地月空間激光測(cè)距中的光學(xué)元件技術(shù)解析
2025年4月23日，中國(guó)科學(xué)院“地月空間DRO探索研究”專項(xiàng)通過DRO-A衛(wèi)星單角錐反射器與1.2米口徑地面望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)35萬公里地月距離尺度的激光測(cè)距。這一突破標(biāo)志著我國(guó)在深空光學(xué)探測(cè)領(lǐng)域達(dá)到取得先進(jìn)性成就，其核心技術(shù)涉及星載反射器與地面望遠(yuǎn)鏡的精密光學(xué)元件設(shè)計(jì)。
（圖源網(wǎng)絡(luò)，侵刪）
一、星載單角錐反射器的光學(xué)設(shè)計(jì)與工藝
（一）光學(xué)元件類型與波段參數(shù)
星載反射器采用大口徑單角錐棱鏡設(shè)計(jì)，由三個(gè)相互垂直的全反射面構(gòu)成。其核心功能是將入射激光沿原路徑高效反射回地面，形成閉環(huán)測(cè)距鏈路。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，該反射器的光學(xué)性能參數(shù)可能涉及如下：
- 工作波段：適配1550nm近紅外激光，這一波長(zhǎng)選擇基于以下考量：
1. 大氣傳輸損耗低：1550nm處于近紅外窗口，大氣散射和吸收較弱，適合長(zhǎng)距離傳輸。
2. 人眼安全閾值高：相較于常見的1064nm激光，1550nm對(duì)人眼的損傷閾值更高，可允許更高功率輸出。
3. 探測(cè)器靈敏度高：?jiǎn)喂庾友┍蓝O管（SPAD）在1550nm波段具有較高的量子效率，可實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)探測(cè)。
- 反射效率：通過優(yōu)化二面角精度和表面鍍膜，反射器的單程反射效率超過95%，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)陣列式反射器。
（單角錐激光角反射器-圖源網(wǎng)絡(luò)，侵刪）
（二）關(guān)鍵制作工藝
1. 微弧度級(jí)二面角控制
反射器三個(gè)反射面的夾角精度需控制在0.1微弧度以內(nèi)（相當(dāng)于1公里外看頭發(fā)絲的角度）。采用離子束拋光技術(shù)（Ion Beam Figuring, IBF）實(shí)現(xiàn)超精密表面加工：
- 首先通過計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）研磨形成初始面形，表面粗糙度控制在納米級(jí)。
- 隨后利用離子束濺射（IBS）進(jìn)行納米級(jí)材料去除，通過動(dòng)態(tài)駐留時(shí)間算法補(bǔ)償面形誤差，最終實(shí)現(xiàn)二面角精度優(yōu)于0.1微弧度。
- 采用激光干涉儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)面形變化，閉環(huán)調(diào)整加工參數(shù)。
DRO-A衛(wèi)星激光測(cè)距回波信號(hào)截圖
2. 低溫差鏡體熱控技術(shù)
反射器在太空環(huán)境中需承受-180℃至150℃的極端溫差，導(dǎo)致材料熱變形可能引入光學(xué)誤差。通過以下技術(shù)解決：
- 材料選型：采用熔融石英作為基底材料，其熱膨脹系數(shù)（CTE）僅為0.03×10^-6/℃，比普通光學(xué)玻璃低一個(gè)數(shù)量級(jí)。
- 表面鍍膜：在反射面鍍制金剛石薄膜，其熱導(dǎo)率高達(dá)2000 W/m·K，可快速均勻化溫度分布，將鏡體溫差控制在±2℃以內(nèi)。
- 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：采用蜂窩輕量化結(jié)構(gòu)，降低熱容量并增強(qiáng)抗變形能力，同時(shí)通過輻射遮擋層減少太陽輻照的影響。
3. 速差匹配遠(yuǎn)場(chǎng)衍射設(shè)計(jì)
為補(bǔ)償衛(wèi)星軌道運(yùn)動(dòng)帶來的光行差效應(yīng)（約0.1毫弧度），反射器的遠(yuǎn)場(chǎng)衍射光斑需與地面望遠(yuǎn)鏡接收口徑精確匹配：
- 利用Zemax光學(xué)設(shè)計(jì)軟件模擬不同入射角下的衍射圖案，優(yōu)化反射面曲率半徑和邊緣修形，使35萬公里外的光斑直徑壓縮至1.2米望遠(yuǎn)鏡的接收視場(chǎng)內(nèi)。
- 采用二元光學(xué)元件（DOE）對(duì)激光波前進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償，消除衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的相位畸變。
二、地面望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)系統(tǒng)與工藝
（一）光學(xué)元件類型與波段參數(shù)
云南天文臺(tái)的1.2米口徑望遠(yuǎn)鏡采用卡塞格林光學(xué)結(jié)構(gòu)，其關(guān)鍵光學(xué)元件可能包括：
