新型紅外激光器及激光應(yīng)用研究進(jìn)展

目錄

• 簡(jiǎn)介

• 主持人致辭

• 主旨報(bào)告

• 譚榮清：新型紅外激光器及激光應(yīng)用研究進(jìn)展

• 交流與討論

• 主要專家簡(jiǎn)介：

• 展開

【簡(jiǎn)介】

激光技術(shù)與原子能技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)是二十世紀(jì)4項(xiàng)最重要的技術(shù)發(fā)明。激光技術(shù)是目前我國(guó)“智能制造2025”及國(guó)土安全重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略高技術(shù)之一。CO2激光器具有光束質(zhì)量好、輸出功率大、大氣傳輸性能好等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最為廣泛的一種高功率激光器。近年來(lái)CO2激光在高平均功率、高重復(fù)頻率脈沖輸出技術(shù)、波長(zhǎng)調(diào)諧技術(shù)、射頻激勵(lì)板條激光技術(shù)等方面所取得的研究進(jìn)展，使該類激光器在一些國(guó)家重要工程中得到應(yīng)用。LD泵浦堿金屬蒸氣激光器是一種新型的光泵氣體激光器，由于其具有體積小、重量輕、光束質(zhì)量好、大功率輸出潛力大等優(yōu)點(diǎn)，是目前國(guó)際激光研究的前沿和熱點(diǎn)之一。激光推進(jìn)、激光雷達(dá)、激光清洗分別代表了激光在新概念推進(jìn)、遙感探測(cè)以及工業(yè)加工三個(gè)重要領(lǐng)域中的應(yīng)用。本次沙龍重點(diǎn)討論這些新興紅外激光器技術(shù)及其在上述三個(gè)應(yīng)用方向的研究中需要探討的問(wèn)題。

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【主持人致辭】

宋家駿：我們分會(huì)本年度科學(xué)技術(shù)前沿學(xué)術(shù)沙龍現(xiàn)在開始，請(qǐng)分會(huì)理事長(zhǎng)林世昌研究員致辭。

林世昌：各位領(lǐng)導(dǎo)，各位專家，青年朋友們，上午好！今天的沙龍邀請(qǐng)了我們電子所五室主任譚榮清研究員為大家做主旨報(bào)告，為大家介紹新型紅外激光器技術(shù)及其最新應(yīng)用的情況。激光這個(gè)領(lǐng)域是我所的老學(xué)科了，差不多有60多年的歷史，但不同的時(shí)期有不同發(fā)展。今天很難得請(qǐng)到譚榮清研究員，他們工作忙得很，但對(duì)我們老科協(xié)搞沙龍很支持，百忙之中寫了資料，給我們做有關(guān)報(bào)告。他重點(diǎn)介紹新的前沿領(lǐng)域，請(qǐng)大家討論。

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【主旨報(bào)告】

譚榮清：新型紅外激光器及激光應(yīng)用研究進(jìn)展

1 引  言

激光技術(shù)是目前我國(guó)“智能制造2025”及國(guó)土安全重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略高技術(shù)之一。我的報(bào)告主要結(jié)合我們電子所的激光研究工作，綜述近年來(lái)在新型紅外激光器研究方面的部分進(jìn)展，主要介紹CO2激光器及LD泵浦堿金屬蒸氣激光器研究進(jìn)展。CO2激光器具有光束質(zhì)量好、輸出功率大、大氣傳輸性能好等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最為廣泛的一種高功率激光器。近年來(lái)CO2激光在高平均功率高重復(fù)頻率脈沖輸出技術(shù)、波長(zhǎng)調(diào)諧技術(shù)、射頻激勵(lì)板條激光技術(shù)等方面所取得的研究進(jìn)展，保證了該類激光器在工程項(xiàng)目中的實(shí)際應(yīng)用逐漸展開。LD泵浦堿金屬蒸氣激光器是一種新型的光泵氣體激光器，由于其具有體積小、重量輕、光束質(zhì)量好、大功率輸出潛力大等優(yōu)點(diǎn)，是目前國(guó)際激光研究的前沿和熱點(diǎn)之一。激光推進(jìn)、激光雷達(dá)、激光清洗分別代表了激光在航天航空、遙感探測(cè)以及工業(yè)加工三個(gè)重要領(lǐng)域中的應(yīng)用，我的報(bào)告主要討論上述三個(gè)應(yīng)用方向的研究進(jìn)展及需要探討的問(wèn)題。

2 新型紅外激光器研究進(jìn)展

2.1  新型CO2激光器研究進(jìn)展

CO2激光器是應(yīng)用最廣泛的一種氣體激光器。CO2激光器電光轉(zhuǎn)換效率比較高，可以達(dá)到20%，實(shí)現(xiàn)高功率、大能量輸出的潛力大。此外，CO2激光器還具有光束質(zhì)量好、可調(diào)諧，輸出譜線豐富、大氣傳輸性能好，穿透煙塵能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。并且CO2激光器運(yùn)行維護(hù)成本較低，增益介質(zhì)中的工作氣體無(wú)毒無(wú)害，具有環(huán)保的特性。

CO2激光器是電子所的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域，經(jīng)過(guò)不斷的研究，已經(jīng)走入工程化階段。目前電子所主要研究的是TEA CO2激光器，即橫向激勵(lì)大氣壓（Transversely Excited Atmospheric）CO2激光器。該類激光器工作氣體壓力為1 個(gè)大氣壓量級(jí)，采用高壓快脈沖橫向放電激勵(lì)，可輸出高重復(fù)頻率高峰值功率10.6μm脈沖激光。TEA CO2激光器不僅具有CO2激光器全部?jī)?yōu)點(diǎn)，還有一些獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，比如峰值功率高、可重復(fù)頻率輸出實(shí)現(xiàn)高平均功率等。如圖2-1所示為一臺(tái)實(shí)用化千瓦級(jí)平均功率高重復(fù)頻率可調(diào)諧CO2激光器，平均功率可達(dá)1000W，重復(fù)頻率可達(dá)200Hz，波長(zhǎng)可調(diào)諧。

圖2-1 實(shí)用化高重復(fù)頻率可調(diào)諧CO2激光器

重復(fù)頻率是CO2激光器的一項(xiàng)重要指標(biāo)，一般TEA CO2激光器的重復(fù)頻率最高為600Hz，但是在實(shí)際的工程應(yīng)用中，往往需要更高的重復(fù)頻率。近年來(lái)我們?cè)谔岣逿EA CO2激光器重復(fù)頻率方向開展研究，研制出kHz小型化TEA CO2激光器，它的重復(fù)頻率比同體制激光器高很多，可達(dá)2—5 kHz，輸出的峰值功率可達(dá)300 kW，小型化，這在一定程度上填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)需求的空白。圖2-2為kHz小型化TEA CO2激光器的實(shí)物圖。

圖2-2 kHz小型化TEA CO2激光器

通常CO2激光器波長(zhǎng)是10.59mm，這只是CO2激光增益譜中最強(qiáng)的一條譜線。從圖2-3 CO2激光器的譜線圖中可以看出，實(shí)際上有四條譜線的增益都比較大，分別為10.59mm、10.25mm、9.55mm及9.27mm。以上四條譜線為各支的強(qiáng)線。但是在很多應(yīng)用需求中，除輸出這四條強(qiáng)線外還要求輸出某些增益很低的弱線，且實(shí)際應(yīng)用中還需要很高的光束質(zhì)量，因此有較大的研制難度。

圖2-3 CO2激光增益譜線圖

目前我們開發(fā)了一種雙路快調(diào)諧脈沖CO2激光器，可以輸出弱線用于探測(cè)特定的物質(zhì)，并且激光器已經(jīng)通過(guò)了工程化運(yùn)用檢測(cè)，可在野外實(shí)際復(fù)雜環(huán)境下應(yīng)用，給國(guó)家有關(guān)項(xiàng)目提供了有利的支撐。

電子所關(guān)于CO2激光器的另一研究方向是射頻（RF）激勵(lì)擴(kuò)散冷卻CO2激光器，射頻激勵(lì)的電源頻率在300kHz—300MHz，具有體積小、重量輕、無(wú)噪音，壽命長(zhǎng)、免于維護(hù)，激勵(lì)電壓低、EMC好以及輸出功率可實(shí)現(xiàn)比例放大等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)電子所做的RF激勵(lì)CO2激光器主要面向工程化應(yīng)用，主要針對(duì)惡劣的環(huán)境、高低溫、沖擊、振動(dòng)等條件制作實(shí)用型激光器。如圖2-4為RF激勵(lì)CO2激光器樣機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)100W的輸出功率；圖2-5為小型化的RF激勵(lì)CO2激光器，能夠?qū)崿F(xiàn)40W的輸出功率。

圖2-4 RF激勵(lì)CO2激光器樣機(jī)

圖2-5 小型化RF激勵(lì)CO2激光器樣機(jī)

2.2  半導(dǎo)體泵浦堿金屬蒸氣激光器研究進(jìn)展

2.2.1 簡(jiǎn)介

半導(dǎo)體泵浦堿金屬蒸氣激光器（DPAL，Diode Pumped Alkali vapor Laser），是由半導(dǎo)體激光器（LD，Laser Diode）作為泵浦源，堿金屬飽和蒸氣作為激光的增益介質(zhì)以實(shí)現(xiàn)高功率的激光輸出。堿金屬元素包括鋰（Li），鈉（Na），鉀（K），銣（Rb），銫（Cs），它們最外層只有一個(gè)價(jià)電子，表現(xiàn)出相似的能級(jí)結(jié)構(gòu)如圖2-6所示。2S1/2為基態(tài)能級(jí)，2P1/2和2P3/2為自旋-軌道相互作用而劈裂的激發(fā)態(tài)能級(jí)，其中2P1/2 → 2S1/2躍遷對(duì)應(yīng)D1譜線，稱為激光躍遷；2S1/2 → 2P3/2躍遷對(duì)應(yīng)D2譜線，稱為抽運(yùn)躍遷，對(duì)堿金屬蒸氣進(jìn)行抽運(yùn)就是要實(shí)現(xiàn)2S1/2和2P1/2能級(jí)之間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。

圖2-6 堿金屬激光器能級(jí)結(jié)構(gòu)圖

由于Li和Na的上能級(jí)間隙極小，激光閾值很高，難以實(shí)現(xiàn)有效的粒子數(shù)翻轉(zhuǎn)，因此目前為止能夠?qū)崿F(xiàn)激光輸出的堿金屬元素是K、Rb、Cs，其對(duì)應(yīng)的躍遷參數(shù)和量子效率見表2-1。從表中可以看出，堿金屬元素的量子效率極高，達(dá)95%以上，這意味著在泵浦源的激勵(lì)下，該類激光器有潛力達(dá)到極高的光光效率，同時(shí)介質(zhì)中產(chǎn)生的廢熱將大大減少。

表2-1 堿金屬激光能級(jí)參數(shù)表

表2-1 堿金屬激光能級(jí)參數(shù)表

自激光器問(wèn)世以來(lái)，人們大都十分重視半導(dǎo)體激光器與氣體激光器的研究發(fā)展。半導(dǎo)體激光器具有體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也有明顯的不足之處，比如：?jiǎn)喂馨雽?dǎo)體激光器功率有限（瓦級(jí)），需將多只單管半導(dǎo)體激光器進(jìn)行輸出耦合以獲取大功率；另外半導(dǎo)體激光器的發(fā)散角很大，一般可達(dá)8°—10°。氣體激光器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)也很突出，優(yōu)點(diǎn)比如光束質(zhì)量好，單孔徑可以輸出大功率等，但明顯的缺點(diǎn)是激光器的體積大。采用半導(dǎo)體激光器泵浦堿金屬蒸氣，綜合了二者的優(yōu)點(diǎn)，具有單孔徑輸出功率高、光束質(zhì)量好、體積小重量輕、大氣傳輸性能好，增益介質(zhì)密封循環(huán)，無(wú)廢氣排放處理問(wèn)題等優(yōu)勢(shì)，具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2.2.2  研究進(jìn)展

