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标题: 激光发明 [打印本页]

作者: [db:作者] 时间: 2025-8-5 18:11
标题: 激光发明
“光电汇”向我约稿，我于是写下这篇文章，回顾我参与光纤激光器早期发明研究的经历，与读者分享交流。
——林金桐北京邮电大学第六任校长
1985年，我获得国家公派出国进修一年的资格，来到英国 Southampton 大学甘柏林（W.A.Gambling）教授领导的光纤研究组作访问学者。甘柏林教授是国际知名专家，当年担任着CCITT（国际电信联盟ITU前身）微波光波组组长。他建议我用一星期时间去楼上楼下的实验室看看，与研究员们聊聊，然后再确定研究方向。
实验室负责人戴维·佩恩博士，当时身份是Reader（在英国的高等教育系统里，不设副教授，这个Reader给人印象是候补教授），建议我选择“传感器”的方向。我考虑到北邮的电信背景，表示希望参加“光纤激光器”的研究。一周后再与教授商谈时，教授同意了我的意见。
当时，“光纤激光器”的课题刚刚开始不久，小组已经有了四个英国人，戴维·佩恩（David N Payne），课题负责人，劳伦斯·李科(Laurence Reekie)，博士后，以及两位博士生赛蒙·颇尔（Simon B Poole）和罗伯特·米尔斯（Robert J Mears）。和我同时加入的还有另一位英国博士生鷹·炯瑟（Ian Jauncey）。于是，研究组自1985年9月起，成为了六人小组。研究经费一开始是来自英国政府的“有源光纤器件”项目，后来，不断有英国的和国际的企业资助这项研究。
1.稀土掺杂光纤的早期研究
甘柏林教授的光纤研究组具备制作光纤预制棒和拉制光纤的条件。1985年，颇尔提出了一种“改进的气相沉积法+配室（MCVD + Chamber）”的方法。制成了第一批掺钕、掺铒和掺铥的稀土掺杂单模光纤[1]。
颇尔的制作方法，是在常规MCVD的玻璃套管制作完包层的部分之后，在它的前端，即气相物质入口端，附加上一个配室（chamber），里面放置稀土掺杂化学制品，例如图中的三氯化钕NdCl3，在它的外围，设置一个固定的第二加热火炬（stationary second burner ），以控制将稀土掺杂化学制品气化的温度。而其余部分，移动的沉积加热火炬，制作玻璃的所需气相物质，例如图中所示，SiCl4、GeCl4和O2的控制，剩余气体的出口端（To exhaust）的控制，仍然按常规的MCVD法操作。如下图所示。

采用这样的装置制作的预制棒，可以使得芯子中掺入稀土离子，并且，掺杂均匀，掺杂浓度可控。除了掺杂离子产生的吸收峰以外，对于光纤的低损耗窗口，并没有太多的影响。一个掺钕光纤损耗谱，如下图所示

测定光纤在泵浦波长的吸收谱，是设计激光器前的必不可少的工作。实际上，物理学和工程上那些能级的理论图表，都是量子理论与这一类测试相比较相结合的产物。上图的损耗谱与普通通信光纤的损耗谱相比较，掺钕光纤的吸收谱便一目了然。
荧光谱，也就是有源光纤增益谱的测定，可以判断光纤激光器的激光波长。Southampton实验室测定的第一批掺钕、掺铒和掺铥光纤的荧光谱如下图所示。

对照已知的光谱学的能级图，Southampton的团队获得了早期掺杂光纤能级跃迁的第一手资料。当初整理的能级图如下图所示。图中，H、G、D、P、I、F、S，都是量子力学对于原子离子能级的分类称呼。

