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。科學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，她是上海科技二校1964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。考慮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。
激光器輸出端那塊反射鏡需要能夠透射紅外輻射，讓在腔內產生的激光從共振腔里輸出來。這意味著這塊反射鏡的基底材料就不能再使用玻璃，需要采用可以透射10μm光輻射的材料做。從光學材料手冊查到，一些半導體材料如鍺、硅等，它們在波長10μm附近有比較高的光學透過率，可以用它們做反射鏡基底。用它們做激光器共振腔輸出反射鏡時，需要它們對這個波長的光學吸收率很低，這要求有很高的純度。我們向有色金屬研究院求援，他們支持我們的研制工作，給我們提供了合要求的一根硅棒，解決了制作反射鏡材料問題。
上海光機所有一個光學加工車間，可以加工光學反射鏡片，但他們也只加工過玻璃材料的鏡片，談到要加工硅材料反射鏡基片都搖頭說沒有做過，沒把握做出來。硅材料的機械性能與玻璃材料不同，采用原先加工玻璃的工藝顯然是不能保證得到滿足要求的光學面的；其次，硅在可見光波段是光學不透明的，如何檢驗加工出來的光學面的質量也是個問題。光學車間的領導很好，支持我的畢業論文工作，答應給試制，專門派了一名光學加工技術高的李莊聲老師傅和一名光學檢驗技術員協助研制工作。憑著他們的光學加工工作經驗和智慧，想出了巧妙的辦法解決了加工技術和光學檢驗遇到的問題，終于制作出了符合要求的硅反射鏡。為了讓共振腔有足夠高的Q值，保證能夠滿足激光振蕩條件，這塊反射鏡對10μm光輻射也應該有高反射率。但硅基片本身的反射率并不高，不能滿足做共振腔反射鏡的要求，因此也需要在鏡面上鍍金反射膜。這塊做共振腔輸出的反射鏡，除了有很高反射率，同時也有適當光學透過率，用來引出共振腔內產生的激光。我們仿照世界第一臺紅寶石激光器共振腔的做法，給整塊硅片鍍上金膜，然后在它的中央部位小心地挖去一點點金膜，讓激光從這個沒有金膜的地方輸出激光束。此外，為了盡量減少反射鏡對透射的激光產生的光學吸收，我們又在硅基片中央外側面挖一個凹坑，減薄這里的厚度。為了盡快得到需要的反射鏡，我們不時往光學工廠和鍍膜室跑，遇到什么問題相互討論，共同想辦法解決，當然這也有催促他們快點幫我們加工的含意。大約經過三個月時間，我們終于拿到了需要的反射鏡。
CO2分子氣體市場上也買不到，只好自己制造備了。上海光機所化學實驗室的馬笑山研究員給我們出一個主意，利用加熱碳酸鈣分解的方法制造CO2分子氣體。這個辦法比較簡單易行，而且碳酸鈣又是普通化學材料，在市場上就可以買到。根據研究氦氖激光器的經驗，我估計使用的CO2分子氣體純度應該是很高，要達到光譜級，即在其光譜圖上不出現雜質原子、分子的光譜。碳酸鈣材料本身的純度并不高，而且在其表面和里面還吸附了大量的空氣，因此由加熱分解得到的CO2分子氣體中必然含有許多雜質氣體，我們必須對它進行提純。提純裝置是自己搭建的，它是一個附設有冷凝器的真空排氣系統，把在真空條件下收集到的CO2分子混合氣體由液態氮致冷，將CO2分子氣體在液氮溫度下變成干冰，沉淀在容器底部，而其他雜質氣體未被冷凝，被真空排氣系統抽走。再將得到的干冰解凍，便可以得到高純度的CO2分子氣體。當然，一次提純是得不到光譜純氣體的，需要反復進行。一次提純就得花很長時間，為了得到一點光譜純氣體，往往是日夜不息連續工作。經過多次連續反復試驗，經在線光譜儀檢測鑒定，終于也得到了一瓶光譜純的CO2分子氣體。它的獲得確實不容易，我們搭建的提純真空系統全是用自己燒接的玻璃管，質量并不好，容易出故障，也容易損壞。真空系統達到預期真空度也要花長時間，所以常常需要加班，白天黑夜的工作，睡在實驗室。那時候是沒有加班費的，糧食是定量供應，我們每個月30斤，憑糧票購買飯票，夜間加班沒有糧票補貼，只得喝白開水充饑，但大家精神飽滿。