目前國(guó)外主要從事DPAL研究的有美國(guó)的勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）、美國(guó)通用原子公司（GA）、美國(guó)空軍學(xué)院（USAFA）、新墨西哥大學(xué)等；日本的濱松光子公司、大阪大學(xué)以及俄羅斯的聯(lián)邦中心實(shí)驗(yàn)物理研究所等。國(guó)外對(duì)DPAL的主要研究現(xiàn)狀見表2-2，到目前為止報(bào)道的最高輸出功率是2016年由美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）的G.A.Pitz等人實(shí)現(xiàn)的，輸出功率1500W，光光效率55%，為氣體流動(dòng)型鉀蒸氣激光器。

表2-2 DPAL國(guó)外主要研究現(xiàn)狀

表2-2 DPAL國(guó)外主要研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)DPAL的起步較晚，參與的單位主要有：國(guó)防科技大學(xué)、中科院電子學(xué)研究所、中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所、浙江大學(xué)、西南技術(shù)物理研究所等。主要研究現(xiàn)狀見表2-3。

表2-3 DPAL國(guó)內(nèi)主要研究現(xiàn)狀

表2-3 DPAL國(guó)內(nèi)主要研究現(xiàn)狀

電子所是在國(guó)內(nèi)率先開展DPAL研究工作的單位之一，2012年5月，電子所實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體泵浦線偏振基模銣激光輸出，經(jīng)繼續(xù)對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，獲得了最高2.8W的銣激光輸出，光光轉(zhuǎn)換效率達(dá)21%。實(shí)驗(yàn)光路如圖2-7所示，實(shí)驗(yàn)測(cè)量的銣激光光譜以及光斑如圖2-8所示。

圖2-7 Rb-DPAL實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖2-8 銣激光光譜以及光斑圖

2013年10月，電子所實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)首次DPAL銫激光輸出，激光輸出功率394mW，光光效率7.4％，實(shí)驗(yàn)光路如圖2-9所示。對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化后，所得輸出激光具有極好的光束質(zhì)量，光束功率密度分布如圖2-10所示。激光器光束質(zhì)量M2因子接近1。實(shí)驗(yàn)證明了DPAL在光束質(zhì)量方面的潛力是極大的。

圖2-9 Cs-DPAL實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖2-10 Cs-DPAL輸出光束功率密度分布圖

2.2.3  應(yīng)用展望

2.2.3.1 激光傳能

一直以來(lái)人類有一種設(shè)想，因?yàn)樘罩袥]有大氣的衰減，在太空中設(shè)立太陽(yáng)能發(fā)電站可以更有效的收集陽(yáng)光，而傳輸能量就可以采用激光傳能的方式。

此外激光傳能也有更加現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用，比如說(shuō)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行能量傳輸。近年來(lái)無(wú)人機(jī)的發(fā)展非常迅猛，其中續(xù)航里程是無(wú)人機(jī)的一個(gè)重要指標(biāo)，在很多實(shí)際的應(yīng)用，我們希望無(wú)人機(jī)能夠長(zhǎng)時(shí)間地停留在執(zhí)行任務(wù)的區(qū)域，此時(shí)就可以采用激光傳能的方式，通過(guò)一束激光將能量傳到無(wú)人機(jī)上，然后在無(wú)人機(jī)上通過(guò)類似太陽(yáng)能電池板的能量轉(zhuǎn)換裝置，將地面激光器傳輸?shù)哪芰哭D(zhuǎn)化為電能，達(dá)到給無(wú)人機(jī)供電的效果。

為實(shí)現(xiàn)激光傳能，需選用合適的激光器，首先激光器的波長(zhǎng)必須處于光電材料高效吸收的波段，因?yàn)楣怆姵匕压饽苻D(zhuǎn)化為電能具有波長(zhǎng)選擇性。例如砷化鎵，其對(duì)于不同的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)化效率差別非常大，波長(zhǎng)不合適時(shí)轉(zhuǎn)化效率可能低于10%，而當(dāng)波長(zhǎng)合適的情況下轉(zhuǎn)化效率能夠達(dá)到50%以上。DPAL激光器的輸出波長(zhǎng)770/795/895 nm，處于使砷化鎵高效吸收的區(qū)域。而且激光傳能所需激光器的功率要高，光束質(zhì)量要好，最后輸出激光的大氣傳輸性能也要好。以上所需的各項(xiàng)條件DPAL激光器均有很大優(yōu)勢(shì)，因此半導(dǎo)體泵浦堿金屬激光器在激光傳能方面顯示出極大的優(yōu)勢(shì)和良好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2.2.3.2 激光武器

除了激光傳能以外，DPAL在光電對(duì)抗以及激光武器方面也有較好的應(yīng)用前景。DPAL體積小、質(zhì)量輕、功率大等自身的特點(diǎn)，使其可以安裝在飛機(jī)甚至無(wú)人機(jī)上使用，并且激光器自身的光束質(zhì)量好，大氣傳輸性能好。而傳統(tǒng)的激光武器，比如裝備有化學(xué)激光器的美國(guó)機(jī)載激光武器系統(tǒng)，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)百萬(wàn)瓦級(jí)輸出，但卻存在致命的問(wèn)題，比如運(yùn)行時(shí)要消耗大量高活性的危險(xiǎn)化學(xué)品，重量遠(yuǎn)超最初的設(shè)計(jì)并且后勤補(bǔ)給工作危險(xiǎn)且繁重。

無(wú)人機(jī)的持續(xù)飛行與激光武器幾乎無(wú)限的射擊相結(jié)合，意味著單一的無(wú)人機(jī)可以巡航數(shù)天，極大降低了部署成本，對(duì)無(wú)人機(jī)的發(fā)展及國(guó)家方面都具有劃時(shí)代的意義。

有資料認(rèn)為[1]，DPAL激光器是“兆瓦級(jí)激光武器的領(lǐng)先候選者”，并且美國(guó)導(dǎo)彈防御局（MDA）也認(rèn)為“DPAL提供了一種高效率、電激勵(lì)、緊湊、輕量的高能激光器的解決途徑以應(yīng)對(duì)未來(lái)威脅”。MDA在2011財(cái)年預(yù)算提案中將LD泵浦堿金屬蒸氣激光器明確為導(dǎo)彈防御的領(lǐng)先候選者[2]。正如該文所述“建造兆瓦級(jí)激光器并將其光束發(fā)射到數(shù)百公里外的目標(biāo)上，是更具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，而半導(dǎo)體泵浦堿金屬蒸氣激光器，因其極高的效率以及通過(guò)采用氣體流動(dòng)使單孔徑輸出兆瓦功率，而頗具吸引力” 。在激光武器方面，DPAL有非常良好的發(fā)展前景。

2.3  室溫Fe2+:ZnSe中紅外激光器研究進(jìn)展

Fe2+:ZnSe激光器是近年來(lái)中紅外激光器研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。其最主要的特點(diǎn)是通過(guò)能級(jí)直接躍遷輸出3-5mm的中紅外激光，在材料特性和轉(zhuǎn)換效率等方面都具有明顯優(yōu)勢(shì)。3-5mm波段作為大氣傳輸窗口，處于該波段的激光源在激光雷達(dá)、遙感、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)療、通信和工業(yè)控制等民用領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。同時(shí)在軍事領(lǐng)域，目標(biāo)定位、紅外對(duì)抗等對(duì)該波段激光源的應(yīng)用需求也在不斷增長(zhǎng)。Fe2+:ZnSe激光器的特點(diǎn)除可以通過(guò)直接泵浦來(lái)獲得高效激光輸出外，同時(shí)它也具備較寬光譜范圍的吸收帶和發(fā)射帶、輸出激光調(diào)諧范圍寬（3.5—5.5mm）、光光效率高以及激光輸出能量大等優(yōu)點(diǎn)，因此這種激光器受到廣泛的關(guān)注。

但是Fe2+:ZnSe激光器的實(shí)現(xiàn)也存在一個(gè)難點(diǎn)，即在室溫下難以實(shí)現(xiàn)激光輸出，這是由其自身的能級(jí)特點(diǎn)所決定的。目前電子所采用自行研制的脈沖HF激光器泵浦Fe2+:ZnSe晶體，取得了比較好的效果，在室溫下實(shí)現(xiàn)了脈沖能量高達(dá)80 mJ的激光輸出。實(shí)驗(yàn)光路如圖2-11所示。實(shí)驗(yàn)未采用垂直入射泵浦方式，而采用小角度斜入射的泵浦方案，解決了雙色鏡鍍膜難的問(wèn)題。

圖2-11 Fe2+:ZnSe激光器實(shí)驗(yàn)裝置圖

3 若干激光應(yīng)用的進(jìn)展

3.1  激光雷達(dá)

近年來(lái)，激光器技術(shù)的發(fā)展，使得激光雷達(dá)得到了更好的發(fā)展。激光雷達(dá)種類非常多，比如大氣測(cè)量激光雷達(dá)、跟蹤激光雷達(dá)、測(cè)速激光雷達(dá)、合成孔徑激光雷達(dá)等。其中大氣測(cè)量激光雷達(dá)可測(cè)大氣溫度、水分、冰晶等，應(yīng)用于天氣預(yù)報(bào)方向可大大提高其預(yù)報(bào)準(zhǔn)度。近幾年，電子所主要涉及的是差分吸收激光雷達(dá)、三維成像激光雷達(dá)以及合成孔徑激光雷達(dá)。

在美國(guó)有兩個(gè)著名的激光雷達(dá)，其一是空間目標(biāo)探測(cè)激光雷達(dá)“HICLASS”，最遠(yuǎn)可以探測(cè)10000km外的目標(biāo)；在1000km時(shí)可探測(cè)反射截面25px2的目標(biāo)，其發(fā)射口徑為3.67m。二是跟蹤激光雷達(dá)“火池”，它的一個(gè)成功例子是在354km時(shí)還可繼續(xù)跟蹤航天飛機(jī)，精度可達(dá)1mrad。

合成孔徑激光雷達(dá)是利用激光器作輻射源的合成孔徑雷達(dá)，廣義上包括用紫外、可見光、紅外和太赫茲波作輻射源的合成孔徑成像雷達(dá)。其成像原理與微波波段的合成孔徑雷達(dá)的成像原理基本相同，利用雷達(dá)與目標(biāo)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)信號(hào)處理產(chǎn)生等效的大孔徑來(lái)獲得高的方位分辨率。由于激光波長(zhǎng)一般比微波波長(zhǎng)短3-5個(gè)數(shù)量級(jí)，所以合成孔徑激光雷達(dá)與合成孔徑微波雷達(dá)相比，在獲得同樣分辨率的情況下，其合成孔徑的長(zhǎng)度要小的多，對(duì)相關(guān)硬件的要求更低，系統(tǒng)更易實(shí)現(xiàn)。另外，合成孔徑激光雷達(dá)在成像時(shí)間上比合成孔徑微波雷達(dá)有大幅度的減少，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)的實(shí)時(shí)成像。因此，在遠(yuǎn)距離探測(cè)中，合成孔徑激光雷達(dá)比合成孔徑微波雷達(dá)具有更多的優(yōu)越性。

近幾年，我們?cè)诤铣煽讖郊す饫走_(dá)方面也做了很多工作，2016年取得了較好的實(shí)驗(yàn)成果，在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了機(jī)載合成孔徑激光雷達(dá)成像，地點(diǎn)位于陜西蒲城內(nèi)府機(jī)場(chǎng)，對(duì)如圖3-1所示的目標(biāo)進(jìn)行成像，結(jié)果如圖3-2所示，分辨率可達(dá)5厘米以下。

3-1 成像目標(biāo)

3-2 成像結(jié)果

3.2 激光清洗

激光清洗是新一代的先進(jìn)工業(yè)清洗技術(shù)，具有綠色環(huán)保、非接觸、選擇性強(qiáng)、精細(xì)可控、自動(dòng)化程度高、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)。目前激光清洗設(shè)備多采用半導(dǎo)體激光器、光纖激光器或固體激光器，一般為連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)輸出，輸出波長(zhǎng)為近紅外。隨著激光清洗應(yīng)用的展開及深入，激光清洗設(shè)備對(duì)激光器的選擇也將依據(jù)基底、清洗對(duì)象及技術(shù)要求“個(gè)性化”而定。

