文 ｜ 《中國科學報》 記者 王兆昱
1961年9月，一束橘紅色的亮光從吉林長春發出，照亮了中國的雷射史。這束光發射自中國首台紅寶石雷射器，由光學科學家、中國科學院院士王之江、鄧錫銘等研制而成。
這台紅寶石雷射器可不簡單。它誕生于中國科學院光學精密機械研究所（中國科學院長春光學精密機械與實體研究所〈以下簡稱長春光機所〉前身之一），僅僅比美國實體學家西奧多·梅曼研制出世界首台雷射器的時間晚了一年，使用了前所未有的創新設計，擁有更優良的性能和更高的效率。
這是屬于中國的“光”，凝聚了科研人員的全部心血。在當時經濟困難、工業基礎薄弱的條件下，長春光機所能在較短時間内成功研制出紅寶石雷射器，創造“中國第一”“世界第二”的奇迹，實屬不易。
中國第一台紅寶石雷射器。
“劃時代”的發明
雷射，是20世紀以來繼原子能、計算機和半導體之後的又一重大發明，因其獨特屬性被廣泛應用于諸多領域，如醫學中雷射近視手術等高精度、微創治療方法，制造業中雷射打标、切割與焊接三大技術，通信領域的雷射光纖通信技術，以及國防中的雷射制導武器、雷射雷達與雷射防禦系統等，被稱為“最亮的光”“最準的尺”和“最快的刀”。
對于雷射在人類科技發展史上的意義，王之江曾評價說：“在20世紀的100年裡，光學的發展經曆了名副其實的飛躍，其中雷射的發明起了劃時代的作用。”
獲得如此重要的雷射，實屬不易，因為它并不是自然界發出的光，而是通過“受激輻射”放大的光。雷射的理論基礎是愛因斯坦在1917年提出的“受激輻射”理論，即原子在受到外部能量激發時可以發出光，并且這種光是相幹的。
1958年，美國實體學家查爾斯·湯斯和阿瑟·肖洛在《實體評論》上共同發表論文《紅外和光量子放大器》，提出第一個實際雷射器的概念，預言了雷射的可行性。
論文發表後，全球競争分外激烈，許多國家的研究組都試圖第一個做出雷射器。
群雄逐鹿之下，中國科學家也不甘人後。當時，長春光機所的王之江、王乃弘、顧去吾等一批年輕科研人員已經察覺到經典光學的若幹定律嚴重限制光學技術的應用，産生了打破經典光學定律、改革光源的創新實體思想。這些思想與《紅外和光量子放大器》中的研究結論不謀而合。
在讀到湯斯和肖洛的論文後，王之江等人馬上領悟到其精華。他們意識到，光激射器（後稱雷射器）的誕生具有劃時代的革命意義——經典光學若幹定律的限制被突破，相幹性光波的産生和應用也有着廣闊的前景。他們當即決定，探索雷射這個重要的新研究領域。
然而，當時的中國與英美等發達國家幾乎沒有交流，隻能通過一些國外學術刊物了解世界科技前沿。中國科學院電子學研究所的黃武漢了解到國外微波量子放大器的研究資訊，率先在國内開始了紅寶石微波量子放大器的研制工作，并在1959年底做出液氮溫度下的10厘米波段和3厘米波段的量子放大器。
在黃武漢成果的啟發之下，王之江、鄧錫銘等人開始研發光量子放大器，但當時這并不是他們的主要工作。于是，風華正茂的他們利用業餘時間，在沒有經費支援的情況下進行自發研究。
1960年5月，梅曼在美國貝爾實驗室制造出世界上第一台雷射器。該成果一經釋出，令世界矚目，也給了長春光機所的研究人員巨大鼓舞。因為當時世界上許多科學家都覺得，應該使用氣體物質作為激發媒體，而梅曼制造出的紅寶石雷射器讓大家看到了紅寶石作為激發媒體的可行性。
梅曼發明世界上第一台紅寶石雷射器。
