1 引言

　　1916 年，爱因斯坦在论述普朗克黑体辐 射公式的推导中提出了受激辐射原理 [1] ，为 激光器的发明奠定了理论基础。1960 年红宝 石激光器的问世是一项划时代的发明。如果 说，发明蒸汽机和发电机使人类能够自主利 用机械能和电能，那么，发明激光器则使人 类真正学会了利用光能 [2] 。特别是激光武器 概念的提出，使高功率激光器的研制成为国 家竞争战略的一部分，如同光刻机、精密机 床一样，高功率激光器是国防尖端武器、先 进制造等领域不可或缺的大国重器，是一个 国家整体科学技术水平和制造水平的主要标 志之一，是一项极具挑战性的、具有战略意 义的综合性工程。

　　1970 年，力学所在“文革”尚未结束， 信息匮乏、几乎没有任何相关研究基础的条 件下，瞄准国际前沿和国家未来重大需求， 将高功率激光器研制作为头号任务， 提出“一 光二厂三应用”的口号。既体现了科研国家 队的责任和勇气，也表现出特殊历史条件下 的睿智。接受任务的科学家们凭着科研人员的本份和一腔热血，从零起步，不畏艰难， 经过几年艰苦努力，在建国三十周年前夕， 成功研制出我国第一个输出功率 1000W、稳 定运行达 4 小时的横流电激励连续二氧化碳 激光发光装置 [3,4] ，在我国激光器研制与发展 史上留下了光辉的、不朽的功绩。

　　由于历史的原因，力学所的这项具有 开创意义和巨大应用前景的工作并未获得国 家立项，也未正式鉴定。随着时间的推移， 五十年前这项所级重大决策，并投入了大量 人力物力、持续了十多年的工程渐渐被淡忘， 只散见于少数文献的概括性描述 [4,5,6] ，缺乏 对这项工程较为全面的表述。五十年过去了， 当年参加这项工程的老同志们已步入古稀之 年，少数同志已经离世。为了保留这段珍贵 的历史记忆，先进制造工艺力学重点实验室 李正阳采访了当年参加激光器研制工作的部 分老同志，部分还原了那段艰难而光辉的历 程。本文根据采访录音整理，主要回顾了力 学所研制高功率横流电激励二氧化碳激光器 的起源、大致过程、成果及后续的一些发展。

　　2 起源

　　“文革”期间，除了政治学习，大家都 无事可做。上世纪六十年代末，国外研究动 态显示，以 CO2 气体为主要发光介质的激光 器获得了高达 1000W 的输出功率。大约在 1970 年底，由刘达伟、孙继中、刘剑峰、蒋 灿兴等人发起，经过调研之后，认为气体激 光器在国际上刚刚开始研制，国内还没有人 做，可以军民两用，有可能是将来比较有前 途的一个方向。很快，这项工作得到了所革 委会领导批准，从二室(爆炸力学室) 、四 室(物理力学室) 、十二室(固体力学室) ， 以及所内外一些相关单位抽调一部分人员， 组建了激光连，连长是孙继中，书记是蒋灿 兴，后改为十四室(激光室) 。担任过室领 导的有：吴承康，解伯民、陈海韬等同志， 另外， 还有周光地、吴中祥、刘达伟、金和、 张秀琴等同志，并且将研制激光器列为力学 所工作的头号科研任务，号称：  “一光二厂 三应用”，即：第一，大功率激光器研制， 第二，办好工厂，第三，加强应用。刚成立 时，激光室分三个组：气动组，由解伯民和 俞刚负责，研制气动激光器，主要解决谐振 腔设计、气体流动、真空、系统冷却等问题； 电激励激光组，大组长是刘达伟，下设脉冲 激光器组、流动激光器组、电源组。脉冲激 光器组有孙同坤，傅裕寿，唐念六等同志。 流动激光器组有， 李旭昌， 姜在英， 孙传香， 卓寿镛等同志， 电源组由胡昌信、金和负责， 还包括：刘若宽、张裕民、李谨科等同志， 研制与激光器配套的电源；光学镜片组，由 刘金珍和赵双禄负责，主要制作激光器需要的镜片，并负责解决光路设计和激光功率测 量。以后， 张旭东、张维明等同志陆续加入， 激光室一度达到一百多人的规模。当时电激 励组的目标是做兆瓦级脉冲激光器，后来， 课题组变动，由李旭昌、孙同坤负责，调整 为做连续激光器。提出了“两横一大”技术 方案，即：横向流动、横向激励，大功率。 坦率地说，当时的经费不成问题，方案定了 之后，同志们奔赴大连、上海等地，采购物 质和设备。调动人力、物力， 集中力量办大事， 很快行动起来了。　

