激光器出生在太空競(jìng)賽初期，但是第一個(gè)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(cè)量月球距離，1964年測(cè)量衛(wèi)星距離，但他們的體積大而笨重，提供測(cè)距所需的能量。1965年雙子座7名宇航員測(cè)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(hào)月球軌道上的燈泵浦0.05HzQ開(kāi)關(guān)紅寶石激光高度計(jì)測(cè)繪了部分月球表面。然而，無(wú)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(zhǎng)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(gè)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(cè)者。1992年9月發(fā)射的搭載火星軌道激光測(cè)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(cè)量了月球和近地小行星愛(ài)神星的距離。
全新火星軌道激光測(cè)高儀，是專(zhuān)門(mén)為較小的后續(xù)火星探測(cè)任務(wù)1996年發(fā)射的火星全球勘探者號(hào)制造的。這個(gè)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(cè)量火星從南極到北極的海拔，形成了太陽(yáng)系行星中最精確的全球地形圖。二極管泵浦、Q開(kāi)關(guān)、Nd：YAG激光器每秒鐘發(fā)射十個(gè)48mJ脈沖，每束脈沖持續(xù)8ns?？偣菜阆聛?lái)，它發(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(guó)宇航局發(fā)射了第一顆對(duì)地持續(xù)觀測(cè)星載激光雷達(dá)，地球科學(xué)激光測(cè)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(tái)1064nm波長(zhǎng)的Nd：YAG激光器，每臺(tái)機(jī)器連續(xù)運(yùn)作18個(gè)月，最初發(fā)射70mJ脈沖。然而，第一臺(tái)激光器只運(yùn)行了37天，第二臺(tái)激光器的輸出也迅速下降，所以美國(guó)宇航局轉(zhuǎn)移到一系列短程運(yùn)動(dòng)，從而允許觀察持續(xù)到2009年最后一臺(tái)激光器失效。測(cè)高儀達(dá)到了垂直分辨率接近75px，在監(jiān)測(cè)冰蓋變化方面是至關(guān)重要的，同時(shí)也收集了世界各地的森林高度數(shù)據(jù)。
未來(lái)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(guó)國(guó)家研究委員會(huì)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(cè)繪，繪制局部規(guī)劃的山體滑坡和洪澇災(zāi)害。也可以同時(shí)記錄土地地形和冠層結(jié)構(gòu)。
美國(guó)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(cè)器到達(dá)水星軌道，截至記者發(fā)稿時(shí)，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(wú)線電鏈路的受限速度產(chǎn)生了數(shù)據(jù)瓶頸。繼美國(guó)宇航局在2005年預(yù)算中計(jì)劃在2009年推出一款稱(chēng)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(gè)更簡(jiǎn)單的稱(chēng)為月球激光通信演示(LLCD)的測(cè)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(guó)宇航局光通信事業(yè)部總監(jiān)Donald Cornwell說(shuō)。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(guò)250px望遠(yuǎn)鏡發(fā)射0.5W的1550nm波段激光，一個(gè)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(cè)器(LADEE)(見(jiàn)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(cè)器。單個(gè)1550nm光子可以加熱4nm線足夠阻止超導(dǎo)，Cornwell說(shuō)“這一靈敏度是很驚人的，檢測(cè)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(wú)線鏈路的6倍，而發(fā)射器只有一半大。“我們?cè)陬^三天就完成了所有我們需要演示的內(nèi)容，在剩余的時(shí)間里我們只是運(yùn)行它。”Cornwell說(shuō)，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(wú)線鏈路快5000倍。“這一演示說(shuō)明該技術(shù)可以作為未來(lái)任務(wù)的主要通信系統(tǒng)”。
美國(guó)宇航局的下一個(gè)激光測(cè)試將以千兆比特的速率在一對(duì)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(gè)地面站有一對(duì)鏈路。初步計(jì)劃呼吁建立一個(gè)為期兩年的測(cè)試，但美國(guó)宇航局正在考慮2018發(fā)射長(zhǎng)達(dá)五年實(shí)驗(yàn)。
調(diào)制解調(diào)器模塊產(chǎn)生的光信號(hào)通過(guò)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(guó)宇航局采用類(lèi)似于LLCD激光技術(shù)將一個(gè)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(gè)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(cè)器100Mbit/s的時(shí)候地球6000萬(wàn)公里，超過(guò)250Mbit/s的火星3000萬(wàn)公里?？淀f爾說(shuō)，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(lái)，好奇號(hào)火星車(chē)已經(jīng)探測(cè)到火星土壤和巖石，通過(guò)一個(gè)稱(chēng)為ChemCam的儀器將30mJ激光脈沖持續(xù)5ns聚焦到一個(gè)亞毫米點(diǎn)上。它使用一個(gè)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(gè)位置我們發(fā)射30束脈沖，”洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Roger Wiens、Chem Cam的主要研究者說(shuō)，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(cè)量熱離子發(fā)射進(jìn)而識(shí)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(cè)和測(cè)量巖石中的梯度。”Wiens說(shuō)。
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(hào)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(chēng)“好奇號(hào)”發(fā)現(xiàn)的巖石形成于淡水湖泊底部。Wiens說(shuō)這是一個(gè)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(kāi)發(fā)了一款新型激光取樣系統(tǒng)稱(chēng)為Super Cam，選定在2014年7月飛行并于2020年進(jìn)行火星探測(cè)。
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(huì)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(shuō)，添加適當(dāng)成本的功能可以幫助火星探測(cè)器，例如識(shí)別最有趣的巖石樣品并在罐子緩存以便未來(lái)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(guó)航空航天局也遇到了一些問(wèn)題，如ICESat-1搭載激光器的意外短壽命導(dǎo)致高級(jí)地形激光測(cè)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(guó)航空航天局的最新設(shè)計(jì)要求一個(gè)倍頻釹釩酸釓(Nd-YVO4)MOPA，發(fā)射250～900μJ脈沖持續(xù)時(shí)間1.5ns，頻率10kHz。532nm輸出將被分成六個(gè)波束，排成三對(duì)，在整個(gè)壽命周期內(nèi)發(fā)射一萬(wàn)億個(gè)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(cè)系統(tǒng)遇到了問(wèn)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(méi)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(cè)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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