現在研制成功的激光器種類有許多，其中CO2激光器是研究最多、應用最廣泛和大眾最熟悉的激光器之一，特別是在工業生產中，諸如材料的切割、焊接、打孔、表面強化處理等，這種激光器發揮著重要作用。這種優秀的激光器我國是什么時間研制成功的？研制歷程是怎樣？下面我想談談這件事。

　　提前做的畢業論文

　　1964年，我考進中科院長春光機所攻讀研究生。當年我的導師呂大元先生調到上海參與上海光機所籌建，我也跟隨他一起來到上海光機所。這年9月份報到后，呂先生安排我讀三本經典光學名著。他說，在大學讀書時你們忙著上課、考試，騰不出太多時間專門讀一些經典名著；在參加工作后又忙于工作，也沒有時間好好讀幾本書?？茖W研究需要有較深厚的基礎知識，需要少數大學生畢業后繼續深造，讀些經典名著，充實基本知識，這便是研究生。

　　12月下旬，呂先生把我叫到他的辦公室，告知我說，從明年（即1965年）開始做畢業論文，原定的讀書計劃終止。

　　安排讀的那幾本光學名著才剛開始，我對安排做畢業論文頗有點意外，況且當時科學院的研究生是四年制，離畢業的時間還早。當時我的心態也有點特別，總想依舊當學生。但導師堅持說，學習計劃修改有必要，圖書館里的書那么多，誰也讀不完，只能是需要知道什么，就去讀什么樣的書，效果才會更好，所謂學以致用。既然要改變計劃，總有導師的道理，于是我答應了下來。

　　給我的畢業論文題目是“研制CO2激光器”。呂先生說，根據在《物理學評論》（Phys.Rev.）1964年第136卷第5期發表的一篇論文，CO2分子的振-轉能級躍遷可以實現能級粒子數布居反轉，產生中紅外波段的激光。他說，這種激光器我國目前還沒有，已經研制成功的激光器就那么幾種，數量還很少，主要就是紅寶石激光器、釹玻璃激光器，以及氦氖氣體激光器，它們輸出的激光波長在可見光，或者近紅外波段，還沒有輸出在中紅外波段的激光器，也還沒有分子氣體激光器。可以說，準備研制的激光器是新型的，或許可以作為你今后一段時間內的研究方向和研究領域。

　　他說，選擇這個研究題目也是基于你研究生報考的研究方向，即中紅外波段光量子放大器（“激光”一詞是1964年12月份在上海市召開的全國第三次光受激發射會議上確定的）選擇的，在1963年我就設想開展中紅外波段光量子放大器研究這個課題。他又說，需要說明的是，做研究生畢業論文和本科生畢業論文不一樣，整個研究工作必須是自主獨立完成，不可以混在研究小組里大伙一起做，同時協助你開展實驗工作的助手按規定最高學歷也只能是中專畢業生，這個規定是為了更好的培養研究生的獨立思考能力和研究組織能力，訓練組建實驗裝置的本領。

　　當然，呂先生繼續說，因為研制的是新激光器，就沒有現成的器件供你使用，整個實驗裝置需要自己搭建，所需要的元件、器件和設備，需要自己去尋找、籌備。他這么一說，我心里便有些害怕了，我能夠辦到嗎？激光器在大學讀書時沒有見到過，到研究所后才接觸過一點皮毛，還很生疏，要自己研制一種新的激光器，心里著實沒底。呂先生大概看出我為難的表情，就鼓勵說，其實世界上任何發明，開始都是需要自己搭建實驗裝置的，比如我們熟悉的晶體管、集成電路，開始的器件都是拼拼揍揍出來，很粗糙，是成功了之后才逐步完善，成了今天這個輝煌的樣子。他補充說，已經給你配了一名助手協助做實驗了，她是上?？萍级?964年的畢業生。在工作過程中需要實驗室內其他人員幫助的，他們也會出手相助，比如探測激光器的輸出，已經安排室內的紅外輻射探測小組協助你，他們有靈敏度比較高的高萊池紅外探測器。但是，他們只限于工作上的幫助，做事的主意還得自己拿。

