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趙若燦尹欽劉振威周航王兆峰李江滔黃川劉映妤薛向輝

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)

當(dāng)我們仰望星空，我們到底在仰望什么？吸引我們的除了肉眼可見的繁星點(diǎn)點(diǎn)和月亮圓缺，還有鮮有人知的接近“透明”的中高層大氣。中高層大氣是高度為十幾千米到幾百千米之間的區(qū)域，這里相較于我們?nèi)祟惿娴膶?duì)流層大氣，更為稀薄，更為純凈，雖然我們?nèi)庋劭梢姷脑旗F和雨雪，通常發(fā)生在對(duì)流層(底層大氣)，但中高層大氣更容易受到太陽和地磁活動(dòng)的影響，與人類的生存環(huán)境和航天活動(dòng)等關(guān)系也極為密切，這一區(qū)域的大氣密度相較于對(duì)流層，更容易產(chǎn)生劇烈變化，這會(huì)嚴(yán)重影響衛(wèi)星的軌道預(yù)測(cè)。在仰望星空的“好奇者”群體當(dāng)中，有一批空間物理科學(xué)家，他們窮其一生，探尋著中高層大氣這塊“透明”區(qū)域。在他們的眼中，這里并不是“小透明”，這里發(fā)生著能量的轉(zhuǎn)化、物質(zhì)的變更、粒子的碰撞和電磁相互作用等各種各樣精彩而又鮮為人知的故事。這一區(qū)域離地面較為遙遠(yuǎn)，通常只有探空氣球、高空飛艇和火箭能夠直接到達(dá)，成本高昂，這也導(dǎo)致對(duì)這一區(qū)域的觀測(cè)較為匱乏。為了更方便地研究這個(gè)區(qū)域，科學(xué)家們?cè)诓粩嗯Φ亟ㄔ旄嘞冗M(jìn)的遙感工具，目的在于能夠直接在地面建設(shè)儀器，在時(shí)間維度上持續(xù)地對(duì)這一區(qū)域發(fā)生的各種物理過程進(jìn)行遙感，這一手段，被稱作“地基遙感”。

20 世紀(jì)60 年代，激光技術(shù)被發(fā)明出來，并快速開啟了它在各個(gè)領(lǐng)域的重要應(yīng)用。隨之而來的，是激光雷達(dá)的問世。通過利用激光與大氣成分的相互作用，大氣激光雷達(dá)逐漸發(fā)展成為了中高層大氣地基遙感領(lǐng)域不可或缺的工具。由于不同高度大氣的成分和特征的不同，發(fā)展出了針對(duì)不同高度進(jìn)行探測(cè)的多種類型的大氣激光雷達(dá)。比如，氣溶膠激光雷達(dá)可以探測(cè)30 km 以下的大氣中的塵埃云霧，瑞利激光雷達(dá)能夠探測(cè)30~80 km大氣的溫度、密度和風(fēng)，共振熒光激光雷達(dá)可以探測(cè)80~200 km的金屬原子和離子密度。然而，200 km 以上的高度，由于大氣稀薄到接近“真空”的程度，沒有了易于激發(fā)的鈉、鐵等原子，各種分子和原子的密度大大降低，距離也非常遙遠(yuǎn)，即使發(fā)射高能量的激光到這個(gè)區(qū)域，在地面上能夠接收到的信號(hào)也極其微弱，導(dǎo)致激光雷達(dá)想要探測(cè)這一區(qū)域，在技術(shù)和原理上變得極為困難。盡管面臨巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)，空間物理科學(xué)家們，經(jīng)過多年的技術(shù)論證和攻關(guān)，探索出了一種目前唯一可行的200~1000 km 的大氣激光雷達(dá)探測(cè)手段，那就是亞穩(wěn)態(tài)氦激光雷達(dá)。

亞穩(wěn)態(tài)氦激光雷達(dá)，顧名思義，就是利用200~1000 km 大氣中本來就存在的亞穩(wěn)態(tài)氦原子作為“示蹤物”，從地面發(fā)射高能量的激光，激光傳輸?shù)竭@個(gè)高度以后，能夠激發(fā)亞穩(wěn)態(tài)氦原子的熒光，熒光是向各個(gè)方向均勻地發(fā)射出來(圖1)。

