陣列式大口徑激光雷達——窺探近地空間環(huán)境的“千里眼”

點擊“國家空間科學中心”關注我們吧

趙若燦尹欽劉振威周航王兆峰李江滔黃川劉映妤薛向輝

中國科學技術大學

當我們仰望星空，我們到底在仰望什么？吸引我們的除了肉眼可見的繁星點點和月亮圓缺，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，這里相較于我們人類生存的對流層大氣，更為稀薄，更為純凈，雖然我們肉眼可見的云霧和雨雪，通常發(fā)生在對流層(底層大氣)，但中高層大氣更容易受到太陽和地磁活動的影響，與人類的生存環(huán)境和航天活動等關系也極為密切，這一區(qū)域的大氣密度相較于對流層，更容易產(chǎn)生劇烈變化，這會嚴重影響衛(wèi)星的軌道預測。在仰望星空的“好奇者”群體當中，有一批空間物理科學家，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)生著能量的轉化、物質的變更、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，通常只有探空氣球、高空飛艇和火箭能夠直接到達，成本高昂，這也導致對這一區(qū)域的觀測較為匱乏。為了更方便地研究這個區(qū)域，科學家們在不斷努力地建造更多先進的遙感工具，目的在于能夠直接在地面建設儀器，在時間維度上持續(xù)地對這一區(qū)域發(fā)生的各種物理過程進行遙感，這一手段，被稱作“地基遙感”。

20 世紀60 年代，激光技術被發(fā)明出來，并快速開啟了它在各個領域的重要應用。隨之而來的，是激光雷達的問世。通過利用激光與大氣成分的相互作用，大氣激光雷達逐漸發(fā)展成為了中高層大氣地基遙感領域不可或缺的工具。由于不同高度大氣的成分和特征的不同，發(fā)展出了針對不同高度進行探測的多種類型的大氣激光雷達。比如，氣溶膠激光雷達可以探測30 km 以下的大氣中的塵埃云霧，瑞利激光雷達能夠探測30~80 km大氣的溫度、密度和風，共振熒光激光雷達可以探測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，即使發(fā)射高能量的激光到這個區(qū)域，在地面上能夠接收到的信號也極其微弱，導致激光雷達想要探測這一區(qū)域，在技術和原理上變得極為困難。盡管面臨巨大的技術挑戰(zhàn)，空間物理科學家們，經(jīng)過多年的技術論證和攻關，探索出了一種目前唯一可行的200~1000 km 的大氣激光雷達探測手段，那就是亞穩(wěn)態(tài)氦激光雷達。

亞穩(wěn)態(tài)氦激光雷達，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格向下傳輸?shù)臒晒猓軌虮坏孛娴耐h鏡接收到。通過接收到的能量大小，就可以計算得到大氣中亞穩(wěn)態(tài)氦原子的密度，再通過理論模型，進一步推算出大氣基態(tài)氦原子的密度。雖然這一探測原理與80~200 km 的金屬原子共振熒光激光雷達基本相同，但亞穩(wěn)態(tài)氦激光雷達需要完成更為“艱巨的任務”，具體來講，200 km以上的亞穩(wěn)態(tài)氦原子密度即使在最強的時候，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，距離遠了好幾倍，而接收信號的強度與距離的平方成反比關系，這就導致在地面能接收到的信號，在同等條件下，只相當于傳統(tǒng)的鈉激光雷達信號的一萬到一百萬分之一。聽起來，這似乎是一個“不可能完成的任務”。但是方法總比困難多，為了完成這個任務，中國科學技術大學的激光雷達團隊，近十年來，不斷地開展技術攻關和理論創(chuàng)新，通過多個關鍵技術的驗證成功，讓亞穩(wěn)態(tài)氦激光雷達的實現(xiàn)成為了可能。首先，我們需要建設一臺單脈沖能量能夠達到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 的時間內發(fā)射到大氣中，如此一來，激光的峰值功率就高達40 MW，相當于100 萬臺白熾燈同時點亮；其次，由于距離遙遠，在地面能夠接收到的熒光信號極其微弱，我們需要足夠大的望遠鏡(口徑2 m以上)來盡可能多地接收信號，然而大口徑的望遠鏡，價格非常昂貴，為了優(yōu)化成本，我們采用了圍成一圈的六個1 m口徑的望遠鏡組合接收，這樣就能夠以大約五分之一的成本實現(xiàn)同樣的效果，這也成為了“陣列式大口徑激光雷達”這個名字的由來(圖2)；最后，由于接收到的熒光已經(jīng)弱到了單光子級別，一個光子的能量極低，傳統(tǒng)的紅外光電探測器無法探測，這就需要一臺能夠靈敏到對單個光子進行探測的光電探測器，然而，目前市面上的紅外單光子探測器，都具有很高的噪聲，這個噪聲的強度甚至高于從大氣中接收的信號的強度，幸運的是，通過前沿的交叉合作，我們研制出一款高性能的超導納米線探測器，能夠靈敏地探測到單個光子，并準確記錄下光子到達的時間，與此同時，這個探測器能夠保持極低的噪聲。然而，引入這個新技術的同時，也引入了新的難題，由于超導納米線內部的探測芯片對長波光子極為敏感，如果用于傳導單光子的光纖過粗，會將黑體輻射引入，使得探測器自發(fā)產(chǎn)生過多的噪聲，干擾信號的探測，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，接入六個望遠鏡，這就導致每個望遠鏡接入的光纖只有60 μm大小，大約是一根頭發(fā)絲的直徑，相較于傳統(tǒng)的鈉激光雷達通常所采用的1 mm光纖，光纖細了十幾倍，這意味著望遠鏡的視場將縮小十幾倍，在極小的視場下，還需要精準地控制發(fā)射光與接收光的方向，使得收發(fā)保持高度重合，如果把這個過程比喻成一個射擊比賽，那么我們不僅需要用激光“瞄準”并擊中千里之外的高空原子，還要再精準地將千里之外飛回來的光子精準地接住并彈進60 μm大小的光纖端面，這個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方艙照片；(b)方艙設計圖，圖中紅色光柱表示1083 nm激光束，實際為不可見光，這里為了示意，表示為紅色

