí)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(shí)”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(duì)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(bǔ)償熱影響。
減少、補(bǔ)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(duì)激光光束質(zhì)量的影響減??；
*合理設(shè)計(jì)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(bǔ)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(jì)摻雜濃度，泵浦強(qiáng)度和分布等。摻雜濃度太高、泵浦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(xiàng)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(jìn)的技術(shù)所取代，有的至今仍在使用，而且不斷有新的進(jìn)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(huì)到研究工作一定要有長(zhǎng)遠(yuǎn)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(jiān)持深入、系統(tǒng)地開展基礎(chǔ)研究。