TEA CO2激光器應(yīng)用于激光清洗有如下優(yōu)勢(shì)：（1）單脈沖能量大，用于激光清洗時(shí)，不僅具有熱學(xué)效應(yīng)，而且具有力學(xué)“沖擊效應(yīng)”；（2）高重復(fù)頻率脈沖工作，與連續(xù)波激光器相比，對(duì)基底的熱影響?。唬?）TEA CO2激光器輸出光斑為多?！捌巾斝汀?，均勻方正；（4）輸出波長(zhǎng)處于長(zhǎng)波紅外波段，非金屬材料吸收率高，人眼安全；（5）運(yùn)維成本低。

我們研制的高重復(fù)頻率TEA CO2激光器，如圖3-3（a）所示，輸出波長(zhǎng)10.6 μm，單脈沖能量可達(dá)15 J，重復(fù)頻率可達(dá)150 Hz，平均功率達(dá)到2250 W。圖3-3中（b）、（c）分別為該激光器的光斑形狀及脈沖波形。該激光器光斑形狀方正，能量分布均勻，并具有較高的峰值功率。

圖3-3 高重復(fù)頻率TEA CO2激光器

高重復(fù)頻率TEA CO2激光器的以上特性，使它在激光除漆、激光文物表面清洗等激光清洗應(yīng)用中，有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。我們以激光去除飛機(jī)表面漆層為應(yīng)用背景，在激光除漆的最佳能量密度、激光除漆的效率與成本以及激光除漆對(duì)基底材料的力學(xué)性能的影響等方面開展了研究工作。圖3-4所示為經(jīng)過(guò)激光除漆與未經(jīng)過(guò)激光除漆的樣品的照片。

圖3-4 激光清洗前后樣品照片

（1）經(jīng)濟(jì)性測(cè)試：為了研究激光能量密度的影響，用銅凹面鏡將激光光束垂直聚焦到激光除漆樣品上，通過(guò)將樣品放置在銅凹面鏡焦點(diǎn)前的不同位置使照射到各個(gè)樣品上的激光能量密度各不相同。測(cè)量樣品所在位置的光斑面積，用入射激光能量除以該面積即得激光能量密度。

圖3-5 單位面積除漆質(zhì)量隨激光能量密度的變化曲線

圖3-6  Q*值隨能量密度的變化曲線

如圖3-5所示，單位面積除漆質(zhì)量先是隨著能量密度上升，在能量密度為6~8 J/cm2之間達(dá)到峰值，隨后下降。當(dāng)激光能量密度大于12 J/cm2后，單位面積除漆質(zhì)量顯著下降，此時(shí)，激光與樣品表面的作用機(jī)理可能已發(fā)生突變。而進(jìn)一步分析Q*值（Q*=激光能量密度/單位面積除漆質(zhì)量）隨能量密度的變化曲線，如圖3-6所示?？梢钥闯觯?dāng)能量密度大于10 J/cm2后，Q*值隨著激光能量密度的提高大幅提高，說(shuō)明激光能量的利用效率顯著下降。且在入射激光能量密度為6.5 J/cm2時(shí)，Q*值為極小值，約為3 kJ/g。

綜合上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，激光除漆的最佳激光能量密度為6-10 J/cm2。當(dāng)激光能量密度為6.5 J/cm2時(shí)，激光除漆效率較高，此時(shí)去除干重為1 kg的漆層，需要的激光能量約為3 MJ。假設(shè)使用一臺(tái)2 KW的TEA CO2激光器，其電光轉(zhuǎn)換效率為10%。那么，除去1 kg涂漆耗電量為8.3 kWh，電費(fèi)合人民幣8.3元（設(shè)電價(jià)為1 元/度）?？梢?，采用激光清洗的方法，除去每公斤涂漆的設(shè)備運(yùn)行成本不足10元。在經(jīng)濟(jì)性方面，激光清洗技術(shù)優(yōu)于目前使用的化學(xué)除漆方法。

（2）速度測(cè)試：激光除漆速度是制約激光除漆技術(shù)向?qū)嵱猛茝V的關(guān)鍵因素之一。例如，在激光去除飛機(jī)表面漆層應(yīng)用中，因?yàn)轱w機(jī)維修公司一般要求在一到兩天之內(nèi)完成整機(jī)的除漆工作。如果激光除漆速度無(wú)法達(dá)到現(xiàn)用的化學(xué)除漆的速度（約每小時(shí)22 m2），就會(huì)拖延飛機(jī)的維修時(shí)間，可能會(huì)產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)損失。

若表面漆層厚度為50μm，設(shè)漆層密度為1 g/cm3，則每平方米飛機(jī)涂層質(zhì)量約為50 g。按本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果，去除50 g漆層需要的激光能量為150 kJ，對(duì)于本文采用的平均功率2 kW激光器，對(duì)應(yīng)的發(fā)射時(shí)間75 s。即去除1 ㎡漆層需要的時(shí)間為75 s，這相當(dāng)于在本文的激光除漆應(yīng)用中，激光清洗的速度可以達(dá)到48 m2/h。

（3）安全性測(cè)試：將如圖3-4所示的經(jīng)過(guò)激光除漆和未除漆的兩組樣品分別編號(hào)，采用美國(guó)MTS公司810型材料試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)兩組樣品首先進(jìn)行材料拉伸試驗(yàn)。在最能反映材料強(qiáng)度的抗拉強(qiáng)度一項(xiàng)，除漆組樣品的平均值為399.6 Mpa，未除漆組的平均值為399.3 Mpa，兩組幾乎沒有差別。

之后采用不對(duì)稱拉伸循環(huán)應(yīng)力測(cè)試激光除漆前后樣品的疲勞壽命。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：5個(gè)激光除漆后樣品疲勞壽命的均值及方差都優(yōu)于5個(gè)未除漆的樣品，由于實(shí)驗(yàn)樣品較少且高周疲勞的方差都很大，不能以此判定激光除漆可以改善樣品的疲勞性能，但是至少可以初步得出激光除漆不會(huì)降低材料的疲勞性能。

最后采用顯微硬度計(jì)，測(cè)量樣品除漆前后的維氏硬度（HV）。測(cè)量結(jié)果如圖3-7所示，可以發(fā)現(xiàn)，在高于均值的樣品中，除漆的有5個(gè)，未除漆的有6個(gè)，并且分布表現(xiàn)出無(wú)規(guī)律性，所以飛機(jī)蒙皮經(jīng)過(guò)激光除漆后維氏硬度并沒有明顯差別。

圖3-7 除漆與否對(duì)維氏硬度的影響

在激光清洗領(lǐng)域，高重復(fù)頻率TEA CO2激光器具有非金屬材料吸收率高，人眼安全，熱影響區(qū)小等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，尤其適用于除漆、文物清洗等應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高功率高重復(fù)頻率TEA CO2激光器在激光清洗過(guò)程中可以做到對(duì)基底材料性能無(wú)損傷。并且，初步計(jì)算表明該類激光器除漆工作效率可達(dá)到48 m2/h。不考慮原件更換及設(shè)備折舊等因素，激光清洗設(shè)備的運(yùn)行成本很低，在經(jīng)濟(jì)性方面遠(yuǎn)優(yōu)于目前化學(xué)清洗工藝。

3.3  激光推進(jìn)

激光推進(jìn)（Laser Propulsion）與另一種新概念推進(jìn)方式-微波推進(jìn)，均屬于束能推進(jìn)(Beamed Energy Propulsion)。激光推進(jìn)的概念有狹義和廣義之分。狹義的激光推進(jìn)是指，通過(guò)激光與工質(zhì)相互作用產(chǎn)生推力的推進(jìn)形式。廣義的激光推進(jìn)，即以激光為能量來(lái)源的推進(jìn)形式，還包括激光光帆、激光電推進(jìn)、換熱式激光推進(jìn)等。本文所述激光推進(jìn)僅限于狹義的1激光推進(jìn)。

比沖（Specific Impulse）、沖量耦合系數(shù)（Momentum Coupling Coefficient）及能量轉(zhuǎn)化效率（Energy Conversion Efficiency），是衡量激光推進(jìn)性能的三個(gè)最重要的參數(shù)。比沖Isp是指消耗單位重量工質(zhì)所獲得的沖量，單位為s；沖量耦合系數(shù)Cm是指單位入射激光能量所產(chǎn)生的沖量，單位為N·s/J或N/W或dyn·s/J；能量轉(zhuǎn)化效率η是指飛行器獲得的動(dòng)能與激光能量的比值。

根據(jù)是否攜帶工質(zhì)，激光推進(jìn)可以分為燒蝕模式（也稱火箭模式）和吸氣模式兩類。在燒蝕模式中，強(qiáng)激光照射飛行器攜帶的工質(zhì)（一般為固體或液體）的表面，使其發(fā)生等離子體或蒸氣噴射，產(chǎn)生推力。吸氣模式是將由進(jìn)氣道吸入的空氣直接作為工質(zhì)，由激光擊穿后產(chǎn)生激光支持的等離子體爆轟波，推動(dòng)飛行器前進(jìn)。在這種模式中，一般激光器與飛行器分離，激光束通過(guò)地基或天基激光系統(tǒng)長(zhǎng)距離傳輸，作用于飛行器推進(jìn)部，無(wú)需自身攜帶推進(jìn)劑。與傳統(tǒng)的化學(xué)火箭推進(jìn)方式相比，激光推進(jìn)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）比沖更高。受工質(zhì)化學(xué)燃燒溫度的限制，傳統(tǒng)火箭推進(jìn)方式的比沖很難突破500s，激光推進(jìn)可達(dá)到3500～5000 s，這意味著消耗同樣質(zhì)量的工質(zhì)獲得的沖量可以提高1個(gè)數(shù)量級(jí)；

（2）有效載荷比高。有效載荷比是指飛行器所能運(yùn)載的有效載荷重量與飛行器起飛總重量之比。傳統(tǒng)推進(jìn)方式由于需要攜帶大量化學(xué)燃料，有效載荷比一般僅為1.5%，激光推進(jìn)由于可以將能源與工質(zhì)分離(吸氣方式的激光推進(jìn)甚至不需要攜帶任何工質(zhì))，激光推進(jìn)的有效載荷比可達(dá)15％，這意味著同樣起飛重量情況下“載重量”可以提高1個(gè)數(shù)量級(jí)；

（3）發(fā)射費(fèi)用低。由于發(fā)射裝置可反復(fù)利用，消耗的能源可由電力等廉價(jià)能源提供，發(fā)射載荷到近地軌道的費(fèi)用有望從目前傳統(tǒng)推進(jìn)的大約每公斤10000美元，降低到每公斤100美元；

（4）推進(jìn)參數(shù)可在大范圍內(nèi)控制，非常適合變軌、軌道維持等應(yīng)用。激光推進(jìn)應(yīng)用中，激光器的發(fā)射脈沖數(shù)（啟停時(shí)刻）以及輸出脈沖能量（輸出功率）、重復(fù)頻率等相關(guān)參數(shù)可在大范圍內(nèi)精確控制，推力產(chǎn)生方向也較易控制。通過(guò)精確控制照射工質(zhì)的“激光劑量”，可以使沖量控制的“分辨率”達(dá)到10-8 Ns，推力控制則可達(dá)到μN(yùn)量級(jí)；

1997年4月至2000年10月，美國(guó)Dr.Leik Myrabo領(lǐng)導(dǎo)的研究小組與空軍合作在白沙導(dǎo)彈靶場(chǎng)進(jìn)行了多次自由飛行實(shí)驗(yàn)；2000年10月，將直徑122mm重50g的光船推進(jìn)到71m的高度，自由飛行時(shí)間12.7s。

我們也做了一些關(guān)于激光推進(jìn)方面的工作，圖3-8為激光推進(jìn)自由飛行演示，采用平均功率千瓦級(jí)重復(fù)頻率脈沖CO2激光器，推進(jìn)10.2g的金屬光船，實(shí)現(xiàn)了自由飛行。

圖3-8 激光推進(jìn)自由飛行演示

激光推進(jìn)的應(yīng)用范圍十分廣闊，清除地球周圍的太空垃圾是其現(xiàn)實(shí)應(yīng)用之一。在地球上發(fā)射激光推進(jìn)空間中的碎片，改變空間碎片原有的運(yùn)行軌道，使其偏離運(yùn)轉(zhuǎn)軌道進(jìn)入地球大氣層自然燒毀。激光推進(jìn)清除太空垃圾的方法成本低，安全性好，是一種比較有前途和潛力的方式。

4 結(jié)論

結(jié)合中科院電子所的研究工作，我們對(duì)三種紅外激光器的研究進(jìn)展進(jìn)行了介紹，概述了其原理及各自的優(yōu)點(diǎn)。我們分析討論了激光雷達(dá)、激光清洗、激光推進(jìn)三種應(yīng)用，它們?cè)诟髯缘膽?yīng)用領(lǐng)域有一定的優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)需要重點(diǎn)關(guān)注的幾個(gè)研究方向。以上幾項(xiàng)研究進(jìn)展也同時(shí)說(shuō)明，激光技術(shù)有廣闊的應(yīng)用范圍和良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

JEFF HECHT. Diode pumping enables a new approach to alkali-vapor lasers. LASER FOCUS WORLD, April 2011.

