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　　激光器出生在太空競賽初期，但是第一個成功的空間應(yīng)用卻是地面。1962年閃光燈泵浦固體激光器測量月球距離，1964年測量衛(wèi)星距離，但他們的體積大而笨重，提供測距所需的能量。1965年雙子座7名宇航員測試了通信用半導(dǎo)體激光器，但是云層干擾其與地面接收器建立鏈路。

　　1971年，阿波羅15號月球軌道上的燈泵浦0.05HzQ開關(guān)紅寶石激光高度計(jì)測繪了部分月球表面。然而，無論是燈泵浦固體激光器還是氣體激光器都不適于在太空長期運(yùn)作。機(jī)械手激光儀器只有隨著二極管泵浦固體激光器的發(fā)展才能成為現(xiàn)實(shí)。

激光器到火星

　　第一個攜帶二極管泵浦激光器備受矚目的空間任務(wù)是失事的火星觀測者。1992年9月發(fā)射的搭載火星軌道激光測高儀，在進(jìn)入火星軌道的前三天也就是1993年8月21日失去了聯(lián)系。不久，更小的激光高度計(jì)測量了月球和近地小行星愛神星的距離。

　　全新火星軌道激光測高儀，是專門為較小的后續(xù)火星探測任務(wù)1996年發(fā)射的火星全球勘探者號制造的。這個任務(wù)獲得了巨大成功，從1998年3月到2001年6月，激光高度儀測量火星從南極到北極的海拔，形成了太陽系行星中最精確的全球地形圖。二極管泵浦、Q開關(guān)、Nd：YAG激光器每秒鐘發(fā)射十個48mJ脈沖，每束脈沖持續(xù)8ns?？偣菜阆聛恚l(fā)射了6.7億束脈沖，這一數(shù)據(jù)引自一份表述火星有冰川的最新報(bào)告。

　　2003年1月12日，美國宇航局發(fā)射了第一顆對地持續(xù)觀測星載激光雷達(dá)，地球科學(xué)激光測高系統(tǒng)，ICESat-1，研究格陵蘭島和南極冰蓋的變化。它包括三臺1064nm波長的Nd：YAG激光器，每臺機(jī)器連續(xù)運(yùn)作18個月，最初發(fā)射70mJ脈沖。然而，第一臺激光器只運(yùn)行了37天，第二臺激光器的輸出也迅速下降，所以美國宇航局轉(zhuǎn)移到一系列短程運(yùn)動，從而允許觀察持續(xù)到2009年最后一臺激光器失效。測高儀達(dá)到了垂直分辨率接近75px，在監(jiān)測冰蓋變化方面是至關(guān)重要的，同時也收集了世界各地的森林高度數(shù)據(jù)。

　　未來NASA地面系統(tǒng)計(jì)劃包括激光雷達(dá)表面形貌任務(wù)，該任務(wù)由美國國家研究委員會在2007年提議。目標(biāo)包括垂直分辨率0.1m、水平分辨率5m的全球地形測繪，繪制局部規(guī)劃的山體滑坡和洪澇災(zāi)害。也可以同時記錄土地地形和冠層結(jié)構(gòu)。

　　美國宇航局為水星信使任務(wù)(MESSENGERmissiontoMercury)修改了ICESat-1激光器的主振蕩功率放大(MOPA)，于2004年8月發(fā)射，2011年3月探測器到達(dá)水星軌道，截至記者發(fā)稿時，激光高度計(jì)仍然在收集地球表面的數(shù)據(jù)。

激光通信

　　二極管泵浦在向深空高速激光鏈路方面復(fù)蘇，無線電鏈路的受限速度產(chǎn)生了數(shù)據(jù)瓶頸。繼美國宇航局在2005年預(yù)算中計(jì)劃在2009年推出一款稱為火星通信軌道器的5W、100Mbit/s激光繼電器失敗之后，焦點(diǎn)移到了一個更簡單的稱為月球激光通信演示(LLCD)的測試上。

　　LLCD發(fā)射器是基于商業(yè)通信部件，包括分布反饋二極管激光器、摻鉺光纖放大器和調(diào)制器，避免空間定制激光器的高成本，美國宇航局光通信事業(yè)部總監(jiān)Donald Cornwell說。設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行由麻省理工學(xué)院的林肯實(shí)驗(yàn)室完成，發(fā)射器通過250px望遠(yuǎn)鏡發(fā)射0.5W的1550nm波段激光，一個16進(jìn)制脈沖位置調(diào)制編碼四位數(shù)據(jù)脈沖，在月球軌道的月球大氣與粉塵環(huán)境探測器(LADEE)(見圖2)運(yùn)行速率622Mbit/s。為了最大限度提高靈敏度，地面接收器采用工作在1-3K的超導(dǎo)納米線陣列探測器。單個1550nm光子可以加熱4nm線足夠阻止超導(dǎo)，Cornwell說“這一靈敏度是很驚人的，檢測效率達(dá)到70%~80%”。

　　2013年10月，LLCD成功驗(yàn)證了622Mbit/s下載速度，是從月球無線鏈路的6倍，而發(fā)射器只有一半大。“我們在頭三天就完成了所有我們需要演示的內(nèi)容，在剩余的時間里我們只是運(yùn)行它。”Cornwell說，陸基激光器的上行鏈路傳輸數(shù)據(jù)速率高達(dá)20Mbit/s，比最好的無線鏈路快5000倍。“這一演示說明該技術(shù)可以作為未來任務(wù)的主要通信系統(tǒng)”。