圖1中高層大氣中的亞穩(wěn)態(tài)氦原子，被激光雷達(dá)發(fā)出的激光激發(fā)出共振熒光，發(fā)出光子

其中只有一小部分沿著垂直方向嚴(yán)格向下傳輸?shù)臒晒猓軌虮坏孛娴耐h(yuǎn)鏡接收到。通過接收到的能量大小，就可以計(jì)算得到大氣中亞穩(wěn)態(tài)氦原子的密度，再通過理論模型，進(jìn)一步推算出大氣基態(tài)氦原子的密度。雖然這一探測(cè)原理與80~200 km 的金屬原子共振熒光激光雷達(dá)基本相同，但亞穩(wěn)態(tài)氦激光雷達(dá)需要完成更為“艱巨的任務(wù)”，具體來講，200 km以上的亞穩(wěn)態(tài)氦原子密度即使在最強(qiáng)的時(shí)候，相較于200km以下的金屬原子(以最為典型的90 km高度鈉原子為例)，密度也低了幾千倍，另外，由于亞穩(wěn)態(tài)氦原子密度的峰值大約在400~600 km，距離遠(yuǎn)了好幾倍，而接收信號(hào)的強(qiáng)度與距離的平方成反比關(guān)系，這就導(dǎo)致在地面能接收到的信號(hào)，在同等條件下，只相當(dāng)于傳統(tǒng)的鈉激光雷達(dá)信號(hào)的一萬到一百萬分之一。聽起來，這似乎是一個(gè)“不可能完成的任務(wù)”。但是方法總比困難多，為了完成這個(gè)任務(wù)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的激光雷達(dá)團(tuán)隊(duì)，近十年來，不斷地開展技術(shù)攻關(guān)和理論創(chuàng)新，通過多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的驗(yàn)證成功，讓亞穩(wěn)態(tài)氦激光雷達(dá)的實(shí)現(xiàn)成為了可能。首先，我們需要建設(shè)一臺(tái)單脈沖能量能夠達(dá)到400 mJ 的1083 nm脈沖激光器，才能夠有足夠的能量用于激發(fā)大氣中極其稀少的亞穩(wěn)態(tài)氦原子，盡管400 mJ的能量聽起來并不大，但我們需要將這么多能量集中在10 ns 的時(shí)間內(nèi)發(fā)射到大氣中，如此一來，激光的峰值功率就高達(dá)40 MW，相當(dāng)于100 萬臺(tái)白熾燈同時(shí)點(diǎn)亮；其次，由于距離遙遠(yuǎn)，在地面能夠接收到的熒光信號(hào)極其微弱，我們需要足夠大的望遠(yuǎn)鏡(口徑2 m以上)來盡可能多地接收信號(hào)，然而大口徑的望遠(yuǎn)鏡，價(jià)格非常昂貴，為了優(yōu)化成本，我們采用了圍成一圈的六個(gè)1 m口徑的望遠(yuǎn)鏡組合接收，這樣就能夠以大約五分之一的成本實(shí)現(xiàn)同樣的效果，這也成為了“陣列式大口徑激光雷達(dá)”這個(gè)名字的由來(圖2)；最后，由于接收到的熒光已經(jīng)弱到了單光子級(jí)別，一個(gè)光子的能量極低，傳統(tǒng)的紅外光電探測(cè)器無法探測(cè)，這就需要一臺(tái)能夠靈敏到對(duì)單個(gè)光子進(jìn)行探測(cè)的光電探測(cè)器，然而，目前市面上的紅外單光子探測(cè)器，都具有很高的噪聲，這個(gè)噪聲的強(qiáng)度甚至高于從大氣中接收的信號(hào)的強(qiáng)度，幸運(yùn)的是，通過前沿的交叉合作，我們研制出一款高性能的超導(dǎo)納米線探測(cè)器，能夠靈敏地探測(cè)到單個(gè)光子，并準(zhǔn)確記錄下光子到達(dá)的時(shí)間，與此同時(shí)，這個(gè)探測(cè)器能夠保持極低的噪聲。然而，引入這個(gè)新技術(shù)的同時(shí)，也引入了新的難題，由于超導(dǎo)納米線內(nèi)部的探測(cè)芯片對(duì)長(zhǎng)波光子極為敏感，如果用于傳導(dǎo)單光子的光纖過粗，會(huì)將黑體輻射引入，使得探測(cè)器自發(fā)產(chǎn)生過多的噪聲，干擾信號(hào)的探測(cè)，只能將光纖的芯徑控制在200 μm左右，而這根光纖還要一分為六，接入六個(gè)望遠(yuǎn)鏡，這就導(dǎo)致每個(gè)望遠(yuǎn)鏡接入的光纖只有60 μm大小，大約是一根頭發(fā)絲的直徑，相較于傳統(tǒng)的鈉激光雷達(dá)通常所采用的1 mm光纖，光纖細(xì)了十幾倍，這意味著望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)將縮小十幾倍，在極小的視場(chǎng)下，還需要精準(zhǔn)地控制發(fā)射光與接收光的方向，使得收發(fā)保持高度重合，如果把這個(gè)過程比喻成一個(gè)射擊比賽，那么我們不僅需要用激光“瞄準(zhǔn)”并擊中千里之外的高空原子，還要再精準(zhǔn)地將千里之外飛回來的光子精準(zhǔn)地接住并彈進(jìn)60 μm大小的光纖端面，這個(gè)過程猶如刀尖上的舞蹈，失之毫厘，謬以千里。

