咨询委员会
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化学激光研究和激光化学

葛树杰

大连化物所从二十世纪六十年代开始进行化学激光研究至今,已有四十年历史。

二十世纪六十年代初,化学激光研究和化学激光新体系的探索,引起世界各国科学家的重视。1965年美国科学家研究成功世界上第一台化学激光器。在国外化学激光研究发展的启示下,大连化物所于1966年成立化学激光研究组,开展了化学激光的研究工作。四十年来大致经历了如下几个发展阶段。

1、 二十世纪六十年代 (1966-1968)

----化学激光研究的起步探索阶段

1962年6月,陶愉生在“关于在我所开展化学物理研究的建议”中,首次提出激光和化学相结合的想法。该想法得到张大煜所长的高度重视和支持,组织了由陶愉生、张存浩、楼南泉等组成化学反应动力学研究筹备组。设立了张存浩负责的激波管高温气体反应动力学研究组;陶愉生负责的闪光光谱快速反应动力学研究组。

1966年大连化物所成立以陶愉生为组长的化学激光研究组,探索利用化学能泵浦的化学激光体系,开展了以脉冲氙灯激发Cl2和H2的链反应,产生HCl化学激光的研究,并于1966年12月8日,陶愉生、张荣耀、黄瑞平等研制成功我国第一台利用化学能泵浦的HCl化学激光器,仅比美国晚两年。其后,在国内首次开展了以脉冲光解引发和脉冲放电引发CS2+O3反应, 产生CO化学激光的新体系研究(此体系是首创性的,国外文献未见报道)。同时还开展了H2+O2反应产生OH和HN3分解产生N2振动激发态传能给CO2的化学激光体系研究。这期间还研制成功我国第一台罗丹明-6G染料激光器和国内第一台激光裂解色谱仪。

2、 七十年代(1969-1978)

----化学激光研究的布点发展阶段

为了加强化学激光的发展,在原有化学激光研究组的基础上,大连化物所于1972年成立了以张存浩为主任,陶愉生为副主任的化学激光研究室,并相继开展了不同体系的化学激光研究,如,如,CO2气动激光,F2/CS2燃烧驱动的连续波HF化学激光,F2和H2/D2燃烧驱动的连续波HF /DF化学激光,微波驱动的HCl化学激光,燃烧驱动的NF、IF可见光波段化学激光以及NF3+H2/D2燃烧驱动的化学激光新体系和CO2激光应用等研究。

研究的化学激光体系有:F2/CS2,F2/H2-D2,DF/CO2等体系。其中,CO2气动激光获得千瓦级连续波激光输出;以等离子加热激励SF6产生的HF化学激光获得了百瓦级的连续波激光输出; F2+CS2体系的化学激光器获得比能104焦耳/克的激光输出;F2和D2燃烧驱动的连续波DF化学激光研究,获得千瓦级激光输出。

1974年燃烧型HF化学激光获得很大突破,继而于1975年在张存浩领导下,建成燃烧驱动的连续波HF/DF化学激光装置和直径1.2米的发射望远镜,于1976年在国内首次实现了连续波DF化学激光室外实验。这期间主要参加工作的有陈锡荣、何国钟、沙国河、王会、黄瑞平、杨柏龄、施盛华等。1978-1981年间,沙国河、陈锡荣等开展了H2/ F2链反应脉冲化学激光和DF/CO2传能的脉冲化学激光的研究。其中,沙国河等进行的电子束引发的F2/H2链反应脉冲化学激光和陈锡荣等进行的光引发F2/H2链反应脉冲化学激光以及DF/CO2传能脉冲化学激光研究,均达到美国同类器件的同期水平。

3、 八十年代 (1979-1989)

