文 / 唐晓军、金煜坚、王克强、朱辰、姜东升，华北光电技术研究所固体激光技术重点实验室

1.引言

从1970年代起，在激光界，说起“十一所”，谁人不知谁人不晓。只要做固体激光器，从国内采购元器件，首先就绕不开“十一所”。“十一所”的增益介质晶体、镜片加工镀膜、泵浦氙灯、激光电源等，都是行业同仁的首选。直到21世纪初，随着市场经济的崛起，社会化分工的发展，尤其是民营经济的进步，“十一所”在国内固体激光技术领域的核心作用才有所下降。但是侧重工艺研究以及产品开发的行事风格对国内相关行业发展仍起着重要影响。

“十一所”，全称是中国电子科技集团公司第十一研究所（又称华北光电技术研究所，以下简称“中国电科十一所”）。1964年以来，一直从事固体激光技术的研究工作，内容涵盖材料、器件、整机，涉及增益介质材料晶体生长、光学镜片加工镀膜、泵浦氙灯制备、泵浦腔加工、配套驱动电源研制、激光测距整机研制等。纵向看，与激光技术相关的材料、器件、整机有着系统性的布局；横向看，脉冲输出激光、连续输出激光、可调谐输出激光、声光调Q、电光调Q、锁模技术等有着全面性的布局。

作为面向应用，侧重工艺研究的工业部门研究机构，中国电科十一所始终以需求为牵引，不断突破关键技术，并以提供完整解决方案，交付产品为首要目标；另一方面，由于面向主要需求方自主可控，全产业链布局的特点，在行业发展初期，对国内技术进步的推动无疑是全方位的。可以说，中国电科十一所激光技术的发展成就是自身定位准确、内部专业布局完善、需求牵引与技术发展良性循环等诸因素作用的必然结果。

在创新成为社会发展灵魂的今天，作为传统科研机构的中国电科十一所，在大胆创新的同时，仍强调通用工艺技术的设计实施，注重技术的产品实现。本文以用于激光探测的脉冲固体激光技术为主线，对中国电科十一所固体激光技术发展历程做一简要回顾。

2.攻关阶段：核心技术得突破，技术产品得应用

1964年，激光器刚刚发明不久，中国电科十一所便成立了激光研究室。按照当年计划体制的要求，研究室以固体激光技术为主，紧紧围绕应用需求，在固体激光技术的材料生长、光学加工工艺、功能器件制作工艺、激光性能测试技术等方面均开展了研究工作；在历史上的“三抓”、G-168、人卫测距等工程的牵引下，中国电科十一所的脉冲固体激光技术从无到有获得了长足发展。

中国电科十一所早期参与的激光测距工程项目样机

用于激光测距、激光雷达的脉冲固体激光器，最初采用的红宝石增益介质，能量转换效率极低，热效应严重，只能在1 Hz的低重复频率条件下工作。重复频率增加到5 Hz以上的话，泵浦用的氙灯几秒钟就炸裂。而且配套电源、冷却系统也格外笨重，很难应用到移动目标测距定轨需求中，而当年靶场飞行目标轨迹测量提出了实时快速的需求。

怎么办？以梅遂生（梅总）为负责人的研发团队通过反复实验、观察，认为提高氙灯工作重复频率后，氙灯的电极过热是炸裂的关键因素。恰好当时报纸上报道双水内冷法大大提高汽轮发电机效率的新闻，于是梅总想到了解决问题的办法。

他一方面请上海复旦大学电光源研究室的专家蔡祖泉协助研制水冷电极脉冲氙灯，另一方面联系生产脉冲氙灯的长春灯泡电线厂的孙玉德厂长，请他们研制了一种长电极脉冲氙灯。这两种氙灯都实现了高重复频率工作。克服了高重复频率激光器研发的第一个障碍后，通过改进聚光腔、谐振腔、红宝石棒端面加工工艺等技术环节，又研发出高重复频率Q开关、高重复频率大功率电源等基础配套件。1968年，中国电科十一所脉冲激光器重复频率达到20 Hz，脉冲峰值功率达到10 MW，满足了当时激光测距需要，并逐渐形成了系列产品，行业内公认国内领先。

此时，掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）增益介质出现了。该种晶体材料是四能级结构，阈值低效率高，物化性能良好，中国电科十一所抓住机会组织力量攻关，熔盐法、水热法、提拉法，通过一年多的摸索，最终确定提拉法作为研究方向，又经过几年的努力，中国电科十一所的Nd:YAG晶体不但满足了本所激光测距用脉冲激光器需求，还可以向兄弟单位提供。

随着水冷电极技术，更换掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）和调Q技术，中国电科十一所的激光器输出激光脉冲宽度压窄到纳秒量级，提高了测距精度，满足了靶场飞行目标定轨需求。

