太極計(jì)劃通過衛(wèi)星編隊(duì)的形式進(jìn)行空間引力波探測，而構(gòu)建星間激光鏈路是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。相比應(yīng)用于星間激光通信、重力場測量等領(lǐng)域的傳統(tǒng)星間激光鏈路構(gòu)建任務(wù)，太極計(jì)劃需應(yīng)用有限的星上資源實(shí)現(xiàn)三百萬公里超遠(yuǎn)距離激光捕獲及1 nrad/Hz1/2量級超高精度指向，因此其實(shí)現(xiàn)難度要大得多。為此，科學(xué)家提出采用三級捕獲探測方案，通過星敏感器（STR）、CMOS捕獲相機(jī)及四象限探測器（QPD）逐級探測壓制激光指向偏差。目前對該方案的研究仍停留在仿真模擬及關(guān)鍵技術(shù)原理方法學(xué)論證階段，并未充分考慮各階段之間系統(tǒng)參數(shù)及核心探測技術(shù)之間的耦合關(guān)系，亟需通過全流程地面模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證激光鏈路方案主要技術(shù)指標(biāo)的可行性。

針對上述問題，中國科學(xué)院力學(xué)研究所引力波實(shí)驗(yàn)中心與中國科學(xué)院大學(xué)杭州高等研究院太極團(tuán)隊(duì)研究人員開展了面向太極計(jì)劃的超高精度星間激光鏈路構(gòu)建地面驗(yàn)證技術(shù)研究，設(shè)計(jì)并搭建了激光捕獲跟瞄一體化地面模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（圖1）。該系統(tǒng)在完整還原捕獲跟瞄方案光學(xué)系統(tǒng)及實(shí)施流程的基礎(chǔ)上充分考慮了對激光遠(yuǎn)場波前、高斯平頂光束接收、弱接收光強(qiáng)等空間實(shí)際運(yùn)行情況的模擬。系統(tǒng)采用小口徑光闌結(jié)合大發(fā)散角出射光，依據(jù)合理的參數(shù)設(shè)計(jì)及器件選型，在實(shí)驗(yàn)室近場傳輸情況下實(shí)現(xiàn)了雙端近似夫瑯禾費(fèi)衍射模擬及高斯平頂光束接收。

光學(xué)平臺上放置有CMOS及QPD兩級探測器，利用自研的上位機(jī)軟件可實(shí)現(xiàn)捕獲-跟瞄全流程自動模擬。模擬實(shí)驗(yàn)采用DWS信號實(shí)時(shí)監(jiān)測激光指向角度變化，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)展示了由初始指向—掃描開環(huán)捕獲—閉環(huán)捕獲—精密指向的全流程指向角度變化（圖2），實(shí)現(xiàn)了對初始時(shí)刻百微弧度量級指向偏差的逐級壓制。

在激光捕獲探測技術(shù)方面，該研究首次提出并采用了改進(jìn)的質(zhì)心算法，在百皮瓦級弱光情況下實(shí)現(xiàn)了亞像素級光斑中心定位精度。在QPD前設(shè)計(jì)了共軛成像系統(tǒng)，降低了beam-walk對DWS技術(shù)非線性誤差產(chǎn)生的影響，提高了精密指向階段角度測量精度。在QPD探測器處，激光捕獲及激光精密指向結(jié)果（圖3），對應(yīng)到實(shí)際400倍放大率的望遠(yuǎn)鏡前均能滿足太極計(jì)劃要求，充分驗(yàn)證了目前擬采用方案的可行性。

該項(xiàng)研究工作從物理實(shí)驗(yàn)的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)并搭建了星間激光鏈路構(gòu)建地面模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，一方面為相應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)研究提供了模擬實(shí)驗(yàn)平臺，驗(yàn)證了關(guān)鍵技術(shù)間的耦合關(guān)系，提出方法學(xué)上的改進(jìn)策略并指導(dǎo)器件參數(shù)選擇；另一方面，充分驗(yàn)證了整個(gè)方案的可行性，為未來方案轉(zhuǎn)入工程化實(shí)現(xiàn)階段提供了完備的理論驗(yàn)證及技術(shù)支持。相關(guān)研究成果近期發(fā)表在 Optics and Lasers in Engineering上。

圖1 捕獲跟瞄一體化地面模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖

圖2 捕獲-跟瞄全流程模擬實(shí)驗(yàn)yaw方向角度變化

圖3 (a)激光捕獲完成后角度殘余誤差示意圖。(b) 激光精密指向階段殘余指向抖動幅度譜密度曲線