JEFF HECHT. A new generation of laser weapons is born. LASER FOCUS WORLD, April 2010.

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【交流與討論】

宋家駿：謝謝譚榮清研究員給我們做的很精彩的報(bào)告，下面時(shí)間大家自由發(fā)言和討論，可以提問(wèn)題也可以發(fā)表看法。

李致潔：我提個(gè)問(wèn)題，因?yàn)槔走_(dá)一般是微波的，那么激光雷達(dá)是怎樣的原理呢？請(qǐng)簡(jiǎn)單介紹一下。

譚榮清：激光雷達(dá)的原理和微波雷達(dá)是完全一樣的。激光雷達(dá)林林總總，我說(shuō)有代表性的吧，它照到物體會(huì)反射，再接收過(guò)來(lái)，通過(guò)處理，提取有用的信息，這就是激光雷達(dá)的原理，實(shí)際上跟微波雷達(dá)完全一樣的。

比如說(shuō)三維成像的激光雷達(dá)，它就是發(fā)射激光的一個(gè)一個(gè)脈沖，然后激光脈沖收回來(lái)以后呢，它和普通的光學(xué)照相的區(qū)別在于，光學(xué)照相是完全二維的，激光雷達(dá)，它把脈沖收回來(lái)，要計(jì)算這個(gè)飛行時(shí)間，通過(guò)激光脈沖打出去再接收回來(lái)的時(shí)間，能把它和物體間的距離也測(cè)出來(lái)，反演出來(lái)的是三維的立體的圖象，除了有二維的之外，還有高程數(shù)據(jù)，比方說(shuō)用激光雷達(dá)去掃描一個(gè)城市，可以把各個(gè)樓宇的高度，同時(shí)在這個(gè)數(shù)據(jù)里頭顯現(xiàn)出來(lái)，這就是激光雷達(dá)和光學(xué)照相的區(qū)別，也就是激光雷達(dá)的一些用處。這我舉的是一種，實(shí)際上有很多，總的來(lái)說(shuō)是要接收回波的，處理回波的信息。

屠乃琪：說(shuō)到激光雷達(dá)，我搞過(guò)人工激光測(cè)距儀，發(fā)射器是紅寶石激光器對(duì)準(zhǔn)裝有角反射器的人造衛(wèi)星上如，探險(xiǎn)者13號(hào)，或者探險(xiǎn)者56號(hào)。我們搞人工激光測(cè)距儀，測(cè)量的是地面到人造衛(wèi)星的距離，激光器有發(fā)散角發(fā)射時(shí)覆蓋衛(wèi)星，計(jì)算發(fā)射脈沖時(shí)間和接收有個(gè)脈沖時(shí)間差，用時(shí)間差確定距離當(dāng)時(shí)的精度十米。這個(gè)項(xiàng)目現(xiàn)在安裝南美跟阿根廷天文臺(tái)合作，我們把這個(gè)項(xiàng)目應(yīng)用到天文臺(tái)，南北天區(qū)布網(wǎng)它測(cè)量的精度大概能達(dá)到半米級(jí)了，現(xiàn)在正常每天在進(jìn)行日常的觀測(cè)工作。地球動(dòng)力學(xué)，改善地球自轉(zhuǎn)，提供常規(guī)的資料，做常規(guī)的觀測(cè)。

另外我聽譚老師報(bào)告學(xué)習(xí)了很多激光的知識(shí)，聽譚老師介紹，說(shuō)人造衛(wèi)星的碎片，因?yàn)槲覀兲煳呐_(tái)有個(gè)人造衛(wèi)星碎片組，監(jiān)測(cè)太空垃圾，垃圾對(duì)發(fā)射的安全影響極大，咱們發(fā)射火箭的時(shí)候不要碰上，提供安全預(yù)報(bào)。激光器應(yīng)用之一可清除人造衛(wèi)星的碎片，專門有這個(gè)研究組提供安全期預(yù)報(bào)，有關(guān)單位跟據(jù)預(yù)報(bào)選擇什么時(shí)間發(fā)射，避開主要的碎片。

宋家駿：您測(cè)距離，最遠(yuǎn)測(cè)到多遠(yuǎn)？

屠乃琪：一千多公里。

宋家駿：那很遠(yuǎn)啦。

楊明江：九十年代中科院在北京有激光研究的單位有物理所、力學(xué)所、電子所、化學(xué)所、半導(dǎo)體所等，研究各有特色。我知道當(dāng)時(shí)電子所主要搞CO2激光器，還有有特色的銅蒸氣激光器。今天我來(lái)聽了電子所譚主任的報(bào)告，很受感動(dòng)。因?yàn)镃O2激光技術(shù)在一般人眼里已屬技術(shù)成熟的老技術(shù)，主要用大功率連續(xù)激光實(shí)現(xiàn)激光焊接，切割、熱處理。而電子所幾十年堅(jiān)持不懈，特別結(jié)合軍工和檢測(cè)，研發(fā)出一系列高重頻CO2脈沖激光技術(shù)及新應(yīng)用，研發(fā)工作發(fā)展很好，很有特色，工作很不容易。聽了很振奮，很值得我們學(xué)習(xí)你們咬住不放松精神。

你們介紹的激光清洗工作主要講了金屬表面的油漆和模具表面橡膠殘余物清洗，橡膠等有機(jī)物，對(duì)紅外光吸收好，容易氣化。我想問(wèn)一下你們對(duì)金屬表面氧化物的清洗做過(guò)些什么研究？比如鋁合金表面三氧二鋁（Al2O3）氧化膜的激光去除。就我所知，在目前先進(jìn)制造中，汽車、高鐵、航空航天裝備中，為了實(shí)現(xiàn)輕量化，大量采用鋁合金、鋁鎂合金、鈦合金等部件，部件焊接碰到困難是Al2O3清除。Al2O3結(jié)構(gòu)致密，汽化點(diǎn)高，易氧化生成，殘留在焊縫中容易形成諸多缺陷，影響焊接質(zhì)量?，F(xiàn)在工廠去Al2O3的方法主要采用機(jī)械刮削，速度慢，尺寸精度不易保證，詢問(wèn)激光有無(wú)辦法。你們的報(bào)告講，CO2激光脈沖寬度已做到70~100納秒，而在許多表面微加工領(lǐng)域，激光脈寬要達(dá)到幾個(gè)納秒到一二十個(gè)納秒，你們能不能進(jìn)一步努力達(dá)到，以拓寬應(yīng)用。

譚榮清：我接著楊老師說(shuō)幾句。首先感謝楊老師給予肯定。對(duì)于二氧化碳激光器來(lái)說(shuō)，它不容易做得更窄。二氧化碳激光器從原理上，從實(shí)驗(yàn)室的角度，還可以做得窄，比方說(shuō)我匯報(bào)的美國(guó)的大型的雷達(dá)，它的脈寬已經(jīng)做到幾納秒。但是要用比較難的技術(shù)。如果是比較通用的，工業(yè)化的，一般可能做到幾十納秒就算窄了，很難做到Y(jié)AG那樣10納秒。YAG已經(jīng)很容易做到，但二氧化碳就比較難。但也不是不可能，比方說(shuō)個(gè)別的應(yīng)用，就做一個(gè)兩個(gè)，那是有可能的，但做系列產(chǎn)品是有難度的。

剛才天文臺(tái)的老師講到了測(cè)距，激光測(cè)距的激光器現(xiàn)在一般用的是固體的。能不能用二氧化碳測(cè)距？測(cè)距為了測(cè)得準(zhǔn)，脈寬很窄，就好比只有你尺子刻度畫得很密才可能測(cè)得很準(zhǔn)。需要脈寬很窄，二氧化碳想做得很窄，有可能，但確實(shí)技術(shù)上比較難。但二氧化碳比YAG有個(gè)優(yōu)點(diǎn)，能量想做得大比較容易，就看具體應(yīng)用了。

第二個(gè)問(wèn)題，楊老師說(shuō)得非常好，現(xiàn)在去除氧化物，包括比方說(shuō)激光除銹也是屬于去氧化物，這是現(xiàn)在最多的激光清洗的需求?，F(xiàn)在需求是很明顯的，也有一些工作，我也做了一點(diǎn)點(diǎn)工作。坦率來(lái)說(shuō)，我們實(shí)驗(yàn)室這方面的工作正在進(jìn)行，手里做了個(gè)別樣品。

激光除銹這個(gè)事兒是可行的，是可以除的，也可以達(dá)到比較好的效果?，F(xiàn)在進(jìn)口的商品化樣機(jī)也有，而且是能做的。這個(gè)問(wèn)題提得很好，確實(shí)是目前很重要的一個(gè)需求。有很多鋼廠啊！其實(shí)楊老師說(shuō)的焊接之類可能是更高端的需求了，比較大的需求，比方說(shuō)軋鋼廠，軋出來(lái)后很快氧化了，現(xiàn)在都用酸處理一下再給人家，但現(xiàn)在政府不讓用了。一線的人都跟我提過(guò)，說(shuō)目前至少用二氧化碳激光器解決得還不夠。

楊明江：還有一條，在先進(jìn)制造搞輕量化時(shí)，多用鋁鎂合金等和鋼鐵焊接。這時(shí)不光是要解決表面氧化物清除問(wèn)題，還有一個(gè)很重要問(wèn)題，不同金屬熔點(diǎn)很不一樣，固定激光脈沖加工，往往一種金屬熔化了，另一種沒熔化，最后凝固后的焊縫就不是良好均勻的冶金結(jié)合。我們認(rèn)為需要研發(fā)一種激光波形調(diào)制技術(shù)，讓一個(gè)激光脈沖中的能量密度隨時(shí)間準(zhǔn)確變化，以實(shí)現(xiàn)作用點(diǎn)的溫度和時(shí)間控制。我們?cè)诩す饷瘧?yīng)用中用激光波形調(diào)制實(shí)現(xiàn)了抑制汽化，增加熔化，現(xiàn)在也在進(jìn)行集成電路焊接實(shí)驗(yàn)，以解決微小作用點(diǎn)，低溫焊接問(wèn)題。我建議你們?cè)诟咧仡l脈沖CO2激光波形調(diào)制技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步研究作為一個(gè)新的特點(diǎn)，做出更多貢獻(xiàn)。

