那是發(fā)生在20世紀(jì)70年代的一樁小事，已經(jīng)鮮為人知。我猜想她們一定是閱讀了已故鄧錫銘院士主編的《中國(guó)激光史概要》一書，該書第95頁(yè)載有“氟原子激光新譜線”一項(xiàng)，登載了我們小組1977年5月份的工作：實(shí)驗(yàn)采用布魯林型快放電裝置，充氣NF3和He，在激光諧振腔作用下，實(shí)現(xiàn)了氟原子激光躍遷，波長(zhǎng)分別為623.97 nm、634.85 nm和641.36 nm。概要指出：“這是我國(guó)首次獨(dú)自發(fā)現(xiàn)的激光新譜線”。
自美國(guó)人梅曼以氙燈抽運(yùn)紅寶石首次實(shí)現(xiàn)激光振蕩之后，六七十年代國(guó)際激光領(lǐng)域十分活躍，發(fā)現(xiàn)能產(chǎn)生受激光發(fā)射的物質(zhì)越來(lái)越多，工作介質(zhì)包括固體、液體、氣體和等離子體，材料涉及晶體、玻璃、半導(dǎo)體、有機(jī)螯合物、染料、惰性氣體、金屬蒸氣、分子氣體、準(zhǔn)分子氣體……抽運(yùn)方式有放電、氙燈抽運(yùn)、氣體動(dòng)力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)、太陽(yáng)能、爆炸乃至核反應(yīng)等方案。當(dāng)時(shí)有人調(diào)侃：“隨便找種什么東西來(lái)打打，說(shuō)不定都會(huì)打出激光。”（“打打”，指激發(fā)、抽運(yùn)）
可是在那段時(shí)期，我國(guó)雖然有許多的國(guó)家級(jí)和地方的專業(yè)研究所，許多大學(xué)也有激光專業(yè)，但大多著重激光的應(yīng)用開發(fā)和相關(guān)的工藝技術(shù)，缺乏基礎(chǔ)性的探索工作，對(duì)創(chuàng)新性不夠重視。正是在這樣的時(shí)代背景下，我們小組發(fā)現(xiàn)了一組未見(jiàn)報(bào)導(dǎo)的氟原子激光譜線，躋身于新激光譜線發(fā)現(xiàn)者的行列。物以稀為貴，便有幸在中國(guó)激光發(fā)展歷史中留下一個(gè)小小的印記。
意外的收獲
我們的發(fā)現(xiàn)，可以說(shuō)是出于偶然，因?yàn)槲覀冃〗M的工作任務(wù)并不是查找新的激光躍遷；但也不是純粹的偶然，因?yàn)樾〗M的目標(biāo)是尋找激光的新途徑，而為了弄清楚新譜線的來(lái)龍去脈，我們付出了不少努力。故事還要重頭說(shuō)起。
中科院上海光機(jī)所于1964年建所，中心任務(wù)是研制強(qiáng)激光，習(xí)慣稱大能量激光器，主攻路線為氙燈抽運(yùn)釹玻璃，經(jīng)過(guò)十年的奮斗，研制出規(guī)模與水平當(dāng)時(shí)位居國(guó)際前列的大能量釹玻璃器件。但是大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析表明，受到抽運(yùn)方式和工作物質(zhì)特性的限制，器件的總體效率偏低，輸出光束的亮度較差，玻璃的激光能量負(fù)載不夠大，這條路線難以達(dá)到最終目標(biāo)。到了文化大革命結(jié)束不久，玻璃大能量的工作便告終止。
工作有了新的安排，我們有些人便組織起“新途徑探索”研究小組，希望東邊不亮西邊亮，尋找出返往應(yīng)用的激光新途徑、新體系。既然氙燈抽運(yùn)固體或玻璃有困難，我們便瞄準(zhǔn)放電激發(fā)氣體的體系。當(dāng)時(shí)準(zhǔn)分子剛嶄露頭角，我們便決定騎驢找馬，抱著“即使做不成大能量，也能做出新激光器”的宗旨，立即動(dòng)手，自力更新，從頭做起。
當(dāng)時(shí)是計(jì)劃經(jīng)濟(jì)，市場(chǎng)不發(fā)達(dá)，做科研大多數(shù)都是自己動(dòng)手，土法上馬。科研人員除了讀書做實(shí)驗(yàn)外，還必須會(huì)做各種活。
