文 / 唐曉軍(jun) 、金煜堅、王克強、朱辰、薑東(dong) 升，華北光電技術研究所固體(ti) 激光技術重點實驗室

1.引言

從(cong) 1970年代起，在激光界，說起“十一所”，誰人不知誰人不曉。隻要做固體(ti) 激光器，從(cong) 國內(nei) 采購元器件，首先就繞不開“十一所”。“十一所”的增益介質晶體(ti) 、鏡片加工鍍膜、泵浦氙燈、激光電源等，都是行業(ye) 同仁的首選。直到21世紀初，隨著市場經濟的崛起，社會(hui) 化分工的發展，尤其是民營經濟的進步，“十一所”在國內(nei) 固體(ti) 激光技術領域的核心作用才有所下降。但是側(ce) 重工藝研究以及產(chan) 品開發的行事風格對國內(nei) 相關(guan) 行業(ye) 發展仍起著重要影響。

“十一所”，全稱是中國電子科技集團公司第十一研究所（又稱華北光電技術研究所，以下簡稱“中國電科十一所”）。1964年以來，一直從(cong) 事固體(ti) 激光技術的研究工作，內(nei) 容涵蓋材料、器件、整機，涉及增益介質材料晶體(ti) 生長、光學鏡片加工鍍膜、泵浦氙燈製備、泵浦腔加工、配套驅動電源研製、激光測距整機研製等。縱向看，與(yu) 激光技術相關(guan) 的材料、器件、整機有著係統性的布局；橫向看，脈衝(chong) 輸出激光、連續輸出激光、可調諧輸出激光、聲光調Q、電光調Q、鎖模技術等有著全麵性的布局。

作為(wei) 麵向應用，側(ce) 重工藝研究的工業(ye) 部門研究機構，中國電科十一所始終以需求為(wei) 牽引，不斷突破關(guan) 鍵技術，並以提供完整解決(jue) 方案，交付產(chan) 品為(wei) 首要目標；另一方麵，由於(yu) 麵向主要需求方自主可控，全產(chan) 業(ye) 鏈布局的特點，在行業(ye) 發展初期，對國內(nei) 技術進步的推動無疑是全方位的。可以說，中國電科十一所激光技術的發展成就是自身定位準確、內(nei) 部專(zhuan) 業(ye) 布局完善、需求牽引與(yu) 技術發展良性循環等諸因素作用的必然結果。

在創新成為(wei) 社會(hui) 發展靈魂的今天，作為(wei) 傳(chuan) 統科研機構的中國電科十一所，在大膽創新的同時，仍強調通用工藝技術的設計實施，注重技術的產(chan) 品實現。本文以用於(yu) 激光探測的脈衝(chong) 固體(ti) 激光技術為(wei) 主線，對中國電科十一所固體(ti) 激光技術發展曆程做一簡要回顧。

2.攻關(guan) 階段：核心技術得突破，技術產(chan) 品得應用

1964年，激光器剛剛發明不久，中國電科十一所便成立了激光研究室。按照當年計劃體(ti) 製的要求，研究室以固體(ti) 激光技術為(wei) 主，緊緊圍繞應用需求，在固體(ti) 激光技術的材料生長、光學加工工藝、功能器件製作工藝、激光性能測試技術等方麵均開展了研究工作；在曆史上的“三抓”、G-168、人衛測距等工程的牽引下，中國電科十一所的脈衝(chong) 固體(ti) 激光技術從(cong) 無到有獲得了長足發展。

中國電科十一所早期參與(yu) 的激光測距工程項目樣機

用於(yu) 激光測距、激光雷達的脈衝(chong) 固體(ti) 激光器，最初采用的紅寶石增益介質，能量轉換效率極低，熱效應嚴(yan) 重，隻能在1 Hz的低重複頻率條件下工作。重複頻率增加到5 Hz以上的話，泵浦用的氙燈幾秒鍾就炸裂。而且配套電源、冷卻係統也格外笨重，很難應用到移動目標測距定軌需求中，而當年靶場飛行目標軌跡測量提出了實時快速的需求。

怎麽(me) 辦？以梅遂生（梅總）為(wei) 負責人的研發團隊通過反複實驗、觀察，認為(wei) 提高氙燈工作重複頻率後，氙燈的電極過熱是炸裂的關(guan) 鍵因素。恰好當時報紙上報道雙水內(nei) 冷法大大提高汽輪發電機效率的新聞，於(yu) 是梅總想到了解決(jue) 問題的辦法。