中國科學院長春分院分黨組書記、院長金宏說：“首台雷射器出現之後，王之江等人給所上司寫了一封信，他們的工作得到時任所長王大珩的高度重視與大力支援。1960年底，王之江等人很快制定了産生紅外雷射的實驗方案，可見他們的科學功底以及對這個問題把握之深。這份手寫的方案現在還保留在長春光機所的圖書館中。”
刻苦攻堅，砥砺前行
要盡快做出紅寶石雷射器，對于當時長春光機所的研究人員來說，既是難得的機會，又是艱難的挑戰。
由于新中國工業基礎薄弱，國内能夠提供的現成材料很少。例如，當時國外市場上很容易買到的脈沖氙燈，在國内卻沒有能夠生産的廠家，是以王之江等人隻能從頭開始設計制作紅寶石雷射器所需的脈沖氙燈。又如，當時國産紅寶石在均勻性、透射率、散射顆粒等方面與國外紅寶石的品質差距較大，不能滿足光學要求，需要研究人員進一步改進技術。
此外，長春光機所的研究人員沒有無線電學科背景，并不熟悉諧振腔理論，在設計諧振腔時需要從頭學起。
中國科學院儀器館（長春光機所舊址）。
時任長春光機所研究部副主任的鄧錫銘這樣描述研制雷射器時的條件：“盡管我們不是世界上第一次嘗試，但除了原理性的一兩篇文章之外，當時隻看到過一兩篇新聞報道。要在我們自己的實驗技術基礎上把一種全新的設想變為現實，确實是不容易的。”
當時30歲的鄧錫銘已來長春光機所工作8年，他下定決心要做出中國自己的雷射器。于是，他利用業餘時間學習大量與雷射相關的知識，不分寒暑，廢寝忘食，和王之江一起組織和參與中國第一台雷射器研究。鄧錫銘從小善于思考，動手能力極強，對實體學有着濃厚的興趣與極強的直覺，1952年大學畢業後就立志終生從事光學研究。
與鄧錫銘同年出生的王之江也是在1952年來長春光機所工作的，并參與了中國科學院儀器館（長春光機所前身之一）的創辦。他們見證了老一輩科學家艱苦創業的精神，也把這種精神切實帶到了工作中。
王之江在上司研制紅寶石雷射器之前，已經完成大量國家急需光學儀器的設計，并在1958年至1959年開設了兩期光學設計教育訓練班，為中國培養了大批光學人才。而他本人也積累了豐富的上司和實踐經驗。
王之江和鄧錫銘帶領團隊，在紅寶石雷射器的研制工作中進行了3處結構上的技術創新，分别是直管狀脈沖氙燈、球形成像照明器以及内有聚焦裝置的諧振腔。這些創新使大陸研發的紅寶石雷射器比美國那台效率更高，相關工藝在此後的雷射領域沿用了幾十年。
首先是直管狀脈沖氙燈設計。梅曼制造的紅寶石雷射器使用的是螺旋狀氙燈，而王之江等人在重新設計時根據所掌握的光學規律對氙燈進行了改進。“國外使用的螺旋狀氙燈實際并不科學，我們研究發現，燈的有用尺寸不能超過寶石棒，是以我們制作了直管狀的脈沖氙燈。”王之江說。
在氙燈的制作過程中，科研人員還遇到了氙燈鎢極與石英間的封接難題以及氙氣的供應難題。長春光機所技術人員杜繼祿憑借高超的技巧吹制了20多種過渡玻璃，完成對高功率石英管壁鎢電極脈沖氙燈的封接，其創立的工藝被國内雷射領域沿用幾十年。而氙燈所用的幾瓶氙氣，則是由一位采購員走遍半個中國，在一家不知名燈泡廠的庫房中找到的解放前的庫存。
其次是設計出球形成像照明器。當時，梅曼的橢圓漫射照明器在國外一度很流行，王之江卻根據光學的基本原理分析得知，球形照明系統比橢圓照明系統更有效率，成像照明也比漫射照明更有效率。中國是世界上首次采用球形成像照明器的國家，這種設計的激發效率比梅曼的高。
最後是内有聚焦裝置的諧振腔，這是針對國産紅寶石晶體的缺陷進行的創新。長春光機所的研究人員一開始學習了湯斯和肖洛的平行平闆反射諧振腔理論，但在後續試驗中發現，國産紅寶石缺陷導緻諧振腔中的波形數估計值誤差很大，因而将寶石加工成兩面不平行的不規則形狀，并用冷陰極濺射法使寶石棒一端全鍍銀，另一端鍍銀面透射率在2%至15%之間。