　　3 攻坚克难，自主研发

　　从原理上讲，气体激光器用气体作为放 电介质，必须先抽真空，达到一定真空度之 后，再按一定比例充入 CO2 、He、N2 等组 成的混合气体， 所以， 首先要解决真空问题， 其次是控制气体的流速和压力，使真空度保 持在能够持续稳定辉光放电，第三，探索电 路和电极设计方案，确保谐振腔中稳定的气 体放电。这些问题往往又交织在一起，常常 按下葫芦浮起瓢，需要统筹解决。

　　大功率气体激光器的基本原理是将气体 的辉光放电能量转化为激光能量，前提条件 是在低气压中实现大面积的均匀放电， 但是， 放电有很大的随机性，如果是两块大的平板 电极， 只要有一处击穿， 便产生一个大电弧。 为了实现长时间均匀稳定放电，遂改用针 - 板电极，用多个针对着多个板来控制放电。 即使这样， 有时也只有一对针 - 板集中放电， 其他针 - 板不放电。于是，又给每个针电极 串联电阻，采用电阻限流放电，这样即使一对针 - 板电极放电，电压也不会瞬间归零。 另一种办法是用电容储能，把大电容改为许 多小电容， 将每一对针电极与电容并联起来， 每个电容对一个针 - 板电极。最终采用串联 电阻和并联电容两个方法，实现了比较均匀 的放电。最后定型的时候，采用的是管 - 板 放电。

　　气体放电后，谐振腔温度升高，需要冷 却，将温度控制在一定范围内。由于气体的 流速必须稳定在 40m/s 才能实现稳定放电， 经过李旭昌、姜在英等人的计算和大量试验， 设计了气动性能好的流道，减少气体流动阻 力并在放电区形成流速均匀，采用调压变速 改造一台大功率离心式风机，最终确定了最 佳流速，完成了这项难度较大的风机改造工 作。气体流速高，风机的转速就比较快，达 到 3000 转 / 分，电机轴要穿过真空室，真 空密封又成了问题，只好把电机放到真空系 统里。结果，由于气压低，常规电机绝缘性 不能满足要求，电机被击穿。经过实验，最 后选择加强定子线圈的绝缘来解决。为解决 真空密封问题，整个激光器的密封面都是同 志们就用油石手工打磨，从机加工后的 6 精 磨到 8(相当于 Ra=0.8μm)。

　　二氧化碳激光器的工作气体实际上是 CO2 、N2、He 按一定比例的混合气体，其 中 He 占三分之二以上。但是，在当时，He 气的价格是 CO2 的 100 多倍，为此，尝试用 Ar 气代替 He 气，因为 Ar 气的价格大约是 He 气的四十分之一。实践证明，用 Ar 气部 分或全部代替 He 气，激光输出效率更高。 但是，其功率稳定性稍差 [7]。

　　到 1974 年底， 研制的装置已经能够出光了， 试验结果显示， 激活区长度为 37cm， 最 大输出功率 400W。这时，测量更大功率的 激光仪器被提上日程。响应时间快、线性好 的红外激光功率计比较娇气， 接收面积很小， 不宜用来直接测量大功率激光。对于千瓦量 级的激光输出，专门研制了水冷式积分球激 光功率计。积分球能把入射的激光束，经球 壁的漫反射面发散分布在整个球面上，用一 快速探测元件在球壁局部地方“取样”以测 量整个激光束的功率。积分球的关键是内壁 采用什么样的漫反射面，用粗糙金属面代替 传统漫射面的方案，可以直接承受高功率激 光的辐照，加上流水强制冷却，自行研制的 积分球能连续接收入射的高功率激光，响应 时间可达到 10-1 秒 [8]。

　　按照每米激活长度出光 1000W 的实验结 果， 为了获得更高的输出功率， 向国庆 30 周 年献礼，将放电管由 600mm 加长到 1 米。 终于在 1979 年国庆节前夕，激光输出功率 达到了 1000W，并能稳定运行 4 小时以上。 这是我国第一台采用横向电激励技术路线的 千瓦级别二氧化碳激光器，是我国激光器自 主研发历史上的一个里程碑。激光器发展历 史已经证明，横向电激励二氧化碳激光器是 二十世纪七十年代至本世纪前十年中，市场 占有率最高、应用面最广的高功率气体激光 器，是工业激光器的代表。力学所的科研人 员在二十世纪七十年代选择横向电激励的技 术方案，可谓独具慧眼。