他一方麵請上海複旦大學電光源研究室的專(zhuan) 家蔡祖泉協助研製水冷電極脈衝(chong) 氙燈，另一方麵聯係生產(chan) 脈衝(chong) 氙燈的長春燈泡電線廠的孫玉德廠長，請他們(men) 研製了一種長電極脈衝(chong) 氙燈。這兩(liang) 種氙燈都實現了高重複頻率工作。克服了高重複頻率激光器研發的第一個(ge) 障礙後，通過改進聚光腔、諧振腔、紅寶石棒端麵加工工藝等技術環節，又研發出高重複頻率Q開關(guan) 、高重複頻率大功率電源等基礎配套件。1968年，中國電科十一所脈衝(chong) 激光器重複頻率達到20 Hz，脈衝(chong) 峰值功率達到10 MW，滿足了當時激光測距需要，並逐漸形成了係列產(chan) 品，行業(ye) 內(nei) 公認國內(nei) 領先。

此時，摻釹釔鋁石榴石（Nd:YAG）增益介質出現了。該種晶體(ti) 材料是四能級結構，閾值低效率高，物化性能良好，中國電科十一所抓住機會(hui) 組織力量攻關(guan) ，熔鹽法、水熱法、提拉法，通過一年多的摸索，最終確定提拉法作為(wei) 研究方向，又經過幾年的努力，中國電科十一所的Nd:YAG晶體(ti) 不但滿足了本所激光測距用脈衝(chong) 激光器需求，還可以向兄弟單位提供。

隨著水冷電極技術，更換摻釹釔鋁石榴石（Nd:YAG）和調Q技術，中國電科十一所的激光器輸出激光脈衝(chong) 寬度壓窄到納秒量級，提高了測距精度，滿足了靶場飛行目標定軌需求。

隨著高重頻脈衝(chong) 固體(ti) 激光技術的進步，靶場測距技術獲得了強力支撐，奠定了中國電科十一所在激光測距行業(ye) 的龍頭地位。到20世紀80年代末，中國電科十一所在脈衝(chong) 固體(ti) 激光技術領域深耕不輟，關(guan) 鍵技術一一攻克，基本功能完全滿足了各種激光測距的需求。但是作為(wei) 產(chan) 品，批量提供的一致性、可靠性、環境適應性還需要進一步開展技術攻關(guan) 。

早期測距機產(chan) 品

3.發展階段：通用工藝得發力，產(chan) 品可靠性得提高

20世紀80年代中期，中國電科十一所承接了激光測距的首個(ge) 型號項目，對脈衝(chong) 光源可靠性提出了全新要求，需要在嚴(yan) 苛環境條件下長期穩定工作。此前中國電科十一所也還隻是以試驗樣機狀態完成任務，短板主要是激光器的泵浦燈，失效率最高。恰在此時，中國電科十一所得到了一個(ge) 聯合國開發計劃署的項目資助，當時的所領導層決(jue) 策將核心元器件製備工藝引進作為(wei) 重點。

1992年，所裏引進了美國EG&G公司的泵浦燈生產(chan) 線。氙燈研發組在技術骨幹劉力帶領下，經過消化吸收，使得脈衝(chong) 氙燈工作次數由一萬(wan) 次，提高到十萬(wan) 次，乃至千萬(wan) 次以上，彌補了當時脈衝(chong) 激光器最大的短板，支撐了型號項目的順利完成。中國電科十一所也因之成為(wei) 了國內(nei) 最好的泵浦燈生產(chan) 基地。

在同一項目的資助下，中國電科十一所還引進了美國的鍍膜設備和晶體(ti) 生長設備。其中鍍膜設備在隨後很長時間內(nei) 都是所裏生產(chan) 研發的主力設備，保證了激光器光學器件所需鍍膜的品質。而晶體(ti) 生長設備引進所裏後工作得就不那麽(me) 順利了，出現了明顯的“水土不服”。

當時中國電科十一所自有的晶體(ti) 生長設備完全是手動控製模式，雖然可以長出高品質的激光晶體(ti) ，但是尺寸不能長很大，生產(chan) 效率低，而從(cong) 美國引進的設備基本上是自動化生長，上稱重自動控徑，可以生長優(you) 質大尺寸激光晶體(ti) 。但是設備對供電、供水等要求比較高，環境稍有波動就會(hui) 報警保護停機。在當時的條件下，基本上不能正常使用，隻能暫時放置在一邊。