我們要建立一個(gè)小小的氣體激光實(shí)驗(yàn)室，幾個(gè)人就忙于以下各種事務(wù)：
1）搬鋼瓶，找氣體，在室外搭建小房子存放充有高壓氣體的鋼瓶；
2）搭排氣臺(tái)，建立可以定量存放各種氣體的氣路，我們小組成員中有人會(huì)玻璃細(xì)工，自己能連接玻璃管道；
3）制作電源，做放電室和腔體，除了繪圖外，經(jīng)常要跑車間，或看加工，或與師傅商量工藝（例如電鍍），好在當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)室與工廠車間同在一個(gè)大院，跑起來(lái)很方便。
我們的首選目標(biāo)是XeF準(zhǔn)分子體系，要有NF3、Xe和He氣，后兩種屬常用氣體，可以訂貨。但前者是有毒的氟化物，必須通過(guò)與中科院有機(jī)所實(shí)驗(yàn)工廠協(xié)作生產(chǎn)。幸好我們大組里有一位化學(xué)專業(yè)的同事，由他專門負(fù)責(zé)與工廠合作，經(jīng)常奔走于市區(qū)內(nèi)外。
激光器主體為布魯林放電裝置，這是一種業(yè)余工作者也能制作的快放電設(shè)施，以前常用于氮激光，其特點(diǎn)是一對(duì)長(zhǎng)約0.5 m的銅制楔形電極，刀口間距約為2 cm，儲(chǔ)能電容和形成電容均為分布參量平板電容，球隙作放電開關(guān)。
自己動(dòng)手搭建裝置，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，但也有好處：一是熟悉器件各個(gè)環(huán)節(jié)，出現(xiàn)問(wèn)題知道如何解決；二是自己會(huì)修理，敢于做各種條件的實(shí)驗(yàn)。
我們知道，XeF激光波長(zhǎng)為351 nm，屬于眼睛看不見(jiàn)的近紫外波段。紫外線照射到白紙上會(huì)激發(fā)出淡藍(lán)色的熒光。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置中制作最簡(jiǎn)便的要算激光的觀察“設(shè)備”——一個(gè)紙屏！而我們激光的小發(fā)現(xiàn)正是在小紙屏上開始的。
熟知的氮分子激光也是紫外輻射。裝置做好后，首先充氮?dú)庾鳛榻橘|(zhì)，調(diào)整各個(gè)部件，使氮激光達(dá)到最佳輸出狀態(tài)，即紙屏上藍(lán)光坊圖最完整、最亮。
然后進(jìn)入正式的程序：抽空，排氣，按不同成分比充入NF3、Xe和He，充電、放電、調(diào)節(jié)脈沖放電重復(fù)頻率，在反反復(fù)復(fù)多次操作后，終于在紙屏上看到淡淡的藍(lán)色熒光，我們成功實(shí)現(xiàn)XeF準(zhǔn)分子激光振蕩了！
在XeF激光調(diào)試中，在紙屏上我們時(shí)常會(huì)看到淡淡的紅色光斑，即使不出現(xiàn)藍(lán)光，有時(shí)也有紅光，它的顏色很接近He-Ne激光。后者的波長(zhǎng)為632.8 nm，是Ne的譜線，與He無(wú)關(guān)。我們查閱XeF激光有關(guān)的文獻(xiàn)，沒(méi)有提到它有紅光輸出。
紅光來(lái)自何方
我們注意到，工作室不充Xe，紅光也會(huì)出現(xiàn)。由此可推算紅光來(lái)自氟元素的可能性最大。但查閱資料卻找不到氟原子或氟分子出激光的報(bào)道。順便在此說(shuō)說(shuō)，20世紀(jì)70年代中期，中國(guó)尚未進(jìn)入改革開放，狀態(tài)比較封閉，到圖書館或情報(bào)室查資料，絕大部分外國(guó)的學(xué)術(shù)雜志是影印本，消息大都滯后一年半載以上。
我們決定自己動(dòng)手搞清楚紅光是不是氟原子或氟分子的受激躍遷。主要做3件事：測(cè)波長(zhǎng)、能級(jí)確定和激光實(shí)驗(yàn)。
測(cè)波長(zhǎng)