1961年9月，中國第一台紅寶石雷射器誕生并成功實作雷射輸出。這是實至名歸的“中國第一”“世界第二”——比美國僅晚了一年多，比蘇聯造出的第一台早兩個月。
王之江在談及這台紅寶石雷射器的研制時，将成功的原因歸結為三點——長春光機所的早期發展奠定了所需的技術基礎；年輕科技人才學術水準的迅速提高奠定了所需的人才基礎；國外研究的啟發和中國學者創新精神的融合加快了研究程序。
中國科學院儀器館（長春光機所舊址）。
中國之“光”，蒸蒸日上
紅寶石雷射器的誕生對大陸科技領域具有重大意義。《中國科學院編年史》評價稱：“它的研制成功，在中國開辟了一個全新的研究領域。”
紅寶石雷射器對經濟發展的意義也不可小觑。金宏指出：“作為重要的支撐技術，自紅寶石雷射器研制成功後，各類雷射器如氣體雷射器、半導體雷射器、化學雷射器、固體雷射器等及其相關技術有如雨後春筍般競相湧現。經過多年發展，雷射産業已成為國民經濟中一個極為重要的組成部分。”
随着國際和國内雷射技術的應用與快速發展，1964年5月，中國科學院光學精密機械研究所上海分所（中國科學院上海光學精密機械研究所〈以下簡稱上海光機所〉前身）成立。上海光機所是世界上第一個專門從事雷射研究的研究所，自此，中國的雷射事業“開枝散葉”。
中國科學院儀器館（長春光機所舊址）。
而王之江也以其敏銳的科學嗅覺繼續為雷射事業作出貢獻。他始終站在雷射科學技術的最前沿，密切注視世界雷射科技發展的最新動态，及時組織力量進行跟蹤和追趕，努力使大陸在雷射科技上的研究水準跟上國際發展的潮流。
在上海光機所成立後，王之江擔任該所固體雷射器研究室主任，開展雷射實體、雷射單元技術和總體裝置的研究。他和同僚標明钕玻璃作為重要工作物質，通過提高效率和擴大規模提高其輸出功率；通過多種措施改善方向性，使其成為高亮度器件。他們試制成的钕玻璃雷射器達到國際先進水準。
鄧錫銘則牽頭雷射核聚變研究，開拓、發展高功率雷射驅動器，建成大陸最大的“神光”雷射裝置，并利用神光裝置在慣性限制聚變、X光雷射等高科技前沿領域取得了一系列重大研究成果。
時光飛逝，悄然間，中國之“光”蒸蒸日上。2005年，國際光學委員會（ICO）學術大會首次在中國舉辦。彼時，長春光機所原所長王大珩已是92歲高齡，受邀來長春參會的湯斯也已92歲。兩位跨越世紀的老科學家，見證了由雷射開啟的人類新時代。
金宏回憶：“在那次ICO大會上，兩位老人都作了近兩個小時的學術報告。湯斯專門看了我們中國的第一台雷射器，對此十分贊賞，他說‘你們這個比梅曼那台效率要高得多’。”
湯斯夫婦（左一和左二）參觀長春光機所。
2005年國際光學委員會大會開幕式現場。圖檔除署名外，由長春光機所提供
正是多年前誕生在中國科學院的那台紅寶石雷射器發出的明亮光束，照亮了中國雷射事業發展與研究人員的前行之路。金宏評價：“在起步階段，大陸的雷射技術發展迅速，無論數量還是品質，都與當時的國際水準接近。一項創新性技術能夠如此迅速進入世界先進行列，在大陸近代科技發展史上并不多見。”
中國雷射事業的蓬勃發展，是一代又一代科學家和工程師默默耕耘的結晶。他們肩負起時代使命，敢于創新、勇于探索，将雷射技術的輝煌成就化為國家實力的象征。
今日的中國，正站在科技創新的前沿。紅寶石雷射器“激發”中國之光，照亮“中國夢”的輝煌征程。