　　美國宇航局的下一個激光測試將以千兆比特的速率在一對地面站之間中繼數(shù)據(jù)，在激光通信中繼示范(LCRD)中上行和下行激光鏈路都在1550nm波段完成，在地球同步通信衛(wèi)星的收發(fā)器上每個地面站有一對鏈路。初步計(jì)劃呼吁建立一個為期兩年的測試，但美國宇航局正在考慮2018發(fā)射長達(dá)五年實(shí)驗(yàn)。

　　調(diào)制解調(diào)器模塊產(chǎn)生的光信號通過光纖傳輸?shù)胶教炱魃系墓饽K，其中采用250px望遠(yuǎn)鏡發(fā)射和收集光。除此之外，美國宇航局采用類似于LLCD激光技術(shù)將一個25kg激光器送入火星軌道，但是采用了更大的550px望遠(yuǎn)鏡和更先進(jìn)的電子裝置。

　　在上行鏈路將在1微米處提供作為一個指點(diǎn)標(biāo)所需的幾百瓦。下行到5米帕洛馬望遠(yuǎn)鏡可以提供從火星探測器100Mbit/s的時候地球6000萬公里，超過250Mbit/s的火星3000萬公里?？淀f爾說，已經(jīng)獲得批準(zhǔn)，噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的研究，可以送200千比特/秒直接從火星2020路虎給地面接收機(jī)5kg的激光鏈路。

火星上的激光器

　　自2012年8月以來，好奇號火星車已經(jīng)探測到火星土壤和巖石，通過一個稱為ChemCam的儀器將30mJ激光脈沖持續(xù)5ns聚焦到一個亞毫米點(diǎn)上。它使用一個鉀鎢酸釓[Nd：KGd(WO4)2或Nd：KGW]摻釹棒，因?yàn)槠鋸V泛的溫度范圍。激光脈沖燒蝕材料表面并進(jìn)行激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)上的斑點(diǎn)高達(dá)7m的距離。

　　“通常情況下，每個位置我們發(fā)射30束脈沖，”洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的Roger Wiens、Chem Cam的主要研究者說，最初發(fā)射的幾束光脈沖的沖擊波吹走表面灰塵，然后露出光禿禿的巖石，然后激光燒蝕外露巖石，光譜儀測量熱離子發(fā)射進(jìn)而識別存在的元素。“如果風(fēng)化殘留在表面附近組成的梯度內(nèi)，多束激光發(fā)射可以檢測和測量巖石中的梯度。”Wiens說。

　　2014年6月Chem Cam從一系列打靶中收集的數(shù)據(jù)。圖片合并了Chem Cam遠(yuǎn)程微成像器記錄的巖石高分辨率黑白圖像和好奇號桅桿相機(jī)拍攝的彩色圖像。圖表繪制了金屬、氫及碳的豐度并做以標(biāo)記。

　　早期公布的新聞稱“好奇號”發(fā)現(xiàn)的巖石形成于淡水湖泊底部。Wiens說這是一個我們考試適合居住的環(huán)境，雖然巖石不是有生命的直接證據(jù)。到9月下旬，Chem Cam儀器已經(jīng)發(fā)射了近200000束脈沖，幾乎每隔一天運(yùn)行一次。

　　最近Wiens除了忙乎Chem Cam以外，還開發(fā)了一款新型激光取樣系統(tǒng)稱為Super Cam，選定在2014年7月飛行并于2020年進(jìn)行火星探測。

　　Super Cam將采用Nd：YAG激光器，因?yàn)檠芯繄F(tuán)隊(duì)已經(jīng)明確KGW提供的額外熱范圍是不必要的。為了收集更多的礦物學(xué)數(shù)據(jù)，將會采用Chem Cam技術(shù)進(jìn)行拉曼光譜和LIBS。“我們使用LIBS的激光束，控制電源，加倍頻率，拉曼光譜可以做出12m，”Wiens說，添加適當(dāng)成本的功能可以幫助火星探測器，例如識別最有趣的巖石樣品并在罐子緩存以便未來返回任務(wù)取樣。

嚴(yán)峻挑戰(zhàn)

　　空間應(yīng)用也提出了特殊挑戰(zhàn)，其中包括在極端環(huán)境下的極其可靠運(yùn)行，以及建立滿足各種要求的激光器系統(tǒng)。美國航空航天局也遇到了一些問題，如ICESat-1搭載激光器的意外短壽命導(dǎo)致高級地形激光測高儀系統(tǒng)(ATLAS)選擇不同架構(gòu)，在ICESat-2上更換了激光器。

　　美國航空航天局的最新設(shè)計(jì)要求一個倍頻釹釩酸釓(Nd-YVO4)MOPA，發(fā)射250～900μJ脈沖持續(xù)時間1.5ns，頻率10kHz。532nm輸出將被分成六個波束，排成三對，在整個壽命周期內(nèi)發(fā)射一萬億個脈沖。原本計(jì)劃在2016年推出，而飛船的激光器和光子計(jì)數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)遇到了問題，使得成本上升，發(fā)射很有可能推遲到2017年或2018年。

　　然而，從太空激光儀器的收益可以證明額外的成本和努力，通常沒有其他技術(shù)可以滿足苛刻的條件，比如深空高速數(shù)據(jù)傳輸，測量格陵蘭冰蓋變化，為氣候變化提供寶貴的地面實(shí)況。

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