记科学岛初期一次大型实验
讲述者：退休职工、离退休梦园党支部党员谭锟，原安光所研究员
安徽光学精密机械研究所（安光所）成立初期，我们一批来自北京大气物理所和上海光机所的开拓者，在“向科学进军”的道路上，克服种种困难，奋发拼搏，做出了一些科研成绩。现在回忆起来，还是一段值得长久保存的历史。
一、安徽光机所诞生
1965年中国科学院接手董铺岛，初步定位是上海光机所的二线基地（代号6516工程）。上海光机所一项国防任务（代号6403）的打靶实验将在这里进行。1964、1965届分配到上海光机所的大学生，都被要求先去董铺岛基地参加半年的劳动锻炼。
1970年12月3日，中国科学院安徽光学精密机械研究所正式成立，重点任务是高能激光打靶和激光大气传输研究。为解决高能激光器的能源问题，决定把原在北京中国科学院电工所的储能研究课题整体搬迁到安徽光机所，组成第一研究室；把北京大气物理所大气传输课题组和上海光机所大气站搬迁到安徽光机所，组成第二研究室。上海光机所的激光打靶小分队则挂靠在安徽光机所。新建的安徽光机所将逐步建成为国家高能激光研究测试和激光大气传输研究中心。
为了新研究所的建设，中国科学院进行了人员调配，包括解决科技人员夫妻分居两地等问题；又在原先转业军人队伍的基础上，于1971年1月招收了一批下放农村的知识青年。到1972年，安徽光机所已经初具规模，共组建了4个研究室和一个工厂。
二、大气光学研究室初建
安徽光机所成立时，第二研究室的研究方向定为激光大气传输。这好像不能称作一个学科方向（后来定向为大气光学研究）。那时是计划经济，研究计划得到批准就有科研经费，作为应用基础研究，需要研究室报送研究计划。1972年下半年，要制定下一年的研究计划，研究室主任陈德新发扬民主，组织全室科研人员大讨论：在激光大气传输这个大题目之下，应该分为哪些课题来推进研究工作。经过一段时间的集思广益，明确了激光大气传输研究应该属于大气光学科学范畴。1973年研究室确立5个研究课题，对应设立了5个研究组和课题负责人。201组是激光大气分子吸收研究（吴际华），202组是激光在实际大气中的传输衰减研究（谭锟），203组是激光传输湍流效应研究（宋正方），204组是大气湍流研究（温景松），205组是强激光非线性效应研究（龚知本）。不久后又增加了遥感技术大气订正课题（章立民），成为第六个研究组。
我们课题组任务明确，要开展实际大气中1.06微米脉冲激光器的大气衰减研究，特别是斜程或垂直方向上的大气衰减研究。这正是6403任务最关心的事。但这是个难题，文献上也找不到实际激光测量工作方面的信息。
三、斜程激光大气传输实验的设计
当时国际上关于大气对光波信号的衰减研究，已经发表了许多理论方面的工作。包括不同波长的各种大气气体分子的吸收和散射，低层大气中气溶胶粒子的吸收和散射等。但是没有实际激光频率的测量数据。在激光测距、激光通讯等工程研发中，有报道说，激光在实际大气中传输产生的能量损失超出人们的预期，好像存在一些无法解释的能量衰减。工程研发单位自然地会提出疑问，作为相干光的激光是否也遵守普通光学理论的计算结果？因此，需要我们做一些实验验证工作。
要精确测量激光垂直穿过大气层的衰减系数，在当时有很多困难。上海光机所大气站已经做过一些水平方向的激光传输的实验研究，发现激光光束在传输过程中，除去衰减还同时存在光束扩展和抖动的现象，而且和天气条件有关（参见《“激光大气传输专辑（一）”论文集》）。1970年在泰山做过一些从山下发射、在山上接收的斜程光路的测量，当时重点是关心激光光束扩展和方向偏移。但由于技术不完备和当时许多条件的限制，实验结果没有发表。
我们课题组计划要进行激光斜程传输衰减测量实验，实验难度很大，这成为室主任陈德新要抓的重点项目。他组织了全室各课题组科研骨干，进行了多次讨论和实验方案论证，从不同角度论证课题组提出的各种实验方案和可行性，从采用飞机接收、角反射器目标等几种方法中找出最优方案。最后认为，利用从北京大气物理所带来的4米直径系留氢气球作为漫反射目标，再利用从上海光机所带来的179测距样机进行斜程衰减测量是最现实的。
激光测距的测量注重的是时间测量，而我们更关心的是准确测量回波信号强度，所以要对179样机激光收发系统进行必要的改造。预计在晴好天气条件下，系留气球可以升高到2000米高度。测量从地面到2000米高空，气球在不同高度上的回波幅度，就可以计算出激光脉冲垂直穿过2000米大气层的衰减系数。2000米以下也是激光传输能量损失的主要区域，可以和理论计算值进行对比。
于是在1973年，202组的主要工作就是利用系留气球，测量1.06微米钕玻璃激光器发射的脉冲激光垂直穿过大气的衰减系数。然后比较实验数据和光学理论计算的数据的符合程度。
四、实验的准备
