光电汇的编辑让我回忆一下当年在国内发现激光新谱线的故事,写点相关的事情。

那是发生在20世纪70年代的一桩小事,已经鲜为人知。我猜想她们一定是阅读了已故邓锡铭院士主编的《中国激光史概要》一书,该书第95页载有“氟原子激光新谱线”一项,登载了我们小组1977年5月份的工作:实验采用布鲁林型快放电装置,充气NF3和He,在激光谐振腔作用下,实现了氟原子激光跃迁,波长分别为623.97 nm、634.85 nm和641.36 nm。概要指出:“这是我国首次独自发现的激光新谱线”。

自美国人梅曼以氙灯抽运红宝石首次实现激光振荡之后,六七十年代国际激光领域十分活跃,发现能产生受激光发射的物质越来越多,工作介质包括固体、液体、气体和等离子体,材料涉及晶体、玻璃、半导体、有机螯合物、染料、惰性气体、金属蒸气、分子气体、准分子气体……抽运方式有放电、氙灯抽运、气体动力学、化学反应、太阳能、爆炸乃至核反应等方案。当时有人调侃:“随便找种什么东西来打打,说不定都会打出激光。”(“打打”,指激发、抽运)

可是在那段时期,我国虽然有许多的国家级和地方的专业研究所,许多大学也有激光专业,但大多着重激光的应用开发和相关的工艺技术,缺乏基础性的探索工作,对创新性不够重视。正是在这样的时代背景下,我们小组发现了一组未见报导的氟原子激光谱线,跻身于新激光谱线发现者的行列。物以稀为贵,便有幸在中国激光发展历史中留下一个小小的印记。

意外的收获

我们的发现,可以说是出于偶然,因为我们小组的工作任务并不是查找新的激光跃迁;但也不是纯粹的偶然,因为小组的目标是寻找激光的新途径,而为了弄清楚新谱线的来龙去脉,我们付出了不少努力。故事还要重头说起。

中科院上海光机所于1964年建所,中心任务是研制强激光,习惯称大能量激光器,主攻路线为氙灯抽运钕玻璃,经过十年的奋斗,研制出规模与水平当时位居国际前列的大能量钕玻璃器件。但是大量的实验结果与分析表明,受到抽运方式和工作物质特性的限制,器件的总体效率偏低,输出光束的亮度较差,玻璃的激光能量负载不够大,这条路线难以达到最终目标。到了文化大革命结束不久,玻璃大能量的工作便告终止。

工作有了新的安排,我们有些人便组织起“新途径探索”研究小组,希望东边不亮西边亮,寻找出返往应用的激光新途径、新体系。既然氙灯抽运固体或玻璃有困难,我们便瞄准放电激发气体的体系。当时准分子刚崭露头角,我们便决定骑驴找马,抱着“即使做不成大能量,也能做出新激光器”的宗旨,立即动手,自力更新,从头做起。

当时是计划经济,市场不发达,做科研大多数都是自己动手,土法上马。科研人员除了读书做实验外,还必须会做各种活。

我们要建立一个小小的气体激光实验室,几个人就忙于以下各种事务:

1)搬钢瓶,找气体,在室外搭建小房子存放充有高压气体的钢瓶;

2)搭排气台,建立可以定量存放各种气体的气路,我们小组成员中有人会玻璃细工,自己能连接玻璃管道;

3)制作电源,做放电室和腔体,除了绘图外,经常要跑车间,或看加工,或与师傅商量工艺(例如电镀),好在当时实验室与工厂车间同在一个大院,跑起来很方便。

我们的首选目标是XeF准分子体系,要有NF3、Xe和He气,后两种属常用气体,可以订货。但前者是有毒的氟化物,必须通过与中科院有机所实验工厂协作生产。幸好我们大组里有一位化学专业的同事,由他专门负责与工厂合作,经常奔走于市区内外。

激光器主体为布鲁林放电装置,这是一种业余工作者也能制作的快放电设施,以前常用于氮激光,其特点是一对长约0.5 m的铜制楔形电极,刀口间距约为2 cm,储能电容和形成电容均为分布参量平板电容,球隙作放电开关。