王柏懿：力學(xué)所的楊明江他們一直用YAG激光器。

林世昌：剛才我聽譚老師介紹是激光器不動(dòng)的，工件在動(dòng)的，能不能這個(gè)激光器動(dòng)？

王柏懿：力學(xué)所的楊明江他們一直是激光器不動(dòng)。

林世昌：那個(gè)技術(shù)有沒有？像手槍一樣的。要用光纖，光纖傳的區(qū)域可掃描。氣體激光器比較困難。你這個(gè)在縫里頭，工件動(dòng)的話就比較麻煩，要旋轉(zhuǎn)了。

楊明江：二氧化碳的難點(diǎn)就難在這兒，很難用光纖傳輸。

林世昌：暴露出來(lái)的可以掃描，縫里面的掃描不到。

楊明江：一般40度以上60度以下，可以干。

王柏懿：力學(xué)所楊明江他們主要是做應(yīng)用的，如汽車廠。你們這個(gè)二氧化碳，做清洗的，一臺(tái)激光器要多少錢？

譚榮清：這個(gè)是不太好回答的問(wèn)題，因?yàn)楦愕木唧w的參數(shù)什么關(guān)系很大。我們實(shí)驗(yàn)室做的脈沖激光器來(lái)說(shuō)，賣的便宜的幾十萬(wàn)，貴的幾百萬(wàn)。幾十萬(wàn)到幾百萬(wàn)。比如說(shuō)我說(shuō)的千瓦級(jí)的，個(gè)比較大的，幾百萬(wàn)。小一點(diǎn)的，可能就是幾十萬(wàn)。

王柏懿：比如說(shuō)你提到的清洗飛機(jī)的那個(gè)激光器，需要多大的功率？

譚榮清：飛機(jī)要用千瓦級(jí)的了，大概上百萬(wàn)。

王柏懿：還行，飛機(jī)用還買得起。

楊明江：軍工，工業(yè)上用數(shù)千瓦CO2激光器，千瓦級(jí)YAG或光纖激光器，前幾年4到6千瓦的YAG激光、180萬(wàn)美元，后來(lái)降至80萬(wàn)美元。原來(lái)我們都研究激光器，現(xiàn)在應(yīng)用的那個(gè)要求是越來(lái)越高，應(yīng)該更重視激光應(yīng)用工藝的研究。

鈕得祿：我講點(diǎn)補(bǔ)充意見?？茖W(xué)院是我國(guó)最早開展研制激光的單位，研究課題大都重點(diǎn)放在氣體激光器上，尤其對(duì)二氧化碳?xì)怏w激光器的研究，包括它的應(yīng)用研究都取得了較大成績(jī)。20年前我院長(zhǎng)春光機(jī)所就成功地研究出平均功率為10 kw的高功率氣體激光器。當(dāng)時(shí)由院長(zhǎng)親自參加鑒定，但由于該器件體積較大，而未得到推廣應(yīng)用。

近幾十年，國(guó)際上對(duì)高功率固體激光，固體激光雷達(dá)加大了研究力度，投入了大量的人力、資金。像谷歌公司一家，就投入了1300萬(wàn)美元，成立了專門的團(tuán)隊(duì)，研制自動(dòng)駕駛汽車用的固態(tài)雷達(dá)傳感器?？茖W(xué)院由于上個(gè)世紀(jì)重點(diǎn)研究放在了氣體激光方面，對(duì)固體激光研究關(guān)注不夠，投入經(jīng)費(fèi)也少，所以在2000年后，有點(diǎn)下滑，有的研究所的激光研究有些邊沿化。當(dāng)然，這也和國(guó)家在上世紀(jì)，對(duì)材料的科學(xué)研究投入力度不夠有關(guān)。

國(guó)際上近幾年還有一個(gè)最熱門的研究項(xiàng)目，固態(tài)激光雷達(dá)，作用距離在200-300m。這種雷達(dá)體積小、重量輕，用途特別廣泛。是無(wú)人駕駛汽車、無(wú)人飛機(jī)、移動(dòng)機(jī)器人、巡航導(dǎo)彈等等自動(dòng)導(dǎo)航不可或缺的傳感器。上海光機(jī)所、科學(xué)院上海高研院、技物所、武漢大學(xué)、哈工大等等都把該項(xiàng)目列入重點(diǎn)研究對(duì)象。

在研發(fā)固態(tài)雷達(dá)時(shí)，還要提到一個(gè)核心技術(shù)“激光成像技術(shù)”。不是所有的激光雷達(dá)要求成像，有的只需要探測(cè)到目標(biāo)的距離、方位、高度、速度等就夠了。有的固態(tài)激光雷達(dá)，則要求被探測(cè)的目標(biāo)成像。如對(duì)水中探測(cè)的目標(biāo)，直升機(jī)在復(fù)雜的環(huán)境中落地時(shí)，地理環(huán)境成像。巡航導(dǎo)彈要擊中的目標(biāo)也要成像等等。據(jù)報(bào)道，中科院光電研究所，在面陣三維成像，激光雷達(dá)研究方面取得了某些突破。但離實(shí)際應(yīng)用還有一段距離。希望科學(xué)院加大這方面科研項(xiàng)目的力度，電子所也應(yīng)立項(xiàng)研究。因?yàn)殡娮铀形⒉ǔ上竦难芯康幕A(chǔ)。

在這里，我還有一個(gè)不成熟的想法。在研究固態(tài)激光時(shí)一般把固體變成蒸氣。一般來(lái)說(shuō)，把材料由固態(tài)變成氣態(tài)，體積會(huì)增大，密度會(huì)減小，這樣，激發(fā)出來(lái)的激光就會(huì)減少。如果把固體材料變成半氣體狀態(tài)的晶體微粒，會(huì)提高單位體積的密度，這是否會(huì)增加激光的輸出功率呢？不知會(huì)有什么問(wèn)題？

剛才譚老師提到激光雷達(dá)能否應(yīng)用在海上大霧天，避免大型艦船的碰撞問(wèn)題。激光雷達(dá)應(yīng)用時(shí)，環(huán)境是有要求的。沙塵暴、大霧會(huì)大大影響它的功能，解決這問(wèn)題的辦法就是應(yīng)用太赫茲雷達(dá)。

林世昌：老鈕提的建議很好。我網(wǎng)上搜了一下，黨的十八大以來(lái)，中國(guó)科學(xué)院重大成果20項(xiàng)，激光就有兩項(xiàng)。第一項(xiàng)，就是自主研制世界首套深紫外固態(tài)激光源前沿裝備，國(guó)際領(lǐng)先，這是第一個(gè)。

王柏懿：這是哪個(gè)所的？

鈕得祿：理化所的。

林世昌：第二項(xiàng)，超強(qiáng)、超短激光研究達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。達(dá)到什么呢？5.3帕瓦（1帕瓦等于10的11次方瓦）。昨天我到院圖書館去參觀，我們黨員和老科協(xié)搞一個(gè)活動(dòng)，去參觀咱們?cè)旱某晒?，講到5.3帕瓦了。電子所有特點(diǎn)，搞氣體激光。老鈕提的意見很好，這樣氣體激光、固體激光，取長(zhǎng)補(bǔ)短，創(chuàng)新思維，這個(gè)很好。

李悌興：科學(xué)院，主要是把精力抓了幾個(gè)光機(jī)所，上海光機(jī)所和西安光機(jī)所，都是主要投資在那個(gè)地方。我們所只有一個(gè)室搞激光，基本上沒有大的項(xiàng)目。

楊明江： 80年代、90年代開始，北京的幾個(gè)激光所經(jīng)常開會(huì)，現(xiàn)在有的所逐漸消沉了，希望電子所用這種激光沙龍方式把科學(xué)院激光所的研發(fā)力量再凝聚起來(lái)。

林世昌：電子所激光既是老的學(xué)科，又有新的項(xiàng)目。

王庚辰：首先感謝譚主任做了這么好的報(bào)告。激光技術(shù)和它的應(yīng)用，是非常非常大的領(lǐng)域，這么短的時(shí)間，給我們做了全面的介紹，信息量非常大，我們都來(lái)不及消化。我是大氣所的，我們不搞激光，但搞激光應(yīng)用。我今天的心情難以表達(dá)，主要是我們搞激光應(yīng)用那么些年了，確實(shí)走了一條非常艱辛的道路，也非常高興激光發(fā)展這么快，確實(shí)是感觸很深。

我們大氣所，從第一臺(tái)激光雷達(dá)，1962年研制成功，是國(guó)內(nèi)第一個(gè)激光氣象雷達(dá)，后來(lái)我們做兩方面工作，一個(gè)是激光探測(cè)大氣各種參數(shù)，目前為止，譚主任講的七種激光雷達(dá)，我們除了（共振熒光）之外，其它都在用。

第二個(gè)方面，就是激光傳輸，我認(rèn)為各個(gè)波段的激光在大氣當(dāng)中傳輸，不光是衰減吸收問(wèn)題，它主要是影響激光成像質(zhì)量，等等。固體激光、氣體激光、半導(dǎo)體激光都在用。我們不做器件，但我們應(yīng)用，就要了解這個(gè)激光器在大氣當(dāng)中的特點(diǎn)。

當(dāng)我們做二氧化碳激光、一氧化碳激光應(yīng)用的時(shí)候，非常困難。當(dāng)初找不到一家能做激光器。最后找到的是大連化物所和上海光機(jī)所，那個(gè)激光器就和譚主任講的一樣，就相當(dāng)于這么一個(gè)桌子，比這個(gè)桌子還大的東西，非常大。但是當(dāng)時(shí)我們很珍貴，為什么？因?yàn)樗强烧{(diào)諧的，七八十條譜線，我們一條一條的做，所以很艱難。然后找半導(dǎo)體所，也不行，只能從國(guó)外買。國(guó)外一個(gè)小的半導(dǎo)體激光器很貴很貴，我們要求它也要可調(diào)諧，當(dāng)時(shí)很艱難，所以我非常高興你們做出這樣的激光器?，F(xiàn)在如果我們?cè)僮鲞@種工作的話，從器件上我們不發(fā)愁了，我非常高興。

時(shí)間關(guān)系我不講了。我想問(wèn)兩個(gè)問(wèn)題，一個(gè)是對(duì)我們氣象大氣環(huán)境的應(yīng)用來(lái)講，首先需要常規(guī)的激光器，還要可調(diào)諧的，我們希望可調(diào)諧的二氧化碳激光器，這個(gè)方面譚主任很清楚；然后是便攜的，目前激光雷達(dá)是很大的東西，很沉，現(xiàn)在我們的激光雷達(dá)都是在固定點(diǎn)應(yīng)用，另外激光雷達(dá)還需要專業(yè)人員維護(hù)。另外一個(gè)，最好是要高重復(fù)頻率，我們希望探測(cè)距離更高，探測(cè)的分辨率更高。所以希望你發(fā)表一下你的看法。第二是找到我們最多的，就是現(xiàn)在的霧霾天氣比較厲害，好多單位找到我們，就是說(shuō)現(xiàn)在是高速公路上撞車，霧霾天，近海撞船，就是你們能不能在霧天的狀況下，減少高速公路上的撞車事故，避免海上撞船事故，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在沒有什么更好的辦法來(lái)做，就是應(yīng)用方面，有沒有什么高見供我們學(xué)習(xí)和參考的？謝謝。

林世昌：剛才王老師講到可調(diào)諧，我在電子所網(wǎng)站上看到研制新型的激光器，已通過(guò)外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，其中講新型遠(yuǎn)紅外可調(diào)諧激光器。

王庚辰：可調(diào)諧，這個(gè)詳細(xì)講就多了，就是可調(diào)諧的范圍和精度

林世昌：我曾經(jīng)跟譚老師商量，我說(shuō)我們電子所網(wǎng)站報(bào)道的，能不能講講？這個(gè)可調(diào)諧，大家都挺關(guān)心的。

王庚辰：因?yàn)槲覀?，剛才講了差分吸收的嘛，我們希望就是一條譜線來(lái)吸收很強(qiáng)，調(diào)到附近那條譜線上，它可能吸收很弱，為什么七八十條譜線我們要一條一條來(lái)研究呢，就是要看看每一條譜線它在大氣上的傳輸情況怎么樣。