赛蒙·颇尔是文献[1]的第一作者。他因为稀土掺杂光纤的发明，获得过多种奖项，称得上是稀土掺杂第一人。在他获得博士学位之后不久，澳大利亚悉尼大学邀请他担任了光导纤维研究中心的创办主任教授。在这个岗位上任职多年后，他出任国际著名光电子企业FINISAR 的创新研究院主任。2020年，他被遴选为澳大利亚科学院院士。
2.光纤激光器的早期研究
Southampton报道的第一个光纤激光器是掺钕的。增益介质的掺杂浓度比较低。当时设计了两种不同的谐振腔结构：F-P腔和环形腔，如下面两个图分别所示。这两种谐振腔结构的光纤激光器，都获得了成功。

当用半导体激光器（820 nm）泵浦，F-P谐振腔，获得的掺钕光纤激光器工作波长是1.088 μm。可以稳定输出CW激光，输出功率为微瓦量级。
当泵浦源是氩离子激光器所泵浦的染料激光器（595 nm），采用环形谐振腔结构时，激光输出复杂一些。当激光器工作在刚超阈值时，输出激光单一，波长为1.07 μm。而当泵浦功率达到阈值的1.25倍时，观察到多频激光输出，如下图所示。

半导体激光器泵浦的光纤激光器具有显著的实用示范性。Southampton后续报道了一个高效率的光纤激光器实验。实验所用的泵浦源为镓铝砷半导体激光器，波长是810 nm，谐振腔结构是F-P腔。由于优化地选择了掺杂浓度和光纤谐振腔的长度，这一台实验室的光纤激光器，吸收了5~6 mW的泵浦功率时，测得的输出功率超过了1 mW。当声光调制器作为调Q器件放置在腔内，实现了调Q操作。调Q脉冲峰值功率达到300 mW，脉冲宽度500 ns，脉冲重复率400 Hz。
在早期的研究中，Southampton还报道了一个掺铒激光器。激光波长为1.55 μm，具有低阈值、波长可调的特性，实现了连续波（CW）和调Q操作。谐振腔光纤长为90 cm，泵浦源是氩离子激光器，泵浦波长为514.5 nm，在调Q操作时，使用了声光调制器。
激光波长1.55 μm，正好是光纤通信的第三个窗口，也是光纤损耗最小的波长。在这个波长上，获得激光输出，十分振奋人心。不是因为找到了光纤通信第三窗口的光源，而是因为，既然证明了有源介质产生了激光，那么，这个介质，在同样的波长上，能够作为行波放大器件，即光纤放大器，就是毫无疑问的。
Southampton所报道的调频实验，掺铒光纤激光器波长可调范围高达25 nm，（1.528 - 1.542 μm 和 1.544 - 1.555 μm）。如下图虚线所示。

在激光家族里，很难找到调频范围有这样宽的增益介质材料。这样宽阔的增益谱，使得波分复用（WDM）技术得以实现。
6人小组1985的工作卓有成效。圣诞节前，甘柏林教授希望我能够延长在Southampton的工作期限。经中国的派出部门和单位批准，我于1986年9月，注册攻读博士。
1986年，Southampton研究组向美国CLEO’86（激光与光电子1986年会）同时投了好几篇光纤激光器的稿件，引起会议组织者的特别注意，程序委员会安排了Southampton研究组向大会作特邀报告。由佩恩代表6人小组作了题为《稀土掺杂的光纤激光器、放大器和器件》[2]的大会报告。
这篇国际会议的特邀报告，极大地推动了世界范围的光纤激光器和掺铒光纤放大器（EDFA）的研发。光纤放大器后来被公认为是“通信技术的一场革命”。因为它告别了每一百公里进行一次“光-电-光”转换的低效率的信息处理过程。
3.接受IEE的颁奖
为加快通报自己科研成果的速度，那段时间里，研究组的每一位，经常是一年要参加两三个国际会议。学术论文的发表也选择那些审稿周期短的期刊，例如英国的《电子学通讯》（Electronics Letters）。1987年4月，当我从美国巴尔的摩的CLEO’87会议回到办公室时，发现自己书桌上放着一封来自英国电气工程师协会（IEE）的信件，通知我们，协会决定对于 Southampton 早期光纤激光器论文的作者们进行表彰奖励，邀请我们出席颁奖仪式。
7月的一天，李科、颇尔、米尔斯、炯瑟和我5个人坐火车到伦敦IEE总部参加典礼，领取了奖状和奖金支票。下图是我保存的奖状，当时我的学术署名是J.T. Lin。