圖2 (a)陣列式大口徑激光雷達(dá)方艙照片；(b)方艙設(shè)計(jì)圖，圖中紅色光柱表示1083 nm激光束，實(shí)際為不可見光，這里為了示意，表示為紅色

由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)承擔(dān)建設(shè)的這臺(tái)“陣列式大口徑激光雷達(dá)”，前期經(jīng)過5 年的技術(shù)原理驗(yàn)證與技術(shù)仿真，在2019 年正式開始從無到有的建設(shè)。2023 年，國(guó)際首臺(tái)具有全季節(jié)觀測(cè)能力的亞穩(wěn)態(tài)氦激光雷達(dá)建設(shè)完成。這臺(tái)雷達(dá)，占地150 m2，主要由激光發(fā)射系統(tǒng)、陣列式望遠(yuǎn)鏡接收系統(tǒng)和光電探測(cè)及控制系統(tǒng)組成。激光發(fā)射系統(tǒng)(圖3)的功能是發(fā)射出1083 nm的高能量脈沖激光，為了輸出足夠高的能量，我們集成了三套相同的激光系統(tǒng)，再將三臺(tái)激光的能量聚合到一起。與此同時(shí)，為了激發(fā)亞穩(wěn)態(tài)氦原子的共振熒光，需要將激光的波長(zhǎng)精確地鎖定在1083.034 nm，控制精度需要達(dá)到1 pm，只有這樣，發(fā)射出去的激光才能夠準(zhǔn)確地將亞穩(wěn)態(tài)氦原子激發(fā)到更高的能級(jí)，從而產(chǎn)生熒光。由于激光能量非常高，很容易讓灰塵碳化并污染激光器內(nèi)的光學(xué)器件，所以整個(gè)激光器要放置在高潔凈度的凈化室內(nèi)，與此同時(shí)，激光系統(tǒng)精密的光路，對(duì)震動(dòng)極為敏感，激光器還要放置在經(jīng)過良好隔振的平臺(tái)上。這使得整個(gè)激光發(fā)射系統(tǒng)的占地面積達(dá)到了50 m2左右。

圖3 1083 nm激光發(fā)射系統(tǒng)，由三套相同的激光系統(tǒng)組成，三個(gè)激光束聚合為一束激光

陣列式望遠(yuǎn)鏡接收系統(tǒng)，包含6 個(gè)圍成一圈的1 m口徑的接收望遠(yuǎn)鏡和一個(gè)位于中心位置的1 m口徑發(fā)射鏡(圖4)。激光束經(jīng)過擴(kuò)束和整形以后，被中心的發(fā)射鏡垂直發(fā)射進(jìn)入大氣中，6 個(gè)望遠(yuǎn)鏡垂直指向天空，用于接收從大氣中返回的信號(hào)，并將信號(hào)聚焦到光纖中，光纖再將信號(hào)導(dǎo)入超導(dǎo)納米線探測(cè)器中。