用系留气球作为激光漫反射体的斜程传输测量实验，具体执行时有很多的难题。这项实验不是几个人的课题组能完成的。实际上这个计划变成了二室组织的多个课题组、几十人参与的科研协作和大会战。
施放和回收氢气球需要用到电动绞盘，邵石生、马成胜等同志承担了电动绞盘的改造和加工，汪超、戚福弟等同志负责实验期间氢气运输、充灌等。很多人共同参与了放球、回收等有一定难度的任务。如果要气球升到2000米高度，考虑风力的作用至少要准备3000米尼龙绳。每次实验要准备40立方米的氢气，要准备10个钢瓶。这些都不是一个研究室能解决的。完成这个实验需要研究所的科技处、器材处和行政处（车队）的支持配合。
激光脉冲的发射和接收则是课题组的核心工作。当时所用的1.06微米钕玻璃调Q激光器发射频率大约只能一分钟一次，单次激光回波信号在高频电子示波器上显示时间只是瞬间，目测脉冲幅度几乎是不可能准确的。当时并没有数字化测量技术和设备，我们采用照相机拍照记录的办法。要和激光脉冲发射时间同步地打开相机快门，设计了一种同步拍照的办法。洗出照片后，加以放大，然后可以比较准确地从示波器标尺上测定回波信号幅度。当然这种记录方法也需要训练和经验。
测量实验的时间选择也是关键问题。实际测量需要在晴空时进行，但是由于晴空时太阳辐射强烈，热对流会导致风力较大，气球的上升高度受限。经查看合肥气象台的记录，提示风场稳定、风力较小的时间段一般都在午夜。对于接收机，夜间背景噪音小，也有利于测量。可是夜间看不见目标，怎么对准气球又是个难题。为了在夜间能把瞄准望远镜对准系留氢气球，一种办法是在气球上安装信号灯，这就要携带灯和电池，增加了气球重量，这个气球就很难升高到2000米。另一种简单有效的办法是利用探照灯照明气球，解决接收设备的瞄准问题。可是我们没有探照灯设备，需要外部支援。室主任陈德新出面通过省军区，向南京军区提出申请，请求使用部队的防空探照灯协助实验。最后得到了军区的热情支持，南京空军从蚌埠派来一部车载探照灯，为我们的实验气球照明提供了重要帮助。
五、实验成功伴随着惊险和意外
事先没想到的是，第一次试放气球试验就遭遇了惊心动魄的瞬间。这次放球地址选定在董铺岛东部果园里。运载氢气钢瓶的卡车无法进入果园，只好停在马路边。为气球灌注氢气后，需要4个人把氢气球移动到放飞场地。因为天黑看不清上空，没有控制好高度，气球顶部触碰到了几千伏的高压电线。外层镀铝的尼龙球面引起高压放电。突然之间发生了电闪雷鸣，亮如白昼。我和周军等几个拉住尼龙绳的人，尚不明情况茫然失措。旁边有人看到缘由，忙喊“卧倒！”听到喊声，我们急忙蹲下，拉低了球体，使其脱离接触。虽然有惊无险，事后还是有些后怕。感叹运气还算好，如果那时气球发生破裂，就可能引起氢气爆炸，那后果就不堪设想了。
激光发射接收设备放置在4号楼顶上，在董铺岛东部放球，视场很不理想。因为在盛行的东南风向时，视场会被4个大楼挡住。所以后来的正式实验就转场到董铺岛西北方向的农村地区去了。因为实验需要在有市电的地方，找到一个条件合适的地点也很费功夫。西面视场很好，也不受风向影响，只是汽车要艰难地通过狭窄坑洼的农村道路。施放系留气球很顺利，在空军探照灯的配合下，很快搜索到目标。我们顺利地完成了预定的三次测量实验，取得了预期的数据。
最后一次回收气球时又遇到了意外情况。测量结束后，凌晨地面风突然转向、变强，电动绞架被气球的变向拉倒，尼龙绳还被轧断，气球飞走不知去向。第二天一早，研究室主任陈德新一边派人寻找，一边联系省军区，请求下风向的几个县人武部门组织民兵帮助寻找。还好，因为气球内的氢气不断泄漏，还拖了一根很长的尼龙绳，飞得不太高。下午在肥西县境内找到了气球，虽然引起当地村民对这个天上来客的好奇和围观，幸好里面的氢气泄漏剩下不多了，没有发生危险。
六、实验的成果
1973年的这次斜程测量实验是在全室同志的共同努力下，在研究所多部门的协助下，加上部队的支援，克服了许多困难才取得的成功。三次实验，获得了2000米以下1.06微米脉冲激光的斜程大气衰减系数。实验证实，在晴好天气下，根据大气模式理论计算出的光波垂直穿过大气的衰减系数和实际激光器测量数据是相符的。实验报告发表在第一次全国激光大气传输会议上（1975年合肥），并收录到《“激光大气传输专辑”（三）论文集》。这些成果作为二室大气传输研究成果的重要部分，荣获了1978年全国科学大会“重大科技成果奖”。
1973年斜程测量实验完成后，课题组的注意力转向寻找一种新的技术，一种比较简单的大气气溶胶的探测技术。这就是大气探测激光雷达（LIDAR）技术。课题组利用激光雷达技术继续激光大气斜程传输特性的研究。随着计算机和数字化技术的出现，179样机在上世纪八十年代经不断改进，配备了计算机和数字化波形处理系统，成为了双波长激光雷达。1986年以后设备不断更新，发展为可移动激光雷达，不断做出了新的成果。老一代“179”激光收发设备早已退出研究一线，作为一代历史的见证，陈列在科学岛现代科技馆里了。
