“大氣一號”衛(wèi)星及激光雷達在軌工作示意圖。科研團隊供圖

中國科學院上海光學精密機械研究所（以下簡稱上海光機所）研究員劉繼橋曾在網(wǎng)絡上看到一張來自美國夏威夷的激光幕照片。照片上一道道巨大的綠色光柱從天而降，美國網(wǎng)友在評論中驚呼：“三體人”入侵！

隔著屏幕，劉繼橋嘴角上揚。這一刻，他內(nèi)心的自豪感得以具象化。

因為劉繼橋知道，這并不是來自外太空的信號，而是他和同事們深耕10年的成果——全球首顆搭載主動激光雷達二氧化碳探測的大氣環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星“大氣一號”。這顆衛(wèi)星于2022年4月16日發(fā)射升空，并于2024年7月25日交付使用。網(wǎng)絡照片上的光柱，正是這顆衛(wèi)星在掃描全球時所發(fā)出的綠色激光。

“西方媒體稱之為中國衛(wèi)星向美國展示‘神跡’，這實際上是我國科技實力的一次彰顯！”劉繼橋向《中國科學報》表示。

上海光機所黨委書記陳衛(wèi)標告訴《中國科學報》：“激光就像‘蒼穹一劍’。10年來，科研團隊始終堅持‘鑄劍精神’，敢于創(chuàng)新、持之以恒、協(xié)同創(chuàng)新，不斷攀登科學高峰。”

如今，“大氣一號”已經(jīng)在距離地面705公里的高空中穩(wěn)定運行近3年。它傳回的數(shù)據(jù)也插上“翅膀”，飛入國內(nèi)外高校和科研院所，為碳足跡監(jiān)測與研究貢獻力量。

劍心所向：“中國人說干就干”

“這項技術(shù)太難了，遠未成熟，期待你們10年后能看到一個好結(jié)果?！?015年，對陳衛(wèi)標正在籌備的“二氧化碳高精度監(jiān)測激光雷達”項目，美國國家航空航天局（NASA）的幾位遙感載荷專家的反應出奇的一致。

陳衛(wèi)標心里清楚，同行們表達得比較委婉，但意思就是“你做不出來”。由于早已開展相關背景預研，對于有哪些技術(shù)難題，陳衛(wèi)標了然于心。

但陳衛(wèi)標較上了勁：“中國人說干就干！不成熟不要緊，我們可以持續(xù)攻關，融化堅冰?！?016年，該項目進入工程預研階段。

劉繼橋理解陳衛(wèi)標。從學生時代起到工作后，他一直跟隨陳衛(wèi)標，親身經(jīng)歷了科研團隊多項國內(nèi)沒有先例的技術(shù)的研發(fā)。2003年，團隊率先開展我國空間激光器研究，支撐了載人航天、月球探測、火星探測以及高分專項等國家重大專項的發(fā)展。正因為有了此前攻關中獲得的經(jīng)驗，面對“二氧化碳高精度監(jiān)測激光雷達”項目中的新問題，研究團隊信心十足，下定決心為我國掌握全球高精度碳分布的基本數(shù)據(jù)作出貢獻。

與此同時，我國環(huán)境監(jiān)測部門提出監(jiān)測大氣細顆粒物和氣溶膠的需求。如果能在同一顆衛(wèi)星上實現(xiàn)二氧化碳與氣溶膠的同步測量，就能節(jié)省一大筆經(jīng)費。

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(jīng)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(wěn)、精度最高的“五最”探測激光雷達。

劍鋒所指：面對困難敢于創(chuàng)新

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?；诖耍O計一顆能夠探測二氧化碳的衛(wèi)星，除了選擇合適的激光波長之外，還需要配齊發(fā)射和接收激光信號的裝置，并通過數(shù)據(jù)和算法分析光譜。

這聽起來并不復雜，實現(xiàn)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(qū)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(huán)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(qū)分它們，相關監(jiān)測需達到0.3%的質(zhì)量精度，即小于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(shù)。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(tǒng)激光器相比，這種新型激光器能夠提供窄譜線、高頻率穩(wěn)定性及3個波段的大能量激光輸出，滿足高精度監(jiān)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(wěn)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(tǒng)方法，我們面臨的挑戰(zhàn)是提高激光能量造成的發(fā)熱會導致激光諧振腔擾動，進而引起頻譜漂移?！标愋l(wèi)標說，“于是，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(wěn)定性?！?/p>

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

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(yè)后他投入這項工作中，負責穩(wěn)頻器研制。當時，國內(nèi)外都沒有有效的解決方案，他幾乎從“零”起步?！耙婚_始沒有意識到它的難度，既然是國家所需，就去做?！标惖峡「嬖V《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(xiàn)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(fā)現(xiàn)由于光纖直徑過小，導致顯著的干涉效應，從而影響了輸出激光的質(zhì)量。于是，他們用自由空間光路代替光纖，盡可能降低干涉效應的影響，滿足所需的性能指標。方案經(jīng)歷了多次迭代和優(yōu)化。

陳迪俊記得，那是2017年夏天的一天，一輪實驗結(jié)束后，電腦屏幕上終于出現(xiàn)期待已久的數(shù)值“10-10”。這意味著方案成功了，激光頻率的穩(wěn)定性達到了10-10。

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

劍術(shù)所練：持之以恒的堅守

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

劉繼橋介紹：“考慮到整個衛(wèi)星項目的高昂成本，雷達系統(tǒng)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?！睘榇耍麄儗す馄鞯募夹g(shù)體制和整機設計進行了全面考慮。