- 主反射鏡：直徑1.2米，材料為ULE超低膨脹玻璃（CTE≈0.003×10^-6/℃），表面鍍制銀膜，在1550nm波段反射率超過99%。
- 次反射鏡：直徑200mm，采用碳化硅材料，輕量化設(shè)計(jì)（密度3.2g/cm3），表面鍍制多層介質(zhì)膜，實(shí)現(xiàn)對(duì)1550nm激光的高反射和可見光的高透射。
- 濾光片：采用窄帶通濾光片，中心波長(zhǎng)1550nm，半高寬（FWHM）20nm，抑制背景光干擾。
（二）關(guān)鍵制作工藝
1. 大口徑鏡面加工
主反射鏡的制造流程如下：
- 熔融成型：將高純度石英砂在2000℃熔融后澆鑄成預(yù)制坯，冷卻后進(jìn)行粗磨。
- 精密研磨：采用磁流變拋光（MRF）技術(shù)，使用納米級(jí)拋光液實(shí)現(xiàn)表面粗糙度Ra<0.5nm。
- 主動(dòng)光學(xué)補(bǔ)償：通過36個(gè)促動(dòng)器實(shí)時(shí)調(diào)整鏡面曲率，補(bǔ)償重力和溫度引起的變形，確保光學(xué)面形精度達(dá)到λ/20（λ=632.8nm）。
2. 高精度指向控制
望遠(yuǎn)鏡的指向精度需達(dá)到0.5角秒（相當(dāng)于10公里外瞄準(zhǔn)硬幣），通過以下技術(shù)實(shí)現(xiàn)：
- 六自由度支撐系統(tǒng)：采用空氣軸承和柔性鉸鏈，消除機(jī)械摩擦引起的抖動(dòng)，指向重復(fù)性誤差<0.1角秒。
- 星敏感器輔助：配備高精度星敏感器（精度0.01角秒），實(shí)時(shí)修正望遠(yuǎn)鏡姿態(tài)，補(bǔ)償?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)和大氣折射的影響。
3. 極微弱信號(hào)探測(cè)
針對(duì)反射回波僅含數(shù)十個(gè)光子的挑戰(zhàn)，接收系統(tǒng)采用：
- 單光子雪崩二極管（SPAD）：量子效率在1550nm波段超過30%，暗計(jì)數(shù)率<100cps，可探測(cè)單個(gè)光子的能量（約1.28×10^-19焦耳）。
- 時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)（TCSPC）：將激光飛行時(shí)間的測(cè)量誤差控制在50皮秒以內(nèi)，對(duì)應(yīng)距離誤差7.5毫米。
三、技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用前景
（一）核心技術(shù)突破
1. 輕量化設(shè)計(jì)：?jiǎn)谓清F反射器重量?jī)H1.3公斤，較阿波羅月球反射器（23.6公斤）減重94%，同時(shí)保持同等反射能力。
2. 白晝測(cè)距能力：通過速差匹配設(shè)計(jì)和高靈敏度探測(cè)，首次實(shí)現(xiàn)地月距離尺度的白晝激光測(cè)距，觀測(cè)窗口從夜間擴(kuò)展至全時(shí)段。
3. 全鏈路自主化：從反射器研制到地面系統(tǒng)集成，關(guān)鍵技術(shù)均實(shí)現(xiàn)自主可控，突破國(guó)外技術(shù)封鎖。
（二）深空探測(cè)應(yīng)用
1. 高精度定軌：測(cè)距精度達(dá)厘米級(jí)，可支持月球探測(cè)器的精確著陸和小行星采樣任務(wù)。
2. 引力物理研究：通過長(zhǎng)期觀測(cè)地月距離變化，驗(yàn)證廣義相對(duì)論和探測(cè)引力波背景。
3. 空間碎片監(jiān)測(cè)：對(duì)直徑10厘米以上的太空碎片實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤，測(cè)距精度15厘米，為航天安全提供保障。
（三）產(chǎn)業(yè)技術(shù)輻射
1. 光學(xué)加工：離子束拋光、磁流變拋光等技術(shù)可應(yīng)用于半導(dǎo)體光刻物鏡、天文望遠(yuǎn)鏡等領(lǐng)域。
2. 探測(cè)器技術(shù)：?jiǎn)喂庾犹綔y(cè)和TCSPC技術(shù)可拓展至量子通信、生物熒光成像等場(chǎng)景。
3. 熱控材料：金剛石鍍膜和ULE玻璃的應(yīng)用為高功率激光器件、航空航天結(jié)構(gòu)件提供解決方案。
總的來說，地月激光測(cè)距試驗(yàn)的成功，標(biāo)志著我國(guó)在超精密光學(xué)元件設(shè)計(jì)、極微弱信號(hào)探測(cè)和復(fù)雜環(huán)境熱控等領(lǐng)域達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。隨著后續(xù)更多天文臺(tái)站的加入和技術(shù)優(yōu)化，該系統(tǒng)將為我國(guó)深空探測(cè)、基礎(chǔ)物理研究和空間安全保障提供關(guān)鍵支撐，同時(shí)推動(dòng)光學(xué)制造、探測(cè)器技術(shù)等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展。未來，這一地月“激光標(biāo)尺”有望進(jìn)一步延伸至火星、小行星等更遠(yuǎn)深空目標(biāo)，為人類探索宇宙奧秘開辟新路徑。