----化学激光研究的方向定位阶段

1980年在对连续波HF化学激光和脉冲HF/DF化学激光体系存在问题充分论证并参照国外化学激光研究动向的基础上,大连化物所将化学激光的主攻方向定位在短波长化学氧碘激光体系上,并集中主要力量进行了脉冲化学氧碘激光和连续波化学氧碘激光的研究。建成了连续波化学氧碘激光器并演示成功;进行了“光引发脉冲化学氧碘激光的理论模型”计算;1984年张荣耀、陈方等演示成功光引发脉冲化学氧碘激光器。1986年为了实现化学氧碘激光的重复频率脉冲运转,建立了重复频率放电引发的脉冲化学氧碘激光装置,在国际上属首创。1988-1989年研制成功重复频率放电引发的脉冲化学氧碘激光器。“用光引发和放电引发的脉冲氧碘化学激光器”1993年获得国家自然科学三等奖。短波长氧碘化学激光体系研究,最终在超音速连续波化学氧碘激光研究方面获得了很大进展和突破。

1982年张存浩作为学术带头人,开展了激光化学领域的前沿课题研究。1984年4月从化学激光研究室分建激光化学研究室,张存浩任主任、陈锡荣任副主任。张存浩、陈锡荣、沙国河、朱清时等结合分子法激光分离铀同位素的研究,开展了16μm波段精细调谐激光器、UF6(WF6. SF6)激光双共振及其偏振效应、脉冲射流动态光谱、WF6(SF6)光电离--时间飞渡质谱检测同位素、分子高振支能区中混沌态的光谱性质、CO双共振多光子电离、激发态及其量子化学研究、CO分子间碰撞能量转移等研究。

4、 九十年代 (1990-2000)

----化学激光研究的重要发展阶段

上世纪八十年代末,短波长化学激光列入国家“863”计划。在张存浩、杨柏龄的组织领导下,化学氧碘激光研究的技术路线进行了重大调整,提出以连续波化学氧碘激光为研究重点的技术路线,并确定了“八五”的主要目标。

1992年9月,庄琦、桑凤亭等研制成功亚音速连续波化学氧碘激光器。激光输出功率达到1KW。1994年底研制成功5KW超音速连续波化学氧碘激光器。其后,桑凤亭、陈方、周大正等并先后建成多种不同功率的超音速连续波化学氧碘激光装置。

1996年周大正等首次成功地进行了千瓦级化学氧碘激光器采用束转动900环形非稳腔(UR90)的实验研究。1997年8月,化学氧碘激光器束转动900环形非稳腔(UR90)的实验研究获得激光输出功率5KW,光束质量因子ß<2,达到近衍射极限指标,处国际领先水平。

1995和1998年,超音速连续波氧碘化学激光研究获得重大突破,使我国氧碘化学激光技术达到世界先进水平。

5、二十一世纪 (2001---)

----化学激光研究进入一个新阶段

随着进入知识创新工程,化学氧碘激光研究开始迈入一个新的发展阶段,一批年轻科研骨干成长起来。这一期间,在桑风亭、金玉奇的带领下,化学氧碘激光研究承担了国家多项课题,不断突破和创新,解决一系列关键技术,出色地完成了各项任务,取得多项国家和中科院奖励,其中,1996年和1999年两次获得中科院科技进步特等奖;2003年获得国家科技进步二等奖。化学激光研究团队2002年获得“中国科学院重大创新团队”称号;2005年获得 “中国科学院杰出科技成就奖”。

在完成任务的同时,化学激光研究室相继开展了化学氧碘激光新技术和化学激光探索研究。如,新型高效氧发生器的研究;新型压力恢复系统—低温真空吸附技术和N2—COIL研究;光腔优化和化学激光器测试与诊断技术以及化学激光新体系等探索研究;光学加工和镀膜新技术研究;化学激光软课题研究以及化学氧碘激光开发等。

另外, 为适应和满足化学氧碘激光研究不断发展的需要,在知识创新过程中,在中科院和所领导的支持下,化学激光研究室进行了实验室建设和仪器设备更新,建立了新的化学激光实验大楼,同时购置和更新了许多大型高精尖仪器设备,大大改善了化学激光研究的科研条件和环境。

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