IEE总部坐落在泰晤士河滑铁卢桥的北端，原先曾是BBC（英国广播公司）的总部大楼，后来BBC事业发达，搬进了新楼，便将这栋楼房赠给IEE了。楼前大门的东侧，矗立着法拉第的大理石全身雕像。总部的一楼有报告大厅，还设有图书期刊的展销室。楼上有一层是会员餐厅，其余几层是办公用房。
IEE每年举行多次学术研讨会，称为“Colloquium”。高锟博士那篇著名的预言光纤通信的论文[3]就是在1966年的IEE Colloquium 上发表的。正是因为这篇论文，高锟博士荣获2009年诺贝尔物理学奖。
回忆往事，我对这座红砖白框的IEE总部大楼还是真有点感情。领取上述奖项，是我第一次接受的外国荣誉。我也曾在这里作过几次IEE Colloquium 的报告，有一次是特邀报告，讲的是“光纤激光器的偏振效应”，这也是我博士论文的核心内容。1990年，我博士论文的写作接近尾声，又一次前往参加IEE学术讨论会。当我报告完毕，一位伦敦大学国王学院的讲师丹尼·迈克斯得（D.McStay）在大楼门厅拦住我说，“我们艾伦·罗杰斯教授邀请你去研究组看看” 。原来，国王学院电气与电子工程系的这个组里有个SERC （英国理工研究委员会）的“光纤中的信号处理”课题，正在寻找博士后研究员。于是，几个月后，我开始了伦敦的三年生活。我的办公室面对泰晤士河，离IEE总部不远。中午，可以到IEE总部大楼的会员餐厅用餐，那里服务很好，价格也合理。
同年稍晚一些时候，我在美国召开的SPIE的会议上，宣读了我和导师甘柏林教授署名的特邀报告《光纤激光器的偏振效应：现象、理论和应用》[4]。一厚本博士论文和一篇国际会议特邀报告，给我参与光纤激光器早期研究的工作画上了一个句号。
4.阮克光电子学奖
20世纪80年代后期，Southampton光纤组因为光纤激光器的发明研究而更加蜚声国际，英国将国家光电子研究中心（ORC）放在Southampton大学。甘柏林教授担任了ORC的创始主任。
1990年，阮克光电子学奖，颁发给了甘柏林教授和佩恩博士，撒切尔夫人在伦敦为他们颁发了奖状和奖金。当时，笔者在伦敦大学国王学院工作，应邀参加了这个颁奖仪式。见证了这个光荣时刻。