20世紀90年代中後期，中國電科十一所又參與(yu) 了對俄技術引進，內(nei) 容涵蓋鍍膜、晶體(ti) 生長、脈衝(chong) 激光器設計、製造工藝，結合中國電科十一所自身多年技術積累，中國電科十一所在激光晶體(ti) 製備、光學膜製備、激光器適應環境技術方麵，又有了長足進步。這裏又引進了激光晶體(ti) 生長設備，也是自動生長設備。和上次的引進隻進行了簡單的操作培訓不同，對俄技術引進包括了工藝學習(xi) ，加上所裏參與(yu) 引進的均是具有實際工作經驗的專(zhuan) 家，對晶體(ti) 自動生長工藝及設備控製邏輯有了深刻理解，按說順利投產(chan) 應該沒有問題了吧。

沒想到的是，從(cong) 俄國引進的晶體(ti) 生長設備同樣遇到了“水土不服”的問題。更大的問題是，俄國設備的電控技術比較落後，所用的器件就是在我國國內(nei) 也屬於(yu) 淘汰品，維修難度很大。當時的技術專(zhuan) 家王永國在所領導的支持下，采用國內(nei) 主流的工控電子產(chan) 品對這套引進設備進行了大膽改造，全麵梳理了控製流程，對部分傳(chuan) 感控製環節進行優(you) 化，替換掉該晶體(ti) 生長設備電控部分，結果大獲成功。那已是2002年！

這個(ge) 成功讓當時的主管陳道南副所長很高興(xing) ，帶著所長張偉(wei) 忠請王永國吃飯，商量能否讓那台美國設備也活起來。因為(wei) 有了改造俄國設備的經驗，改造這台美國設備容易多了。經仔細檢查，發現美國設備的電控硬件並未過時，完全可用，隻需替換個(ge) 別壞掉的電子器件，去掉冗餘(yu) 控製環節，使其對水電供應波動不再敏感，就能讓這台設備複活了。

這台設備一複活，可樂(le) 壞了張偉(wei) 忠。當年副所長邱鴻華退休前代表所裏拿下一個(ge) 瞄準美國進口晶體(ti) 生長設備的消化吸收技術攻關(guan) “863”項目。美國的晶體(ti) 生長設備一趴窩，項目就進展不下去，一直拖延著結不了題，“863”責任專(zhuan) 家蔣民華一到北京開會(hui) 就找所裏問情況，所長也是幹著急。這下，這個(ge) 拖延多年的“863”項目也能順利完成了。可以說這個(ge) 項目的完成，是集中了中美俄三國的技術成果。中國電科十一所也一躍成為(wei) 國內(nei) 頂級晶體(ti) 生長設備（提拉法）的提供者，高質量批量自動生長激光晶體(ti) 工藝穩居國內(nei) 第一。

雖然隨著工藝人員的流動，國內(nei) 自動生長晶體(ti) 工藝很快普及，但到今天為(wei) 止，中國電科十一所仍是國內(nei) 激光晶體(ti) 生長實力較強的單位，也是國際上最大尺寸優(you) 質激光晶體(ti) 提供者。

有了高質量基礎材料、器件加持，中國電科十一所脈衝(chong) 固體(ti) 激光技術水平飛速進步。說起這段曆史，筆者有個(ge) 親(qin) 身經曆，當時參與(yu) 所裏一個(ge) 脈衝(chong) 固體(ti) 激光器型號任務，低溫環試總也過不去，常溫下輸出光斑是圓的，低溫試驗，輸出光斑就變成了扇形，最初以為(wei) 是諧振腔形變，各種消除溫度變化引起的結構變形，各種改進措施均不能根本解決(jue) 問題。在同俄國技術人員深入交流後才知道，他們(men) 也因為(wei) 同樣的問題困惑了很久，花了很大代價(jia) 、很長時間才搞清機理，通過徹底修改設計才解決(jue) 。

我們(men) 找到了症結所在，用最簡單可行的辦法解決(jue) ，順利完成了項目。回望這段曆史，感慨良多。可以說，沒有憑空跳出來的技術進步，這都是大量人力物力投入的結果，也是自身努力與(yu) 大環境互相促進的結果。

20世紀90年代以及21世紀的第一個(ge) 十年，中國電科十一所雖然開展了許多新技術的研究工作，例如二極管泵浦技術[4-7]、無水冷散熱技術[8]、抗失諧角錐、棱鏡腔技術[9]等等，減小了測距用脈衝(chong) 固體(ti) 激光器的體(ti) 積重量，提升了輸出激光性能指標，但最重要的工作，是圍繞嚴(yan) 苛環境條件下如何提升產(chan) 品可靠性展開的；通過型號任務的實施真正實現了具有長期可靠性的產(chan) 品。