随着高重频脉冲固体激光技术的进步，靶场测距技术获得了强力支撑，奠定了中国电科十一所在激光测距行业的龙头地位。到20世纪80年代末，中国电科十一所在脉冲固体激光技术领域深耕不辍，关键技术一一攻克，基本功能完全满足了各种激光测距的需求。但是作为产品，批量提供的一致性、可靠性、环境适应性还需要进一步开展技术攻关。

早期测距机产品

3.发展阶段：通用工艺得发力，产品可靠性得提高

20世纪80年代中期，中国电科十一所承接了激光测距的首个型号项目，对脉冲光源可靠性提出了全新要求，需要在严苛环境条件下长期稳定工作。此前中国电科十一所也还只是以试验样机状态完成任务，短板主要是激光器的泵浦灯，失效率最高。恰在此时，中国电科十一所得到了一个联合国开发计划署的项目资助，当时的所领导层决策将核心元器件制备工艺引进作为重点。

1992年，所里引进了美国EG&G公司的泵浦灯生产线。氙灯研发组在技术骨干刘力带领下，经过消化吸收，使得脉冲氙灯工作次数由一万次，提高到十万次，乃至千万次以上，弥补了当时脉冲激光器最大的短板，支撑了型号项目的顺利完成。中国电科十一所也因之成为了国内最好的泵浦灯生产基地。

在同一项目的资助下，中国电科十一所还引进了美国的镀膜设备和晶体生长设备。其中镀膜设备在随后很长时间内都是所里生产研发的主力设备，保证了激光器光学器件所需镀膜的品质。而晶体生长设备引进所里后工作得就不那么顺利了，出现了明显的“水土不服”。

当时中国电科十一所自有的晶体生长设备完全是手动控制模式，虽然可以长出高品质的激光晶体，但是尺寸不能长很大，生产效率低，而从美国引进的设备基本上是自动化生长，上称重自动控径，可以生长优质大尺寸激光晶体。但是设备对供电、供水等要求比较高，环境稍有波动就会报警保护停机。在当时的条件下，基本上不能正常使用，只能暂时放置在一边。

20世纪90年代中后期，中国电科十一所又参与了对俄技术引进，内容涵盖镀膜、晶体生长、脉冲激光器设计、制造工艺，结合中国电科十一所自身多年技术积累，中国电科十一所在激光晶体制备、光学膜制备、激光器适应环境技术方面，又有了长足进步。这里又引进了激光晶体生长设备，也是自动生长设备。和上次的引进只进行了简单的操作培训不同，对俄技术引进包括了工艺学习，加上所里参与引进的均是具有实际工作经验的专家，对晶体自动生长工艺及设备控制逻辑有了深刻理解，按说顺利投产应该没有问题了吧。

没想到的是，从俄国引进的晶体生长设备同样遇到了“水土不服”的问题。更大的问题是，俄国设备的电控技术比较落后，所用的器件就是在我国国内也属于淘汰品，维修难度很大。当时的技术专家王永国在所领导的支持下，采用国内主流的工控电子产品对这套引进设备进行了大胆改造，全面梳理了控制流程，对部分传感控制环节进行优化，替换掉该晶体生长设备电控部分，结果大获成功。那已是2002年！

这个成功让当时的主管陈道南副所长很高兴，带着所长张伟忠请王永国吃饭，商量能否让那台美国设备也活起来。因为有了改造俄国设备的经验，改造这台美国设备容易多了。经仔细检查，发现美国设备的电控硬件并未过时，完全可用，只需替换个别坏掉的电子器件，去掉冗余控制环节，使其对水电供应波动不再敏感，就能让这台设备复活了。

这台设备一复活，可乐坏了张伟忠。当年副所长邱鸿华退休前代表所里拿下一个瞄准美国进口晶体生长设备的消化吸收技术攻关“863”项目。美国的晶体生长设备一趴窝，项目就进展不下去，一直拖延着结不了题，“863”责任专家蒋民华一到北京开会就找所里问情况，所长也是干着急。这下，这个拖延多年的“863”项目也能顺利完成了。可以说这个项目的完成，是集中了中美俄三国的技术成果。中国电科十一所也一跃成为国内顶级晶体生长设备（提拉法）的提供者，高质量批量自动生长激光晶体工艺稳居国内第一。

虽然随着工艺人员的流动，国内自动生长晶体工艺很快普及，但到今天为止，中国电科十一所仍是国内激光晶体生长实力较强的单位，也是国际上最大尺寸优质激光晶体提供者。

有了高质量基础材料、器件加持，中国电科十一所脉冲固体激光技术水平飞速进步。说起这段历史，笔者有个亲身经历，当时参与所里一个脉冲固体激光器型号任务，低温环试总也过不去，常温下输出光斑是圆的，低温试验，输出光斑就变成了扇形，最初以为是谐振腔形变，各种消除温度变化引起的结构变形，各种改进措施均不能根本解决问题。在同俄国技术人员深入交流后才知道，他们也因为同样的问题困惑了很久，花了很大代价、很长时间才搞清机理，通过彻底修改设计才解决。