那时，ORC已经在学术界宣布了一项研究成果：EDFA的最有效的泵浦波长是980 nm。并且获得了国际合作伙伴的980 nm半导体激光器的样品。于是，在颁奖会场的前厅，向伦敦各界演示了光纤放大器。一台电视机的模糊图像信号，经EDFA的放大，立即图像清晰。这样的一个演示设计，既避开了光纤激光器的输出光大多在红外波段不便于演示的困难，又形象地向人们展示了光纤放大器未来实际应用的美好前景。
颁奖会上，对于撒切尔夫人的演讲，人们留下深刻印象。三十分钟的讲演，阐述教育-科研-创造-发明，不用稿子，滔滔不绝！
颁奖会上，也让人们感受到了甘柏林教授扶持学生的高风亮节。佩恩是他20多年前招收的第一个博士生。在这个颁奖典礼上，他让佩恩作了领奖人报告，并把奖金45000英镑的大部——25000英镑，让佩恩领取。后来，甘柏林教授退休，应聘前往香港理工大学创建光电子中心，英国这边的ORC主任由佩恩接班。
颁奖会后不久，佩恩晋升为教授。差不多同时，他成为皇家学会院士。
这个隆重的颁奖会，ORC的全体到场了。那些早期参与光纤激光器研究的人员，能来的也都来了。伦敦的这个仪式，可以说是为Southampton光纤组-ORC早期光纤激光器发明研究而举办的庆功典礼。
5.光纤激光器的优点
光纤激光器的研究，开辟了一个全新的光电子领域。由Southampton开始的工作，掀起了一股致力于光纤激光器研究开发、工业应用的国际浪潮，至今方兴未艾。究其原因，最主要的，是光纤激光器相比于固体激光器，具有一系列的优点。
首先，由于使用单模光纤作为谐振腔，因此激光的输出必定是基模，高阶模式全部被截止。不需要一般固体激光器必须采用的复杂的选模过程，就可以保证输出激光光束的质量。
第二，单模光纤的芯径，一般是3.0~5.5 μm。高密度的泵浦功率集中在极为细小的谐振腔里，使得光纤激光器腔内的光子功率密度很高，而传输损耗又很低，因此具有极低的激光阈值和相当高的斜率效率。也是因为高效的原因，使得一些以前观察不到的激光现象在光纤激光器里得以实现。例如，第一次实现了常温下掺铒激光器三能级，即4F9/2 – 4I15/2，连续波的激光输出。再如，第一次实现了掺钐（Sm）三能级可见光波长的激光输出。
第三，激光器的单频操作，一直是激光技术的追求目标。单模光纤激光器的“单模”，是指单横模。当采用一些有效技术，譬如比较短的光纤，光纤激光器可以同时提供保证激光输出频谱纯度的两个必要条件：单横模、单纵模。
第四，理论和实际测量都已揭示，由于稀土元素在玻璃中具备很宽的增益谱，光纤激光器可以实现大功率脉冲激光和较大动态范围的调频操作。
第五，光纤激光器的纵向泵浦系统可以获得更高的泵浦效率。尤其是当泵浦光源是激光光源，光束立体角很窄的情况。在初期的、笔者完成的半导体泵浦的实验中，已经取得25%的泵浦光注入效率。相比之下，同时期的常规块状玻璃激光器的泵浦光注入效率为16%。
第六，尽管与晶体相比较，玻璃较低的热导性能，是它主要的缺点。但是，单模光纤激光器，它的芯径可以做到很小，而且很容易用增加谐振腔长度来减小单位长度的储能。因此，光纤激光器依然能够实现CW操作，或者，高重复率脉冲操作。迄今为止，所有工业应用的和实验室制备的光纤激光器都不需要采用附加的冷却装置。
第七，光纤激光器与所有现在市场上的单模光纤器件完全兼容。因为这一点，可以很容易推广它的各类实际应用。
正是由于光纤激光器具备上述这些优点，从20世纪80年代开始的光纤激光器研究，迄今将近40年，不仅没有停顿下来，而且是一个又一个的新课题新方向不断涌现；一个又一个的新的应用不断问世。统计一下新世纪以来，它们在世界工业激光器市场中所占据的份额比例，就能发现，这个数字一直在增长。到2018年，上升到51.5%，首次成为市场最大激光器品种。一份新冠疫情前所作出的预测曾指出，一直到2024年，光纤激光器的世界总产值依然会逐年增长。
ORC的校友
早年甘柏林教授的研究组就是一个很大的、国际性的研究组。我当年的同事，除了20多个英国人，还有来自德国、俄罗斯、日本、中国、波兰、法国、墨西哥等国的学者和学生。成立ORC之后，规模更是扩大了不少。21世纪的20多年里，差不多每年都有中国学生前往攻读博士、硕士。他们中回到国内的海归，活跃在高校、企业、科研界和出版界，不少人已经成为单位的骨干。
那些参与光纤激光器早期研究的ORC同事们，大多一直活跃在光电子-通信领域。他们后来分布在世界各地，工作在不同的单位。国际学术会议给了他们见面相聚的机会。下面是一张他们2012年在OFC国际会议上重逢的照片：