圖4 (a)陣列式望遠(yuǎn)鏡接收系統(tǒng)及建設(shè)團(tuán)隊(duì)成員；(b)夜晚俯視角度下的望遠(yuǎn)鏡陣列

光電探測(cè)及控制系統(tǒng)包括超導(dǎo)納米線探測(cè)器、采集卡、電控系統(tǒng)和軟件等，用于將接收回來的單光子信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并進(jìn)行軟件處理，同時(shí)，通過電控系統(tǒng)，對(duì)望遠(yuǎn)鏡和發(fā)射鏡的指向進(jìn)行精密的控制(圖5)。通過以上三個(gè)分系統(tǒng)的協(xié)同配合，陣列式大口徑激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)了超高的探測(cè)靈敏度，能夠在亞穩(wěn)態(tài)氦密度低至0.001 cm-3的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)有效探測(cè)，這樣低的密度，相當(dāng)于1m3的空間里面，只有1000 個(gè)亞穩(wěn)態(tài)氦原子，而我們生活的標(biāo)準(zhǔn)大氣里，大約0.02 m3的空間，就有1 mol(6×1023)大氣分子。根據(jù)理論模擬，亞穩(wěn)態(tài)氦在冬季和夏季的密度會(huì)產(chǎn)生大幅度的變化，冬季最高可以達(dá)到1 cm-3，但夏季會(huì)低100 到1000 倍，得益于陣列式大口徑激光雷達(dá)的高性能和高靈敏度，我們最終在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了包含夏季的全季節(jié)觀測(cè)能力。

圖5光電探測(cè)和控制系統(tǒng)

每一個(gè)大科學(xué)裝置的建設(shè)，都離不開參與其中的科技工作者們持之以恒的熱愛與付出。陣列式大口徑激光雷達(dá)的建設(shè)過程也不例外。在整個(gè)項(xiàng)目長(zhǎng)達(dá)五年的建設(shè)期，建設(shè)團(tuán)隊(duì)中不僅有多名資深的激光雷達(dá)技術(shù)專家和空間物理科學(xué)家，還有很多“新兵蛋子”研究生和“初出茅廬”的博士后，他們?cè)趨⑴c的過程中，通過平臺(tái)的滋養(yǎng)與自身的堅(jiān)持努力，逐漸成長(zhǎng)成為在激光遙感領(lǐng)域的技術(shù)特長(zhǎng)型人才，只有技術(shù)隊(duì)伍強(qiáng)大起來，亞穩(wěn)態(tài)氦激光雷達(dá)這樣的大型科學(xué)儀器，才能被建設(shè)得越來越好，運(yùn)行的質(zhì)量也會(huì)越來越高。與此同時(shí)，陣列式大口徑激光雷達(dá)融合了多項(xiàng)前沿技術(shù)，這離不開多學(xué)科交叉的優(yōu)勢(shì)。建設(shè)過程中，激光雷達(dá)團(tuán)隊(duì)與多所大學(xué)的課題組、各大研究院所以及國(guó)內(nèi)外高科技公司的研發(fā)部門等機(jī)構(gòu)開展深度交叉合作，產(chǎn)出了一大批高精尖技術(shù)成果，也獲得多項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利。

時(shí)至今日，陣列式大口徑激光雷達(dá)已經(jīng)正式開展觀測(cè)運(yùn)行半年時(shí)間，這群“仰望星空”的人，注定會(huì)駐守在這150m2的雷達(dá)方艙中(圖6)，靜候一個(gè)又一個(gè)晴朗的夜空，用他們的知識(shí)和好奇心，驅(qū)動(dòng)這臺(tái)鋼鐵巨獸，以10ns 的速度和50Hz的頻率，將比萬萬億還多得多的光子，投擲到千里之外的“太空”，再靜候一個(gè)又一個(gè)熒光光子飛行千里后的到達(dá)，最后記錄下每個(gè)光子到達(dá)的時(shí)間以及他們的數(shù)量。在這巨量而又復(fù)雜的數(shù)據(jù)海洋中，他們以創(chuàng)新思考和與生俱來的好奇心為動(dòng)力，奮起遠(yuǎn)航，讓空間物理科學(xué)這艘巨輪，在近地空間沉穩(wěn)前行。他們相信在未來的某一天，當(dāng)他們仰望星空的時(shí)候，可以驕傲地跟旁邊的家人和孩子說，你看，現(xiàn)在飛過的中國(guó)空間站所在的那個(gè)遠(yuǎn)方，是我們“發(fā)明”的千里眼才能看到的地方，那里有最美麗的光電表演，原子、離子、電子、光子在為我們上演最美妙的故事。

圖6 雷達(dá)方艙內(nèi)部照片(左側(cè)為望遠(yuǎn)鏡室，右側(cè)為激光器室)

本文選自《現(xiàn)代物理知識(shí)》2024年4期YWA編輯

來源：《現(xiàn)代物理知識(shí)》

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