我们找到了症结所在，用最简单可行的办法解决，顺利完成了项目。回望这段历史，感慨良多。可以说，没有凭空跳出来的技术进步，这都是大量人力物力投入的结果，也是自身努力与大环境互相促进的结果。

20世纪90年代以及21世纪的第一个十年，中国电科十一所虽然开展了许多新技术的研究工作，例如二极管泵浦技术[4-7]、无水冷散热技术[8]、抗失谐角锥、棱镜腔技术[9]等等，减小了测距用脉冲固体激光器的体积重量，提升了输出激光性能指标，但最重要的工作，是围绕严苛环境条件下如何提升产品可靠性展开的；通过型号任务的实施真正实现了具有长期可靠性的产品。

激光器设计工作中考虑的问题不仅仅是腔型、模式、增益能力，更重视诸如结构应力、散热、污染物控制等的影响。

随着半导体激光器泵浦技术取代了灯泵浦技术，不仅激光器的体积重量减小了，激光器的可靠性也大幅提升，寿命大大延长；棱镜腔、角锥反射镜腔的采用、低应变结构设计、高效散热设计以及控制污染物的除尘、密封、抑制粘接胶挥发等措施的实施，中国电科十一所脉冲固体激光器的可靠性大幅提升。为激光器宽温度范围、振动条件下稳定工作创造了条件。

这期间有个标志性的事情，1999年立项，2007年完成的无人机载激光测距机型号项目就是采用半导体激光器泵浦固体激光器作为光源，该激光测距机是国内首套工程化应用的采用半导体激光器泵浦固体激光器光源的激光测距机。

这期间，负责测距机光源研发的金煜坚研究员带领团队经过大量艰苦工作，解决了测距用的半导体激光器泵浦固体激光器的一系列技术难题，尤其是宽温度范围、振动条件下稳定工作问题，确保了型号项目的顺利完成。在此基础上，中国电科十一所顺利拿下了相关项目，并成功量产。

a车载脉冲串激光测距机，b采用二极管泵浦固体激光器光源的测距机原型机，c机载激光测距机（光源是二极管）

4.成熟阶段：

批量提供高可靠、高性能产品

最近这十年，中国电科十一所的工作重心向高可靠、高性能、批量一致性全面推进，尤其是通用工艺技术研发，让脉冲固体激光技术又跃上了一个新台阶；二极管泵浦全面取代灯泵浦技术；无潮解、低半波电压的RTP调Q开关替代DKDP调Q开关；RBG光栅作为反射镜实现窄线宽输出[10]；谐振腔设计的重心转到高光束质量优先。

紧凑结构大能量激光器的设计中，棱镜腔逐渐退出，而兼顾大能量与高光束质量激光输出的非稳定腔成为主流。激光腔采用的是极简路线，简单光路，最少光学元件；MOPA方案是采用高光束质量、窄线宽输出振荡器加多程行波放大功率放大器，由紧凑布局光路实现机头小型化，光腔内部采用防污染设计，实现了激光器在宽温度范围、大机械振动条件下的稳定工作，平均无故障工作时间由数百小时提升至数千小时。

目前波长1064 nm，输出能量200 mJ以内，重复频率20 Hz，束散角小于2 mrad，脉冲宽度10 ns左右的测距、测照用脉冲激光器已广泛应用于装备，系列产品中输出能量大于200 mJ的激光器，最小重量已小于3 kg。

图4 小型脉冲固体激光器实物照片

5.结束语

中国电科十一所的脉冲固体激光器技术发展历史悠久，技术积累雄厚，已完全满足了激光测距、激光测照等需求；不同历史阶段的发展重心有所差别。先是在核心技术突破，各种技术方案都开展探索，随着研究的深入而逐步收敛；随后大力发展产品研制，突出可靠性需求，着力研究稳定性强的技术方案，实现脉冲激光器从样机到产品的突破；最后随着通用工艺技术的逐步成熟，技术发展更注重高光束质量输出为代表的高性能、高可靠的全面提升。

六十年发展历程告诉我们，创新是技术进步的原动力。只是从核心技术突破到产品应用，中间还要做许多艰苦的工作。当前，我国科技独立创新被提到前所未有的高度。中国电科十一所在固体激光技术领域会继续努力，一边提出创新思想，一边架起科研和应用的桥梁，做出更大的贡献。

参考文献

1. 梅遂生. 难忘的岁月——八十年回顾[M]. 北京，北京恒生数码印务有限公司，2011，91-168. (Unforgettable years -- eighty-year review[M]. Beijing, Beijing Heng Sheng Digital Printing Co.Ltd.2011,91-168)

2. 梅遂生. 我所激光科研三十周年[J]. 激光与红外，1994，24(4)：10-15.（Mei Suisheng. The 30th anniversary of laser R & D at NCRIEO[J].Laser & Infrared,1994,24(4):10-15）