譚榮清：第一個(gè)問(wèn)題，王老師說(shuō)的這些，我給總結(jié)了一下，五個(gè)關(guān)鍵詞。關(guān)于這個(gè)大氣探測(cè)的需求，可調(diào)諧，差分，便攜，維護(hù)，高重頻。說(shuō)句老實(shí)話，這些年來(lái)，尤其是近一二十年，這就是我們實(shí)驗(yàn)室追求的目標(biāo)。我們一直在做這個(gè)事兒?？烧{(diào)諧應(yīng)該說(shuō)是我們這個(gè)實(shí)驗(yàn)室的特色，在國(guó)內(nèi)是領(lǐng)先的?？烧{(diào)諧是指二氧化碳激光器的可調(diào)諧，或者稍做拓展，氣體激光的可調(diào)諧?？烧{(diào)諧的氣體激光器，我們做了大量的工作。在二氧化碳這方面呢，一看王老師真是用過(guò)，二氧化碳激光器的可調(diào)諧，一般來(lái)說(shuō)，就像王老師說(shuō)的，能出七八十條線那很貴的，個(gè)兒也很大。那個(gè)我們現(xiàn)在做沒問(wèn)題，我們出的線絕不會(huì)比國(guó)外或者是誰(shuí)少。我在2006年中國(guó)光學(xué)大會(huì)上，那時(shí)候做PPT講稿的時(shí)候，我是講我們出70幾條線、80幾條線，現(xiàn)在我們不這么講了，現(xiàn)在我就講我們能出很弱的線，那是在二氧化碳很邊緣的線。那個(gè)線我們能出，別的那就不用說(shuō)了，所以我們?cè)诔鼍€這方面沒問(wèn)題，可以出非常豐富的譜線，七八十條那是沒有問(wèn)題的，這是一方面。

另外一方面，光有調(diào)諧不行，還要有快調(diào)諧。尤其是在差分激光雷達(dá)里面，需要大氣凍結(jié)時(shí)間十毫秒之內(nèi)，你能從一支到另一支。這個(gè)我們從兩方面做工作，零幾年的時(shí)候就開始做工作。一方面是單臺(tái)激光器，可以快速在兩個(gè)波長(zhǎng)之間切換。這個(gè)實(shí)話實(shí)說(shuō)，我現(xiàn)在解決的離咱們大氣探測(cè)的，還稍有距離。我最快的大概在40毫秒左右，可以在兩個(gè)值之間，任意的兩個(gè)，二氧化碳10P、10R，9P、9R，其中任意的一根線和另一根線之間，快速的調(diào)諧。最快大概可以做到40毫秒。但是呢，這個(gè)離咱們大氣探測(cè)有的時(shí)候可能還有距離，咱們希望大氣凍結(jié)時(shí)間10毫秒之內(nèi)。

我們現(xiàn)在換了一個(gè)角度，我們因?yàn)檫€是注重實(shí)用嘛，不要追求理論、追求象牙塔式的研究。我們做了一個(gè)，就是我今天匯報(bào)的最新的成果，我們做的是雙路，在輸出波長(zhǎng)方面是獨(dú)立控制的，我預(yù)先程序完全可以設(shè)計(jì)好，這路出哪個(gè)波長(zhǎng)，這路出哪個(gè)波長(zhǎng)，這兩路之間輸出的波長(zhǎng)，可以每一路都可以是任意一條線，它倆之間的時(shí)間，是任意的，可以從同時(shí)，之間的快速到0，同時(shí)就是0嘛，到你要10微秒，你要100微秒，你要1毫秒，你要10毫秒，都可以，因?yàn)樗p路獨(dú)立控制的，這個(gè)原理上完全可以想像得出。

我們當(dāng)時(shí)在工程上還遇到難處，我就多羅嗦兩句。我們遇到一個(gè)很難解決的難題：雙路的時(shí)候，讓它倆同時(shí)輸出激光也可以，讓它倆拉開很寬，拉開很長(zhǎng)時(shí)間輸出也可以。最難受的事兒是這兩個(gè)之間要很快的時(shí)候，你第一路一輸出，因?yàn)殡姶鸥蓴_，另一路本來(lái)沒讓它出，讓它再過(guò)一小會(huì)兒，它一著急它自己先跟著出來(lái)了。這個(gè)就是互相干擾的問(wèn)題。這個(gè)雙路互相串的問(wèn)題，這個(gè)困擾了我們一段時(shí)間，我們現(xiàn)在完全解決了。這雙路，中間根據(jù)程序設(shè)定，相隔多少長(zhǎng)時(shí)間都是可以的，都是任意調(diào)的。這是差分可調(diào)諧。

便攜的話，說(shuō)老實(shí)話對(duì)氣體激光器是有難度的，反正我們盡量往這個(gè)方向做。我們做的最小的便攜式激光器是10公斤，充電電池供電，不用220v。我們當(dāng)時(shí)是一個(gè)什么特殊場(chǎng)景呢？搞工程的人，希望爬到那個(gè)裝備車的車頂上去，打出一束激光，這個(gè)經(jīng)常爬車頂，只能拎個(gè)十公斤已經(jīng)算是不錯(cuò)的小伙子了。

王庚辰：我們是希望爬到300米的鐵塔上。

譚榮清：是啊，對(duì)，我知道你們大氣所有個(gè)鐵塔，現(xiàn)在還聳立在那。那個(gè)鐵塔要帶個(gè)激光器上去，10公斤已經(jīng)不容易了，年輕小伙子可以。所以這個(gè)我們做過(guò)，而且是電池的，你不需要拉跟線，不然線怎么辦？但是這個(gè)確實(shí)有犧牲的，這個(gè)就是說(shuō)，只能是比方說(shuō)你要哪個(gè)波長(zhǎng)，我事先給你條定好，單一的波長(zhǎng)，然后重復(fù)頻率，也解決1赫茲，一秒鐘打一下。這是關(guān)于便攜。但我們?cè)谕瑯忧闆r下盡量做得小一些，比方說(shuō)便攜的做不到，就做到桌面，就盡可能小。

維護(hù)的話，我們兩方面做工作，一方面把激光器做得好一點(diǎn)，盡量少維護(hù)。一旦需要維護(hù)，做工程多年的理念，說(shuō)點(diǎn)感慨，在座的很多老師都有這感受，沒有保修期，合同上寫一年也好，有時(shí)候讓你寫三年也好，哪有那個(gè)事兒？只要不扔掉，一個(gè)電話你就得馬上去。工程的東西就這樣，出去八年了，說(shuō)對(duì)不起過(guò)保修期了，那哪行？也不可能像一般的，你先付我錢，那不行。我們明天要用了，你趕緊給我調(diào)一下，那我們馬上就得飛過(guò)去。這時(shí)必須的，我們良好的態(tài)度，以軍事的作風(fēng)去維護(hù)，都沒有問(wèn)題。

這種二氧化碳，我們脈沖式的二氧化碳，可以做到2K，這是沒有問(wèn)題的。

這是第一個(gè)問(wèn)題，我可能說(shuō)得多了點(diǎn)。

關(guān)于第二，防撞的激光雷達(dá)，王老師說(shuō)在霧天，防止撞車，這個(gè)我給總結(jié)一下，應(yīng)該就是說(shuō)開發(fā)新一代的防撞的雷達(dá)。因?yàn)槲覀冸娮铀羞@個(gè)優(yōu)勢(shì)，不僅有激光，還有微波。其實(shí)這個(gè)防撞的雷達(dá)說(shuō)起來(lái)還蠻難的。我個(gè)人一點(diǎn)臨時(shí)的想法，可能需要開發(fā)一個(gè)激光和微波聯(lián)合的這樣的一個(gè)雷達(dá)。因?yàn)榧す夂臀⒉ㄑ?，各有利弊。微波的特點(diǎn)是在霧霾天，它穿透力特別好，受氣候影響淺，這是微波的優(yōu)點(diǎn)。但是微波也有缺點(diǎn)，它比較粗，能不能夠達(dá)到防撞這個(gè)精度，可能很難說(shuō)。激光正好反過(guò)來(lái)，它測(cè)量的精度比較高，但是它受氣侯的影響很大，在真正的大霧霾天往往是無(wú)用武之地，至少性能會(huì)大幅度下降。所以呢，可能需要把這兩者結(jié)合起來(lái)。這是電子所的優(yōu)勢(shì)，我們電子所既有微波，又有激光，可能做一個(gè)雙體制的，就是微波和激光互相融合和互補(bǔ)，能解決這個(gè)問(wèn)題，是一個(gè)思路。在這兒我就斗膽的說(shuō)兩句。

最后呢，林老師給我出的題目。我從林老師現(xiàn)在退休了還做的工作，想到了我們老一輩科學(xué)家做事的精細(xì)和認(rèn)真，真的是值得我們一代一代學(xué)習(xí)的。他辦這個(gè)沙龍，事先肯定看了大量的資料，做了大量準(zhǔn)備。他事先看了我們所的網(wǎng)站，關(guān)注了我們激光這一塊，然后給我提出來(lái)。今年我們所網(wǎng)站里有一個(gè)報(bào)道，就是激光這方面的一個(gè)主要的成果，我們搞了一臺(tái)激光器，雙路，快調(diào)諧的，這個(gè)跟王老師的大氣探測(cè)相當(dāng)有關(guān)聯(lián)，也是用到差分雷達(dá)上了。這個(gè)應(yīng)該說(shuō)是我們五室今年最亮的成果了。這個(gè)激光器呢，可以輸出很弱的線，可以達(dá)到最快的調(diào)諧時(shí)間，尤其是可以適應(yīng)極惡劣的環(huán)境。我們?cè)谖覈?guó)的大草原上，通過(guò)了各種殘酷實(shí)驗(yàn)，有很多難度，我們通過(guò)了?？傊@臺(tái)激光器的性能，是工程化性能很好，可以完全做到可調(diào)諧，應(yīng)該說(shuō)是填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)的空白。

剛才王老師說(shuō)的那些，我也覺得很可惜。確實(shí)，王老師若干年前費(fèi)那么大勁找激光器，我若干年前費(fèi)勁地做應(yīng)用，都很苦惱，以后咱們多合作。我們現(xiàn)在做的激光器，用到大氣探測(cè)，尤其是差分大氣探測(cè)，是非常合適的。主要我們現(xiàn)在面對(duì)兩個(gè)波段，都可以做到可調(diào)諧，而且都是很有特色的，一個(gè)是9到11微米的波段，還可以在技術(shù)手段上最多可以拓展到11.15微米左右，9到11.15微米左右，這是長(zhǎng)波紅外波段。還有一個(gè)波段，就是王老師提到的2.7微米左右，我們是用氣體激光的方法，用氟化氫的激光器，也可以實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧，也有很多條線，可以實(shí)現(xiàn)2.7微米。這個(gè)波段本來(lái)是大氣不透的，說(shuō)老實(shí)話，多數(shù)人認(rèn)為這激光器沒用。因?yàn)槲覀冊(cè)趯?shí)驗(yàn)室里做實(shí)驗(yàn)也是這樣，把那個(gè)能量探頭，離激光輸出口稍微遠(yuǎn)一點(diǎn)，這個(gè)能量就衰減掉了，一米的距離就可以把它的能量都吃掉，好像這大氣里頭沒用了。但有時(shí)候有一些獨(dú)特的應(yīng)用。所以就是至少在這兩個(gè)波段，我們都是可以做到很好的可調(diào)諧。我們的激光器是填補(bǔ)了空白的。開始是國(guó)內(nèi)的著名高校在做，有困難，后來(lái)我們加入過(guò)來(lái)，把這個(gè)事兒解決了

王柏懿：我問(wèn)另外一個(gè)問(wèn)題，我個(gè)人的偏好是激光推進(jìn)。你們還依然在做光船的事情嗎？我不知道光帆和光船是不是一碼事？你們的激光推進(jìn)，將來(lái)（或者預(yù)期）能夠推到多大的質(zhì)量？還是只能是在小衛(wèi)星的小范圍里來(lái)做這個(gè)事情？特別是今年4月份，霍金和俄羅斯的一個(gè)大咖，他們合起來(lái)搞了一個(gè)“突破攝星”計(jì)劃，說(shuō)要用一個(gè)非常大的激光的陣列把光帆發(fā)射到太空。你們電子所對(duì)這一塊，有什么想法或者將來(lái)還接著做嗎？這是我的問(wèn)題。