由中國科學技術大學承擔建設的這臺“陣列式大口徑激光雷達”，前期經(jīng)過5 年的技術原理驗證與技術仿真，在2019 年正式開始從無到有的建設。2023 年，國際首臺具有全季節(jié)觀測能力的亞穩(wěn)態(tài)氦激光雷達建設完成。這臺雷達，占地150 m2，主要由激光發(fā)射系統(tǒng)、陣列式望遠鏡接收系統(tǒng)和光電探測及控制系統(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)，再將三臺激光的能量聚合到一起。與此同時，為了激發(fā)亞穩(wěn)態(tài)氦原子的共振熒光，需要將激光的波長精確地鎖定在1083.034 nm，控制精度需要達到1 pm，只有這樣，發(fā)射出去的激光才能夠準確地將亞穩(wěn)態(tài)氦原子激發(fā)到更高的能級，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的光學器件，所以整個激光器要放置在高潔凈度的凈化室內，與此同時，激光系統(tǒng)精密的光路，對震動極為敏感，激光器還要放置在經(jīng)過良好隔振的平臺上。這使得整個激光發(fā)射系統(tǒng)的占地面積達到了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，三個激光束聚合為一束激光

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

圖4 (a)陣列式望遠鏡接收系統(tǒng)及建設團隊成員；(b)夜晚俯視角度下的望遠鏡陣列

光電探測及控制系統(tǒng)包括超導納米線探測器、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轉化為電信號并進行軟件處理，同時，通過電控系統(tǒng)，對望遠鏡和發(fā)射鏡的指向進行精密的控制(圖5)。通過以上三個分系統(tǒng)的協(xié)同配合，陣列式大口徑激光雷達實現(xiàn)了超高的探測靈敏度，能夠在亞穩(wěn)態(tài)氦密度低至0.001 cm-3的時候實現(xiàn)有效探測，這樣低的密度，相當于1m3的空間里面，只有1000 個亞穩(wěn)態(tài)氦原子，而我們生活的標準大氣里，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產(chǎn)生大幅度的變化，冬季最高可以達到1 cm-3，但夏季會低100 到1000 倍，得益于陣列式大口徑激光雷達的高性能和高靈敏度，我們最終在國際上首次實現(xiàn)了包含夏季的全季節(jié)觀測能力。

圖5光電探測和控制系統(tǒng)

每一個大科學裝置的建設，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的建設過程也不例外。在整個項目長達五年的建設期，建設團隊中不僅有多名資深的激光雷達技術專家和空間物理科學家，還有很多“新兵蛋子”研究生和“初出茅廬”的博士后，他們在參與的過程中，通過平臺的滋養(yǎng)與自身的堅持努力，逐漸成長成為在激光遙感領域的技術特長型人才，只有技術隊伍強大起來，亞穩(wěn)態(tài)氦激光雷達這樣的大型科學儀器，才能被建設得越來越好，運行的質量也會越來越高。與此同時，陣列式大口徑激光雷達融合了多項前沿技術，這離不開多學科交叉的優(yōu)勢。建設過程中，激光雷達團隊與多所大學的課題組、各大研究院所以及國內外高科技公司的研發(fā)部門等機構開展深度交叉合作，產(chǎn)出了一大批高精尖技術成果，也獲得多項國家發(fā)明專利。

時至今日，陣列式大口徑激光雷達已經(jīng)正式開展觀測運行半年時間，這群“仰望星空”的人，注定會駐守在這150m2的雷達方艙中(圖6)，靜候一個又一個晴朗的夜空，用他們的知識和好奇心，驅動這臺鋼鐵巨獸，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”，再靜候一個又一個熒光光子飛行千里后的到達，最后記錄下每個光子到達的時間以及他們的數(shù)量。在這巨量而又復雜的數(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力，奮起遠航，讓空間物理科學這艘巨輪，在近地空間沉穩(wěn)前行。他們相信在未來的某一天，當他們仰望星空的時候，可以驕傲地跟旁邊的家人和孩子說，你看，現(xiàn)在飛過的中國空間站所在的那個遠方，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 雷達方艙內部照片(左側為望遠鏡室，右側為激光器室)

本文選自《現(xiàn)代物理知識》2024年4期YWA編輯

來源：《現(xiàn)代物理知識》

歡迎關注我們，轉載授權、投稿事宜請
在文后留言，小編會盡快處理