自己动手搭建装置,费时费力,但也有好处:一是熟悉器件各个环节,出现问题知道如何解决;二是自己会修理,敢于做各种条件的实验。

我们知道,XeF激光波长为351 nm,属于眼睛看不见的近紫外波段。紫外线照射到白纸上会激发出淡蓝色的荧光。整个实验装置中制作最简便的要算激光的观察“设备”——一个纸屏!而我们激光的小发现正是在小纸屏上开始的。

熟知的氮分子激光也是紫外辐射。装置做好后,首先充氮气作为介质,调整各个部件,使氮激光达到最佳输出状态,即纸屏上蓝光坊图最完整、最亮。

然后进入正式的程序:抽空,排气,按不同成分比充入NF3、Xe和He,充电、放电、调节脉冲放电重复频率,在反反复复多次操作后,终于在纸屏上看到淡淡的蓝色荧光,我们成功实现XeF准分子激光振荡了!

在XeF激光调试中,在纸屏上我们时常会看到淡淡的红色光斑,即使不出现蓝光,有时也有红光,它的颜色很接近He-Ne激光。后者的波长为632.8 nm,是Ne的谱线,与He无关。我们查阅XeF激光有关的文献,没有提到它有红光输出。

红光来自何方

我们注意到,工作室不充Xe,红光也会出现。由此可推算红光来自氟元素的可能性最大。但查阅资料却找不到氟原子或氟分子出激光的报道。顺便在此说说,20世纪70年代中期,中国尚未进入改革开放,状态比较封闭,到图书馆或情报室查资料,绝大部分外国的学术杂志是影印本,消息大都滞后一年半载以上。

我们决定自己动手搞清楚红光是不是氟原子或氟分子的受激跃迁。主要做3件事:测波长、能级确定和激光实验。

测波长

现在仪器的智能化程度高,做光谱分析很方便,但几十年前标光光谱颇费周折:搬运笨重的1 m光栅光谱仪,散开在一个大桌子上的激光器统调光路,调整谱仪;寻找相应波段范围的标定用光谱灯;订感光干极和显影药品;修理简陋的暗房,设法借来显微阅读机等。

经过严谨的操作,最终测到的结果是3支谱线,分别为:623.97 nm、634.85 nm(强)和641.36 nm(弱),精度为±0.03 nm。

能级确定

有了光谱数据,便紧张地抱来权威的原子光谱手册。这是“揭开谜底的时刻”, 是活学活用原子光谱学的时刻。

经查对,氟原子有3P4S-3S4P的一组跃迁,正好与我们的测定值吻合。

激光实验

我们加工了稳定型平凹腔(R∞, R3m)在此谐振腔下。激光光束发散角约5-6 mrad。虽然方向性不是很好,但明显受谐振腔约束,属于受激辐射。

改变气压、电压装置,改变放电重复率,变化腔参数,观察相应的激光输出,在此基础初步了解了激光的动力学过程。

至此可以充分肯定,在我们实验室发现了一组来自上能级3P4S0的三支氟原子激光谱线。但激光输出不算强,在理论上其量子效率只有13%,不算高,而且容易形成超辐射。

从我们小组寻找新途径的要求来看,氟原子体系不是理想的候选者,工作做到此便告一段落了。

氟原子激光谱线是上千谱线大海中的一点,氟原子激光器也正如我们当时预想那样,没有成为常用器件。我们当时的努力已成为尘封的小小故事。不过,发现有大有小,意义有深有浅,我们的经历给人一种信念,即只要积极实践,勤于思考和学习,认真地观察各种现象,总会有所发现,有所前进。哪怕是小小的发现,即使不算什么成就,也可以鼓舞别人、鼓舞自己。到晚年回想起来,还可以感受到一点点正能量。

作者简介:梁培辉,退休研究员。1939年出生于广东,1963年从清华大学无线电电子学系毕业后进入中科院长春光机所,次年随迁至上海,此后一直在中科院上海光机所从事激光与光电子学的研究与开发。上世纪作为洪堡学者在1979—1980年,1987—1988年期间在联邦德国马普学会的研究所进行访问研究。

主要研究经历:大型钕玻璃激光器、工程用铜蒸气激光与光学系统的研制、激光参数测量、激光光谱、薄膜表面的表面测量、激光表演与光学景观的技术开发。

曾获得中国专利发明创造金奖、国家技术发明奖三等奖、中科院技术进步奖一等奖等奖项,享受国务院政府特殊津贴,被评为中科院先进工作者。

来源:光电汇