激光器設計工作中考慮的問題不僅(jin) 僅(jin) 是腔型、模式、增益能力，更重視諸如結構應力、散熱、汙染物控製等的影響。

隨著半導體(ti) 激光器泵浦技術取代了燈泵浦技術，不僅(jin) 激光器的體(ti) 積重量減小了，激光器的可靠性也大幅提升，壽命大大延長；棱鏡腔、角錐反射鏡腔的采用、低應變結構設計、高效散熱設計以及控製汙染物的除塵、密封、抑製粘接膠揮發等措施的實施，中國電科十一所脈衝(chong) 固體(ti) 激光器的可靠性大幅提升。為(wei) 激光器寬溫度範圍、振動條件下穩定工作創造了條件。

這期間有個(ge) 標誌性的事情，1999年立項，2007年完成的無人機載激光測距機型號項目就是采用半導體(ti) 激光器泵浦固體(ti) 激光器作為(wei) 光源，該激光測距機是國內(nei) 首套工程化應用的采用半導體(ti) 激光器泵浦固體(ti) 激光器光源的激光測距機。

這期間，負責測距機光源研發的金煜堅研究員帶領團隊經過大量艱苦工作，解決(jue) 了測距用的半導體(ti) 激光器泵浦固體(ti) 激光器的一係列技術難題，尤其是寬溫度範圍、振動條件下穩定工作問題，確保了型號項目的順利完成。在此基礎上，中國電科十一所順利拿下了相關(guan) 項目，並成功量產(chan) 。

a車載脈衝(chong) 串激光測距機，b采用二極管泵浦固體(ti) 激光器光源的測距機原型機，c機載激光測距機（光源是二極管）

4.成熟階段：

批量提供高可靠、高性能產(chan) 品

最近這十年，中國電科十一所的工作重心向高可靠、高性能、批量一致性全麵推進，尤其是通用工藝技術研發，讓脈衝(chong) 固體(ti) 激光技術又躍上了一個(ge) 新台階；二極管泵浦全麵取代燈泵浦技術；無潮解、低半波電壓的RTP調Q開關(guan) 替代DKDP調Q開關(guan) ；RBG光柵作為(wei) 反射鏡實現窄線寬輸出[10]；諧振腔設計的重心轉到高光束質量優(you) 先。

緊湊結構大能量激光器的設計中，棱鏡腔逐漸退出，而兼顧大能量與(yu) 高光束質量激光輸出的非穩定腔成為(wei) 主流。激光腔采用的是極簡路線，簡單光路，最少光學元件；MOPA方案是采用高光束質量、窄線寬輸出振蕩器加多程行波放大功率放大器，由緊湊布局光路實現機頭小型化，光腔內(nei) 部采用防汙染設計，實現了激光器在寬溫度範圍、大機械振動條件下的穩定工作，平均無故障工作時間由數百小時提升至數千小時。

目前波長1064 nm，輸出能量200 mJ以內(nei) ，重複頻率20 Hz，束散角小於(yu) 2 mrad，脈衝(chong) 寬度10 ns左右的測距、測照用脈衝(chong) 激光器已廣泛應用於(yu) 裝備，係列產(chan) 品中輸出能量大於(yu) 200 mJ的激光器，最小重量已小於(yu) 3 kg。

圖4 小型脈衝(chong) 固體(ti) 激光器實物照片

5.結束語

中國電科十一所的脈衝(chong) 固體(ti) 激光器技術發展曆史悠久，技術積累雄厚，已完全滿足了激光測距、激光測照等需求；不同曆史階段的發展重心有所差別。先是在核心技術突破，各種技術方案都開展探索，隨著研究的深入而逐步收斂；隨後大力發展產(chan) 品研製，突出可靠性需求，著力研究穩定性強的技術方案，實現脈衝(chong) 激光器從(cong) 樣機到產(chan) 品的突破；最後隨著通用工藝技術的逐步成熟，技術發展更注重高光束質量輸出為(wei) 代表的高性能、高可靠的全麵提升。

六十年發展曆程告訴我們(men) ，創新是技術進步的原動力。隻是從(cong) 核心技術突破到產(chan) 品應用，中間還要做許多艱苦的工作。當前，我國科技獨立創新被提到前所未有的高度。中國電科十一所在固體(ti) 激光技術領域會(hui) 繼續努力，一邊提出創新思想，一邊架起科研和應用的橋梁，做出更大的貢獻。

參考文獻

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