實驗工作開始時并不順利。首先遇到的問題是氣體放電不是發生在管子里，而是發生在兩端發射鏡與管端之間。經過檢查分析，發現是反射鏡上面鍍的金膜與管壁接觸，在高電壓下彼此之間構成了放電通道。我們把反射鏡卸下來，沿邊緣刮去2mm寬的金膜環，讓反射鏡與管端保持真正絕緣接觸。這么處理過后，放電管終于能夠正常進行氣體放電。但是，把反射鏡從放電管卸下來，放電管暴露了大氣，又得花時間進行真空排氣處理。一次一次實驗，探測器還沒有顯示出期待的光信號，心情沮喪。幸好助手沒泄氣，繼續改變實驗條件進行實驗。一次實驗中發現高萊光探測器有較大讀數，反復幾次實驗都是這樣，我認為該是得到激光了。正在為此而感到高興時，呂先生卻潑冷水說，接收到的還未必是激光，很可能是普通的紅外輻射或者是超輻射，需要做“驗明正身”的工作才能確定激光器是否成功。紅寶石激光器、氦氖激光器，它們輸出的是可見光，是不是得到激光一眼就能夠看出來，CO2分子氣體激光器輸出的是在中紅外光波段，憑肉眼是看不見的。激光有很好的方向性，離開激光器輸出端不同距離探測到的光輻射強度變化應該是不大。根據這個特點，我們在靠近激光器輸出口的地方和離開輸出口2m的地方分別進行探測，結果顯示得到的光強度相差很大，顯然，我們得到的并非是激光。
沒有得到激光的原因是多方面的，比如放電管里充進的CO2分子氣體氣壓不合適，或者使用的放電電壓不合適，或者兩塊反射鏡的反射率不合適，或者兩塊反射鏡沒有調整到位，或者共振腔的光學損耗比較大，導致激光振蕩閾值過高等等，都會導致在放電管內形成不了激光振蕩。我們只能耐心逐一排查，但是，我們反復試驗不知多少次了，依然沒有見到夢想中的激光。這時候我們想起，可能是那塊硅反射鏡上挖去金膜那只小圓斑的半徑大了一些，造成共振腔的Q值過低。于是，我們又換了一塊在中央部位挖去金膜小圓斑半徑縮小一倍的硅反射鏡重新做實驗。到9月25日的下午，我們的實驗裝置終于出現令人興奮的結果：高萊紅外探測器顯示出比較強的信號。經過幾項檢驗實驗，比如稍微調偏共振腔一塊反射鏡，增大共振腔的損耗，觀察得到光信號強度變化；對比靠近輸出反射鏡檢測到的信號強度和遠離輸出端檢測到的光信號強度等，證實得到的光信號是激光的。這時大家不知道有多高興，幾個月來的疲勞一下子也全消失了。
從必然王國走向自由王國
接著我們做進一步的細化實驗條件的試驗。讓我們感到吃驚的是，《應用物理學通訊》（Appl.Phys.Lett.）上的一篇文章報道說，在激光器放電管內加進一點氮氣體可以提高激光器輸出功率。我們照此做實驗，果然是提高了輸出功率。這種情況在氦-氖激光器中是不會有的，在那種激光器中使用的氦、氖混合氣體純度要求是非常高，里面稍微摻雜一點氮氣體，激光器就不會發生激光振蕩。大氣中含有大量氮氣體，這是否意味著在激光放電管內有點空氣也不妨礙激光器的工作性能。我們便有意向放電管漏進一點空氣，實驗結果顯示，激光器不僅沒有停止激光振蕩，輸出功率還升高了！顯然，對于CO2分子氣體激光器來說，氣體純度不是問題。早知道如此，我們就不必花這么多時間和精力做氣體提純工作了，激光器也能夠提早成功。我向導師呂先生坦白做了件“傻事”。不過，呂先生并不認同，他說這是科學實驗中的正常事，人對事物的認識過程是逐步的，是從必然王國走向自由王國。科學實驗開首，有許多因素會影響實驗結果，我們還不完全知道哪個因素可以忽略，首先得到預期結果最重要，這就必須把懷疑到的各種影響因素都一一排除。只有在實驗成功了，掌握了實驗獲得成功的基本規律，才有控制實驗條件的自由，預見在什么條件下能獲得什么樣的結果。表面上是件犯傻事，卻是一堂深刻的科學實驗教育課。
隨著實驗工作深入，我們對CO2分子氣體激光器了解更多，進到了它的自由王國，變著法子改進這種激光器的性能，輸出激光功率不斷提高，從開始的微瓦左右，提高到毫瓦，到這年的11月下旬，提高到幾瓦，是當時連續輸出激光功率最高的紅外激光器。我們又根據CO2分子發射激光的能級離基態不遠，能級粒子數布居反轉狀態受溫度影響比較大，進而影響激光器運轉壽命的情況，做了一只雙層放電管，工作時通水冷卻管壁，帶走放電管里的熱量。這個辦法使得激光器能夠維持較長時間穩定輸出功率。這些實驗結果受到領導的重視，他們策劃將這種激光器用到軍事上。我則考慮能否不使用電激勵辦法，因為激光器不用電源的話會使得它可以在缺電的條件下使用，如果建造輸出很高功率的激光器，還可以避免電網的負擔。我是這樣想，既然氣體純度不是問題，當然也就不一定采用碳酸鈣熱分解的辦法制造CO2分子氣體，一些化合物燃燒的產物就有CO2分子氣體，而且燃燒時產生的熱會激發CO2分子到高能級，根據著名的玻爾茲曼能級分布定律，在CO2分子各個能級會積累不少粒子，再根據各個能級的弛豫速率隨溫度變化不同，有可能建立能級粒子數布居反轉狀態，做成功燃燒型CO2分子激光器，這是激光器實驗過渡到自由王國的又一個設想，我給導師遞交了開題報告。可惜的是，在1966年初我們單位開始“四清”運動，導師沒有了開題話語權，隨后接著是文化大革命，導師被關了起來，我則被告知要做的應該是思想改造，“反修防修”，不要再提什么新研究方案。1968年我在部隊農場接受再教育時獲悉，美國在1967年造成功氣動CO2分子激光器，使用的正是燃燒熱激發。直到1973年，上海光機所也開展這種激光器研究，這是后話。