　　4 成果转化

　　改革开放给科研人员带来了科学的春 天，力学所希望对这项成果进行鉴定。由于体制的原因， 兄弟单位上海光机所的千瓦级横 向电激励二氧化碳激光器成果得到了鉴定[4,9]， 李旭昌同志任鉴定专家组技术负责人。不久， 教育部支持下的华中工学院(现华中科技大 学)的 2000W 横向电激励二氧化碳激光器也 通过了鉴定 [4]。

　　在计划经济体制下，继续研制高功率激 光器的任务由上海光机所承担， 同时力学所的 各个主要研究方向纷纷恢复， 激光室的任务遂 转向成果转化。原北京市机电研究所的领导 以敏锐的市场眼光， 看到了激光加工的商机， 派刘永桢等同志到力学所考察、学习激光器研 制工作。按照力学所无偿提供的图纸， 在李旭 昌等同志帮助下， 试制了两台样机， 并将其中 一台赠予力学所使用， 该成果获得北京市科技 进步二等奖。后来， 北京市机电研究所不断改 进技术方案， 将大功率二氧化碳激光加工装备 推向市场，取得了良好的经济效益。另一方 面力学所与中国铁道科学院金属与化学研究 所李志忠等同志合作 [10] ，在原铁道部大连机 车车辆厂试验修复东风Ⅳ型内燃机缸套， 用激 光淬火技术提高了缸套的耐磨性和使用寿命， 获得辽宁省科技进步三等奖。

　　5 尾声

　　由于历史的原因，自主研发高功率激光 器的事业未能在力学所持续进行下去， 同时也 失去了研发国防尖端武器、参与国家战略竞争 的一个重大机会。塞翁失马， 焉知非福。投入 了大量人力物力、持续了十多年的工程毕竟给 力学所在激光技术及其应用方面打下了坚实 的基础，培养了一批人才。1992 年，由中国 科学院力学研究所牵头， 联合首都钢铁公司、北京吉普汽车有限公司、中国大恒公司等单 位共同开发的“YAG 激光毛化轧辊技术”通 过了国家级鉴定， 并在 2007 年获得了国家技 术发明二等奖。老一代科学家们的创业精神、 拼搏精神得到了弘扬，结出了灿烂的果实。 这是力学所科研史中浓墨重彩的一笔，不能 被遗忘。

　　参考文献

　　[1] 爱因斯坦，关于辐射的量子力学，    《爱 因斯坦文集》第二卷，商务印书馆，北京，1977.

　　[2] W. M. Steen, 第 8 届全国激光加工学术会 议，2006 年 10 月 25-26  日，广州

　　[3] 李旭昌、胡昌信、刘永祯、张维明等同志 座谈录音，中国科学院力学研究所，北京，2017 年 6 月

　　[4] 邓锡铭，  中国激光史，  科学出版社，  北京， 1991，p93。公开文献记载的成功研制我国第一  台千瓦级横流电激励二氧化碳激光器的是中国科 学院上海光学精密机械研究所，见中国激光(原  《激光》)，1979, 6 (8): 63

　　[5] 王家金， 激光加工技术，  中国计量出版社， 北京，1992，p29

　　[6] 朱企业， 激光精密加工， 机械工业出版社， 北京，1990，p204

　　[7]  李 旭 昌，   孙 同 坤，    以 氩 代 替 氦 对 流 动 CO2 激光器输出特性的影响，光电子  · 激光(原 《应用激光联刊》)，1982，1 -2 (3): 49-52

　　[8] 孙祉伟，李伟，孙同坤，孙传香，水冷 式积分球功率计，   仪器仪表学报，1980, 1 (4): 99- 103

　　[9]  中国科学院上海光机所横流激光器研究 组，横流 CO2 激光器获 2 千瓦连续输出，中国 激光(原《激光》)，1979, 6 (8): 63

　　[10] 李志忠，阴士健，孙同坤，张维明，张 福瑞，东风 4 型内燃机车缸套激光热处理研究， 光电子 ·激光(原《应用激光联刊》)  ，1982，  1-2 (2): 16-1