譚榮清：我們電子所做做激光推進(jìn)的話，主要還是基于我們有一個(gè)比較適宜做激光推進(jìn)的激光器，就是我重點(diǎn)匯報(bào)的這個(gè)脈沖的二氧化碳激光器，從這兒開始呢，逐步起步。我們是從2002年開始做一些激光推進(jìn)的工作。應(yīng)該說(shuō)這個(gè)工作沒有得到太多的國(guó)家層面的項(xiàng)目的支持，所以呢，實(shí)話實(shí)說(shuō)，這幾年做的工作已經(jīng)逐漸少，做也基本上在純研究的范圍，帶著研究生做一些工作。我想這個(gè)也是有原因的，因?yàn)榧す馔七M(jìn)這個(gè)事兒，如果真搞的話，投資量很大，國(guó)家也很難短時(shí)間下決心做這個(gè)事情，確實(shí)也有一段距離。

剛才老師提到這個(gè)光帆，實(shí)際上光帆廣義上來(lái)說(shuō)可能算激光推進(jìn)，但狹義上來(lái)說(shuō)就不叫激光推進(jìn)了，光帆也叫太陽(yáng)帆，用的是光子的動(dòng)量。就是說(shuō)我們?nèi)绻腔貞浺幌轮v狹義相對(duì)輪、廣義相對(duì)輪、愛因斯坦的觀點(diǎn)，就是即使光，它是光子，它也攜帶動(dòng)量的，一束光照到一個(gè)鏡面上被反射回來(lái)，實(shí)際上會(huì)給鏡面一個(gè)非常非常小的一個(gè)壓力了，那個(gè)就可以叫光壓，那個(gè)壓力非常小。但是呢，如果把光帆做得很大很大，又在太空中的話，沒有什么大氣阻力的話，這個(gè)構(gòu)想，實(shí)際上是專門有人研究做光帆的，這個(gè)尤其在深空推進(jìn)。比方說(shuō)離地球很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)了，各方面能量都很難輸出過(guò)去了，它用一個(gè)巨大的光帆來(lái)推動(dòng)，是那個(gè)。

這個(gè)跟我們搞的激光推進(jìn)是親戚，但是不是一個(gè)。我們的激光推進(jìn)還是用激光能量轉(zhuǎn)化為推動(dòng)的力量，轉(zhuǎn)化為飛船的動(dòng)量。轉(zhuǎn)化的方法主要有兩種，一種是前邊我說(shuō)的把激光聚焦之后產(chǎn)生爆轟波，就是擊穿大氣，擊穿大氣的話，大家可以想像，這個(gè)應(yīng)用需要在大氣層內(nèi)，所以只適用于低軌衛(wèi)星的發(fā)射。離大氣層遠(yuǎn)了，50公里以上就逐漸失去作用了。還有一種叫火箭式推進(jìn)，剛才說(shuō)的這種叫吸氣式推進(jìn)，還有一種是火箭式推進(jìn)，激光打到物質(zhì)上，物質(zhì)被激光燒蝕了，產(chǎn)生一噴射，這有點(diǎn)像現(xiàn)代的化學(xué)火箭，只不過(guò)這個(gè)不是靠火箭的燃燒，不是靠燃料的燃燒，而是靠激光打上它，讓它噴射出來(lái)。這種呢，叫燒蝕方式，這種燒蝕方式是可以到深空中去使用的，可以脫離大氣層，這兩種都可以使用。

當(dāng)前激光推進(jìn)離實(shí)用確實(shí)有段距離，有個(gè)估算，如果把十公斤級(jí)的一個(gè)飛行物，推到近地軌道上去，需要百萬(wàn)瓦量級(jí)的激光器，所以這個(gè)激光器是很大的。所以直接用它去發(fā)射衛(wèi)星，哪怕是發(fā)射一個(gè)小衛(wèi)星，也是還有很長(zhǎng)的路要走，離實(shí)用還是有一段距離的?，F(xiàn)在離實(shí)用比較近的，我認(rèn)為兩個(gè)方面：一個(gè)是激光清除碎片，清除碎片這個(gè)東西它不同于說(shuō)發(fā)射一個(gè)衛(wèi)星入軌，它不需要整個(gè)的過(guò)程從這個(gè)地球上一直把它推到一個(gè)近地軌道上去，它只是改變空間碎片的軌道，改變軌道還可以通過(guò)重復(fù)，比方說(shuō)對(duì)于比較難清除的碎片，我地球上建三到五個(gè)站，每次經(jīng)過(guò)打100個(gè)脈沖到200個(gè)脈沖，下一站再按照合理的方式作用它，可能經(jīng)過(guò)一天兩天清除掉。用這種方式我可以同時(shí)作用于多個(gè)碎片，哪個(gè)碎片來(lái)了我就作用哪個(gè)碎片，就是現(xiàn)實(shí)度更高一點(diǎn)。這種清除碎片，還有一種方式就更容易一點(diǎn)，可以把激光器裝到宇宙飛船上去，裝到衛(wèi)星上去，就是空對(duì)空，太空對(duì)太空，天基的。可以距離得比較近，據(jù)報(bào)道，日本已經(jīng)把一個(gè)激光器裝到他們的一個(gè)衛(wèi)星上面去，然后用于清除接近它的碎片，已經(jīng)有這方面的實(shí)驗(yàn)。這是一方面。另一方面，是所謂微推進(jìn)，就是把激光器直接裝到衛(wèi)星上去調(diào)整衛(wèi)星的姿態(tài)，或者是做衛(wèi)星的軌道維持，這個(gè)需要的功率和能量，量級(jí)也比較小，這個(gè)離現(xiàn)實(shí)比較近，這兩方面是可以早的走到應(yīng)用里去的。

王柏懿：所以你們這個(gè)光船更接近他們那個(gè)“突破攝星”方案，完全用激光來(lái)推進(jìn)。他們已經(jīng)宣布了，要開始做這個(gè)事情。但是我相信，這會(huì)是很難的一項(xiàng)任務(wù)，要花很長(zhǎng)的時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)。

王玉富：很高興能夠到這兒來(lái)參加這樣一個(gè)沙龍，對(duì)你們工作感到非常敬佩。很巧，我15年前也接觸到這方面的工作，很遺憾的是這個(gè)事情沒有做到底。當(dāng)時(shí)怎么個(gè)情況呢？就是長(zhǎng)春光機(jī)所通過(guò)中介找到我。說(shuō)因?yàn)榧す馄鞒す忸^本身，對(duì)電脈沖的要求也非常嚴(yán)格，希望電脈沖也是越好越好。他們給了這樣的一個(gè)指標(biāo)，就是說(shuō)電脈沖的峰值功率是20兆瓦，連續(xù)功率是100千瓦。

上海光機(jī)所造的是3個(gè)立方米，就問(wèn)我能做到什么程度，我設(shè)計(jì)計(jì)算后說(shuō)我0.5立方米這個(gè)東西做下來(lái)，并且還能做到你做不到的。什么東西呢？因?yàn)橹C波問(wèn)題非常重要的，因?yàn)樗褪且粋€(gè)電的小局域網(wǎng)，相對(duì)比較小，功率非常有限的局域網(wǎng)，你諧波大了以后，發(fā)電機(jī)無(wú)法承受。他說(shuō)那你做好設(shè)計(jì)吧，中介跟我說(shuō)，讓我做了一個(gè)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果確實(shí)做到這樣一個(gè)連續(xù)功率為100千瓦、峰值20兆瓦的電脈沖，適應(yīng)它的需求。

后來(lái)中介又提出了一系列的個(gè)人要求吧，當(dāng)時(shí)我也感覺，這個(gè)要求不太合理，但是我也很想做，但最終雙方?jīng)]有達(dá)到協(xié)議，我們沒有結(jié)合。所以這塊，如果有機(jī)會(huì)的話，很希望電子所能不能做一些這方面的事兒。我們做無(wú)諧波高能量的，世界最好的電脈沖，你們做最好的激光頭，我們把中國(guó)的激光器做到超越美國(guó)?？赡芪业囊靶奶罅耍抑苯诱f(shuō)，有這樣一種可能性，因?yàn)橹C波對(duì)局域網(wǎng)的局域設(shè)備，特別是脈沖功率大，連續(xù)功率本身100千瓦也不小的情況之下，這一塊，我們跟世界的根本標(biāo)準(zhǔn)還是有差別的，這是說(shuō)的第一個(gè)問(wèn)題。

第二個(gè)，很有意思的事兒，現(xiàn)在國(guó)際上有個(gè)ITER項(xiàng)目，最早是美國(guó)、蘇聯(lián)幾個(gè)國(guó)家，后來(lái)中國(guó)也加入了，就是核聚變項(xiàng)目，通過(guò)（托克馬克環(huán)）來(lái)實(shí)現(xiàn)核聚變。前不兩天吧，我們李克強(qiáng)和比爾蓋茨做了一個(gè)很有意義的會(huì)見，比爾蓋茨自己有六個(gè)能源公司，他跑過(guò)來(lái)好幾次，說(shuō)要做好核聚變裝置。他認(rèn)為，應(yīng)該做一個(gè)預(yù)熱能源，可以實(shí)現(xiàn)能源價(jià)格的降低。美國(guó)盡管在這個(gè)（托克馬克環(huán)）ITER項(xiàng)目上也投了很多錢。我們也投了是300億或是500億，ITER項(xiàng)目（托克馬克環(huán)）還是被延遲的。它作為世界級(jí)的，除了空間站以外，全世界最大的科研項(xiàng)目。我自己也有幸參與了它，研制了高精度磁控濺射電源，用于真空腔體去除殘余分子。我們國(guó)內(nèi)做得比較早，也比較好的，一個(gè)是成都原子能能所，現(xiàn)在就是合肥的那個(gè)超導(dǎo)托克馬克，也是做得是相當(dāng)相當(dāng)不錯(cuò)了。當(dāng)時(shí)美國(guó)兩個(gè)項(xiàng)目最有價(jià)值，一個(gè)是（激光受控核聚變），另外一個(gè)是鈦酸鋇超級(jí)電容，這兩項(xiàng)，這五年以來(lái)都無(wú)聲無(wú)息了，到底是怎么個(gè)情況？我后面觀察，沒有了。到底是失敗了？還是美國(guó)進(jìn)步了，它成功了，把它藏起來(lái)了？這個(gè)東西非常重要，我自己也一直在關(guān)注，也希望我們科學(xué)院能不能把這個(gè)搞清楚，到底能不能取代電池？激光束核聚變，到底能不能代替現(xiàn)在的（托克馬克環(huán)）？最近又有新消息來(lái)了，說(shuō)美國(guó)的核聚變有重大進(jìn)展。這些東西本身，其實(shí)我們科學(xué)家應(yīng)該關(guān)心，應(yīng)該搞清楚，到底應(yīng)不應(yīng)該搞？能不能彎道超車？我就說(shuō)這么兩個(gè)問(wèn)題。

孫殿義：原理階段很開放了，希望吸收全世界的智慧。

張 平：感謝譚主任在激光新器件和應(yīng)用技術(shù)上做了非常精彩的報(bào)告，也了解到國(guó)內(nèi)外科技進(jìn)展的情況。我想問(wèn)一個(gè)問(wèn)題，咱們所不僅研制出一系列新的器件，另外在應(yīng)用領(lǐng)域里面，也踏踏實(shí)實(shí)的做了不少工作，比如說(shuō)激光合成孔徑雷達(dá)。前些日子，丁副所長(zhǎng)說(shuō)電子所已成功研制出光子合成孔徑雷達(dá)樣機(jī)，我覺得這與激光合成孔徑雷達(dá)可能不是一件事兒。我想問(wèn)問(wèn)譚主任，這兩個(gè)雷達(dá)在各自的應(yīng)用領(lǐng)域里，技術(shù)性能上，各自有什么特點(diǎn)？各自的發(fā)展?jié)摿Χ荚趺礃?？另外，?jù)說(shuō)那個(gè)光子雷達(dá)，是用動(dòng)目標(biāo)來(lái)驗(yàn)證的，因?yàn)楹铣煽讖揭蟀l(fā)射源和目標(biāo)之間必須有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而我們的成像目標(biāo)是固定的，是否通過(guò)讓雷達(dá)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證？