現(xiàn)在儀器的智能化程度高，做光譜分析很方便，但幾十年前標(biāo)光光譜頗費(fèi)周折：搬運(yùn)笨重的1 m光柵光譜儀，散開在一個(gè)大桌子上的激光器統(tǒng)調(diào)光路，調(diào)整譜儀；尋找相應(yīng)波段范圍的標(biāo)定用光譜燈；訂感光干極和顯影藥品；修理簡(jiǎn)陋的暗房，設(shè)法借來(lái)顯微閱讀機(jī)等。
經(jīng)過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牟僮?，最終測(cè)到的結(jié)果是3支譜線，分別為：623.97 nm、634.85 nm（強(qiáng)）和641.36 nm（弱），精度為±0.03 nm。
能級(jí)確定
有了光譜數(shù)據(jù)，便緊張地抱來(lái)權(quán)威的原子光譜手冊(cè)。這是“揭開謎底的時(shí)刻”， 是活學(xué)活用原子光譜學(xué)的時(shí)刻。
經(jīng)查對(duì)，氟原子有3P4S-3S4P的一組躍遷，正好與我們的測(cè)定值吻合。
激光實(shí)驗(yàn)
我們加工了穩(wěn)定型平凹腔（R∞， R3m）在此諧振腔下。激光光束發(fā)散角約5-6 mrad。雖然方向性不是很好，但明顯受諧振腔約束，屬于受激輻射。
改變氣壓、電壓裝置，改變放電重復(fù)率，變化腔參數(shù)，觀察相應(yīng)的激光輸出，在此基礎(chǔ)初步了解了激光的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。
至此可以充分肯定，在我們實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了一組來(lái)自上能級(jí)3P4S0的三支氟原子激光譜線。但激光輸出不算強(qiáng)，在理論上其量子效率只有13%，不算高，而且容易形成超輻射。
從我們小組尋找新途徑的要求來(lái)看，氟原子體系不是理想的候選者，工作做到此便告一段落了。
氟原子激光譜線是上千譜線大海中的一點(diǎn)，氟原子激光器也正如我們當(dāng)時(shí)預(yù)想那樣，沒(méi)有成為常用器件。我們當(dāng)時(shí)的努力已成為塵封的小小故事。不過(guò)，發(fā)現(xiàn)有大有小，意義有深有淺，我們的經(jīng)歷給人一種信念，即只要積極實(shí)踐，勤于思考和學(xué)習(xí)，認(rèn)真地觀察各種現(xiàn)象，總會(huì)有所發(fā)現(xiàn)，有所前進(jìn)。哪怕是小小的發(fā)現(xiàn)，即使不算什么成就，也可以鼓舞別人、鼓舞自己。到晚年回想起來(lái)，還可以感受到一點(diǎn)點(diǎn)正能量。
作者簡(jiǎn)介：
梁培輝，退休研究員。1939年出生于廣東，1963年從清華大學(xué)無(wú)線電電子學(xué)系畢業(yè)后進(jìn)入中科院長(zhǎng)春光機(jī)所，次年隨遷至上海，此后一直在中科院上海光機(jī)所從事激光與光電子學(xué)的研究與開發(fā)。上世紀(jì)作為洪堡學(xué)者在1979—1980年，1987—1988年期間在聯(lián)邦德國(guó)馬普學(xué)會(huì)的研究所進(jìn)行訪問(wèn)研究。
主要研究經(jīng)歷：大型釹玻璃激光器、工程用銅蒸氣激光與光學(xué)系統(tǒng)的研制、激光參數(shù)測(cè)量、激光光譜、薄膜表面的表面測(cè)量、激光表演與光學(xué)景觀的技術(shù)開發(fā)。
曾獲得中國(guó)專利發(fā)明創(chuàng)造金獎(jiǎng)、國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)、中科院技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)，享受國(guó)務(wù)院政府特殊津貼，被評(píng)為中科院先進(jìn)工作者。
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