图中左起：P. R.莫科尔（ Morkel，美国，企业），S.B. 颇尔（Poole澳大利亚，企业，国家科学院院士）, 笔者（中国，高校），D. N. 佩恩（Payne，英国，高校，皇家学会院士）, J.D. 米内利（Minelly，英国，企业）, D. J. 理查森（Richardson，英国，高校，皇家学会院士) 。
莫科尔和米内利是后来参加研究组的博士生，莫科尔做理论模型多一点，米内利专攻大功率光纤激光器。早期的光纤激光器，输出功率是毫瓦级的，到了米内利做博士后的时候，已经是千瓦级，可以用于切割金属的激光刀了。理查森以讲师身份加入ORC，现在是ORC的常务副主任，欧洲光通信会议(ECOC)管理委员会委员。
7.光纤放大器
1985年起始的光纤激光器的研究中，包含着一个及其重要的研究内容：掺铒光纤放大器（EDFA）。在980 nm的半导体激光器问世，并且解决了众多技术问题之后，美籍华人学者、美国光学学会前主席、贝尔实验室的厉鼎毅（T.Li）先生于1993年提出了波分复用（WDM）的概念[5]。而支撑这项技术的是EDFA具备的“三透明”特征：频率透明、调制方式透明、调制速率透明。
21世纪90年代后期，光纤通信的单纤时分复用技术，已经达到10 Gb/s的水平。贝尔实验室的华裔年轻学者周建会博士（北邮的杰出校友）所在团队采用WDM技术，实现了单纤8x2.5 Gb/s的光纤通信系统，向人们展示了提高光纤通信传输速率的另一个可行途径。
1998年，周建会博士团队更是把WDM技术提高到了400 Gb/s的水平，推出了 “Wave-Star OLS 400G” 商品设备。随着WDM技术的不断进步，光通信的单纤传输速率得以十倍百倍地增长。
2003年，采用EDFA+WDM技术的全球互联网改造工程完工。从此，人类具备了建设无处不在的通信网络的基础设施。
在如此短的时间里，实现从研究到开发，再从产品到应用的全部过程，光纤放大器创造了科技转化成产品的成功案例，创造了科技造福人类的奇迹。
感谢我的硕士导师叶培大先生，推荐我到Southampton留学。
感谢我的博士导师甘柏林先生，让我参加光纤激光器的早期发明研究。
感谢光电汇媒体，让我将这段美好回忆，整理成文稿。
参考文献与深入阅读
【1】S.B. Poole, D.N. Payne and M.E. Fermann, “Fabrication of low-loss optical fibre containing rare-earth ions”, Electron. Lett. (1986)
【2】D.N. Payne, L.Reekie, R.J. Mears, S.B. Poole, I.M. Jauncey and J.T. Lin, “Rare-earth doped single-mode fibre laisers, amplifiers and devices”, Proceedings of CLEO’86 (1986)
【3】C.K. Kao and G.A. Hockham，“Dielectric-fibre surface waveguides for optical frequencies”, Proc. IEE Colloquium, 113(7), 1151–1158，1966
【4】J.T. Lin and W.A. Gambling, “POLARISATION EFFECTS IN FIBRE LASERS: Phenomena, Theory and Applications”, Invited paper at SPIE’s OE/FIBERS, San Jose, 1990
【5】T. Li, “The impact of optical amplifiers on long-distance lightwave telecommunications”, Proceedings of the IEEE, 81(11), 1568-1579，1993
作者简介
林金桐，江苏丹阳人。北京大学物理系毕业，北京邮电大学光通信硕士，英国Southampton大学光电子学博士。
从事光通信、光电子研究44年，发表学术论文550篇。曾14次出任国际学术会议主席，获得过多次中国和英国的学术奖项。现任欧洲光通信会议（ECOC）国际咨询委员。曾任北京邮电大学第6任校长、中国通信学会第5、6届理事会副理事长。

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