一次學術(shù)交流中，當科研團隊遠赴德國，打算在國際舞臺上展示這些創(chuàng)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(nèi)實現(xiàn)衛(wèi)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，他們心里很不是滋味。所幸他們沒有放棄，質(zhì)疑反而更加堅定了他們爭當先行者和探索者的決心。經(jīng)過大量的仿真設計和反復論證，團隊及時調(diào)整了傳統(tǒng)的“種子源植入”技術(shù)，開發(fā)出全新的“光纖加固體增益放大”技術(shù)。

“我們實現(xiàn)了這把‘劍’從能用到好用，再到耐用的目標?！瘪R秀華表示?？蒲袌F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(shù)，實現(xiàn)了自主創(chuàng)新。

2018年，“大氣一號”衛(wèi)星工程型號正式立項。相關測試結(jié)果顯示，這臺新型激光器工作穩(wěn)定，實現(xiàn)了預期目標?！拔覀兊漠a(chǎn)品不僅不遜色于國際同行設計的產(chǎn)品，還在關鍵技術(shù)領域?qū)崿F(xiàn)超越，不再跟隨他人的腳步！”陳衛(wèi)標說。

多年堅守，“鑄劍人”終于修煉出高超“鑄劍術(shù)”。

對于堅持的意義，馬秀華有自己的體會。由于激光器發(fā)射能量大，吸附的灰塵會影響壽命，因此相關工作需要在百級超凈間進行，工作人員必須穿戴全套超凈服。

馬秀華說：“由于研制周期緊張，大家常常要連續(xù)工作18小時以上，對每個人而言都是巨大的挑戰(zhàn)。”在任務的關鍵節(jié)點，許多人需要24小時待命?！坝械耐轮荒艽┲瑑舴厮瘍扇齻€小時，然后繼續(xù)工作?！瘪R秀華說，“我們都相信，持之以恒地認真做一件事情，是能夠成功的。”

劍穗所系：通力合作協(xié)同攻關

“如履薄冰，如坐針氈?！标愋l(wèi)標常常提到老一輩航天人口中的這8個字。他晚上做夢都在考慮項目中可能出現(xiàn)的問題，有時第二天一早就去找同事討論。大家都說他有點“神經(jīng)質(zhì)”。

從事航天研究必須“較真”，這是科研團隊的共識。

上海光機所研究員竹孝鵬帶領小組負責激光光學接收單機研制以及系統(tǒng)集成測試和定標。為了保證實際產(chǎn)品中每一塊鏡片的角度與設計方案一致，小組成員要對這些鏡片底座先進行修磨，再進行安裝?！斑@是一個非常艱難也非常重要的過程，必須精益求精。”為了盡可能減少微小振動的影響，竹孝鵬經(jīng)常在夜深人靜時和這些鏡片“較真”。

竹孝鵬加入團隊時，任務處于工程研制階段，經(jīng)常連著熬通宵?！叭绻悴荒馨凑沼媱澩瓿?，別人的工作只得停下，就會影響整體研制進度?！敝裥Ⅸi說，“大家都在努力干的時候，不能因為你‘掉鏈子’而影響整個團隊?！边@是竹孝鵬對協(xié)同創(chuàng)新的理解。

負責雷達整機結(jié)構(gòu)和熱控系統(tǒng)的上海光機所高級工程師萬淵也有相似的體會。他在雷達構(gòu)型設計上做了大膽創(chuàng)新。

2018年前后，雷達整機研制完成后的一次模擬實驗在有著巨大噪聲的廠房中進行。突然，“啪”——清脆的斷裂聲響起?！皦牧?！”萬淵知道，框體斷裂了，他的設計失敗了。

同事們沒有指責萬淵，而是迅速投入工作狀態(tài)，找來專家集思廣益。最終，萬淵在原有的思路上改進了雷達構(gòu)型，成功排除了框體斷裂的隱患。

“二氧化碳高精度監(jiān)測激光雷達”是個龐大的系統(tǒng)工程，涵蓋發(fā)射、接收、定標以及各種電源系統(tǒng)的集成。在陳衛(wèi)標看來，團隊協(xié)作尤為重要。

“在團隊內(nèi)部，我們強調(diào)協(xié)同工作的重要性，大家尊重各自的角色和貢獻。”陳衛(wèi)標說。

同時，該項目在上海光機所牽頭下，還要依靠多家外部協(xié)作單位協(xié)同完成。例如，制造一個兩米的鋁復合材料錠并將其厚度壓縮至約25厘米，需要使用全國唯一一臺8萬噸級的模鍛液壓機。為此，科研團隊積極與相關單位進行協(xié)調(diào)和技術(shù)保障，最終實現(xiàn)高質(zhì)量的產(chǎn)品輸出。

2022年4月16日，“大氣一號”衛(wèi)星成功發(fā)射，身處各地的團隊成員都長舒一口氣?！跋癜炎约旱摹⒆印妥吡艘粯樱械郊容p松又牽掛。”陳迪俊道出了很多人的心聲。

當然，他們還感到自豪與驕傲?！拔覀冏龀隽吮葒H上同類產(chǎn)品難度更高的星載激光雷達。”劉繼橋說。

2024年6月，當陳衛(wèi)標帶領科研團隊赴德國再一次參加學術(shù)會議時，他們在“特邀報告”中介紹了“十年鑄劍”的過程和成果。

“國際專家羨慕中國學者說干就干，并且真的花了10年就干成了?！标愋l(wèi)標驕傲地說。

（原載于《中國科學報》?2025-02-25?第1版?要聞）