歐美同行兩度質疑,中國學者花10年完成超越

2025-02-24 | 來源: 中國科學報 | 轉到微信 | 有0人參與評論 | 字體: 放大縮小 | 收藏 | 打印

擺在眼前的一項項國家迫切需求讓研究團隊感受到了沉甸甸的責任與使命，成為“鑄劍人”的“劍心所向”。這支“鑄劍”團隊經過10年磨礪，最終“鑄就”國際首個二氧化碳探測激光雷達，也是國際首個氣溶膠高光譜探測激光雷達。它是世界上體制最難、波長最多、能量最高、頻率最穩、精度最高的“五最”探測激光雷達。

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二氧化碳分子能夠吸收特定波長的激光能量，通過計算便可得到其在大氣中的濃度。這便是用激光探測二氧化碳的科學原理。基於此，設計一顆能夠探測二氧化碳的衛星，除了選擇合適的激光波長之外，還需要配齊發射和接收激光信號的裝置，並通過數據和算法分析光譜。

這聽起來並不復雜，實現起來卻有相當大的難度。二氧化碳在大氣中的含量非常少，濃度大約為百萬分之四百二十，即420ppm。

此外，全球二氧化碳來源復雜，比如人類活動密集區的化石燃料燃燒會增加二氧化碳排放，而森林和海洋等自然環境則能夠吸收二氧化碳，這兩種過程分別被稱為“碳源”和“碳匯”。要想精確區分它們，相關監測需達到0.3%的質量精度，即小於1ppm的測量精度。

2011年起，上海光機所科研團隊開展預研，探索新技術。上海光機所研究員馬秀華負責新型激光器單機的研制。

馬秀華告訴《中國科學報》，與傳統激光器相比，這種新型激光器能夠提供窄譜線、高頻率穩定性及3個波段的大能量激光輸出，滿足高精度監測的需求。

測量精度高需要激光具備較高的能量；專門測量二氧化碳的頻譜又需要嚴格控制激光頻率的穩定性，任何頻率漂移都會影響測量精度。而這兩個條件恰恰是矛盾的。

“采用傳統方法，我們面臨的挑戰是提高激光能量造成的發熱會導致激光諧振腔擾動，進而引起頻譜漂移。”陳衛標說，“於是，我們考慮能否找出一條路線，既能輸出高重頻和高能量，又能保證頻譜的穩定性。”

由此不難理解美國專家提出的質疑。2010年前後，NASA和歐洲航天局（ESA）曾提出研制同類型衛星，但都因技術難度大推遲或取消。

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上海光機所研究員陳迪俊在學生時代就接觸到相關研究，2009年博士畢業後他投入這項工作中，負責穩頻器研制。當時，國內外都沒有有效的解決方案，他幾乎從“零”起步。“一開始沒有意識到它的難度，既然是國家所需，就去做。”陳迪俊告訴《中國科學報》。

陳迪俊硬著頭皮一個方案、一個方案嘗試。為了實現頻率參考，他們最初采用了一種填充二氧化碳氣體的空心光纖。但在實施過程中，他們發現由於光纖直徑過小，導致顯著的幹涉效應，從而影響了輸出激光的質量。於是，他們用自由空間光路代替光纖，盡可能降低幹涉效應的影響，滿足所需的性能指標。方案經歷了多次迭代和優化。

陳迪俊記得，那是2017年夏天的一天，一輪實驗結束後，電腦屏幕上終於出現期待已久的數值“10-10”。這意味著方案成功了，激光頻率的穩定性達到了10-10。

那一刻，陳迪俊的第一反應是終於可以放假了！而對整個科研團隊來說，這又是一個新的開始。

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2016年，項目進入工程預研階段。如何確保衛星在空間環境下可靠工作，成為科研團隊的新挑戰。

劉繼橋介紹：“考慮到整個衛星項目的高昂成本，雷達系統的設計壽命為8年，國際上同類激光雷達通常僅要求壽命為3到4年。”為此，他們對激光器的技術體制和整機設計進行了全面考慮。

一次學術交流中，當科研團隊遠赴德國，打算在國際舞台上展示這些創新思路時，卻再次遭到冷遇。國際專家依然不看好，認為中國學者不可能在短時間內實現衛星激光雷達如此長壽命的在軌運行。

馬秀華坦言，聽到這樣的評價，他們心裡很不是滋味。所幸他們沒有放棄，質疑反而更加堅定了他們爭當先行者和探索者的決心。經過大量的仿真設計和反復論證，團隊及時調整了傳統的“種子源植入”技術，開發出全新的“光纖加固體增益放大”技術。

“我們實現了這把‘劍’從能用到好用，再到耐用的目標。”馬秀華表示。科研團隊完全自主掌握了從光纖激光器、固體激光器到配套的空間激光薄膜等的核心技術，實現了自主創新。