譚榮清：我簡(jiǎn)單回答兩句，我們的實(shí)驗(yàn)，激光雷達(dá)，的確是放在飛機(jī)上，飛機(jī)是飛行的，所以是有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的，靶是不動(dòng)的，這樣就形成合成孔徑。

至于最近電子所光子雷達(dá)方面取得很大的成就，那主要是一室同志做的。我就不說(shuō)這個(gè)光子雷達(dá)了，這個(gè)激光雷達(dá)我也就只知道皮毛，也不便發(fā)表太多觀點(diǎn)，我只是說(shuō)它還是兩種雷達(dá)。我認(rèn)為光子雷達(dá)是把光子學(xué)的一些手段和原理，應(yīng)用到微波雷達(dá)的系統(tǒng)當(dāng)中去，提高微波雷達(dá)的性能，所以叫光子雷達(dá)，我是這么認(rèn)為的，這是我對(duì)這個(gè)光子雷達(dá)的膚淺的認(rèn)識(shí)。

孫殿義：微波光子雷達(dá)，它的本質(zhì)還是微波的。那么它在處理上，楊老師可能了解，它是采用了光子的手段，所以說(shuō)處理數(shù)據(jù)的能力效率更快，速度更高，上百倍，對(duì)吧。激光雷達(dá)呢，它用的手段不一樣，一個(gè)是用光，一個(gè)是用微波，但都是電磁波。

劉國(guó)詮：非常高興，非常感謝譚先生的報(bào)告，使我得到了一次學(xué)習(xí)激光新知識(shí)和信息的機(jī)會(huì)。我是化學(xué)所的，我們?cè)谶^(guò)去也稍微接觸過(guò)一點(diǎn)激光，在90年代的時(shí)候，為了檢測(cè)極其微量的物質(zhì)，建立起一套激光誘導(dǎo)熒光裝置，這套裝置用的激光器是YAG激光器。我們用這套裝置可觀測(cè)到三十幾個(gè)分子，即檢測(cè)限三十幾個(gè)分子，而用普通的光的話，僅能達(dá)到10的負(fù)12次方克分子，當(dāng)然這已經(jīng)是很高很高靈敏度了。當(dāng)時(shí)非常高興，準(zhǔn)備好好干一干。但沒過(guò)多久，YAG激光器就壞了，它壽命很短，又很貴。當(dāng)時(shí)就在想，要是有一種光譜很寬的，還帶紫外波段的激光器該有多好。而剛才介紹的可調(diào)諧的激光器，是不是也就幾條固定的線？

譚榮清：100條左右，譜線。

劉國(guó)詮：覆蓋的范圍是多少？

譚榮清：9到11微米。紅外的。

劉國(guó)詮：因?yàn)槲覀兏惴治龌瘜W(xué)的，基本上在紫外，最多是可見，不知道有沒有這樣子的，能使得譜線條數(shù)多一點(diǎn)？

譚榮清：有。

劉國(guó)詮：那看來(lái)我們就可把這樣一種高大上的光源，用到分析化學(xué)上，如果可調(diào)諧的話，應(yīng)該是非常好的，謝謝譚先生的介紹。

譚榮清：我倒有一個(gè)小問(wèn)題，剛才王老師說(shuō)搞電源指標(biāo)挺好的，那你電壓是多少？

王玉富：我們有指標(biāo)，我回頭給你，現(xiàn)在記不清楚了，因?yàn)?5年前的事兒了。

胡萬(wàn)明：感謝譚主任的報(bào)告，我聽了之后，對(duì)譚主任這個(gè)激光氣體感興趣，跟市場(chǎng)對(duì)接比較多，跟企業(yè)對(duì)接，下一步跟譚總在激光氣體這塊再做點(diǎn)交流，謝謝。

方永綏：我補(bǔ)充一點(diǎn)意見。剛才的報(bào)告和發(fā)言都非常精彩，但我想到另外一個(gè)層次的問(wèn)題，就是我們今天的會(huì)是老科協(xié)的會(huì)，老科協(xié)的沙龍，提問(wèn)的老專家、老學(xué)長(zhǎng)都已經(jīng)退休了，做報(bào)告的是在職的，我覺得這樣很好，我們交流了科技方面的信息，使大家感到都有好處。其實(shí)呢，這給我們一個(gè)很大的啟發(fā)，這種沙龍應(yīng)該多搞，起碼就是在座的人能夠受益?？墒歉蟮膯?wèn)題，現(xiàn)在在職的人，他們?cè)趺磥?lái)交流他們的科技成果和科技思想呢？這不是我們老科協(xié)延伸下去就能夠解決的問(wèn)題。我覺得整個(gè)科學(xué)院，包括剛才大氣所、化學(xué)所的同志，還有其它所的同志，對(duì)電子所的了解就不是很夠。電子所搞出來(lái)的激光器，在科學(xué)院范圍里頭也了解不夠。因?yàn)閯偛疟热缯f(shuō)王老師和譚主任，王老師我找了你半天了，譚主任也說(shuō)我也想到我這個(gè)激光器用在哪。其實(shí)這種現(xiàn)象，說(shuō)明我們科學(xué)院，缺乏一個(gè)平臺(tái)，就是“互聯(lián)網(wǎng)+”。在科學(xué)院的各個(gè)研究所之間，應(yīng)該有這么一個(gè)平臺(tái)，使需求雙方能很快速地交流現(xiàn)有的成果，有的單位需要某種東西，有的單位我搞出來(lái)東西，我要到什么地方可以用?？茖W(xué)院的這個(gè)“互聯(lián)網(wǎng)+”搞得不夠好。其實(shí)這些東西掛到網(wǎng)上，立馬就看到了，不是我們退休的人看到，是在職的人看到。我覺得就是說(shuō)今天有李局長(zhǎng)在嘛，科學(xué)院的層面，我不知道啊，因?yàn)槲乙餐诵萘?，我不知道科學(xué)院各所之間，一百多個(gè)單位，內(nèi)部有沒有充分交流的機(jī)制？而且是最現(xiàn)代化的頻道，就是互聯(lián)網(wǎng)，我們可以搞個(gè)內(nèi)部網(wǎng)，專門交流能夠交流的東西，有的軍工的，不發(fā)布沒關(guān)系。馬云干什么事兒？無(wú)非就是把全國(guó)各地的中小企業(yè)的需求都在一個(gè)平臺(tái)上溝通起來(lái)了，那互聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)就是最快速的、最便捷的、最少成本的信息溝通，不光是在國(guó)內(nèi)發(fā)揮作用，美國(guó)中小企業(yè)也拉進(jìn)來(lái)，第三世界的中小企業(yè)拉進(jìn)來(lái)，促成了好多的交流，物質(zhì)的交流、信息的交流、成果的交流、產(chǎn)品的交流，都有啊。其實(shí)一樣的，本質(zhì)上這個(gè)事情都是一樣的，我需要某種激光器，對(duì)不對(duì)？當(dāng)然更大的范圍，還有好多激光所的，還有比譚老師能夠提供的更好的，那么我們現(xiàn)在都是10年以前，20年以前退休的人，講的老故事。那么現(xiàn)在還有好多新故事啊，在職的，第一線的，跟國(guó)家需求更緊的一些問(wèn)題、一些需求，還有咱們新的供給，都有啊。

林世昌：你說(shuō)到點(diǎn)子上了，我們的沙龍就是這個(gè)目的，開展交流。今天為什么請(qǐng)速記員來(lái)？速記內(nèi)容要上網(wǎng)的。為什么請(qǐng)譚老師寫文章，也是上網(wǎng)的。PPT不宜上網(wǎng)，但文章上網(wǎng)。

方永綏：雙方交流的一個(gè)很成功的一個(gè)活動(dòng)。但是這樣的活動(dòng)，就是對(duì)在職的人，應(yīng)該是每天每時(shí)每刻都有，電腦就解決問(wèn)題了。但是我不知道，因?yàn)槲彝诵萘?，不知道院里有沒有一個(gè)很強(qiáng)的組織，就是做這個(gè)事兒。

楊汝良：我講幾點(diǎn)看法。第一，電子所二氧化碳?xì)怏w激光的發(fā)展有自己的特色。最初在萬(wàn)重怡研究員領(lǐng)導(dǎo)下已經(jīng)做了很好的工作。與長(zhǎng)春光機(jī)所在氣體激光方面技術(shù)可比。近二十多年來(lái)，譚榮清研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究室，瞄準(zhǔn)國(guó)家需求，堅(jiān)持不懈，得到很好的發(fā)展，十分不容易。但從總的來(lái)看，規(guī)模不大，還有發(fā)展余地。希望在應(yīng)用方面下工夫，尋求新的發(fā)展方向。第二，合成孔徑雷達(dá)。電子所先后發(fā)展了L、S、C、X、Ku、Ka等微波頻段的合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)，得到了廣泛的應(yīng)用。光的方面正在部署研究太赫茲合成孔徑雷達(dá)、激光合成孔徑雷達(dá)、微波光子合成孔徑雷達(dá)。微波光子雷達(dá)使用光的方法產(chǎn)生寬帶光信號(hào)，將光信號(hào)變成微波信號(hào)放大后由天線發(fā)射，接收信號(hào)用光子采樣，數(shù)字信號(hào)處理，并采用光延遲技術(shù)補(bǔ)償寬帶天線的真延遲等，是一種新穎的雷達(dá)技術(shù)。激光合成孔徑雷達(dá)有很多技術(shù)難點(diǎn)需要攻關(guān)，如激光相干源、信號(hào)補(bǔ)償和處理技術(shù)等。

譚榮清：剛才書記給我布置了任務(wù)，我就補(bǔ)一兩句關(guān)于激光核聚變的事兒。因?yàn)閯偛艜浕仡^問(wèn)我一下，讓我稍微講一兩句。 托克馬克也好，激光核聚變也好，這個(gè)目的是解決人類未來(lái)100年以后的能源的問(wèn)題，而且要從根本上解決人類的能源問(wèn)題，這是這個(gè)大調(diào)子是這樣。實(shí)際上一直在做的，我簡(jiǎn)短一點(diǎn)，美國(guó)人的ICF，慣性約束核聚變，就是所謂我們通俗的就是激光核聚變。這個(gè)ICF，美國(guó)一直在做，最新的成果是做到了192路激光同時(shí)輸出，然后最后把這192路激光聚焦后打到靶上去，總能量1.8個(gè)兆焦，兆是百萬(wàn)，所以是180萬(wàn)焦耳的能量，打到靶上去。這是美國(guó)人做的水平，他們做的激光器裝置占據(jù)三個(gè)足球場(chǎng)那么大。中國(guó)也在做，他們追求，最后要產(chǎn)生能量的正增益，就是我投入的所有的能量，為了使激光器運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)各方面的能量，最后和發(fā)出來(lái)的電要能達(dá)到一個(gè)出來(lái)的多進(jìn)去得少，這個(gè)好像還在于臨界點(diǎn)，要突破這個(gè)，產(chǎn)生正增益，還有一些工作要做。總之這個(gè)事兒呢，意義很重大，但技術(shù)難度非常高，應(yīng)該說(shuō)中國(guó)也好美國(guó)也好，都在這方面努力，但可能也不能急功近利。

林世昌：今天沙龍開得很熱烈，收獲很大。譚榮清研究員做了精彩的報(bào)告，諸位積極發(fā)言，提了好多建議。剛才我們所孫書記作了總結(jié)，很鼓舞人心的講話。時(shí)間關(guān)系，我們今天就到這兒，謝謝大家。

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