　　研制工作的日日夜夜

　　1965年春節過后，我們開始了研制工作。先到圖書館找來在《物理學評論》上發表的那篇關于CO2激光器的文章，仔細閱讀分析。根據作者提供的CO2分子能級資料，了解這個分子實現激光振蕩的性能。圖1是CO2分子的幾個與發射激光相關的能級，作為激光躍遷上能級0001振動-轉動能級，其平均輻射壽命比在這個能級下面的一個振動-轉動能級1000的短。從這兩個能級的壽命關系來看，CO2分子是不適宜做激光器的工作物質，起碼來說是不適宜做連續輸出的激光器工作物質，因為這兩個能級的壽命關系剛好與激光器運轉的基本條件相反。不過，那只是對獨立的CO2分子來說是這個樣子，在實際情況中用作激光器的氣體中總是包含大量的CO2分子，它們彼此之間總是不斷的發生碰撞，會導致分子離開原來的能級。也就是說，在一定氣壓條件下，分子能級的真實平均壽命主要還是由分子碰撞過程決定，而不是決定于其輻射壽命。理論和實驗表明，由于碰撞導致CO2分子離開1000能級的速率比離開0001高能級大許多，用分子光譜使用的術語，1000能級的碰撞弛豫速率比0001能級高許多。考慮到分子碰撞這個因素的影響，實際上1000能級的平均壽命則比0001能級短得多。所以，在這兩個能級之間是能夠建立粒子數布居反轉狀態，即利用CO2分子氣體可以產生激光，這也意味著CO2分子氣體只有在選取適當氣壓的條件下才可以獲得激光。此外，根據激光基本理論，因為0001能級的輻射壽命比較短，一旦建立了能級粒子數布居反轉狀態，還能夠得到比較高的激光增益系數，這對產生激光振蕩有利，即可以放寬獲得激光振蕩的條件。根據這些分析，我們也增加了研制成功CO2分子激光器的信心。

　　圖1CO2分子部分振動能級圖

　　氣體激光器大體上是由三部分組成：氣體放電管、共振腔和氣體放電電源。同在一個研究室的王潤文研究員有一臺氣體氦-氖遠紅外激光器，他打算結束這個課題，于是我便向他借用其放電管和電源，這就省去了制作放電管和電源的工作。那只放電管是長5m、內徑20mm的石英玻璃管，電源是X射線光機用的直流電源。剩下的主要準備工作是制作共振腔的反射鏡和工作氣體。在今天這兩樣東西都不是什么寶貝，普通得很，在市場上都可以買到。可是在當時，激光技術剛剛萌芽，人們對激光還很生疏，市場上沒有激光器銷售，也沒有供裝配激光器用的元件和材料，所以這兩樣東西都需要自己設法制造。

　　用作共振腔的反射鏡中一塊要求其對10.6μm的紅外輻射有很高反射率，理想狀態是反射率達到100%，另外一塊的基底材料則要求對這個波長有很高光學透射率。在那個時候，氦-氖激光器和紅寶石激光器用的反射鏡是在玻璃鏡片上鍍多層介質膜，制作波長屬于10μm的反射鏡當時也還是件新鮮事。上海光機所是我國建立的第一所激光專業研究所了，在當時也只是制作過在可見光波段和近紅外波段激光器共振腔的反射鏡，還沒有制作過供10μm波段激光器共振腔使用的反射鏡。也就是說需要的反射鏡和輸出鏡得自行研制。

　　我們從光學手冊上查到，一些金屬對10μm光輻射有很高的反射率，比如純度高的金、鋁等，它們的光學反射率可高達99%，在光學玻璃基片上鍍上這種金屬薄膜，預計可以得到高光學反射率的反射鏡?？紤]到金的性能比較穩定，反射率隨時間變化不多，鋁的穩定性則差一些，時間長了之后表面發生氧化，反射率會降低，于是我們決定采用在光學玻璃片上鍍金膜制作那只全反射的反射鏡。黃金是屬于貴重金屬，購買它需要辦一些手續；同時，要求的純度又很高，市場上一般也無法提供。我在器材部門的協助下，幾經周折，通過一些渠道終于得到了一點純度很高的黃金。我們研究所有一個光學薄膜實驗室，可以為研究人員制作光學反射鏡，于是我請他們協助。但是，他們說沒有鍍制過金屬膜反射鏡，而且如何測量金屬膜片的反射率也是個新問題。不過，他們還是答應研制，并由蘇鍇隆研究員具體負責這件事。為了能夠比較準確地測量反射鏡的反射率，他還設計了一種專門測量方法和測量裝置，解決了金屬反射膜反射率的測量問題。